基于GIS技術(shù)和信息量法的地質(zhì)災害易發(fā)性研究
——以海南省昌江縣為例

李 信，阮 明，楊 峰，柳長柱，楊永鵬

1.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點實驗室，海南 ?？?570206；2.海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 ?？?570206

0 引言

研究區(qū)地處海南島西部，地貌類型以低山丘陵為主，斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復雜.地質(zhì)災害主要為崩塌、滑坡、泥石流和不穩(wěn)定斜坡，其中崩塌112處，滑坡10處，泥石流3處，不穩(wěn)定斜坡2處.地質(zhì)災害呈線狀分布于公路沿線兩側(cè)，呈面狀分布于居民點、礦山集中區(qū).地質(zhì)災害呈現(xiàn)增多態(tài)勢，嚴重威脅了當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全，制約了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展.

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的在地質(zhì)災害應用方面的發(fā)展，GIS在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中的應用越來越廣泛，為開展以滑坡、泥石流、崩塌、不穩(wěn)定斜坡為主體的地質(zhì)災害易發(fā)性的深入研究提供了一個卓有成效的技術(shù)平臺與研究途徑［1-4］.地質(zhì)災害發(fā)育和分布特征受地形地貌、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋程度影響［5］，本文依靠GIS平臺對該地區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育的地質(zhì)條件及誘發(fā)因素進行統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上建立適當?shù)脑u價模型對海南省昌江縣的地質(zhì)災害易發(fā)性進行研究.

1 研究方法

首先建立地質(zhì)災害易發(fā)性評估指標體系，建立信息量分析模型；然后計算各層元素的組合權(quán)重，利用ArcGIS空間分析中的柵格計算對各評價因子加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性柵格圖；最后綜合考慮各種影響因素，概化出昌江縣地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖［6］.

2 地質(zhì)災害易發(fā)性評價

2.1 評價因子體系的建立

控制和誘發(fā)地質(zhì)災害易發(fā)程度的因素有多種，其中控制地質(zhì)災害發(fā)育的內(nèi)在因素主要為坡度、坡高、海拔高度、河流及植被覆蓋率［7］，誘發(fā)因素為汛期強臺風降雨和人類工程活動兩項指標［8］.

本研究中地質(zhì)災害控制因素的選取是在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的實際情況篩選，通過地質(zhì)災害空間分布的地質(zhì)環(huán)境特征分析，并以GIS分析工具的可圖形化和經(jīng)濟可靠性要求為前提［6，9-10］，建立地質(zhì)災害易發(fā)性評估指標體系（A）（圖1）.

圖1 地質(zhì)災害易發(fā)評估指標體系圖Fig.1 Evaluation index system of geohazard susceptibility

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造（B1）

斷裂（C1）：斷裂帶在外營力作用下使地層破碎而產(chǎn)生錯動、位移，從而控制地質(zhì)災害的發(fā)育［11］.昌江縣構(gòu)造斷裂發(fā)育，地質(zhì)災害的發(fā)育受其影響較大（如圖2）.

圖2 構(gòu)造緩沖柵格圖Fig.2 Buffer grid map of structure

2.1.2 工程地質(zhì)巖組（B2）

巖土體（C2）：巖土體類型及結(jié)構(gòu)特征對斜坡的變形有顯著的控制作用，其巖體結(jié)構(gòu)、破碎和完整程度不相同，形成的地形地貌不同，導致地質(zhì)災害的易發(fā)程度和災害種類亦不相同［12-13］（如圖3）.

圖3 工程巖組柵格圖Fig.3 Grid map of engineering rock assemblage

2.1.3 地形地貌（B3）

坡度（C3）：斜坡坡度較大的中低山區(qū)坡體形成了普遍較大的臨空面，崩塌或滑坡體土體剪應力增強，坡面附近巖土所受到重力拉扯作用加大，使得邊坡穩(wěn)定性大大降低［14］（圖4）.

圖4 坡度柵格圖Fig.4 Grid map of slope gradient

坡高（C4）：地質(zhì)災害斜坡坡高為坡肩到坡腳的高度，斜坡帶對地質(zhì)災害具有控制作用，坡高越高，地質(zhì)災害發(fā)生的可能也越大［15］.本研究通過GIS的空間分析模塊提取地形起伏度圖層，用來近似代表坡高指標（如圖5）.

圖5 坡高柵格圖Fig.5 Grid map of slope height

海拔高度（C5）：一般來說，海拔高度可以從一定程度上反映地貌的變化，災害的高程與地質(zhì)災害的發(fā)生有著直接的關(guān)系［16］.通過GIS從數(shù)字高程模型（DEM）提取出海拔高度（如圖6）.

圖6 海拔高度柵格圖Fig.6 Grid map of altitude

植被覆蓋率（C6）：植被有護坡及保持水土的作用，對斜坡穩(wěn)定性有利［17］.利用遙感軟件ENVI對昌江縣SPOT-5衛(wèi)星影像校正、拼接后，提取紅光波段及紅外波段，計算得到歸一化植被指數(shù)NDVI：

式中：NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值.NDVI值越大，表示植被覆蓋程度越高.根據(jù)NDVI灰度值，將研究區(qū)的植被覆蓋情況劃分為5個區(qū)域：巖石裸露區(qū)、植被較稀疏區(qū)、植被稀疏區(qū)、植被一般茂密區(qū)和植被茂密區(qū)［18］（如圖7）.

圖7 NDVI柵格圖Fig.7 NDVI grid map

河流（C7）：河流對兩岸斜坡沖刷、側(cè)蝕、淘蝕，使斜坡體抗剪強度降低，形成裂縫，而使斜坡失去支撐，破壞平衡而引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災害［19］（如圖8）.

圖8 河流緩沖區(qū)柵格圖Fig.8 Buffer grid map of stream

2.1.4 誘發(fā)因素B4

人類工程活動（人為因素）（C8）：昌江縣主要的人類工程活動為礦山開采和公路建設(shè)，而公路、鐵路和高速公路開挖形成的高陡邊坡是地質(zhì)災害重要的誘發(fā)因素.在交通工程建設(shè)完成之后，其誘發(fā)作用便轉(zhuǎn)化為對邊坡巖土體條件的影響作用，成為影響邊坡穩(wěn)定性的靜態(tài)要素之一（圖9）.

圖9 公路緩沖區(qū)柵格圖Fig.9 Buffer grid map of road

降雨量（自然因素）（C9）：降雨是導致地質(zhì)災害發(fā)生的重要誘發(fā)因素之一，一般7、8、9三個月份連綿雨水以及暴雨往往就伴隨著地質(zhì)災害的發(fā)生（圖10），尤其是海南熱帶風暴和強臺風為引發(fā)地質(zhì)災害較為活躍的因子.

圖10 降雨量柵格圖Fig.10 Grid map of rainfall

2.2 權(quán)重的確定

2.2.1 建立判斷矩陣

本研究采用標度法，對各層中的要素對上一層次目標的相對重要性進行兩兩比較（表1—3），建立判斷矩陣.

表1 A-B層判斷矩陣Table 1 Judgment matrix of A-B level

2.2.2 計算被比較元素的相對權(quán)重

通過MATLAB軟件計算A-B、B3-C及B4-C判斷矩陣的最大特征根λmax并比較元素相對權(quán)重.

表2 B3-C層判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of B3-C level

表3 B4-C層判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of B4-C level

A-B判斷矩陣λmax=4.0439，則檢驗性指標CR=0.0163＜0.1.滿足一致性檢驗，可認為該矩陣具有較好的判斷一致性.B1、B2、B3和B4權(quán)重分別為0.0687、0.1535、0.3889和0.3889.

B3-C判斷矩陣λmax=5.3620，則檢驗性指標CR=0.0808＜0.1.滿足一致性檢驗，可認為該矩陣具有較好的判斷一致性.C3、C4、C5、C6和C7權(quán)重分別為0.4747、0.2581、0.1459、0.0420和0.0793.

B4-C判斷矩陣λmax=2.滿足一致性檢驗，可認為該矩陣具有較好的判斷一致性.C8和C9權(quán)重分別為0.75和0.25.

2.2.3 計算各層元素的組合權(quán)重

為了對A層地質(zhì)災害易發(fā)性進行評估，需將B層中B1層（地質(zhì)構(gòu)造）、B2層（工程地質(zhì)巖組）、B3層（地形地貌）、B4層（誘發(fā)因素）歸一化之后的權(quán)重在A層下再次歸一化，得到C層中8項要素的組合權(quán)重（表4）.

表4 層次元素組合權(quán)重Table 4 Combined weights of elements for each level

對各層中的要素對上一層次目標的相對重要性兩兩比較，建立判斷矩陣，并計算被比較元素的相對權(quán)重，確定評價體系中各指標的權(quán)重［6］（表5）.

表5 地質(zhì)災害影響因子相對權(quán)重表Table 5 Relative weights of geohazard impact factors

2.3 信息量分析模型計算

信息量分析模型是通過收集已變形或破壞區(qū)域的現(xiàn)實情況和地質(zhì)災害影響因素，計算出各影響因素對破壞變形的影響值，作為區(qū)劃的定量指標［20］.信息量分析模型不僅可以定量地反映出地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律，而且使用起來簡單易行，在地質(zhì)災害易發(fā)性評價中得到了廣泛的應用和推廣［21］.本研究把反映影響區(qū)域穩(wěn)定性因素的實測值轉(zhuǎn)化成信息量值作為易發(fā)性區(qū)劃的定量指標，對地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)進行劃分.

式中：I為評價單元總的信息量值，體現(xiàn)單元破壞的可能性；n為參評因子數(shù)；H為研究范圍內(nèi)地質(zhì)災害數(shù)；S為已知總單元數(shù)；N為變形及破壞的單元總數(shù)；Si為研究區(qū)內(nèi)指標xi的單元個數(shù)；Ni為指標xi的變形破壞單元個數(shù).當I越大，越有利于發(fā)生變形破壞，表明地質(zhì)災害易發(fā)性越大，危險性越大.

通過統(tǒng)計學中常用的自然斷點法將柵格疊加圖按信息量重新分類后，信息量值區(qū)間分別為+1.324 983～+0.206 81、+0.20 681～-0.050 068、-0.050 068～-0.276 724、-0.276 724～-1.324 98.運用ArcGIS中柵格計算工具將各圖層的信息量值乘以層次分析法得到的權(quán)重指標后疊加，完成地質(zhì)災害易發(fā)因子的綜合信息量計算，生成地質(zhì)災害綜合信息量值疊加圖（圖11）.

圖11 地質(zhì)災害易發(fā)性綜合信息量圖Fig.11 Integrated information of geohazard susceptibility

2.4 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果

通過空間分析工具中的鄰域分析功能，采用15×15的正方形進行平噪處理，達到平滑處理的效果.最后，在定量計算分級分區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素，人工勾畫出地質(zhì)災害易發(fā)程度區(qū)劃圖.依據(jù)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果，將研究區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)性程度劃分為4級：地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災害中易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災害不易發(fā)區(qū).其中地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)面積522.82 km2，占全縣面積的32.23%，分成2個亞區(qū)；地質(zhì)災害中易發(fā)區(qū)面積375.36 km2，占全縣面積的23.14%，分成2個亞區(qū)；地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)面積658.53 km2，占全縣面積的40.6%；地質(zhì)災害不易發(fā)區(qū)面積64.49 km2，占全縣面積的4.03%（如圖12）.

圖12 地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.12 Zoning map of geohazard susceptibility

3 結(jié)果與討論

（1）本研究運用層次分析法建立評價指標體系和信息量模型，利用標度法確定各指標的權(quán)重，在ArcGIS平臺上通過疊加量化信息進行計算，得出昌江縣地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖.分區(qū)結(jié)果與地質(zhì)災害發(fā)育分布特征基本吻合，因此證明基于GIS和信息量模型的地質(zhì)災害易發(fā)性評價方法是可行的.

（2）本次評價分區(qū)的層次分析法與理論推導法、地理相關(guān)分析法、主導因素法、專家評價法等定性分析方法相比，運用了定量與定性相結(jié)合的方法.與眾多的統(tǒng)計模型，如多元統(tǒng)計分析模型、數(shù)理統(tǒng)計分析模型、概率理論模型等相比，信息量模型具有更高的客觀性和可操作性，分析結(jié)果更加準確.該方法在我國縣市地質(zhì)災害詳細調(diào)查中已廣泛推廣使用，具有一定的代表性和科學性.

（3）昌江縣地質(zhì)災害易發(fā)性評價及區(qū)劃結(jié)果表明：地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)面積522.82 km2，占全縣面積的32.23%；地質(zhì)災害中易發(fā)區(qū)面積375.36 km2，占全縣面積的23.14%；地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)面積658.53 km2，占全縣面積的40.6%；地質(zhì)災害不易發(fā)區(qū)面積64.49 km2，占全縣面積的4.03%.該結(jié)果可以作為城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)依據(jù)，也為昌江縣地質(zhì)災害避讓搬遷和防治提供依據(jù).