信息量模型在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

常亞婷，劉征宇，向 剛，付明宏

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○四地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000)

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害是一種人與自然環(huán)境之間的相互作用，指在自然或者人為因素影響下，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成損失、對(duì)環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或者地質(zhì)現(xiàn)象(殷躍平，2008)、(章詩芳 等，2017)。分析誘發(fā)因素和孕災(zāi)條件是研究地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是以地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)條件與誘發(fā)因素為基礎(chǔ)開展的一項(xiàng)重要工作。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法通常有三種，分別是定性方法、定量方法以及介于兩者之間的半定量方法(范強(qiáng) 等，2015b)。定性方法主要表現(xiàn)為專家和地質(zhì)學(xué)家的主觀判定，對(duì)人的要求極高，通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專家意見；定量評(píng)價(jià)方法主要有信息量法(高治群，2010)、邏輯回歸法(陳朝亮 等，2019)、證據(jù)權(quán)模型法(范強(qiáng) 等，2015a)、多元回歸分析(蘭恒星，2002)等方法；半定量方法主要在定性方法的基礎(chǔ)上考慮了影響因子的權(quán)重。近些年來，GIS技術(shù)以其獨(dú)有的空間分析、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)合多種數(shù)學(xué)模型等強(qiáng)大功能被廣大學(xué)者所接受并廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，在眾多模型中，信息量以其操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、客觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使得其在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中能夠取得比較好的評(píng)價(jià)效果(張曉東，2018)。尤其適用于中小比例尺區(qū)域中。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)前人早有研究，楊榮康等采用兩級(jí)模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)安順規(guī)劃區(qū)巖溶塌陷進(jìn)行了危險(xiǎn)性性評(píng)價(jià)(楊榮康 等，2017)；黨杰等人基于GIS技術(shù)，通過對(duì)影響崩塌災(zāi)害發(fā)生的各因素進(jìn)行疊加綜合，來分析出災(zāi)害的易發(fā)性、危險(xiǎn)性和易損性，為魚洞河地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供參考(黨杰 等，2013)；金帥采用信息量模型和Logistics模型進(jìn)行耦合的方法來對(duì)宜賓市地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等(金帥，2021)。盡管前人利用多種方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但是均沒有把GIS和信息量模型完美結(jié)合起來，本次評(píng)價(jià)采用GIS與信息量模型相結(jié)合的方法來對(duì)福泉市地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考和依據(jù)。

福泉市地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，規(guī)模以中小型為主，近20年來，各類地質(zhì)災(zāi)害已造成超過30人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 000萬元以上，現(xiàn)存地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)威脅人口1 200多人，威脅財(cái)產(chǎn)達(dá)23億元，因此，本文基于福泉市基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，采用信息量模型，結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)福泉市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

2 研究區(qū)概況

福泉市位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)與黔南臺(tái)陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)交接部(曾牡丹 等，2017)，地勢(shì)北西高，南東低，巖溶地貌發(fā)育，區(qū)內(nèi)出露地層除白堊系、侏羅系與石炭系缺失外，其余地層均有出露，寒武系地層分布最廣。整個(gè)區(qū)域巖性呈以碳酸巖為主，碎屑巖為輔的特征，部分地區(qū)分布有少數(shù)變質(zhì)巖。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、不穩(wěn)定邊坡5種類型，為了使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理，本次危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)選取滑坡、崩塌以及不穩(wěn)定斜坡三種類型共107處災(zāi)害點(diǎn)作為評(píng)價(jià)樣本。

研究區(qū)降雨主要集中在5-10月份，根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，降雨時(shí)間與地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生時(shí)間基本吻合，地質(zhì)災(zāi)害在空間上表現(xiàn)為各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，但分布密度差異性較大，主要集中在北部的道坪鎮(zhèn)以及南部的馬場(chǎng)坪街道辦事處和鳳山鎮(zhèn)，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖如圖1，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布范圍遍及整個(gè)區(qū)域，整體呈現(xiàn)南部多于北部，中部少的特點(diǎn)；從地層上來看，地質(zhì)災(zāi)害主要分布于軟硬相間類工程地質(zhì)巖組，從人類活動(dòng)范圍來看，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)主要位于人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖

3 信息量模型原理

信息量法模型是從信息理論中引出的一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法，主要是通過把各影響因子量化、疊加、分析的一個(gè)過程，地質(zhì)災(zāi)害的影響因子較多，不同因子影響性質(zhì)及大小程度均不一樣，信息量模型根據(jù)已有的災(zāi)害信息，將不同因子影響信息轉(zhuǎn)化為信息量值，即信息量值的大小反映了評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性。信息量越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性就越高。信息量計(jì)算公式如下(許強(qiáng) 等，2010)

(公式1)

(公式2)

公式中IAj-B是對(duì)應(yīng)因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下地質(zhì)災(zāi)害B發(fā)生的信息量，Nj是對(duì)應(yīng)因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下地質(zhì)災(zāi)害分布的單元數(shù)，N是調(diào)查區(qū)已知有地質(zhì)災(zāi)害分布的單元數(shù)，Sj是因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)分布的單元數(shù)；S為調(diào)查區(qū)單元總數(shù)。

4 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)因子選取

環(huán)境因素(內(nèi)因)和誘發(fā)因素(外因)是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素，其中環(huán)境因素是指形成地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等；誘發(fā)因素指的是誘發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害的外在因素，包括降雨、人類工程活動(dòng)等條件。本次研究在前人大量研究成果基礎(chǔ)上選取高差、坡度、坡向、植被類型、斜坡結(jié)構(gòu)、地層、河流、構(gòu)造、降雨、災(zāi)害密度、人類工程活動(dòng)、人口密度、財(cái)產(chǎn)密度等13個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。本次地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)字高程模型DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，精度為30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)單元為柵格單元，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)類型來源于實(shí)地調(diào)查，共劃分評(píng)價(jià)單元1856396個(gè)，評(píng)價(jià)因子等級(jí)劃分指標(biāo)依據(jù)來源于對(duì)福泉市的地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)條件及威脅對(duì)象的詳細(xì)調(diào)查。

4.2 信息量值計(jì)算

利用ArcGIS結(jié)合信息量法對(duì)福泉市地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到各個(gè)評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖(圖2)，需要說明的是分級(jí)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)并不能作為衡量信息量值大小的依據(jù)，其還與評(píng)價(jià)因子所占面積的大小也有關(guān)系。利用公式2進(jìn)行信息量值計(jì)算，信息量計(jì)算結(jié)果表見表1。

5 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

5.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，將表1中得到的信息量值賦予各評(píng)價(jià)因子各評(píng)價(jià)單元，然后利用ArcGIS中柵格計(jì)算器對(duì)其進(jìn)行疊加，最后對(duì)疊加結(jié)果采用自然斷點(diǎn)法將其分為四個(gè)區(qū)間，分別是極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)(圖3)，各區(qū)間占比10.8%、28.4%、25.8%、35%，極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)總共占全市面積的39.2%，主要分布在研究區(qū)北部和南部，呈帶狀分布，與福泉市的地質(zhì)災(zāi)害分布情況相符，表明評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)可靠。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖

表1 評(píng)價(jià)因子信息量值Table 1 Information value of evaluation factors

5.2 精度評(píng)價(jià)

ROC曲線能簡(jiǎn)單、直觀地反應(yīng)所用分析方法特異性和敏感性的關(guān)系，準(zhǔn)確性較高，因而被廣泛應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的精度驗(yàn)證(向喜瓊 等，2000)。ROC曲線下的面積AUC(0-1)能很好的指示危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果的精確程度，以0.5為界限，小于0.5則說明結(jié)果不理想，隨機(jī)擬合的成分多，大于0.5則說明該分區(qū)結(jié)果是有效可靠的。圖4為研究區(qū)ROC曲線圖，橫坐標(biāo)表示地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性由極高到低的分區(qū)面積累計(jì)占比，縱坐標(biāo)表示災(zāi)害數(shù)量累計(jì)占比，本次評(píng)價(jià)結(jié)果ROC曲線面積AUC=0.755，即評(píng)價(jià)精度為75.5%，說明本次危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)合理。

圖4 研究區(qū)ROC曲線圖Fig.4 ROC curve of the study area

6 結(jié)論

(1)福泉市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，本次研究經(jīng)過篩選后選取107個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)作為評(píng)價(jià)樣本，并選取高差、坡度、坡向、植被類型、斜坡結(jié)構(gòu)、地層、河流、構(gòu)造、降雨、災(zāi)害密度、人類工程活動(dòng)、人口密度、財(cái)產(chǎn)密度13個(gè)評(píng)價(jià)因子，采用信息量模型對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

(2)采用自然斷點(diǎn)法將評(píng)級(jí)結(jié)果劃分為四個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，分別是極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)以及低危險(xiǎn)區(qū)。其中極高危險(xiǎn)區(qū)占比10.8%、高危險(xiǎn)區(qū)占比28.4%、中危險(xiǎn)區(qū)占比25.8%、低危險(xiǎn)區(qū)占比35%。

(4)利用ROC曲線對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)精度AUC=75.5%，說明本次危險(xiǎn)性分區(qū)合理，能夠很好的為福泉市防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)和參考。