基于GIS和加權信息量的湖北鄂州地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃

張 波，石長柏，肖志勇，張金朝，鄔 磊，習 彪，盧勝周

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北 黃石 435004)

0 引言

湖北省鄂州市地貌類型為鄂東丘陵地貌，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復雜，雨量充沛，礦產(chǎn)資源開發(fā)、交通與城市建設等人類工程活動強烈，地質(zhì)災害發(fā)育，是湖北省地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)之一。地質(zhì)災害類型有崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷等，尤以地面塌陷最為突出，造成了嚴重危害與經(jīng)濟損失。

1 加權信息量地質(zhì)災害評價模型

隨著3S技術的迅速發(fā)展，大大改進和提高了地學傳統(tǒng)研究手段?；贕IS技術的地質(zhì)災害易發(fā)性評價是地質(zhì)災害危險性和風險性評價的基礎，是現(xiàn)有和潛在地質(zhì)災害風險評估的有效工具，其評價結果可用于防災減災、土地利用和基礎設施規(guī)劃等領域[1]。

目前，常用的地質(zhì)災害易發(fā)性評價模型包括：信息量法(朱良峰，2004)[2]、Logistic回歸法(李雪平，2005)[3]，考慮時間效應的地質(zhì)災害評估(李典慶，2007)[4]、趨勢面分析法(李曉聰，2007)[5]、概率指數(shù)模型(李家存，2007)[6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型(吳益平，2005)[7]、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(王國峰，2008)[8]、AHP層次分析法(岳超俊等，2009；姚玉增等，2010)[9-10]、確定性系數(shù)法(許沖等，2010)[11]、證據(jù)權法(范強等，2014)[12]、RS-SVM模型法(安凱強等2016)[13]、CF和Logistic模型法(田春山)[14]等方法。綜上所述，已有研究在選擇影響因素的過程基本上契合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點以及充分考慮他們對災害體本身的影響權重，并在此基礎上建立了符合研究區(qū)災害特征的評價指標體系。

信息量模型屬于統(tǒng)計分析模型的一種，于其物理意義明確、操作簡單，在地質(zhì)災害易發(fā)性評價的研究和實踐中得到了廣泛的應用。但是該模型未考慮各評價因子在地質(zhì)災害發(fā)生過程中所起作用的大小，不能反映不同因子影響程度的差異。因此，為了更加科學合理的易發(fā)性評價應考慮對各個影響因子賦予權重與信息量相乘后得到加權信息量。本文結合信息量法和層次分析法的優(yōu)點，采用加權信息量法評價其指標，最終得到易發(fā)性的劃分結果，模型可以表述如下[15]：

(1)

式中，I——預測區(qū)某單元信息量預測值；

Ii——值的大小直接說明該單元產(chǎn)生地質(zhì)災害的可能性，是地質(zhì)易發(fā)性區(qū)劃的重要性指標；

Wi——第i個評價因子的權重值；

Si——因素xi所占單元總面積；

A——區(qū)域內(nèi)單元總面積；

A0——已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災害的單元面積之和。

2 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東南部，長江中游南岸，東經(jīng)114°30′～115°05′，北緯30°01′～30°36′，南北長約67 km，東西寬約48 km，西與武漢市接壤，東至西南與黃石市毗連，北臨長江與黃岡市隔江相望，版圖形狀酷似三葉草(圖1)。該區(qū)具亞熱帶季風氣候特征，四季分明，雨量充沛，陽光充足。鄂州市發(fā)育地質(zhì)災害主要包括地面塌陷、滑坡和不穩(wěn)定斜坡等，由于災害體多位于人口集中、房屋密集地帶，在極端暴雨的觸發(fā)下，在一定程度上制約當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。

3 基于GIS的地質(zhì)災害易發(fā)性評價

基于GIS的地質(zhì)災害易發(fā)性評價采用的空間數(shù)據(jù)主要包括鄂州市1∶5萬地形圖、1∶5萬地質(zhì)圖、1∶5萬地質(zhì)災害分布圖。

3.1 評價單元劃分

本文采用柵格單方法評價。研究區(qū)面積為1 505 km2。對于不同比例尺的要求柵格大小也有差別[16]，根據(jù)柵格大小經(jīng)驗公式：

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(2)

式中：Gs——適宜網(wǎng)格大小；

S——地圖數(shù)字比例尺分母。

對于1∶50 000比例尺地形圖，由式(2)計算出最佳網(wǎng)格單元為32.52 m，為了方便數(shù)據(jù)在ArcGIS中處理和分析，本文以30 m×30 m柵格單元為最小評價單元，共1 763 803個柵格單元，在此基礎上開展易發(fā)性評價。

3.2 評價指標及其權重的確定

根據(jù)評價區(qū)內(nèi)自然地質(zhì)環(huán)境特征與物理地質(zhì)事件的分布規(guī)律及形成條件，對于地質(zhì)災害易發(fā)性的分析評價過程中初步選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構造及采礦活動6個因素作為評價因子(圖2)。各自的因子信息量計算(各個因子區(qū)間的地質(zhì)災害單元數(shù)與整個研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害單元數(shù)之比)，總柵格比例(各因子區(qū)間的因子占整個區(qū)間的比)(圖3)。

圖3 影響因子災害數(shù)量、加權信息量相關性統(tǒng)計圖Fig.3 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

(1)地貌單元。鄂州市地貌單元分為丘陵、沖湖積平原、崗狀平原、長江一級階地(圖2a)。利用ArcGIS軟件提取各地貌單元類型的柵格數(shù)比例及其相對應地質(zhì)災害柵格數(shù)比例(圖3a)，根據(jù)信息量模型分別計算其信息量。評價區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災害是丘陵地區(qū)，單元內(nèi)地災發(fā)生比例為66.67%。

(2)高差。通過ArcGIS鄰域分析提取得到鄂州市區(qū)域的高差圖(圖2b)，如圖3b評價區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災害的高差是15～35 m，其柵格數(shù)占總柵格的5.00%發(fā)生地質(zhì)災害比例約30%。

(3)坡度。通過ArcGIS將評價區(qū)分為5個坡度等級(圖2c)。對于坡度而言，評價區(qū)最有利于地質(zhì)災害發(fā)生的是25°～40°，其柵格數(shù)占總柵格的4.11%，發(fā)生地質(zhì)災害比例為21.57%，提供的信息量為2.39(圖3c)。

(4)工程地質(zhì)巖組。根據(jù)鄂州市工程地質(zhì)情況，劃分為8個巖土體類型(圖2d)：松散巖組(Ⅰ)，軟硬相間層狀砂巖泥巖互層(Ⅱ)，軟硬相間層狀火山巖巖組(Ⅲ)，較堅硬至軟弱層狀砂頁巖巖組(Ⅳ)，堅硬至較堅硬層狀砂礫巖巖組(Ⅴ)，堅硬塊狀侵入巖巖組(Ⅵ)，堅硬較堅硬中至厚層狀強至中等巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾軟質(zhì)頁巖巖組(Ⅶ)，堅硬厚層狀強巖溶化巖組(Ⅷ)。如圖3d所示，評價區(qū)最有利于地質(zhì)災害發(fā)生的是Ⅴ，其柵格數(shù)占總柵格的2.21%，發(fā)生地質(zhì)災害比例為9.80%，提供的信息量為2.15。

(5)地質(zhì)構造(斷層)。根據(jù)鄂州市斷層的發(fā)育規(guī)模及影響范圍，利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到斷層影響帶分布圖(圖2e)。評價區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災害發(fā)的是在斷層發(fā)育0～500 m內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的15.25%，發(fā)生地質(zhì)災害比例為70.59%，提供的信息量為2.21(圖3e)。

(6)采礦活動。采礦活動是鄂州市地質(zhì)災害發(fā)生最主要因素。因礦山開采引發(fā)的地質(zhì)災害問題最為突出，礦區(qū)采空區(qū)較多，誘發(fā)地質(zhì)災害較多。根據(jù)鄂州市采礦活動的發(fā)育規(guī)模及影響范圍，利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到采礦活動影響帶分布圖(圖2f)。評價區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災害發(fā)的是在采礦區(qū)0～500 m范圍內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的5.13%，發(fā)生地質(zhì)災害比例為53.9%，提供的信息量為3.39(圖3f)。

為保證預測因素能滿足信息量模型的要求，必須通過因素之間的相互獨立性驗證和綜合分析研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀來剔除相關性較大的因素。因此，為了準確計算初選因子的互相關系數(shù)，可以利用ArcGIS波段集統(tǒng)計工具中柵格波段集多元分析提供各圖層因素之間的相關系數(shù)矩陣(表1)。

表1 圖層因素之間的相關系數(shù)矩陣Table 1 The correlation coefficient between the matrix layer factors

綜合表1和表2中可以看出各指標都在低度相關范圍內(nèi)。應用層次分析法對所選的6個評價指標進行分析，劃分的有序?qū)哟?，建立評價模型層次結構。按照各評價因子自己的內(nèi)在關系，通過相關專家經(jīng)驗及鄂州市地質(zhì)災害的實際情況，對各因子進行兩兩比較建立判斷矩陣，進行層次排序，確定各因子的權重值，并進行一致性檢驗，得到易發(fā)性評價因子判斷矩陣(表3)，加權信息量表(表4)。

表2 相關性劃分標準Table 2 The standard of correlation classification

表3 地質(zhì)災害易發(fā)性評價因子判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of evaluation factor for geohazards susceptibility

備注：一致性比例：0.089 7；對“地質(zhì)災害”的權重：1.000 0； λmax：6.564 9

表4 地質(zhì)災害影響因子加權信息量表Table 4 Weighted information values of impact factors for geological hazards

3.3 易發(fā)性結果效果檢驗

易發(fā)性結果的有效性可以由受試者工作特征曲線(ROC)進行定量檢驗，其曲線下方面積(AUC)被用來評價模型的精度[17]。本文以信息量值從高到低的區(qū)域累計柵格與總柵格的百分比作為橫軸，以對應信息量區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災害累計柵格與地質(zhì)災害總柵格百分比為縱軸，得到一個經(jīng)過(0，0)，(1，1)的曲線(如圖4、表5)，曲線下面積為89.2%。說明地質(zhì)災害絕大部分發(fā)生在高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)，易發(fā)性評價結果有效性較好(圖5)。

圖4 地質(zhì)災害易發(fā)性評價結果ROC圖Fig.4 ROC graph for the Geological hazards assessment

易發(fā)性分區(qū)信息量分級柵格總數(shù)面積/(km2)面積百分比災害點/處點密度/(處/km2)高易發(fā)區(qū)I>2.5868 14772.934.85%690.93中易發(fā)區(qū)-0.57

圖5 地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.5 The zonation map of geohazards susceptibility

4 結論

本文以鄂州市地質(zhì)災害易發(fā)性為研究對象，選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構造以及開礦活動6個影響因素作為評價因子，采取基于GIS的加權信息量評價模型對研究區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)性評價。

(1)對各因子的加權信息量分析表明：地質(zhì)災害多發(fā)育于丘陵地區(qū)，高差15～35 m、坡度在25°～40°區(qū)域及巖組為松散巖組區(qū)域；地質(zhì)災害易發(fā)性隨在距離采礦范圍及斷層距離的減小而增大。

(2)根據(jù)加權信息量法，把鄂州市地質(zhì)災害易發(fā)性劃分出高、中、低易發(fā)3個大區(qū)，11個亞區(qū)(圖5)。全市高易發(fā)區(qū)面積72.93 km2，主要分布于西山雷山地區(qū)、澤林鎮(zhèn)以及汀祖鎮(zhèn)地區(qū)，占全市總面積的4.58%，點密度0.93處/km2。全市中易發(fā)區(qū)總面積204.54 km2，主要分布于新廟鎮(zhèn)、沙窩鎮(zhèn)、碧石渡鎮(zhèn)及梁子湖區(qū)丘陵地區(qū)，占全市面積的13.59%，點密度0.135處/km2。其他地區(qū)為低易發(fā)區(qū)面積1 227 km2，占整個評價區(qū)的81.83%。

(3)評價結果經(jīng)檢驗，本次地質(zhì)災害易發(fā)性評價結果ROC曲線AUC值達89.2%，具有較高的準確性，評價結果為全省內(nèi)縣域地質(zhì)災害易發(fā)性評價提供理論指導和技術參考。