基于證據(jù)權法與確定系數(shù)法的滑坡危險區(qū)劃對比分析
——以虹口鄉(xiāng)為例

劉光輝，劉漢湖*，姚 昆，夏 潔

(成都理工大學 a.地球科學學院，b.國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，成都 610059)

基于證據(jù)權法與確定系數(shù)法的滑坡危險區(qū)劃對比分析
——以虹口鄉(xiāng)為例

劉光輝a,b，劉漢湖a,b*，姚 昆a,b，夏 潔a,b

(成都理工大學 a.地球科學學院，b.國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，成都 610059)

都江堰虹口鄉(xiāng)為國家級旅游景區(qū)，汶川地震后，該區(qū)滑坡頻發(fā)，極大威脅該地區(qū)游客及居民人身財產(chǎn)安全，開展該地區(qū)滑坡危險區(qū)預測具有重要意義。這里以地質圖、地形圖、DEM高程數(shù)據(jù)、QuickBird影像為數(shù)據(jù)源，選取地層巖性、構造、高程、坡度、坡向、水系6個評價因子，基于GIS平臺，用證據(jù)權法、確定系數(shù)法對研究區(qū)滑坡危險性分析方法進行對比分析，得出最優(yōu)的滑坡危險區(qū)劃研究方法。分析表明：確定系數(shù)法的準確率為0.7732，而證據(jù)權法的準確率為0.7216。經(jīng)過野外的調查、研究，確定系數(shù)法預測的危險性區(qū)域與實際情況更加地吻合，有著較高的精度，因此確定系數(shù)法更加適合虹口鄉(xiāng)的滑坡危險區(qū)劃研究。

證據(jù)權法； 確定系數(shù)法； GIS； 滑坡

0 引言

滑坡是一種十分常見的地質災害，合理的滑坡預測方法能增加預測的準確性，降低滑坡造成的危害，減少生命財產(chǎn)的損失[1]。現(xiàn)在主要的滑坡預測方法分為三類：①知識驅動方法；②數(shù)據(jù)驅動方法；③確定性方法[2]。這里選擇的證據(jù)權法與確定系數(shù)法都是數(shù)據(jù)驅動方法。證據(jù)權法[2-6]最早用于醫(yī)療診斷，后由加拿大數(shù)學地質學家Agterberg引入地質領域。確定系數(shù)[7-9]最早是由E.H.Shortliffe和B.G.Buchanan提出，后由D.Heckerman進行改進用在災害評價中。兩種方法均為數(shù)學的概率學模型，在GIS柵格分析功能[10-11]的支持下，計算出每個評價因子的權重值。證據(jù)權法是需要得到每個評價因子的正、負權重值，通過正、負權重的疊加來獲取評價因子的最終權重值。確定系數(shù)法是利用一個概率函數(shù)直接計算出每個評價因子的權重值，且這個權重值的值域是[-1,1]。前人在滑坡危險性區(qū)劃研究中并沒有對確定系數(shù)法與證據(jù)權法進行預測準確率的對比分析，這里以虹口鄉(xiāng)為研究區(qū)，分析出證據(jù)權法與確定系數(shù)法在虹口鄉(xiāng)這種地形復雜，地質條件特殊，滑坡災害頻發(fā)的地區(qū)，該方法有更高的滑坡預測精度。證據(jù)權法與確定系數(shù)法，更加地適合虹口鄉(xiāng)的滑坡危險區(qū)劃研究。

1 數(shù)據(jù)

虹口鄉(xiāng)位于四川省都江堰市東北的白沙河中游，東接彭州市，南連向峨鄉(xiāng)、金鳳鄉(xiāng)、白沙鄉(xiāng)，西南靠龍池鎮(zhèn)，西北和北鄰阿壩州汶川縣(圖1)。研究區(qū)內水系單一，水網(wǎng)密集，在地形上中間沿河流起伏較小，向兩側坡度變陡。在地質構造上，受龍門山斷裂帶的影響，虹口鄉(xiāng)溝谷發(fā)育，坡陡坡長，厚層砂巖及厚層礫巖場形成后陡坎或陡崖，斜坡穩(wěn)定性較差，規(guī)模不大的崩塌、滑坡比較發(fā)育，處于斷裂構造部位有大型的滑坡或崩塌。虹口鄉(xiāng)在地形，地質，地貌等條件上都容易誘發(fā)滑坡，特殊的地質條件導致虹口鄉(xiāng)成為地質災害的多發(fā)區(qū)，其地質災害主要以崩塌和滑坡為主。

圖1 虹口鄉(xiāng)滑坡區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of Hongkou landslide area

本次滑坡的危險性區(qū)劃研究數(shù)據(jù)包括：1∶50 000 地質圖、1∶50 000 地形圖、ASRGTM 30 m空間分辨率數(shù)字高程模型、Quickbird影像。

2 研究方法

2.1 證據(jù)權法

證據(jù)權法是一種綜合各種證據(jù)來支持一種假設的定量方法，該方法以貝葉斯統(tǒng)計模型為基礎，通過對已經(jīng)發(fā)生的滑坡與影響滑坡形成的影響因子( 坡度、坡向、地層巖性等) 進行空間關聯(lián)分析，求取各個評價因子對滑坡發(fā)生的貢獻率( 即權重) ，最后將各個評價因子賦予相應權重并疊加，得到地質災害危險性指數(shù)，該指數(shù)高低代表該區(qū)發(fā)生地質災害可能性的大小。其計算公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

Wf=W+-W-

(3)

2.2 確定系數(shù)法

確定系數(shù)法是一種結合確定性系數(shù)(CF)來分析影響滑坡發(fā)生的各個因素敏感性的方法。確定系數(shù)法是一種利用概率函數(shù)的方法，其計算公式見式(4)。

(4)

式中：PPa為影響因子分級中事件發(fā)生的條件概率，在這里可表示為影響因子各級范圍內滑坡發(fā)生的柵格數(shù)與所有柵格數(shù)的比值；PPs為整個研究區(qū)內事件發(fā)生的先驗概率，表示為研究區(qū)內滑坡發(fā)生的柵格數(shù)與研究區(qū)總柵格數(shù)的比值。

2.3 評價因子

基于前人研究及歷史滑坡數(shù)據(jù)的綜合分析[12-15]，主要選取斷裂帶、地層巖性、水系、坡度、坡向、高程6個評價因子。并將各個評價因子分成不同的等級，見表1。

3 結果分析

3.1 權重計算

為便于權重的計算，將研究區(qū)的評價單元分成5 m×5 m的柵格，再根據(jù)證據(jù)權法和確定系數(shù)法分別計算出每個評價因子的權重值，計算結果見表2。

3.2 危險性指數(shù)計算

因為證據(jù)權法和確定系數(shù)法都是數(shù)據(jù)驅動方法，利用概率方法建立模型進行運算，每個評價因子之間必須滿足條件獨立性的假設。計算之前首先驗證各個評價因子兩兩之間的獨立性。這里選用的是卡方(X2)檢測方法對各個評價因子進行獨立性檢測。檢測結果表明評價因子之間均滿足獨立性條件。利用GIS的空間分析功能將各個評價因子進行加權分析，得到每個評價單元的危險性指數(shù)(LHI),其計算公式如下：

表1 評價因子及屬性分級

表2 滑坡危險性權重計算表

LHI=Wf巖性+Wf水系+Wf坡度+Wf高程+

Wf坡向+Wf斷裂帶

(5)

LHI=CFf巖性+CFf水系+CFf坡度+

CFf高程+CFf坡向+CFf斷裂帶

(6)

運用證據(jù)權法將6個評價因子按照公式(5)進行計算，得到滑坡的危險性指數(shù)的范圍是-4.958～7.1。而運用確定系數(shù)法將6個評價因子按照公式(6)進行計算，得到滑坡的危險性指數(shù)范圍為-3.391～2.605。

滑坡危險性評價的成功率檢驗采用成功率曲線法，這是一種定量的滑坡檢測方法(圖2)。在圖2中AUC曲線下面積越大，說明滑坡評價單元危險性指數(shù)越高，即模型預測效果越好。由圖2可以計算出，證據(jù)權法的曲線下面積為72.16，確定性系數(shù)法的曲線下面積為77.32。由此可知，虹口鄉(xiāng)的滑坡危險區(qū)劃研究中，確定系數(shù)法預測的結果要比證據(jù)權法預測的結果成功率高。

圖2 成功率曲線圖Fig.2 Success rate curve of landslides hazards

3.3 危險性分區(qū)

根據(jù)證據(jù)權法與確定系數(shù)法兩種方法計算得到的綜合危險性指數(shù)，將研究區(qū)滑坡危險性指數(shù)分為極高、高、中、低4類，并統(tǒng)計每類滑坡的面積百分比(表3)。

從表3可以看出：證據(jù)權法分析結果表明極高危險區(qū)面積百分比為21.7%，滑坡面積的76.8%分布在高危險區(qū)與中危險區(qū)；確定系數(shù)法分析結果表明高危險區(qū)所占的比例為31.3%，滑坡面積的80%分布在高危險區(qū)與中危險區(qū)。在研究區(qū)的滑坡危險性區(qū)劃研究中確定系數(shù)法的精確度高于證據(jù)權法，下面給出確定系數(shù)法的滑坡危險區(qū)劃的分區(qū)圖(圖2)。研究區(qū)總共解譯出滑坡117處，極高危險區(qū)有34處滑坡，占滑坡總個數(shù)的29%，高危險區(qū)有53處滑坡，占總滑坡個數(shù)的45%。

表3 證據(jù)權法與確定系數(shù)法危險區(qū)劃對比圖

圖3 研究區(qū)確定系數(shù)法危險性分區(qū)圖Fig.3 Risk zoning map of the study area determin-ation coefficient method

4 結論

滑坡預測準確率直接影響生命財產(chǎn)安全，針對不同區(qū)域的不同地形、地質、地貌的特點，滑坡的預測應采用適合的評價模型提高預測準確率。這里選取證據(jù)權法、確定系數(shù)法2種研究模型，對研究區(qū)域滑坡危險性區(qū)劃進行研究分析。這2種方法都是數(shù)據(jù)驅動方法，在各個評價因子選擇及權重賦值的過程中有效地減小人為影響。研究結果表明：

1)滑坡的分布與水系、坡度、巖性有著明顯的關系。滑坡在距水系小于400 m時，水系對滑坡的影響較大，占總滑坡數(shù)的65.2 %，特別是在100 m～300 m之間影響最大，占總滑坡數(shù)的34 %。坡度對滑坡的影響在30°～40°之間時影響最大，其滑坡數(shù)量占總滑坡的65.7%。從圖3可以看出，在圖3的左面滑坡分布較多，該處巖層風化厚度較大，坡度主要為30°～40°，且大多斜坡為順層斜坡，其滑坡數(shù)占總滑坡的77.9%。

2)在研究區(qū)的分區(qū)結果中，高危險區(qū)、中危險區(qū)所占面積較大，證據(jù)權法、確定系數(shù)法分析結果面積百分比分別達到76.8%和80%，證據(jù)權法的高危險區(qū)所占比例為21.7%，確定系數(shù)法的高危險區(qū)所占比例為31.3%，在高危險區(qū)確定系數(shù)法的預測準確率明顯高于證據(jù)權法。

3)由成功率曲線法得到確定系數(shù)法的準確率為0.773 2，而證據(jù)權法的準確率為0.721 6，從成功率曲線可以看出，在危險系數(shù)從10%～40%之間，確定系數(shù)法的曲線明顯的高于證據(jù)權法，預測出的滑坡數(shù)確定系數(shù)法比證據(jù)權法多。確定系數(shù)法的預測結果成功率相較于證據(jù)權法更高，從整體分析確定系數(shù)法更加適用于研究區(qū)的滑坡危險區(qū)劃研究。

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Based on the weights of evidence method and certainty factor method of landslide danger division comparative analysis——A case study in Hongkou,chine

LIU Guang-huia,b,LIU Han-hua,b*,YAO Kuna,b,XIA Jiea,b

(Chengdu University of Techndogy,a.College of Eong sciences;b.key Laboratory of Geological spatial Information Technology of Ministry of Land and Resources,Chengdu 610059,China)

Hongkou township in Dujiangyan is a national scenic spot.After Wenchuan earthquake,landslides frequently occur in this area,which greatly threatens personal and property safety of tourists and residents there.Thus,it becomes significantly important to develop forecast to the landslide dangerous area of this region.This article based on GIS platform,takes geologic map,topographic map,DEM elevation data,QuickBird image as data sources,selects 6 evaluation factors of stratigraphic lithology,structure,elevation,slope,slope direction and water system,applies to weight of evidence method,determination coefficient method to make comparative analysis to the analytical methods of landslide dangers in research area and find out the best research method to landslide risk area.The analysis shows that,accuracy rate of determination coefficient method is 0.7732,while weight of evidence method has 0.7216 accuracy rate.After field research,the risk area predicated by method of determination coefficient can match practical situation more with high accuracy.Thus determination coefficient method is more fitness for the research of landslide risk area in Hongkou Township.

weights of evidence; certainty factor; GIS; landslides

2015-10-28 改回日期：2015-12-03

國家自然科學基金(41102225)

劉光輝(1988- )，男，碩士,主要研究方向為遙感地質，E-mail：lghyaogan@126.com。

*通信作者：劉漢湖(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向為遙感地質，E-mail：Liuganhu@cdut.cn。

1001-1749(2016)06-0848-06

TU 431