GIS綜合評價模型在地質災害詳細調查中的應用

李再興,丁麗,徐偉,楊楊

(河南省地質礦產勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州　450006)

?

GIS綜合評價模型在地質災害詳細調查中的應用

李再興,丁麗,徐偉,楊楊

(河南省地質礦產勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州450006)

摘要：以河南省登封市地質災害調查為例，在分析地質環(huán)境條件的基礎上，總結地質災害發(fā)育特征，確定易發(fā)性分區(qū)評價指標，并運用GIS綜合評價模型分析計算，得出的分區(qū)結果與實際吻合較好。通過對GIS綜合評價模型的研究，可為大區(qū)域內地質災害易發(fā)性評價提供參考。

關鍵詞：綜合評價模型；地質災害；易發(fā)性分區(qū)

河南省自2010年開展地質災害詳查以來，已經有30多個縣市開展了此項工作。地質災害易發(fā)性分區(qū)是地質災害詳查工作中的一個重要的環(huán)節(jié)，對一個縣市地質災害易發(fā)性程度評價與分區(qū)正確與否，關系到國土部門的防災決策、城市發(fā)展等相關規(guī)劃的制定，影響較大。

目前地質災害易發(fā)性分區(qū)的技術方法與模型[1]較多，大致為推理模型[2-3]、統(tǒng)計模型[4-5]，以及確定性模型方法。其中，確定性模型往往局限于小流域內的地質災害易發(fā)性評價[6]，但隨著計算機技術的快速發(fā)展，確定性方法也越來越多地被應用于地質災害穩(wěn)定性評價方面的研究[1]，再借助GIS強大的空間數據管理和空間分析功能，逐漸拓展到研究大區(qū)域內地質災害易發(fā)性狀況。霍艾迪[1]提出了一個基于數字高程模型(DEM)的黃土殘塬區(qū)地質災害易發(fā)性評價劃分方法，可以實現大范圍自然邊坡地質災害有效、定量評價。本方法采用一個基于GIS的水文分析模型來自動完成易發(fā)性評價單元的劃分，簡便易行。其中，定量計算過程需考慮易發(fā)性評價指標及其權重的選取，分析統(tǒng)計各指標對評價單元的貢獻值，進而對大區(qū)域易發(fā)性分區(qū)。此過程本文概括為GIS綜合評價模型。

本文以登封市1∶5萬地質災害詳查為例，探討為GIS綜合評價模型在大區(qū)域丘陵山區(qū)地質災害易發(fā)性分區(qū)中的應用。

1GIS綜合評價模型

GIS綜合評價模型對地質災害易發(fā)性分區(qū)評價的主要思路是通過GIS軟件按照一定的原則處理分析一定尺度范圍內影響地質災害發(fā)生的各種指標數據的分值和，比較和值的大小來劃分地質災害易發(fā)區(qū)間。

模型計算公式為：

(1)

式中,F為地質災害易發(fā)程度貢獻分值；Fi為評價因子i單項貢獻分值；Wi為評價因子權重。

2研究區(qū)背景

登封市位于河南省中西部，南部和北部為中低山地貌，中部為侵蝕崗地及堆積河谷地貌。海拔高度在228～1 512 m之間，最高處為嵩山玉寨山1 512.4 m。境內有大小河流15條，最大河流為發(fā)源于西部和北部山區(qū)的潁河，長57 km，自西向東流入禹縣境內。調查區(qū)屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)的嵩箕小區(qū)，除志留、泥盆及侏羅系缺失外，自太古界至新生界均有出露。

調查區(qū)經過多期次構造運動(如嵩陽運動、中岳運動等)，不同期次、不同方向的構造疊加與改造，致使區(qū)內構造形態(tài)異常復雜，有南北向構造、東西向構造、北西向構造和北東向構造，對登封市的地質災害影響較大。登封市境內不僅地質歷史獨特，還有聞名世界的嵩山地質公園，而且文化歷史底蘊豐厚，嵩山古建筑群的獨特價值在中華文明乃至人類文明發(fā)展史上具有不可替代的價值。在此區(qū)進行地質災害詳細調查，意義重大。

登封市地質災害較發(fā)育，經野外實地調查發(fā)現，已經造成財產損失或人員傷亡的地質災害點共194個，通過資料收集和實地調查確認各類地質災害隱患點289個，其中一部分為已經發(fā)生有可能再次復活、危及人身或財產安全的災害點194個；一部分為以往未造成任何損失或人員傷亡的(不良地質現象點)，但未來有可能危及人身或財產安全的災害點共95個。主要的隱患類型有崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷四大類，分布于調查區(qū)南、北丘陵山區(qū)、東部開礦集中區(qū)以及中部沖溝發(fā)育地帶，降雨以及人類活動對其影響較大。

調查區(qū)地質災害隱患以滑坡及崩塌為主，占災害隱患點總數的84.08%，多為中小型地質災害，分布于調查區(qū)北部、南部中低山區(qū)以及中部黃土狀土沖溝兩側。

3應用研究

3.1評價指標的建立

地質災害易發(fā)程度區(qū)劃側重的是滑坡、崩塌等地質災害和自然地質現象(指未造成任何損失的崩塌、滑坡等)發(fā)育的數量多少及其活躍程度，評價指標包括已有地質災害群體統(tǒng)計和地質災害形成條件兩大類[7]。已有地質災害群體評價指標本次是考慮地質災害發(fā)生的數量，即采用本次實地調查的災點資料作為樣本來計算單元內地質災害的點密度。

地質災害形成條件諸多，包括地形地貌、地質構造、溝谷坡向、坡度、坡高，坡體工程地質性質、水文地質條件、植被發(fā)育情況等。本次地質災害易發(fā)性評價選取坡度、坡高、坡型、巖土結構、植被指數、降雨指標及人類工程活動等7項主要因素作為評價易發(fā)性指標。

3.2評價指標權重的確定

在地質災害形成條件分析的基礎上，結合前人研究成果，采用專家打分法確定了調查區(qū)地質災害易發(fā)程度區(qū)劃中各個指標的權重(表1)。

表1　地質災害評價指標權重分配

3.3評價指標的量化

評價指標確定以后，就需要考慮各指標的取值以及數據處理問題。取值依據指標的性質有所區(qū)別：對于定量指標，如斜坡的坡度、坡高、降雨量等，取其原始觀測值，并作適當的數值處理即可；對于定性指標，如坡型、巖土體等，需要建立一個評價指標的分級劃分標準，根據各項指標對不同級別的相對貢獻來取值[7]。數據來源于1∶5 萬比例尺調查區(qū)數字地形圖和地質災害詳細調查數據。各種災害數據利用GIS歸一化處理后將其進行網格化，然后疊加計算總貢獻值。

3.3.1災點密度

計算評價單元內已有地質災害點的點密度，是為了客觀反映不同地段災害的易發(fā)程度，統(tǒng)計樣本包含實際調查的全部已有災害點和不良地質現象點。

3.3.2坡度指標

利用GIS從DEM數據中分別提取調查區(qū)的坡度信息，然后進行歸一化。據黃陵報告[7]和實地調查數據，本分區(qū)將40°以上斜坡的易發(fā)程度定義為1， 10°以下斜坡易發(fā)程度定義為0°； 10°～40°之間的斜坡的易發(fā)程度，按照不同坡度區(qū)間滑坡和崩塌自然地質現象發(fā)生的概率，進行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.3坡高指標

利用GIS從DEM數據中分別提取調查區(qū)的坡高信息，然后進行歸一化。本次將90 m以上斜坡的易發(fā)程度定義為1，而將0～90 m之間斜坡的易發(fā)程度進行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.4坡型指標

參考黃陵報告[7]，利用ArcGIS平臺從DEM數據中分別提取調查區(qū)的地表曲率信息，然后進行斜坡坡型的歸一化。當曲率<0時，坡面為凹型或階梯型，易發(fā)程度最低；當曲率>0時，坡面為直線形和凸型，易發(fā)程度較高。坡型指標是按照地表的曲率的大小進行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.5巖土體結構指標

本次按照調查區(qū)不同巖土體結構、類型及其發(fā)生地質災害概率，分析巖土體結構對滑坡、崩塌易發(fā)程度的影響進行0～1之間歸一化處理。

3.3.6植被指數指標

采用調查區(qū)的2001年時相的ETM遙感數據，利用歸一化植被指數公式計算植被指數。即(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。在統(tǒng)計分析前將該數據重新采樣成25 m×25 m的柵格單元。

3.3.7降雨指標

根據調查區(qū)的降雨特性，以暴雨等值線圖為基準，將降雨對地質災害危險程度的影響進行0～1之間歸一化插值處理。

3.3.8人類工程活動指標

本次人類工程活動的量化是以公路、鐵路和中小村鎮(zhèn)建設范圍為基準線，向兩邊做緩沖區(qū)，再經柵格化和歸一化處理。

3.4計算單元的剖分

本次研究針對調查區(qū)1∶5萬比例尺DEM，利用GIS以幼年期溝谷中的三級支流坳溝、沖溝，采用水文解析的方法將沖溝劃分為1 667個單元，通過GIS軟件的柵格矢量轉換功能，得到斜坡面域。將其與02C遙感數據進行疊加，得出單元之間的土地特征差異性明顯，單元內部的易發(fā)性評價指標參數特征相似。

3.5易發(fā)性分區(qū)

首先計算各評價單元評價指標的歸一化值，其坡度、坡高、坡型、巖土結構、植被指數、降雨指標和人類工程活動歸一化值及對應權重，權重值見表1。然后根據公式(1)計算該評價單元地質災害貢獻值。

本次采用突變點法確定易發(fā)程度分區(qū)界線值，將區(qū)域劃分為低易發(fā)、中易發(fā)和高易發(fā)3個不同等級的區(qū)域(圖1)。其對應的貢獻值區(qū)間分別為14～33、33～40、40～74。

圖1　地質災害易發(fā)區(qū)與災害隱患點分布對比圖

4結論與討論

4.1結論

(1) 將調查區(qū)詳細調查結果根據其經緯度與定量評價結果進行空間疊加分析，分析結果如圖1所示。從圖可以看出，實測地質災害隱患點絕大多數都分布在中、高區(qū)域。由此可見，實際調查結果與定量分析所得結果吻合較好。故采用GIS綜合評價模型在大區(qū)域丘陵山區(qū)進行地質災害易發(fā)性分區(qū)是可行的。

(2) 采用GIS綜合評價模型，要全面分析調查區(qū)地質環(huán)境條件、地質災害發(fā)育特征，才能保證評價指標選擇的合理性和基礎參數的準確性。

(3) 采用模型進行歸一化計算時，對于評價指標中定性指標，分級劃分標準需結合實際，如巖土體指標結合巖土體結構、類型及發(fā)生災害的頻率來劃分，較為合理。

(4) 當實際調查災害點數量較多，可不采用遙感解譯中未核查的災害點來作為計算災害密度的樣本數，以便災害密度指標更為可靠。

4.2討論

(1) 評價指標的權重大小影響著貢獻值的大小，進而影響易發(fā)性分區(qū)，其應結合調查區(qū)實際，采用合理的取值方法。

(2) 野外調查為本次評價模型提供基礎數據，故在野外調查期間，要準確記錄地質災害點各類參數，如坡型、坡高、坡度等，總結地質災害發(fā)生規(guī)律，為易發(fā)性分區(qū)奠定基礎。

(3) 本文參與災點密度計算的不良地質現象點為具有地質災害隱患的點，建議不具有地質災害隱患的點亦可以參與災點密度計算，作為易發(fā)性分區(qū)的樣本點，旨在分析調查區(qū)易發(fā)性程度。

(4) 人類工程活動對滑坡、崩塌的形成發(fā)育的影響是極為復雜的，如何定量化反映是個難題[7]。本次選取了貫穿或覆蓋全區(qū)的公路、鐵路、山區(qū)的中小村鎮(zhèn)建設為代表性的人類活動進行量化，效果較好。

參考文獻

[1]霍艾迪，張駿,等.地質災害易發(fā)性評價單元劃分方法——以陜西省黃陵縣為例[J].吉林大學學報(地球科學版),2011,41(2):523-535．

[2]Anbalagan R. Landslide hazard eval- uation and zonation mapping in mountainous terrain[J].Engineering Geology ,1992,32(4):269-277.

[3]Ramos Scharron C,MachDonald L．Measurement and prediction of sediment pro duction from unpaved roads,St John,US Virgin Islands [J].Earth Surface Processes and Landforms,2005,30(10):1283-1304.

[4]Carrara A,Cardinali M,Detti R,et al.．GIS techniques and statistical models in evaluating landslide hazard [J].Earth Surf Processes Landforms,1991,16(5):427-445.

[5]Wang S,Unwin D.Modelling landslide distribution on loess soils in China:an investigation[J].Int J GeogrInf Syst,1992,6(5):391-405.

[6]李軍,周成虎.基于柵格GIS滑坡風險評價方法中格網大小選取分析[J].遙感學報,2003,7(2):86-92.

[7]張駿,盧玉東,成玉祥，等.陜西省延安市黃陵縣地質災害詳細調查報告[R].西安:中國地質調查局西安地質調查中心,長安大學工程設計研究院.2010.

APPLICATION OF GIS COMPREHENSIVE EVALUATION MODEL IN DETAILED INVESTIGATION OF GEOLOGICAL HZARDS

LI Zai-xing,DING Li,XU Wei,YANG Yang

(Institute Of Surveying Mapping and Geoinformation of Henan,Zhengzhou450006,China)

Abstract:A case study of Investigation of Geological Hzards of Dengfeng county of Henan province,base on the analysis of geological environment conditions, summarizes the development features of geological disasters,determines the evaluation indicators, using GIS comprehensive evaluation model to analyze and calculate,and thus the reasonable prone degree partition map are obtained.The results of the reseach provide some certain referential for geo-hazard susceptibility in large area,by studying GIS comprehensive evaluation model.

Key words：comprehensive evaluation model； geological hazards； zonation of susceptibility

作者簡介：李再興(1981-)，男，漢族，安徽安慶人，碩士，河南省地質礦產勘查開發(fā)局測繪地理信息院工程師，從事工程地質、水文地質與環(huán)境地質的勘測與研究工作。E-mail:95233784@qq.com

中圖分類號：X43

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-10-16改回日期：2015-12-20

文章編號：1006-4362(2016)01-0070-04

項目來源：河南省2013年度1∶5萬地質災害調查項目(執(zhí)行項目編號：19)