基于格网GIS的地质灾害地形因子危险评估方法

2015-03-29陶坤旺

测绘工程 2015年9期

关颖，赵荣，陶坤旺，朱翊

（1．辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新123000；2．中国测绘科学研究院，北京100830）

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象）［1］。我国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一，灾害种类多，分布地域广，造成损失大［2］。其中地质灾害的影响尤为突出。

随着地质灾害日益受到各国的关注和重视，研究方法上也取得很大进展。遥感、地理信息系统、数学以及统计学等一些新的理论、技术和方法不断被引入到地质灾害研究中［3－6］。

格网GIS是网络技术发展的必然产物，很多学者用来分析社会和经济现象。格网GIS的研究对象是空间信息格网，是在空间统计单元的基础上研究空间信息、社会经济信息以及组织等问题［7］。将统计信息分布到一定单元格网内，不仅有利于统计数据与地理要素的应用，而且可以提高计算精度，发现格网间信息的差异，更加符合真实情况。因此，本文将格网GIS技术引入到地质灾害评估中，以泥石流和滑坡为研究对象，新源县为试验区域，根据研究区的具体的地质地貌特点建立一套相适应的指标体系。

1 研究区域与数据源

1．1 研究区域概况

新源县位于新疆西部天山北麓被誉为“塞外江南”的伊犁河谷东端，隶属于伊犁哈萨克自治州。东部边缘的天山北麓，地处北纬43°01′～43°40′，东经82°28′～84°57′之间，总面积约6 446．7 k m2，海拔高度781～4 250 m。新源县三面环山，西部敞开，形状如箕，构成东西长、南北窄、东高西低的特殊地形。自西向东为河谷平原、低山丘陵、中山带和高山带，可分为平原、丘陵、山地3个地貌单元。新源地势变差较大，独特的地形地貌决定了新源县地区地质灾害频发，严重威胁人们的生命财产安全。

1．2 数据源

研究的资料包括新源县1：5万DEM，土地利用数据、地质数据、断层数据、交通道路及历史灾害点和隐患点等。由于数据来源不同，需要在Arc GIS中将它们转换成统一的地理坐标系及投影，以方便空间统计和叠加运算。

2 研究方法

首先根据实验区实际情况建立指标体系，然后将研究区域网格化，用熵值法计算出各级指标的权重，最后对评估结果进行可视化表达，技术路线如图1所示。

2．1 建立评价指标体系

1）高程：滑坡、泥石流会在重力的作用下，沿着内部的滑动面向下滑动。所以高程是滑坡、泥石流等地质灾害的重要影响因素。

2）坡度：坡度是基本的自然地理要素，也是影响滑坡发育的重要因素，直接影响着斜坡的稳定性，在一定条件下，坡度越陡，地表松散的堆积物质在雨水的作用下容易带走，从而形成泥石流、滑坡等地质灾害［2］。

图1 技术路线

图2 指标体系图

3）断层构造：断裂发育地区，往往是引发地质灾害的重要因素。断裂层的破碎程度会影响坡体岩石的稳定性，所以断裂带地质构造在一定距离的缓冲区范围内对地质灾害的发生有影响。

4）地层岩性：地层岩性是孕育一切地质灾害的物质基础。对于土石性质较为软弱、结构比较松散而不易排水的地层易产生滑坡、泥石流等地质灾害。

5）土地利用与道路网密度：体现人类工程活动与地质灾害的关系。工程活动可以破坏坡体，当斜坡支撑不了斜坡上部质量时就会失去平衡［8］，如修筑公路、开垦土地、修建农田水利等活动都会导致地质灾害的发生。

2．2 研究区域格网化

运用Arc GIS中的创建鱼网功能，制作一张能够覆盖新源县地区的方形网格，结合研究区的实际情况将网格的大小设置为500 m×500 m再利用Clip（裁剪）功能用新源县边界图裁剪网格，使得格网形状与研究区域一致。由于版面限制，放大部分格网，如图3所示。

图3 区域网格图

运用Arc GIS中union叠置分析功能，将各层评价因子的指标数据分别分布在格网单元中。在叠置过程中，网格中会出现某因子层的多个类别的信息，这就需要考虑如何赋值问题。本文在这里主要根据“面积最大”原则，利用GIS统计分析功能将分别统计网格单元内各类别属性的面积，将面积最大值的属性信息赋值给网格（见图4），实现网格信息化。

图4 信息格网图

2．3 指标量化方法

定性的各指标因子不能直接用来计算，需要变换后转为定量计算。考虑到地质灾害的复杂性，本文利用数据驱动模型的思想对数据进行量化。数据驱动权重模型方法的主要原理是利用地质灾害历史分布数据，建立灾害点分布与各影响因子之间的统计关系［9］，即根据在各影响因子不同类别中滑坡和泥石流分布的统计情况来确定各影响因子对滑坡和泥石流灾害的贡献率大小计算公式为

淀粉的回生分为短期回生和长期回生两个阶段。短期回生要是由直链淀粉的胶凝有序和结晶所引起，发生在淀粉回生的前期，该过程在糊化后较短的时间内完成；而长期的回生(以天计)则主要是由支链淀粉外侧短链的重结晶所引起，该过程是一个缓慢长期的过程，一般发生在极端条件下，如温度很高或冰点温度时，支链淀粉侧链间才会结合。淀粉回生作用与淀粉的种类、直链淀粉与支链淀粉含量的比例、支链淀粉侧链的链长、分子量、糊化淀粉冷却储藏温度、水分等因素有关。

式中：a为各二级因子中统计出的灾害点的个数；Aij为二级因子的面积。

量化后的数据需要归一化处理，以消除指标间量纲的差异性，使数据规范化。归一化公式为

2．4 熵值法

地质灾害风险评估的过程中，确定影响因素的权重是非常重要的，它直接关系到评价结果的合理性和真实性［10－11］。熵值理论是对不确定性的度量，可以定量表示状态的混乱程度，在一定的时间范围内预测发展趋势［12］。熵值法赋权具有客观性，一般情况下它能够反映指标信息熵值的效用价值，具有较高的可信度［13］。具体计算过程为

二级影响因子权重根据一级影响因子的权重值按平均加权的方法进行计算。

3 研究区域地质灾害危险性评估

3．1 数据处理

根据新源县的地形地貌特点及滑坡、泥石流灾害点的分布情况，将各指标细化为若干不同等级的二级指标，利用Arc GIS10．0专业软件将指标因子进行处理并以重分类的形式显示。部分指标因子及其重分类如图5～图8所示。

新源县西高东低，最高点与最低点的高差达3 000 m以上。根据地形变化和与灾害点分布的位置对应关系，将高程分为5个等级，如图5所示；新源县岩性数据属性信息显示，多以砂、砂土、砾石、火山岩屑岩及深灰质碎屑岩为主，岩性稳定性低，易在降雨条件下引发滑坡、泥石流等地质灾害，根据岩层类型把岩性的稳定程度将其分为5个等级，由于部分岩性成分复杂，稳定程度较难确定，为保持数据的真实性将其分为“易滑岩组”“较易滑岩组偶易滑岩组稳定岩组和不确定性如图6所示；土地利用情况在一定程度上影响着地质灾害的发生，依据数据属性信息，将新源县的土地利用类型分为“林地”“草地”“居民用地”等5个级别，如

图5 高程分类图

图7 土地利用分类图

综合应用Arc GIS的叠置分析和空间统计功能将各空间数据和网格数据叠加，并统计各因子的二级指标包含的灾害点数目，利用式（1）、式（2）对指标进行量化和归一化处理。结果如表1所示。

3．2 确定指标权重

根据量化后的指标值，利用熵值法计算出各一、二级指标的权重，如表1所示。

根据表1中统计的各二级指标所包含的灾害点的数目可以发现新源县易引起滑坡、泥石流地质灾害的影响条件有：高程分布中，灾害点主要集中在1 200～1 600，1 600～2 000 m之间；坡度分布中，坡度小于40°时，地质灾害爆发的频度随着坡度增大而增大，大于40°时却会明显降低；土地利用类型中，从灾害点数目看，草地对地质灾害的影响最大，其次是林地；断层构造中，与断层构造越近越容易引发地质灾害，主要集中在距离断层线0～图7所示新源县大部分区域为断裂带发育区本文依据灾害点与主要断裂带之间的距离关系，在Arc GIS中将断层设定5个不同距离的缓冲区，如图8所示。2 000 m之间；岩性结构中，灾害点主要落在易滑和较易滑的岩组中，稳定岩组中也有部分在灾害点落入，可见单一地质条件对地质灾害的影响并非绝对，而是多因素共同作用的结果；道路密度在0～3（k m／k m2）之间对滑坡、泥石流有一定影响。

图6 岩性分类图

图8 断层分类

3．3 综合评估

综合评估计算一般采用指标值与权重值的加权求和模型。具体算式为

其中zi与zij为一、二级指标权重。根据单元格网内各因子的量化值和计算的权重值，利用GIS中的地图代数功能计算每个单元格网的地质灾害易发危险程度值，从而进行综合评估。本文采用Arc－GIS中的自然裂点法（Natural Breaks）分级。该方法的特点是在分级数确定的情况下，通过聚类分析将相似性最大的数据分在同一个等级差异最大的数据分在不同的等级，可以较好地保持数据的统计特征，能够更准确地揭示地质灾害的空间分布格局因此依据自然裂点法将危险程度划分为低度危险，较低危险，较高危险，高危险｝4个等级，用专题图可视化表达，如图9所示。

表1 权重计算结果

由熵值法计算出的各指标一级权重结果（见表1），发现各指标因子对滑坡和泥石流影响程度不同，由高到低依次为：高程0．329 2，土地利用0．291 6，坡度0．149 4，岩性0．144 3，断层0．079 5，道路网密度0．006 0，并且高程和土地利用的“总贡献”值达0．61，而且在高程“1 200～1 600 m、1 600～2 000 m”的分类二级指标和土地利用“草地”的二级指标因子的权重值都较高。因此不难发现，综合评估危险程度区划结果图受其影响较大，同时也受到其它因子不同程度的影响。

分别统计各危险级别包含的灾害点数目占历史灾害点总数的比例，具体结果如表2所示。

图9 综合评估图

表2 危险级别统计

从综合评估图和危险统计表可以看出，新源县滑坡、泥石流地质灾害具有以下特点：

1）滑坡、泥石流地质灾害高危险区主要分布在新源县北部、中部及西南部的山区；较高风险区主要分布在东部和高风险区附近的狭长区域；低风险区和较低风险区集中分布在中部的平原地区。这说明山区的危险性明显高于平原地区，由于山区地形复杂，高差大，坡度陡，并且时有降雪与降雨天气，遇到气温升高，积雪融化或在汛期遇到强降雨，在雪水、雨水与复杂的地形作用下极易引发滑坡、泥石流地质灾害。

2）从危险级别统计表中的统计结果看，较高和高危险区域中灾害点的比例为90．17%，较低危险区灾害点的比例为8．96%，而低危险区域灾害点的比例为0．87%，大多数灾害点被包含在较高风险区和高风险的区域中。