基于GIS和加權(quán)信息量模型的平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

姚 靜，任 濤，翟 星，袁 穎, ，杜國梁,

1.河北地質(zhì)大學(xué) a.城市地質(zhì)與工程學(xué)院、b.地球科學(xué)學(xué)院、c.河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 石家莊 050031；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050031

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，2020年中國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 840起，在眾多地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡、崩塌、泥石流最為常見，主要發(fā)生在西、南部山區(qū)，特別是川陜、川滇、川藏等地區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害威脅人類安全，造成大量經(jīng)濟(jì)損失，給國家和人民帶來巨大傷害。因此，地質(zhì)災(zāi)害評估工作顯得十分重要。

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，人們在基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)領(lǐng)域中取得了一定成就[1-9]，GIS成為了地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)的研究熱點(diǎn)。謝明娟等[10]基于GIS技術(shù)，采用支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及決策樹三種方法進(jìn)行小金縣滑坡數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)域滑坡發(fā)育規(guī)律，同時(shí)將各方法的ROC曲線結(jié)果對比，驗(yàn)證其精度，表明支持向量機(jī)模型在滑坡易發(fā)性評價(jià)中更有優(yōu)勢。方教勇和楊根云[11]基于GIS平臺和邏輯回歸模型對綿竹市清平地區(qū)滑坡易發(fā)性進(jìn)行評價(jià)，表明邏輯回歸模型預(yù)測能力較好。徐沖等[12]基于GIS和證據(jù)權(quán)，對汶川地震滑坡進(jìn)行災(zāi)害易發(fā)性研究，得到的易發(fā)性評價(jià)結(jié)果較好。張玘愷等[13]基于GIS技術(shù)，利用信息量、確定性系數(shù)、邏輯回歸等多種方法耦合，對九寨溝縣滑坡易發(fā)性評價(jià)，并采用頻率比和 ROC 曲線進(jìn)行精度檢驗(yàn)，其研究成果能運(yùn)用到其他區(qū)域的滑坡易發(fā)性評估中。CAO J[14]等基于邏輯回歸和隨機(jī)森林的方法，構(gòu)建了評價(jià)模型，進(jìn)行了區(qū)域滑坡易發(fā)性的評價(jià)。C.Xu等[15]基于GIS平臺，采用層次分析法、證據(jù)權(quán)法、邏輯回歸等幾種模型方法，對汶川地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)，并對各方法的結(jié)果對比。以上研究，基于GIS選取合適的評價(jià)因子，并對其分級，進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)，評價(jià)因子的選取和分級依靠人為經(jīng)驗(yàn)的判斷，對于各評價(jià)模型而言，各模型有著各自的特點(diǎn)，很難對其進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評價(jià)。因此，就地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性而言，采用多模型耦合的方法值得深入研究。

綜合考慮影響平山縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各致災(zāi)因子，以平山縣域地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育情況，建立了地層巖性、地形地貌、斷裂、水系、植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、坡度、坡向、高程、地形起伏度9個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系，基于GIS和加權(quán)信息量模型進(jìn)行平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)，采用ROC曲線進(jìn)行精度驗(yàn)證，為平山縣地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)及科學(xué)地防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

平山縣地處河北省西部太行山山麓，西鄰山西省盂縣，北依保定市阜平縣，東連靈壽縣，南接井陘縣、鹿泉市，坐標(biāo)：東經(jīng)113°30′～114°15′、北緯38°09′～38°45′。平山縣屬于暖溫半濕潤季風(fēng)大陸性氣候，因其海拔差較大，光照充足，降水量分布不均，四季溫差相對較大。地形總體趨勢西高東低、北高南低，境內(nèi)最高峰—南坨，海拔2 281 m。研究區(qū)內(nèi)主要河流包括滹沱河、冶河、文都河、郭蘇河、甘秋河、古月河、險(xiǎn)隘河、柳林河、蒿田河等。其區(qū)內(nèi)在大地構(gòu)造上位于中朝準(zhǔn)地臺的一個(gè)相對穩(wěn)定的Ⅱ級構(gòu)造單元—山西斷隆的東部邊緣，橫跨兩個(gè)三級構(gòu)造單元，分別為五臺臺拱、沁源臺陷，屬新華夏構(gòu)造體系。

受工程地質(zhì)條件影響，平山縣發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害以滑坡、崩塌、泥石流為主。根據(jù)河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院2020年地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查資料顯示：平山縣有129處隱患點(diǎn)，其中滑坡有26處，崩塌有20處，泥石流有81處，地面塌陷2處。（平山縣地理概況見圖1）

圖1 平山縣地理概況Fig.1 General geography in Pingshan county

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)模型

2.1 信息量法

信息量法是在統(tǒng)計(jì)分析法中的一種常用評價(jià)預(yù)測方法，目前廣泛應(yīng)用在地災(zāi)評估中。有觀點(diǎn)認(rèn)為，信息量數(shù)值越大，對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)率越大，其易發(fā)性也越高[16-18]。

各因素信息量可以表示為：

其中，Ii為因素xi對地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量，A為研究區(qū)域總面積，Ai為影響因素xi所占面積，S為研究區(qū)域已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)，Si為在影響因素xi上所發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量。

2.2 層次分析法

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)中，學(xué)者們通常采用GIS與層次分析法（AHP）相結(jié)合的方法進(jìn)行評價(jià)，也大大提高了評價(jià)的效率[19]。該方法包括一下幾個(gè)步驟：

（1）建立結(jié)構(gòu)層次，將復(fù)雜的決策變量系統(tǒng)分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

（2）構(gòu)造判斷矩陣A=（bij），兩兩比較因子重要程度，構(gòu)建判斷矩陣。

（3）計(jì)算權(quán)向量

（4）一致性檢驗(yàn)

2.3 加權(quán)信息量模型

信息量法和層次分析法都各有優(yōu)劣勢，如信息量法可以很好地計(jì)算各因子的貢獻(xiàn)率，但只能進(jìn)行簡單的疊加，并沒有考慮各因素之間的比重；層次分析法能給出各因子之間的比重，但是受人為因素的影響，各因子的分級打分需要主觀給定。因此，論文將信息量法與層次分析方法相結(jié)合，用信息量法計(jì)算出每個(gè)因子每個(gè)等級的信息量，用層次分析方法計(jì)算各因子的權(quán)重，從而得到加權(quán)信息量，具體公式如下：

其中，Wi為第i個(gè)因子計(jì)算出來的權(quán)重，Ii為第i個(gè)因子的信息量。

3 評價(jià)因子的分析

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與多個(gè)方面有關(guān)，其過程較為復(fù)雜，依據(jù)平山縣地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，選取了地層巖性、地形地貌、斷裂、水系、植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、坡度、坡向、高程和地形起伏度9個(gè)評價(jià)因子，對每個(gè)評價(jià)因子進(jìn)行分級，統(tǒng)計(jì)各因子各等級的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)、柵格數(shù)、面積信息，計(jì)算各因子各等級的信息量，采用層次分析法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，最終得到各因子各等級的加權(quán)信息量。

3.1 評價(jià)因子的分級

（1）地層巖性

巖土體類型是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基礎(chǔ)因素之一。當(dāng)其他因素相同時(shí)，巖土體越堅(jiān)硬，則斜坡的穩(wěn)定性相對較好。依據(jù)研究區(qū)域的巖土體特征以及巖土軟硬程度，將地層巖性劃分4類：Ⅰ類堅(jiān)硬巖；Ⅱ類較堅(jiān)硬巖；Ⅲ類軟巖；Ⅳ類土（圖2a）。

（2）地形地貌

地形地貌決定著地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的類型，因此，地形地貌在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)中必不可少。論文將研究區(qū)的地形地貌劃分為5類：Ⅱ1侵蝕構(gòu)造中山亞區(qū)、Ⅱ2侵蝕構(gòu)造低山亞區(qū)、Ⅱ3構(gòu)造剝蝕丘陵亞區(qū)、Ⅱ5侵蝕堆積臺地亞區(qū)、Ⅱ6斷陷盆地及河谷平原亞區(qū)（圖2b）。

（3）斷裂

沿著斷裂帶軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，斷裂為崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供有利的條件。論文將斷裂劃分0～500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2000 m、2 000～2 500 m和>2 500 m六個(gè)等級，形成斷裂的6個(gè)緩沖區(qū)（圖2c）。

（4）水系

水系對巖土體起到侵蝕作用，加速了斜坡的破壞能力，從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文將研究區(qū)域的河流以150 m為間距進(jìn)行緩沖，劃分為0～150 m、150～300 m、300～450 m、450～600 m、600～750 m、750～900 m和>900 m七個(gè)緩沖區(qū)（圖2d）。

（5）植被覆蓋指數(shù)（NDVI）

植被覆蓋指數(shù)不同，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率不同。植被覆蓋率高、根系發(fā)達(dá)的喬木和灌草叢，水土保持能力強(qiáng)，降水引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害頻率極低。本次評價(jià)將植被覆蓋指數(shù)劃分為<0、0～0.15、0.15～0.3、0.3～0.45和>0.45五個(gè)等級（圖2e）。

（6）坡度

坡度控制著滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對于坡度較高地帶，地質(zhì)災(zāi)害也相對越易發(fā)。論文將研究區(qū)域坡度劃分為0～5°，5°～15°，15°～30°，30°～45°和>45°五個(gè)等級（圖2f）。

（7）坡向

就坡向而言，不同的坡向?qū)?yīng)的坡體日照時(shí)間和熱量的吸收不同，進(jìn)而對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生產(chǎn)生一定影響。論文將研究區(qū)坡向劃分為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北和平坦9個(gè)等級（圖2g）。

（8）高程

高程影響著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，與人類工程活動、降雨、植被覆蓋等因素息息相關(guān)。論文將研究區(qū)域高程劃分為6個(gè)等級：0～300 m、300～550 m、550～800 m、800～1 050 m、1 050～1 300 m和>1 300 m（圖2h）。

（9）地形起伏度

地形起伏度具體表現(xiàn)了區(qū)域地表起伏度的高低以及地表的崎嶇，影響著地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度。本次評價(jià)將研究區(qū)地形起伏度劃分為0～10 m、10～25 m、25～40 m、40～60 m、>60 m 5個(gè)等級（圖2i）。

圖2 評價(jià)因子分級圖Fig.2 The classification of evaluation factors

3.2 層次分析法計(jì)算權(quán)重

本文用層次分析法計(jì)算9個(gè)因子的權(quán)重，通過兩兩比較因子的重要性程度，采用1～9標(biāo)度方法，進(jìn)行各因子的層次排序，得出判斷矩陣，根據(jù)專家打分，得到的評價(jià)因子重要性程度從高到低排序依次為：地層巖性、坡度、地形起伏度、高程、坡向、地形地貌、NDVI、斷裂和水系。計(jì)算得出各因子權(quán)重，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到一致性指標(biāo)CI=0.0502，一致性比例CR=0.0337<0.1，所以該判斷矩陣一致性可以接受，最終9個(gè)因子的判斷矩陣及權(quán)重結(jié)果見表1。

表1 評價(jià)因子層次單排序結(jié)果一覽表Table 1 Single ranking results of evaluation factors hierarchy

3.3 加權(quán)信息量的計(jì)算

結(jié)合評價(jià)因子的分級，統(tǒng)計(jì)各評價(jià)因子每個(gè)等級的柵格數(shù)以及災(zāi)害點(diǎn)數(shù)，計(jì)算其信息量，結(jié)合層次分析法計(jì)算出的權(quán)重，利用公式（2）計(jì)算加權(quán)信息量，得到最終地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)因子加權(quán)信息量見表2。

4 評價(jià)結(jié)果和檢驗(yàn)

4.1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評級結(jié)果

得到各評價(jià)因子的分級柵格圖后，將各因子?xùn)鸥駡D按照表2計(jì)算的加權(quán)信息量進(jìn)行重分類，運(yùn)用GIS工具箱里的柵格計(jì)算器功能進(jìn)行疊加，用自然間斷點(diǎn)法將疊加后的柵格圖分為極高、高、中和低4類易發(fā)區(qū)。（易發(fā)性分區(qū)圖見圖3）

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.3 Geological hazard susceptibility zone

表2 地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)因子加權(quán)信息量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of weighted information value of geological disaster evaluation factors

4.2 評價(jià)模型的精度檢驗(yàn)

采用ROC曲線對加權(quán)信息量模型得出的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，ROC曲線即以易發(fā)性分區(qū)累計(jì)面積比為橫坐標(biāo)和以實(shí)際發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量累計(jì)比為縱坐標(biāo)形成的曲線。ROC曲線下方的面積，即AUC值，可以評判結(jié)果精度，AUC值越接近1，表示評價(jià)模型精度越高[20]。以災(zāi)害點(diǎn)密度從高到低依次累加，繪制出的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性ROC曲線見圖4，得到AUC值為0.812，表明該評價(jià)模型精度較高，可以適用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。

圖4 易發(fā)性評價(jià)結(jié)果ROC曲線Fig.4 ROC curve of susceptibility evaluation results

4.3 評價(jià)結(jié)果分析

利用得到的平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖（圖3）統(tǒng)計(jì)易發(fā)性分區(qū)的柵格數(shù)、災(zāi)害點(diǎn)數(shù)，計(jì)算易發(fā)分區(qū)面積、面積占比以及災(zāi)害點(diǎn)密度（見表3），分析表明：極高易發(fā)區(qū)面積為71.31 km2，占總面積的2.69%，主要分布在構(gòu)造發(fā)育的斷裂帶、松散軟弱巖層、地形起伏度為10～25 m、坡向偏南、海拔較高處，區(qū)內(nèi)11個(gè)災(zāi)害點(diǎn)；高易發(fā)區(qū)面積為1 180.66 km2，占總面積的44.58%，主要分布在坡度為30°～45°、海拔高、植被覆蓋率為30%～40%處，區(qū)內(nèi)有80個(gè)災(zāi)害點(diǎn)；中易發(fā)區(qū)面積為736.47 km2，占總面積的27.81%，主要分布在植被覆蓋率相對較大、侵蝕構(gòu)造中山區(qū)，區(qū)內(nèi)有32個(gè)災(zāi)害點(diǎn)；低易發(fā)區(qū)面積為660.19 km2，占總面積的24.93%，主要分布在海拔較低、無斷裂帶、水庫、河谷平原和丘陵地帶，區(qū)內(nèi)有6個(gè)災(zāi)害點(diǎn)。由統(tǒng)計(jì)表規(guī)律可以看出，災(zāi)害點(diǎn)密度越大，地質(zhì)災(zāi)害越易發(fā)，即災(zāi)害點(diǎn)密度與易發(fā)性分區(qū)呈正相關(guān)，符合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育基本規(guī)律。

表3 易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Vulnerability Partition Statistics Table

5 結(jié)論

（1）論文以平山縣作為研究區(qū)，選取了地層巖性、地形地貌、斷裂、水系、植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、坡度、坡向、高程和地形起伏度9個(gè)評價(jià)因子，對評價(jià)因子進(jìn)行分級，運(yùn)用加權(quán)信息量對平山縣進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)，分析表明：平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生在斷裂帶、海拔高度為1 050～1 300 m、松散軟弱巖組、坡度為30°～45°、坡向偏南方向、地形起伏度為10～25 m處，在河谷平原、丘陵、水庫、無斷裂帶處易發(fā)性較低。

（2）采用ROC曲線對加權(quán)信息量模型得出的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，求得AUC值為0.829，表明該模型計(jì)算精度較高，可以對平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估起到一定指導(dǎo)作用，也為今后其他區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)提供依據(jù)和方法。

（3）將平山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)分為極高、高、中和低4個(gè)等級的易發(fā)區(qū)，得到災(zāi)害點(diǎn)密度越大，地質(zhì)災(zāi)害越易發(fā)，即災(zāi)害點(diǎn)密度與易發(fā)性分區(qū)呈正相關(guān)，滿足地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本特征。