基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域滑坡易發(fā)性評價(jià)

雷石 曹運(yùn)江 趙彥名 葉高峰

（1 湖南科技大學(xué)地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院 湖南湘潭 411201 2 深圳市水務(wù)工程檢測有限公司 廣東深圳 457001）

0 引言

隨著社會的迅速發(fā)展，人類對自然資源的過度開發(fā)導(dǎo)致了各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。全國各個(gè)縣市的大尺度精細(xì)化災(zāi)害相繼展開調(diào)查，關(guān)于災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)成果不斷涌出。當(dāng)前應(yīng)用較廣的易發(fā)性評價(jià)方法多為層次分析法。層次分析法的一項(xiàng)基本任務(wù)是通過專家打分比較評價(jià)因子的重要性，從而形成判斷矩陣，但是專家打分并沒有客觀性和唯一性，無法客觀綜合反映各個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重精度和相關(guān)度。為解決此問題，很多研究人員將目光投向了BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。吳晶晶等［1］基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對廣西賀州構(gòu)建崩塌滑坡易發(fā)性預(yù)測模型，其結(jié)果具有可行性。朱文慧等［2］采用訓(xùn)練良好的蘄春縣BP 預(yù)測模型，得到準(zhǔn)確可靠的分區(qū)結(jié)果。張林梵等［3］在對新疆伊寧縣進(jìn)行區(qū)域易發(fā)性評價(jià)時(shí)，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)現(xiàn)極高易發(fā)區(qū)主要分布在中低山斷裂帶。朱崇浩等［4］進(jìn)行九寨溝公路沿線危險(xiǎn)性評價(jià)時(shí)，基于DInSAR-BP 綜合模型，使得結(jié)果精度提高13.9%。因此，本文構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對湖南省郴州市臨武縣進(jìn)行滑坡易發(fā)性評價(jià)研究。研究成果對于人民安全生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)、維護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

臨武縣地處湖南省最南部，地理坐標(biāo)東經(jīng)112°20′26″～112°47′19″，北緯25°7′14″～25°35′14″，總面積1 383.82 km2。主要為丘陵低山地貌，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，降雨量豐富，易崩易滑地層分布較廣。研究區(qū)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，開采歷史悠久、開采強(qiáng)度大。由于礦區(qū)地質(zhì)條件較差，大量的煤矸石堆積、壓占耕地，造成原有的地貌和植被損失，甚至造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。主要地質(zhì)災(zāi)害類型為滑坡。臨武縣也是湖南省較集中、具代表性的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)之一［5］。

2 數(shù)據(jù)因子提取

根據(jù)不同區(qū)域的地質(zhì)背景選擇適合的評價(jià)因子，通過對以往滑坡的研究結(jié)果和地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)研數(shù)據(jù)，選取了臨武地區(qū)高程、坡度、坡向、地形起伏度、地質(zhì)年代、地質(zhì)構(gòu)造、水系距離、降雨量、歸一化植被指數(shù)等9 項(xiàng)因子構(gòu)建滑坡易發(fā)性評價(jià)體系。

（1）高程?；碌陌l(fā)生和分布受地區(qū)地形的影響，而高程對坡體的能量變化有一定的影響，從而間接地影響斜坡的穩(wěn)定。將研究區(qū)高程分為5 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在＜400 m 區(qū)間，見圖1（a）。

圖1 研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價(jià)影響因子分布結(jié)果

（2）坡度。坡度是衡量斜坡的傾角，用來衡量斜坡的陡緩程度。坡體的穩(wěn)定性主要取決于坡度的大小，而坡度是引起邊坡失穩(wěn)的主要原因。將研究區(qū)坡度分為5 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在＜25°區(qū)間，見圖1（b）。

（3）坡向。對地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的影響主要是由于不同方向的坡面所能獲得的太陽輻射有很大的差別，陽坡是一個(gè)受陽光照射強(qiáng)烈的地區(qū)，它具有較高的濕度、較少的植被和裸露的地面，因此有較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)坡向分為平面和8 個(gè)間隔45°坡面，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在東南、西南、南方向，見圖1（c）。

（4）地形起伏度。地形起伏度可以表示為地勢高低起伏的變化程度。小區(qū)域地表高低不平對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響很大。將研究區(qū)地形起伏度分為4 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在＜200 m 區(qū)間，見圖1（d）。

（5）地質(zhì)年代。地質(zhì)年代反映了巖體的風(fēng)化、破碎程度，不同時(shí)期巖體的風(fēng)化、破碎程度也有一定的差別，也決定了巖體的強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力，是形成滑坡的重要影響因素之一。將研究區(qū)地質(zhì)年代分為8 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在二疊紀(jì)，見圖1（e）。

（6）地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造不僅控制著地形地貌的變化，還能控制巖層中巖體結(jié)構(gòu)和組合特征，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育過程中起到了全面的控制影響。將研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造距離分為6 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在＜500 m 區(qū)間，見圖1（f）。

（7）水系距離。在滑坡災(zāi)害的形成過程中，水系河流在化學(xué)、物理等多方面作用下對形成滑坡起著關(guān)鍵的作用。將研究區(qū)水系距離分為6 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在＜300 m 區(qū)間，見圖1（g）。

（8）降雨量。受降雨的影響，斜坡會導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，尤其在每年的洪澇季節(jié)。隨著降雨量的突然增多，往往會導(dǎo)致各種類型的地質(zhì)災(zāi)害。將研究區(qū)年平均降雨量分為4 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在［1490，1526）mm區(qū)間，見圖1（h）。

（9）歸一化植被指數(shù)。滑坡與植被覆蓋間存在著密切的聯(lián)系，也就是說，在植被稀疏的地方，山體滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害。將研究區(qū)植被指數(shù)分為5 個(gè)區(qū)間等級，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在［0.4，0.6）區(qū)間，見圖1（i）。

3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心思想是利用梯度下降法，通過不斷迭代訓(xùn)練，使得計(jì)算結(jié)果與輸出期望值之間的均方誤差最小，最終得到模型各層級單元權(quán)重。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有信息分布式存儲、大規(guī)模并行處理能力、自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力、較強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性等優(yōu)勢?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡易發(fā)性評價(jià)（模型）結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡易發(fā)性評價(jià)（模型）結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，構(gòu)造了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡易發(fā)性與地形因子、地層巖性、自然環(huán)境等9 種滑坡因素的對應(yīng)關(guān)系。首先，選擇86 個(gè)滑坡樣品和86 個(gè)未發(fā)生滑坡的樣品，將數(shù)據(jù)歸一化；針對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過度擬合而造成的預(yù)測效果不佳，構(gòu)建了只有輸入層、隱含層和輸出層3 層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文選擇了9 種滑坡風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，其中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層結(jié)點(diǎn)是9 個(gè)，訓(xùn)練樣本則選擇了滑坡點(diǎn)和非滑坡點(diǎn)，也就是BP 網(wǎng)絡(luò)的輸出點(diǎn)是2，訓(xùn)練樣本與測試樣本為7∶3。在此基礎(chǔ)上，將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層結(jié)點(diǎn)設(shè)定為13。

4 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果

通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可得到滑坡易發(fā)性指數(shù)，使用相同的間隔把易發(fā)性指數(shù)分為 ［0，0.2）、［0.2，0.4）、［0.4，0.6）、［0.6，0.8）、［0.8，1.0）5 個(gè)等級區(qū)間，分別對應(yīng)極低易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)，面積分別為393.35、388.69、288.37、191.47、112.88 km2（表1）。隨著易發(fā)性等級提高，分區(qū)面積逐漸降低，分布災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目增多，取得評價(jià)結(jié)果精度較好。中易發(fā)區(qū)級別以上主要分布在金江鎮(zhèn)、水東鎮(zhèn)、麥?zhǔn)墟?zhèn)、花塘鄉(xiāng)、南強(qiáng)鎮(zhèn)、西山瑤族鄉(xiāng)（圖3）。與野外實(shí)際調(diào)查情況相符合，主要還是因?yàn)榈V山開采、切坡建房等人類工程活動。

表1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究區(qū)易發(fā)性評價(jià)分布統(tǒng)計(jì)表

圖3 研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）選擇9 項(xiàng)評價(jià)因子，研究結(jié)果表明，臨武縣境內(nèi)誘發(fā)滑坡災(zāi)害主要集中在高程＜800 m、坡度＜25°、陽坡、起伏度＜200 m、二疊紀(jì)、構(gòu)造距離500 m 內(nèi)、水系河流距離300 m 內(nèi)、降雨量［1490，1526）mm、植被指數(shù)［0.4，0.6）等分布范圍。

（2）研究區(qū)評價(jià)結(jié)果表明，中易發(fā)區(qū)以上主要分布在金江鎮(zhèn)、水東鎮(zhèn)、麥?zhǔn)墟?zhèn)、花塘鄉(xiāng)、南強(qiáng)鎮(zhèn)、西山瑤族鄉(xiāng)。