基于ArcGIS與證據(jù)權(quán)法的崩塌易發(fā)性評價

薛文洋，高猛，朱亞勝

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆中亞造山帶大陸動力學(xué)成礦預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830047）

礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價是礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價的一項(xiàng)重要內(nèi)容，易發(fā)性是對某一礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生難易程度的描述，反映物理地質(zhì)現(xiàn)象。趙帥等[1]認(rèn)為礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價主要分為兩類：一類是基于專家經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的定性評價方法，另一類是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的定量評價方法。早期的礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防，主要由專家打分對地質(zhì)災(zāi)害敏感性進(jìn)行判斷和評價[2]。目前，礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方面很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，如俞布、孟凡奇、程乙峰、焦方謙等[3-6]均將證據(jù)權(quán)法應(yīng)用于礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價當(dāng)中；楊德宏、范文[7]通過量化礦山地質(zhì)災(zāi)害因子并使其歸一化，再利用層次分析法確定各因子的權(quán)重系數(shù)，最終對旬陽縣礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)區(qū)分區(qū)評價。高治群、王佳佳、彭珂等[8-10]人用信息量法對礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價。李遠(yuǎn)遠(yuǎn)、任曉杰等[11]基于確定性系數(shù)和支持向量機(jī)的評估模型對云南瀘水縣礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行預(yù)測。本文選取證據(jù)權(quán)重法對礦山崩塌災(zāi)害進(jìn)行定量評價。

1 證據(jù)權(quán)模型介紹

證據(jù)權(quán)模型是一種以貝葉斯條件概率為基礎(chǔ)的多源信息定量評價模型[12]。證據(jù)權(quán)模型通過評價已知災(zāi)害點(diǎn)和各種影響因子之間的空間分布特征，計(jì)算影響因子與礦山地質(zhì)災(zāi)害間的空間相關(guān)性，這種空間相關(guān)性通過兩個量化值體現(xiàn)，即W+和W-。W+和W-按以下公式計(jì)算：

其中

N｛｝表示影響因子中各類別或響應(yīng)因子占據(jù)的單元（像元）個數(shù)。為剔除偶然因素導(dǎo)致的高C值，上述反差（C值）計(jì)算結(jié)果還需進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式如下：

其中：

以上公式中，S2(W+)、S2(W-)、S2(Contrast)表示W(wǎng)+、W-、Contrast的方差，Studentized(Contrast)是對反差Contrast（即C值）做學(xué)生化處理，該值反映了C值的顯著性水平，在模型中作為顯著性量化指標(biāo)存在，可作為空間相關(guān)性置信度的度量依據(jù)，二者對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 顯著性量化指標(biāo)與置信度對應(yīng)關(guān)系

最后，通過對W+、W-、C值及其顯著性水平綜合分析，計(jì)算重分類后的W+值，即可獲得綜合量化權(quán)重值，為進(jìn)一步綜合評價提供量化依據(jù)[13]。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 礦山崩塌空間分布

吉木乃縣位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，準(zhǔn)葛爾盆地北緣，薩吾爾山北麓，額爾齊斯河南岸，地形地貌復(fù)雜，斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地表水系發(fā)育，導(dǎo)致縣境內(nèi)礦山滑坡、崩塌、泥石流等礦山地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)且分布廣泛，其中滑坡17處，崩塌60處，泥石流9處。

本次參與評價的礦山崩塌災(zāi)害點(diǎn)60個，易發(fā)性定量評價所需的數(shù)據(jù)包括：DEM數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供，單元格分辨率為30m×30m；工程巖組、水系數(shù)據(jù)均從相關(guān)部門獲取所得。

2.2 礦山崩塌災(zāi)害控制因素

根據(jù)前人研究成果以及對研究中所涉及的礦山地質(zhì)災(zāi)害分析，選取工程巖組、高程差、坡度、斷層密度、地震加速度峰值、水系線密度、距道路距離、居民點(diǎn)密度等8個影響因子。各個影響因子數(shù)據(jù)經(jīng)過重分類，轉(zhuǎn)換為整形柵格數(shù)據(jù)。

高差：是指通過兩點(diǎn)的兩個水準(zhǔn)面的差距，極大的影響著礦山崩塌災(zāi)害的發(fā)生。

坡度：坡度表示坡面的傾斜程度，傾斜程度越大越易于礦山災(zāi)害的發(fā)生。

工程地質(zhì)巖組：是礦山地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)，其類型、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征對礦山地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生存在重要的影響。

斷層線密度：斷層是礦山災(zāi)害發(fā)生的重要影響條件，與礦山災(zāi)害發(fā)生存在著密切聯(lián)系，斷層線密度越大礦山災(zāi)害發(fā)生的可能性越大。

水系線密度：水系通過地表徑流對河岸不斷的沖刷，從而可能導(dǎo)致礦山崩塌災(zāi)害的發(fā)生。

距道路距離：道路屬于人類工程活動的范疇，人類的活動也可能會引發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害。

地震加速度峰值：地震是誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。

居民點(diǎn)密度：人類的各種工程活動都可能對礦山地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生影響。

2.3 礦山崩塌影響因子權(quán)重計(jì)算

各影響因子重分類后的整形柵格數(shù)據(jù)通過Arcgis中的SDM（空間數(shù)據(jù)建模工具）模塊中Weights of Evidence（證據(jù)權(quán)重法），計(jì)算各影響因子的權(quán)重值（見表2）。

表2 證據(jù)因子等級權(quán)重

3 礦山崩塌易發(fā)性評價

3.1 評價結(jié)果

地層巖性為層狀、塊狀較硬礫巖、砂巖、火山碎屑巖巖組，高差在6m～24m內(nèi),坡度大于4°，斷層線密度在0.23m/km2～0.38m/km2之間，地震加速度峰值在0.05g,水系線密度在0.44m/km2～0.71m/km2之間，距道路距離在0m～313m內(nèi)，居民點(diǎn)密度0.4個/km2～1.2個/km2之間都與礦山崩塌災(zāi)害的發(fā)生具有良好的正相關(guān)性，Studentized C均大于1.5，具有很高的顯著性水平，礦山崩塌災(zāi)害發(fā)育最突出。

圖1 崩塌后概率計(jì)算結(jié)果

圖2 崩塌后概率置信度計(jì)算結(jié)果

圖3 崩塌易發(fā)性定量評價結(jié)果

圖4 ROC曲線結(jié)果

地震加速度峰值綜合權(quán)重值較低，故地震加速度峰值數(shù)據(jù)對研究區(qū)礦山崩塌災(zāi)害影響不占主導(dǎo)作用。礦山崩塌高易發(fā)區(qū)占評價總面積的33%，有86.67%的礦山崩塌災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生，主要分布在高差大、坡度陡、人工活動強(qiáng)水系較為密集的南部地區(qū)。中易發(fā)區(qū)占總面積的22.74%，有13.33%的礦山崩塌災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生。低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)占了總面積的44.26%，主要分布在人類工程活動弱、遠(yuǎn)離水系的北部地勢平坦地區(qū)。最終得到礦山崩塌地質(zhì)災(zāi)害后概率計(jì)算結(jié)果見圖1，得到礦山崩塌后概率置信度計(jì)算結(jié)果見圖2以及礦山崩塌易發(fā)性定量評價結(jié)果見圖3。

3.2 評價結(jié)果精度

ROC曲線以敏感性為縱坐標(biāo)、（1-特異性）為橫坐標(biāo)繪制成曲線，曲線下面積（AUC值）越大，評價準(zhǔn)確性越高。在AUC＞0.5的情況下，AUC越接近于1，說明評價效果越好。由圖4可知，證據(jù)權(quán)模型的AUC值為0.785，具有較好的精度和質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文通過分析吉木乃縣地質(zhì)環(huán)境、人類活動，總結(jié)礦山崩塌災(zāi)害分布的規(guī)律上，選取了礦山崩塌災(zāi)害發(fā)生的8種重要影響因子，結(jié)合Arcgis與證據(jù)權(quán)模型，對吉木乃縣崩塌災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性評價，得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

①地層巖性、高差、坡度、地震加速度峰值、斷層線密度、水系線密度、居民點(diǎn)密度是礦山崩塌災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測的重要指示因子。各種因子在不同區(qū)域、不同程度、不同階段上對礦山崩塌災(zāi)害的發(fā)生存在著差別化貢獻(xiàn)，而且礦山崩塌是多種因素的聯(lián)合作用產(chǎn)物。②證據(jù)權(quán)法可以較好的避免礦山崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價因子選擇及權(quán)重賦值的專家主觀性。采用證據(jù)權(quán)模型進(jìn)行綜合定量評價時，在證據(jù)權(quán)模型基礎(chǔ)上加入加權(quán)Logistic回歸方法，可以彌補(bǔ)評價結(jié)果同實(shí)際值的偏差，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價目標(biāo)。ROC曲線表明，該評價方法有較好的精度和質(zhì)量，可為吉木乃縣礦山崩塌預(yù)警和防治規(guī)劃提供技術(shù)參考。