三峽庫首區(qū)滑坡空間分布特征分析及危險性評價

李　雪　李井岡　劉小利　王秋良

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

三峽庫首區(qū)滑坡空間分布特征分析及危險性評價

李雪1李井岡1劉小利1王秋良1

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

摘要：采用遙感和GIS技術(shù)從宏觀上對三峽庫首區(qū)三峽工程二期、三期治理滑坡和新增滑坡的空間分布與地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造、水系流域和人為影響等因素的相關(guān)程度進(jìn)行分析，獲取孕災(zāi)環(huán)境特征規(guī)則，并對其危險性進(jìn)行評價。結(jié)果表明，地形因子中的高程、坡向和高程變異系數(shù)與滑坡的相關(guān)性較高；研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造對滑坡發(fā)育的控制作用不明顯；研究區(qū)滑坡體的空間分布受到不同因子組合的約束，可根據(jù)不同因子組合約束的權(quán)重對研究區(qū)滑坡危險性進(jìn)行評價。

關(guān)鍵詞：三峽水庫；遙感；空間分布；相關(guān)性；滑坡危險性分析

三峽工程建設(shè)以來，地質(zhì)災(zāi)害隱患點明顯增多，地質(zhì)災(zāi)害險情發(fā)生頻繁。雖然通過二期、三期地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測預(yù)警工程[1-3]，已治理滑坡的危害性大為降低，但滑坡體所處位置仍具備孕災(zāi)特征，必須對二期、三期治理滑坡和新增滑坡進(jìn)行長期監(jiān)測，并根據(jù)情況開展防治預(yù)警工作。

當(dāng)前滑坡災(zāi)害防治監(jiān)測預(yù)警的主要方法有GPS監(jiān)測、地下水監(jiān)測、滑坡深部位移監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等[4]。盡管專業(yè)監(jiān)測的精度更高、更準(zhǔn)確，但成本高昂，難以大范圍開展。而結(jié)合遙感與GIS空間分析方法可以有效提取孕育滑坡的環(huán)境因子，并對滑坡的危險性進(jìn)行評價，為滑坡監(jiān)測預(yù)警提供有力支持[5]。

1方法技術(shù)

1.1滑坡空間分布分析的技術(shù)流程

利用遙感和GIS中的特征提取和空間分析技術(shù)，從宏觀上對滑坡體的空間分布特征進(jìn)行分析，并對滑坡體與地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造、水系流域和人為影響等因素的相關(guān)性進(jìn)行分析。通過對孕育滑坡的環(huán)境影響因素的定量分析，提取特征因子并確定因子與滑坡之間的相關(guān)性。再對相關(guān)因子進(jìn)行模式分析，獲取孕育滑坡的環(huán)境規(guī)則，最后根據(jù)規(guī)則對不同區(qū)域的滑坡易發(fā)性進(jìn)行分級，評價研究區(qū)滑坡危險性?；驴臻g分布分析的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1　滑坡空間分布分析技術(shù)流程Fig.1　Flow chart of landslide spatial distribution analysis

1.2研究區(qū)域概況

研究區(qū)域(110.4°～110.9°E，30.8°～31.1°N)位于三峽庫首區(qū)秭歸至巴東段，面積約1 600 km2，地貌類型以侵蝕溶蝕與侵蝕剝蝕型為主，區(qū)內(nèi)地層出露齊全，發(fā)育良好，除缺失泥盆系下統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、白堊系的一部分和第三系外，自前震旦系至第四系均有出露[6]。研究區(qū)以長江為骨干，組成樹枝狀水文網(wǎng)，江河水量充沛[7]。

搜集研究區(qū)內(nèi)三峽工程二期搬遷避讓、監(jiān)測預(yù)警和治理滑坡41處，三期搬遷避讓、監(jiān)測預(yù)警和治理滑坡20處，新增滑坡16處，共計77處。其中47處滑坡體前緣低于145 m，19處滑坡體前緣介于145～175 m，11處滑坡體前緣高于175 m，所有滑坡體后緣均高于175 m。

用于提取滑坡體特征因子的輔助數(shù)據(jù)包括具有30 m多光譜和15 m全色分辨率的Landsat ETM遙感影像，具有20 m垂直精度、30 m水平精度的ASTER GDEM數(shù)字高程模型，以及研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。結(jié)合遙感影像和湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局測制的1∶20萬地質(zhì)圖(巴東幅)，獲得研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖(圖2)。

圖2　研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.2　Geological sketch map of the studied area

2滑坡分布因子分析

2.1滑坡因子概率分析

地形因素是孕育滑坡的重要影響因素。利用數(shù)字高程模型(DEM)可以提取滑坡體的高程、坡度、坡向等地形因子[8]，通過對地形因子的統(tǒng)計分析，可以獲取滑坡發(fā)生的地形特征。然而，并不是所有地形因子對滑坡孕育的影響都同等重要。王秋良[9]對北川地區(qū)地震觸發(fā)滑坡災(zāi)害的地形因子分析后認(rèn)為，坡度、坡度變率和地形起伏度等地形因子對該區(qū)域影響較大。夏金梧[10]對長江上游地區(qū)滑坡分布特征分析后認(rèn)為，坡度和地表切割深度等地形因子對滑坡孕育的影響最大。

本文根據(jù)滑坡目錄提取了77處滑坡點的12種地形因子，分別為高程、高程變異系數(shù)、坡度、坡度變率、坡向、坡向變率、坡形、地表切割深度、地形起伏度、地面粗糙度、平面曲率、剖面曲率。為檢驗這些地形因子與滑坡的相關(guān)程度，在研究區(qū)隨機(jī)選取100處非滑坡點，并提取其地形因子，分別比較滑坡點和隨機(jī)點12種地形因子直方圖曲線的相似度發(fā)現(xiàn)，除高程、坡向和高程變異系數(shù)3項地形因子差別較大外，其他9項地形因子在滑坡點與隨機(jī)點的直方圖曲線十分相似。這表明，高程、坡向和高程變異系數(shù)相比于其他9項地形因子，與滑坡發(fā)生的相關(guān)性更高。因此，本文選擇高程、坡向和高程變異系數(shù)作為后續(xù)滑坡因子分析的地形因子。

2.2滑坡因子貢獻(xiàn)分析

滑坡的孕育與發(fā)生除跟地形因子有關(guān)外，還與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水系流域等自然環(huán)境和人為影響等社會環(huán)境有關(guān)[11]，不同類型影響因子對滑坡分布的貢獻(xiàn)各不相同[12-14]。因此，我們選擇的滑坡因子除地形因子外，還包括地層巖性因子、斷裂構(gòu)造因子、水系流域因子和人為影響因子。其中地層巖性因子為地質(zhì)構(gòu)造略圖(圖2)中的12種主要地層時代和巖性；斷裂構(gòu)造因子為滑坡點距最近斷裂構(gòu)造的距離；水系流域因子為滑坡點距最近河流、水系的距離；人為影響因子為滑坡點距最近居民點的距離。

本文采用決策樹分析中的信息增益率計算不同影響因子對滑坡分布分析的貢獻(xiàn):

(1)

其中，A為樣本的特征空間；S為樣本隨機(jī)變量；H(S)與H(A)為信息熵函數(shù)，用于衡量隨機(jī)變量S和A中的信息量；H(S|A)為條件熵函數(shù)，表示當(dāng)A取值已知時隨機(jī)變量S的不確定性程度(信息量)。采用決策樹算法進(jìn)行分析時，每次計算子節(jié)點劃分閾值時都取A0，使得當(dāng)前狀況下GainRatio(S,A0)的值為最大。假設(shè)樣本的某一特征在決策樹分析中被作為節(jié)點計算了m次，則該特征的貢獻(xiàn)度為：

Contribution(Ai)=

(2)

本文利用77處滑坡點的特征因子作為正例，100處隨機(jī)點的特征因子作為反例，代入C5.0決策樹算法，對不同特征因子在滑坡分析中的貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析，獲得如圖3所示的因子貢獻(xiàn)分析決策樹。生成的決策樹具有16個節(jié)點和19個葉子節(jié)點，正例判別正確率97.4%，反例判別正確率100%，總體精度98.9%。

3區(qū)域滑坡危險性分析

根據(jù)滑坡因子貢獻(xiàn)分析獲得的決策樹，可以提取出滑坡分布規(guī)則。從決策樹的根節(jié)點出發(fā)，沿子節(jié)點到達(dá)判別為滑坡的葉子節(jié)點，路徑上所有節(jié)點判別條件的集合為一條規(guī)則。從圖3可知，決策樹共存在11個判別為滑坡的葉子節(jié)點，故存在11條滑坡分布規(guī)則。對每條規(guī)則路徑上的條件進(jìn)行整理、歸并后獲得如表1所示的滑坡分布規(guī)則。利用滑坡分布規(guī)則對研究區(qū)范圍內(nèi)的滑坡因子進(jìn)行判別分析，可以得到滿足滑坡分布規(guī)則的二值化圖像。圖4為11條滑坡分布規(guī)則及其疊加后的判別結(jié)果，圖中黑色為滑坡危險區(qū)，白色為非危險區(qū)。由圖可見，不同規(guī)則判別出的危險區(qū)范圍各不相同，這是由于決策樹算法具有判別的唯一性，即一個樣本對應(yīng)唯一的葉子節(jié)點。將11條規(guī)則判別出的危險區(qū)疊加后，即獲得規(guī)則疊加分析結(jié)果。

圖3　滑坡因子貢獻(xiàn)分析決策樹Fig.3　Decision tree of landslide factors contribution analysis

規(guī)則編號規(guī)則條件GCDCBYXSWDPXRD1(515,613]2<=0.0086>752(515,613]2<=753<=364{3,4,8,9,10,12}4<=3642<=0.04765<=3642>0.0476<=41956<=3642>0.0476>208>41957(364,515]{8,11}<=11748(364,515]3<=1174>1549(497,515]3<=1174<=15410(364,515]2<=1174>7411(464,515]2<=1174<=74

圖4　滑坡規(guī)則危險性判別結(jié)果Fig.4　Results of landslide risk identification

由于判別規(guī)則生成的結(jié)果為0/1影像，沒有滑坡危險程度區(qū)分。本文對11條規(guī)則判別的滑坡危險區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算了不同判別規(guī)則下滑坡數(shù)量比值(R1)和滑坡面積比值(R2)。根據(jù)兩種比值計算不同規(guī)則判別出的危險區(qū)的權(quán)重(R)：

(3)

其中，函數(shù)N(x)=(x-min(x))/(max(x)-min(x))為歸一化函數(shù)，歸一區(qū)間為[0,1]。11條規(guī)則判別的滑坡危險區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和其相應(yīng)權(quán)重如表2所示。

表2　滑坡危險區(qū)統(tǒng)計

根據(jù)滑坡規(guī)則判別危險區(qū)的權(quán)重值。將滑坡規(guī)則的危險等級由高到低劃分為5級：規(guī)則4判別的滑坡區(qū)危險性等級最高，面積約為89.1 km2，主要分布于香溪河右岸，涼臺河、童莊河兩側(cè)，鑼鼓洞河兩河口鎮(zhèn)至長江干流段兩側(cè)以及長江干流北岸零星分布；規(guī)則3判別的滑坡區(qū)危險性等級次之，面積約為130.2 km2，主要分布于板橋河、青干河兩側(cè)，香溪河左岸，以及長江干流兩側(cè)等區(qū)域；規(guī)則{5,9,10,11}和規(guī)則{1,2,6,7,8}判別的滑坡區(qū)危險性等級相對較小，面積分別為89.1 km2和61.4 km2；規(guī)則判別以外的區(qū)域滑坡危險性極低，面積約1 257.2 km2。研究區(qū)不同等級滑坡危險區(qū)分布如圖5所示。

圖5　研究區(qū)滑坡危險性分析結(jié)果Fig.5　Result of landslide risk analysis

4結(jié)語

1)研究區(qū)地形因子中，高程、坡向和高程變異系數(shù)與滑坡體分布的相關(guān)性較高，而坡度、地形起伏度等其余9項因子的概率分布與研究區(qū)隨機(jī)點的概率分布一致，說明其與滑坡體分布的相關(guān)性較?。?/p>

2)經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘模式分析，研究區(qū)內(nèi)滑坡的空間分布具有11條規(guī)則，其中規(guī)則4對應(yīng)的區(qū)域滑坡危險性最高，主要分布于香溪河右岸、涼臺河及童莊河兩側(cè)，鑼鼓洞河兩河口鎮(zhèn)至長江干流段兩側(cè)以及長江干流北岸零星分布。

本文方法給出的滑坡危險性評價為基于孕育滑坡環(huán)境因素的靜態(tài)評價，如引入地震動對滑坡體影響的地震因子和消落區(qū)水位變化因子，則可對滑坡危險性進(jìn)行動態(tài)評價。

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Foundation support:Director Fund of the Institute of Seismology, CEA, No. IS201116002, IS201056076；National Natural Science Foundation of China,No.41572354.

About the first author:LI Xue, associate professor, majors in remote sensing information extraction and application of remote sensing for disaster reduction, E-mail：leexue1211@126.com.

The Spatial Distribution Characteristics and Risk Assessment of Landslides in the Head Region of the Three Gorges Reservoir

LIXue1LIJinggang1LIUXiaoli1WANGQiuliang1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Abstract:The risk of landslides, which have been treated in phase Ⅱ and Ⅲ of the Three Gorges project, are increasing because of the cyclical loading and unloading of the Three Gorges reservoir. The reactivated landslides and new landslides would threaten people’s lives and the safety of property. In order to mitigate the risk, remote sensing (RS) and geographic information systems (GIS) technology are used to study the correlation between the distribution of landslides and other factors, such as topography, lithology, faults, water basins and anthropogenic influences. The results show that the elevation, aspect and elevation variation coefficient in topography have higher correlation with the landslides. Moreover, faults have no obvious effect on the quantity of landslides. The spatial distribution of the landslides in the study area is restricted by the combinations of factors. According to the weights of these restrictions, a risk assessment of landslides is carried out.

Key words:Three Gorges reservoir; remote sensing; correlation; spatial distribution; landslide risk analysis

收稿日期：2015-05-07

第一作者簡介：李雪，副研究員，主要從事遙感信息提取、遙感減災(zāi)應(yīng)用研究，E-mail：leexue1211@126.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.016

文章編號：1671-5942(2016)07-0630-05

中圖分類號：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

項目來源：中國地震局地震研究所所長基金(IS201116002,IS201056076)；國家自然科學(xué)基金(41572354)。