基于GIS 的信息量法在滑坡地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以福建浦城區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例

張晨

（福建省196 地質(zhì)大隊(duì) 福建漳州 363000）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害（以下簡(jiǎn)稱地災(zāi)）危險(xiǎn)性與多種因素相關(guān)，而各種因素存在不確定性、模糊性及相互作用的復(fù)雜性等特點(diǎn)［1］。作為一種簡(jiǎn)單有效的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，信息量法被廣泛應(yīng)用于區(qū)域地災(zāi)的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。信息量模型的理論基礎(chǔ)是信息論，信息預(yù)測(cè)的理論認(rèn)為：地災(zāi)的發(fā)生與預(yù)測(cè)過程中所獲取信息的數(shù)量有關(guān)，可用信息量表達(dá)［2］。本次研究區(qū)范圍為浦城縣整個(gè)縣域，在充分收集已有資料的基礎(chǔ)上，以遙感解譯、地面調(diào)查、測(cè)繪和工程勘查為主要手段，開展地災(zāi)調(diào)查。福建山區(qū)常見的地災(zāi)主要有滑坡、崩塌、泥石流，本文主要分析信息量法在滑坡地災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱滑坡）易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 概述

1.1 研究區(qū)地理地質(zhì)概況

浦城縣位于福建省南平市北端的閩、浙、贛三省交界處，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。調(diào)查區(qū)雨量充沛，水系發(fā)達(dá)，但季節(jié)分配不均。研究區(qū)主要致災(zāi)體為滑坡，廣泛分布于山前斜坡地帶的殘坡積土層。地下水類型屬于殘坡積層或強(qiáng)風(fēng)化巖中的孔隙水，災(zāi)害體常處于地下水位以上，主要接受降雨補(bǔ)給。由于降雨下滲，抬升地下水位，增大土體荷重，潤(rùn)濕土體，故降雨時(shí)較易誘發(fā)滑坡。

1.2 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源

2 基于GIS 的信息量法簡(jiǎn)述

2.1 信息量法應(yīng)用可行性說明

滑坡地災(zāi)的發(fā)生與動(dòng)態(tài)誘發(fā)因素密切相關(guān)，也受眾多靜態(tài)地質(zhì)環(huán)境因素的控制。通過區(qū)域內(nèi)已知地災(zāi)點(diǎn)提供的信息，將每一個(gè)影響區(qū)域穩(wěn)定性因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)自身的含義模糊化后全部轉(zhuǎn)化為反映滑坡易發(fā)性的信息量值，最終，基于信息量值來量化區(qū)域每個(gè)評(píng)價(jià)單元滑坡地災(zāi)環(huán)境敏感性的大小，即易發(fā)程度。因此最終每個(gè)評(píng)價(jià)單元所表達(dá)出的信息是完全客觀的［3-5］。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

影響地災(zāi)發(fā)生的靜態(tài)環(huán)境控制因素很多，實(shí)際工作中并不能將孕育地災(zāi)發(fā)生的所有因素考慮在內(nèi)。根據(jù)浦城縣地災(zāi)形成機(jī)理及特點(diǎn)，結(jié)合浦城縣的自然地理特征以及數(shù)據(jù)收集情況，選取高程、坡向、坡度、水系網(wǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型、路網(wǎng)共7 個(gè)與滑坡關(guān)系密切的指標(biāo)作為滑坡的環(huán)境控制因素。對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行合理的分類量化，參考《地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》（1∶50000）（試用稿）采用信息量模型和證據(jù)權(quán)法進(jìn)行評(píng)價(jià)［2，3，6］。

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)說明

（1）高程。利用研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)對(duì)高程進(jìn)行重分類，研究區(qū)的高程位于152 m～1 680 m 之間。根據(jù)高程與地災(zāi)關(guān)系圖，本次將研究區(qū)高程分為0 m～200 m、200 m～500 m、500 m～1 000 m、＞1 000 等4 個(gè)等級(jí)。滑坡隱患點(diǎn)主要分布在高程200 m～500 m 之間，信息量達(dá)0.358 99。

（2）坡向。研究區(qū)坡向依正南方為起始方位中心，依順時(shí)針間隔45°劃分為8 個(gè)類別。由于網(wǎng)格大小為25 m×25 m，網(wǎng)格較小，因此會(huì)出現(xiàn)平面無坡向的情況出現(xiàn)，因此新增類別平面，共9 個(gè)類別。

（3）坡度。利用研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)對(duì)坡度進(jìn)行提取可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的坡度位于0°～83°之間，整體坡度較陡。為了對(duì)坡度進(jìn)行合理劃分，根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，將研究區(qū)按坡度0°～15°、15°～25°、25°～35°、＞35°劃分為4 個(gè)等級(jí)。

（4）水系緩沖區(qū)。統(tǒng)計(jì)信息表明，研究區(qū)的地災(zāi)大多集中發(fā)生于距離河流400 m 以內(nèi)的區(qū)域，占總災(zāi)害點(diǎn)數(shù)的79.10%。隨著到河流的距離越來越遠(yuǎn)，災(zāi)害點(diǎn)的比例也隨之下降，河流對(duì)地災(zāi)具有明顯的影響效應(yīng)，因此將調(diào)查區(qū)到河網(wǎng)距離按0 m～100 m、100 m～200 m、200 m～300 m、300 m～400 m、400 m～500 m 以及大于500 m 劃分為6 個(gè)等級(jí)。

飼養(yǎng)西班牙黑雞的最佳方法是，深夜里去掏雞籠。我之所以推薦這種方法，是因?yàn)檫@類雞很值錢，雞的主人不允許它們隨便棲息，把它們關(guān)進(jìn)一個(gè)像耐火保險(xiǎn)柜那樣結(jié)實(shí)的雞籠子里，夜里還將籠子放到廚房里。

（5）地質(zhì)構(gòu)造。調(diào)查區(qū)構(gòu)造行跡以斷裂為主，斷裂構(gòu)造因子反映地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地災(zāi)的影響。一般來說，距離斷裂構(gòu)造越近，就越容易引發(fā)地災(zāi)。參照前人研究中提出的分級(jí)指標(biāo)，對(duì)調(diào)查區(qū)分別建立500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m 的多級(jí)緩沖區(qū)，結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)每一級(jí)斷裂緩沖區(qū)中災(zāi)害點(diǎn)的個(gè)數(shù)及比例，得到相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

（6）巖土體類型。巖土體類型是地災(zāi)發(fā)育的重要內(nèi)在因素與物質(zhì)基礎(chǔ)，巖土體的類型決定了巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)［3-4］，例如軟硬相間的巖組抗風(fēng)化能力較差，容易在結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，造成災(zāi)害的發(fā)生；碎屑結(jié)構(gòu)的巖組整體強(qiáng)度較低，在外力的破化擾動(dòng)下容易破碎從而形成地災(zāi)的物源。由于收集到的巖土數(shù)據(jù)已給出調(diào)查區(qū)巖土體的各種類型，本次不再進(jìn)一步分類。

（7）路網(wǎng)密度。以路網(wǎng)密度大小反映對(duì)研究區(qū)地災(zāi)的影響程度。首先對(duì)路網(wǎng)密度進(jìn)行以0.5 km/km2為單位的劃分，根據(jù)地災(zāi)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)各個(gè)密度區(qū)間地災(zāi)發(fā)生的頻數(shù)，應(yīng)用ArcGIS 重分類工具將路網(wǎng)數(shù)據(jù)用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行重分類，按路網(wǎng)密度0～1.5、1.5～2.5、2.5～4.5、＞4.5 對(duì)應(yīng)路網(wǎng)密度低、路網(wǎng)密度中等、路網(wǎng)密度高、路網(wǎng)密度極高劃分為4 個(gè)等級(jí)，并分別統(tǒng)計(jì)每一級(jí)路網(wǎng)等級(jí)中的災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)及比例。

3 信息量法在滑坡地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與分析

3.1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量計(jì)算

地災(zāi)的形成受多種因素影響，信息量模型反映了一定地質(zhì)環(huán)境下最易致災(zāi)因素及其細(xì)分區(qū)間的組合；具體是通過特定評(píng)價(jià)單元內(nèi)某種因素作用下地災(zāi)發(fā)生頻率與區(qū)域地災(zāi)發(fā)生頻率相比較實(shí)現(xiàn)的。對(duì)應(yīng)某種因素特定狀態(tài)下的地災(zāi)信息量公式可表示為式（1）。

通過分析可知，基于信息量法的滑坡地災(zāi)易發(fā)性指數(shù)計(jì)算是以浦城縣滑坡點(diǎn)分布現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，采用樣本頻率來計(jì)算各單因素的信息量。將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在研究區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一劃分為25 m×25 m 的規(guī)則柵格分析單元，在ArcGIS 平臺(tái)上對(duì)以上各單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)柵格圖層與實(shí)際滑坡點(diǎn)作交集統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)每種類型柵格單元中災(zāi)害點(diǎn)分布的數(shù)量以及研究區(qū)內(nèi)該類型所占柵格單元數(shù)，從而分別計(jì)算出各指標(biāo)的信息量值。由于每個(gè)評(píng)價(jià)單元受眾多因素的綜合影響，各因素又存在若干狀態(tài)，各狀態(tài)因素組合條件下地災(zāi)發(fā)生的總信息量可用式（2）確 定［8］。

基于以上信息量計(jì)算模型，對(duì)每個(gè)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行信息量計(jì)算，得到信息量計(jì)算結(jié)果（表中僅列舉高程、坡度評(píng)價(jià)因子的相應(yīng)信息量值），如表1 所示。

表1 研究區(qū)地災(zāi)環(huán)境控制因子信息量值

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

為了解決現(xiàn)有評(píng)價(jià)模型存在的指標(biāo)權(quán)值計(jì)算和評(píng)價(jià)分級(jí)具有較大主觀性的問題，本次評(píng)價(jià)還需運(yùn)用證據(jù)權(quán)模型進(jìn)行浦城縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，利用該方法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)特性，能夠較好地避免評(píng)價(jià)因子選擇與權(quán)值計(jì)算的主觀性。

證據(jù)權(quán)模型通過對(duì)與地災(zāi)形成相關(guān)的影響因素的權(quán)重指數(shù)進(jìn)行疊加分析，開展滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。通過證據(jù)權(quán)模型給出該二值化的證據(jù)因子圖層的權(quán)重，最終疊加多元圖層，實(shí)現(xiàn)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。

基于證據(jù)權(quán)計(jì)算模型，對(duì)每個(gè)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，可以得到與表1 評(píng)價(jià)因子及分類一一對(duì)應(yīng)的證據(jù)權(quán)值。以高程、坡度計(jì)算結(jié)果為例，如表2 所示。

表2 研究區(qū)滑坡環(huán)境控制因子證據(jù)權(quán)值

3.3 評(píng)價(jià)因子的確定以及后驗(yàn)概率分析

通過上述對(duì)研究區(qū)權(quán)重值計(jì)算及分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合表2中的C 值，剔除掉權(quán)重值相對(duì)較小且與其他證據(jù)因子相關(guān)性大的證據(jù)層，共刪除高程500 m～1 000 m、＞1 000 m、坡向北向、南向、西南向、坡度＞35°、水系距離＞500 m、斷裂距離1 000 m～1 500 m、2 500 m～3 000m、＞3 000 m、塊狀硬—較硬火山巖組、厚—薄層狀較軟沉積巖組、道路緩沖區(qū)＞300 m 等13 個(gè)因子。利用ArcGIS 平臺(tái)采用式6 將剩余的評(píng)價(jià)因子進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到滑坡后驗(yàn)概率及后驗(yàn)概率分布圖（圖1）。

圖1 浦城縣滑坡地災(zāi)后驗(yàn)概率分布圖

基于每個(gè)評(píng)價(jià)單元的信息量值對(duì)災(zāi)害環(huán)境敏感性進(jìn)行劃分時(shí)，后驗(yàn)概率大小反映區(qū)域滑坡的易發(fā)程度：后驗(yàn)概率越大，易發(fā)性越高，越易引發(fā)滑坡；后驗(yàn)概率越小，易發(fā)性越低，越不易引發(fā)滑坡。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 滑坡地災(zāi)易發(fā)性等級(jí)劃分

經(jīng)上述計(jì)算，研究區(qū)后驗(yàn)概率P 的區(qū)間為［0.000 060 034～0.999 788 44］，應(yīng)用ArcGIS 重分類工具將路網(wǎng)數(shù)據(jù)用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行重分類，將浦城縣滑坡易發(fā)性等級(jí)分為4 個(gè)等級(jí)：低易發(fā)區(qū)［0.000 060 034～0.168 641 671］、中易發(fā)區(qū)［0.168 641 671～0.439 156 39］、高易發(fā)區(qū)［0.439 156 39～0.713 591 612］、極高易發(fā)區(qū)［0.713 591 612～0.999 788 344］，得到浦城縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)圖。最后結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果，將所得柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀可視圖像，最終形成浦城縣滑坡易發(fā)性分區(qū)圖（圖2）。

圖2 浦城縣滑坡地災(zāi)易發(fā)性分區(qū)圖

4.2 不同級(jí)別易發(fā)性分區(qū)面積估算

依據(jù)以上等級(jí)劃分結(jié)果作出的浦城縣滑坡易發(fā)性分區(qū)圖，分區(qū)結(jié)果為研究區(qū)極高易發(fā)區(qū)面積為67.11 km2，占總面積的1.98%；高易發(fā)區(qū)面積為739.77 km2，占總面積的21.87%；中易發(fā)區(qū)面積1 287.02 km2，占總面積的38.05%；低易發(fā)區(qū)面積1 288.58 km2，占總面積的38.10%（詳見表3）。評(píng)價(jià)結(jié)果表明研究區(qū)大部分為低易發(fā)和中易發(fā)區(qū)，占總面積的76.15%，而極高和高易發(fā)區(qū)占總面積的23.85%，多為人口密集區(qū)，表明人類工程活動(dòng)對(duì)研究區(qū)的滑坡影響較大。研究區(qū)極高易發(fā)區(qū)與高易發(fā)區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)密度明顯高于中、低易發(fā)區(qū)域，本次對(duì)研究區(qū)易發(fā)性分區(qū)劃分結(jié)果相對(duì)客觀可靠。

表3 浦城縣滑坡易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

（1）綜上所述，信息量法在區(qū)域滑坡地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是可行的，其評(píng)價(jià)結(jié)果也較為可靠。

（2）基于GIS 平臺(tái)，應(yīng)用信息量法可以對(duì)滑坡地災(zāi)進(jìn)行易發(fā)性等級(jí)劃分及易發(fā)性分區(qū)，并估算分區(qū)面積。

（3）應(yīng)用信息量法對(duì)區(qū)域滑坡地災(zāi)易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重的選取與評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性關(guān)系密切，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合區(qū)域的具體情況進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)和選取權(quán)重。