基于ArcGIS与信息量法的滑坡易发性评价

陈立华，叶　江，魏传健，许英姿

( 广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)



基于ArcGIS与信息量法的滑坡易发性评价

陈立华，叶江，魏传健，许英姿

( 广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)

摘要：广西碎屑岩分布区从 2005年至2013年间发生突发性地质灾害共1 261处，其中滑坡数量最多，共860处，占总数的68.2%，隐患点3 956处。通过分析滑坡稳定性的关键性影响因子，以坡度、土地利用类型、岩组、降雨等评价指标建立广西碎屑岩区滑坡易发区评价体系。基于ArcGIS以90 m×90 m栅格单元作为滑坡易发性评价的基本评价单元，采用信息量法计算坡度、土地利用类型、岩组、降雨等评价指标的信息值。对广西碎屑岩分布区进行滑坡易发性评价，分析得到广西碎屑岩区滑坡易发性区划和防治区划。以广西碎屑岩区作为研究区，分析结果可为广西碎屑岩区滑坡预警和防治规划提供技术参考。

关键词：碎屑岩；滑坡；易发性评价；信息量法；ArcGIS

0引言

广西碎屑岩区主要分布在桂西北、桂南与桂东北区域，其岩石风化作用强烈，节理裂隙发育，覆盖层厚薄不一，山高坡陡，河流切割强烈，碎屑岩区属滑坡多发区[1]。通过广西壮族自治区国土资源厅收集2005年至2013年间广西碎屑岩区地质灾害资料统计得到突发地质灾害共1 261处，其中滑坡数量最多，共860处，占总数的68.2%，隐患点3 956处。滑坡已成为广西碎屑岩区主要的地质灾害，因而开展广西碎屑岩区滑坡易发性评价具有重要的应用价值[2]。

滑坡易发性评价模型主要有：统计分析模型、主观推断分析模型、确定性模型以及模式识别模型等[3]。信息量模型属于统计分析模型的一种，由于信息量模型具有物理意义明确、操作简单而且能将主观和客观结合的优点，因此本文基于ArcGIS 空间分析技术和信息量法针对广西碎屑岩区人类活动区域进行滑坡易发性评价，即根据已发生滑坡的历史调查数据和影响滑坡发生的主要因素，进行广西碎屑岩区人类活动区域滑坡易发性评价，并获得滑坡易发性区划和滑坡防治区划，为人类活动影响下的广西碎屑岩区域滑坡防治提供参考。

1信息量模型的原理

信息量模型主要根据信息量来评价各影响因子与研究对象之间的相关性。首先选择控制滑坡稳定性的关键性影响因子，并将每个影响因子作为独立的图层，按一定规则将每个图层重分为若干类别后，再与滑坡分布图进行叠加分析[4]。

滑坡现象(y)的产生受多种因素影响，如：坡度、土地利用类型、岩组、降雨等多种因素x1,x2,x3,…,xn的共同影响。在滑坡形成过程中各种因素所起的作用大小不相同[5]，因此对于滑坡分析要综合研究其影响因素类别以及具体状态的组合，而不能停留在单个因素上。滑坡产生与否是与所获取的信息的数量和质量有密切关系的，可用信息量来衡量滑坡是否会产生[6]，信息量值越大表明滑坡灾害发生的可能性越大[7]。其公式如下：

(1)

式中：I(y, x1, x2, x3,…,xn)指坡度、土地利用类型、岩组、降雨等因素组合x1,x2,x3,…,xn对滑坡所提供的信息量；P(y, x1, x2, x3,…,xn)指坡度、土地利用类型、岩组、降雨等因素x1, x2, x3,…,xn组合条件下滑坡发生的概率；P(y)指滑坡发生的概率。

滑坡空间预测以研究区域栅格单元划分为基础，先采用简化的单因素信息量模型计算，再进行叠加，其信息量模型可改写为：

(2)

式中：Ii指坡度、土地利用类型、岩组、降雨等因素xi对滑坡提供的信息量；N指研究区已经发生滑坡的栅格单元总数；S指研究区内栅格单元总数；Ni指分布在因素xi特定类别中发生滑坡的栅格单元数；Si指坡度、土地利用类型、岩组、降雨等因素xi特定类别的栅格单元数[8]。

则预测区某栅格单元总的信息量预测值为：

(3)

式中，n为参与评价因素个数。

2基于ArcGIS 的信息量法滑坡易发性评价

基于ArcGIS的信息量法滑坡易发性评价结合ArcGIS的数据采集、图形处理、空间分析等功能与信息量法的定量分析评价功能，提高滑坡易发性评价的工作效率和评价结果的可靠度[9]。ArcGIS可以通过栅格计算器、点密度分析、线密度分析、重分类、多个图层的复合、分解、叠加等功能有效地解决滑坡易发性评价中坡度、土地利用类型、岩组和降雨重分类，滑坡隐患点和易发村屯点密度分析等数据处理。但是ArcGIS的功能并不能独立完成滑坡易发性的定量分析评价，因此在滑坡易发性评价中ArcGIS需要结合信息量模型来扩充其定量分析评价的功能[10]。

2.1评价单元划分

对于不同比例尺度和精度的空间数据，其评价单元的划分也不相同。较常用的评价单元主要有：栅格单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元和斜坡单元[11]。在滑坡易发性评价时需要进行大量空间数据重分类、叠加等计算，栅格单元作为评价单元将具有明显的速度优势。本文在进行滑坡易发性评价时采用90 m×90 m栅格单元作为评价单元。

2.2滑坡易发性评价指标体系

本文最初选取高程、地质构造(断裂带发育程度)、坡度、土地利用类型、岩组、降雨(年降雨量均值、最大24 h降雨量均值)、易发村屯作为广西碎屑岩区滑坡易发性评价指标。但是在研究分析过程中发现坡度隐含了高程信息，如果高程和坡度都考虑会使得在评价过程中高程的权重较大，影响评价结果的准确性；年降雨量均值和断裂带发育程度与滑坡地质灾害相关性不显著。因此最终选定坡度、土地利用类型、岩组、降雨(最大24 h降雨量均值)作为广西碎屑岩区人类活动区域滑坡易发性评价指标。由于本文中选用的各评价指标图层比例和来源不相同造成图层面积和灾害点数量有一定的误差，但基本不会影响评价结果的准确性。

2.2.1坡度

广西碎屑岩分布区自然坡度在0°～73.4°之间，约97.66%的自然坡度都是在30°以下。根据2003年全国山洪灾害防治规划编制工作组制定的《山洪灾害防治规划地形地质区划技术细则》，并运用ArcGIS将广西碎屑岩区1∶25万矢量地形分布图的坡度重分类为4类与灾害点分布图进行叠加并统计分析结果如表1所示。

由于广西碎屑岩区滑坡主要以浅层滑坡为主，并且较低坡度地区人口密集人类活动影响较大，所以在低坡度地区滑坡次数较多。如表1所示,坡度在25°以下时滑坡个数所占比例大，高达91.13%。

2.2.2土地利用类型

将广西碎屑岩区的土地利用类型分为林地、草地、耕地、水利工程用地、其他类型土地5类，将碎屑岩区的土地利用类型与灾害点叠加并统计不同土地利用类型下的滑坡的分布情况如表2所示。从表2中可以看出耕地和其他类型用地滑坡密度较高，分别为：0.012 748 1、0.748 281 1。

表2　土地利用类型与滑坡统计

2.2.3岩组

运用ArcGIS将广西碎屑岩区1∶25万岩组分布图岩组重分类6类，与灾害点分布图进行叠加并统计分析结果如表3所示。

表3　岩组与滑坡统计

如表3所示，海相碎屑岩面积为67 515.52 km2，占碎屑岩区总面积的61.96%。粘性土、砂类土、碎石土和海相碎屑岩的滑坡密度相对较高，易发生滑坡灾害。

2.2.4降雨

经统计2005年至2013年广西碎屑岩分布区有58.89%的滑坡都是由降雨诱发。本研究选用最大24 h降雨量均值为指标分析其与滑坡的关系,将最大24 h降雨量均值分布图与滑坡灾害点叠加并统计分析结果如表4所示。

表4　最大24 h降雨与滑坡统计

降雨是滑坡发生的一个重要的触发因素，降雨入渗会引起坡体及剪切带的物理力学性质发生改变，使土体饱和度增大，含水率增加，容重增大，引起土体抗剪强度大幅度下降，从而引发滑坡。如表4所示，大暴雨(100～200 mm)滑坡密度最大、次数最多。

3基于ArcGIS的信息量法滑坡易发性评价的实现

3.1信息值的计算

将滑坡灾害点分布图与各评价指标分类栅格图利用ArcGIS栅格计算器分别做“乘”运算，得出新的叠加图。通过各叠加图的属性表可得出影响因素xi中特定类别发生滑坡的栅格单元数(Ni)、已经发生滑坡的栅格单元总数(N)及影响因数xi特定类别的栅格单元数(Si)。将各个评价指标各类别的统计结果带入公式(2),即可得出各个评价指标各类别对滑坡发生提供的信息量值[12]。计算结果如表5所示。

表5　广西碎屑岩分布区滑坡灾害点各指标信息量值

如表5所示,坡度、土地利用类型、岩组和降雨(最大24 h降雨量均值)四个指标的信息量值在-6.634～2.468之间，信息量值与滑坡灾害易发性呈正比，信息量值越大，表明该区域发生滑坡的概率越大，易发性等级也越高[13]。

3.2易发性评价结果

根据广西碎屑岩区滑坡易发性评价信息量分布曲线，运用重分类将信息量值分为不易发、低易发、中易发、高易发四个等级[14-17]，并获得滑坡易发性区划图。将已发生的滑坡灾害点与滑坡易发区叠加如图1所示，绝大多数滑坡灾害点分布在中易发和高易发区中，只有少数灾害点分布在不易发和低易发区。

如图1所示,广西碎屑岩区滑坡不易发区主要分布在桂林市龙胜县，柳州市三江、融水两县；低易发区主要分布在百色市隆林、西林和田林三县，贺州市苍梧县，南宁市宾阳县，来宾市武宣县；中易发区主要分布在河池市天峨、凤山两县，崇左市宁明县，柳州市融安县，百色市、桂林市、梧州市、贺州市和防城港市大部分区域；高易发区主要分布在北海市大部分区域，钦州市灵山、浦北两县，玉林市陆川、博白两县，贵港市区，百色市田阳、田东两县的小部分区域。

图1　广西碎屑岩地区滑坡易发区与滑坡灾害点叠加图

4广西碎屑岩地区滑坡防治区划

4.1滑坡隐患点密度

根据统计得到的滑坡隐患点导入到ArcGIS中，利用ArcGIS 的点密度分析功能处理滑坡隐患点的密度；然后利用自然间断法将滑坡隐患点密度分为4类(每100 km2)：<3个,3～8个,8～16个,16～48个。

4.2易发村屯密度

易发村屯主要分布在人类切坡建房、修路等工程活动形成大量的人工陡坡，形成大量的地质灾害潜在隐患点。以广西碎屑岩易发村屯的密度与滑坡发育分布规律来分析人类活动与滑坡发育的关系，利用广西碎屑岩区域易发区村屯点结合ArcGIS确定易发区村屯的密度并重分类。将易发村屯的密度与滑坡分布叠加并统计结果如表6所示。

表6　易发屯密度与滑坡统计

4.3防治分区确定结果

确定防治分区时除要考虑已发生的滑坡灾害点、滑坡隐患点的分布情况外，还要考虑易发村屯的影响。利用已确定的易发区、滑坡隐患点密度和易发村屯密度进行叠加,从而得到广西碎屑岩区滑坡防治分区，防治区分为重点防治区、次重点防治区、一般防治区如图2所示。

图2　广西碎屑岩地区滑坡防治分区图

如图2所示，广西碎屑岩区一般防治区主要分布在河池市天峨、凤山和东兰三县，来宾市金秀县，南宁市大新、宾阳两县，百色市、梧州市、贺州市和防城港大部分区域；次重点防治区主要分布在百色市田林县，南宁市邕宁、横县两县，崇左市宁明县，防城港市上思县；重点防治区主要分布在钦州市、北海市、贵港市和梧州市大部分区域。

滑坡灾害防治总体原则为坚持预防为主，避让与治理相结合，全面规划突出重点。近期主要治理危害程度较大的重点防治区，中期主要治理次重点防治区，远期则治理一般防治区，将人员伤亡和经济损失降到最低。

5结语

①将ArcGIS与信息量法相结合解决传统信息量法数据采集与处理困难的问题,同时弥补ArcGIS没有对数据统计分析的缺陷，使得评价结果更客观合理，并避免了评价过程中主观因素干预过多的弊端。

②选取坡度、土地利用类型、岩组、降雨等评价指标建立易发性评价指标体系，基于ArcGIS的信息量法进行广西碎屑岩区滑坡易发性评价，将碎屑岩区易发性划分成高易发区、中易发区、低易发区、不易发区。

③将易发性区划与易发村屯和滑坡隐患点相叠加获得广西碎屑岩区防治区划图，防治区划分为重点防治区、次重点防治区、一般防治区，该防治区划成果可为碎屑岩区滑坡灾害分区分期治理提供参考。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Application of ArcGIS and information method to landslide susceptibility evaluation

CHEN Li-hua, YE Jiang, WEI Chuan-jian, XU Ying-zi

(College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract:A total of 1 261 unexpected geological disasters happened in the clastic rock zone of Guangxi province in the period of 2005～2013，about 860 of which was landslide, shared 68.2% of the total, and the number of hidden peril was 3 956. Based on the analysis of control factors of landslide stability, several factors, such as the slope, the land usage, the rock group and the rainfall, were chosen to establish an assessment system for landslide prone areas in Guangxi clastic rock zone. Based on the ArcGIS, a 90 m×90 m grid was chosen to be as the basic evaluation grid for landslide susceptibility assessment. The information method was used to calculate the information values of the slope, the land usage, the rock group and the rainfall. Through evaluation, the susceptibility of landslide in Guangxi clastic rock zone and the prevention measures of landslide were obtained. Taking the clastic rock zone of Guangxi province as an example, the research provides a technical support for landslide warning and landslide disaster prevention.

Key words:clastic rock；landslide；susceptibility evaluation；information method；ArcGIS

中图分类号:P642.22

文献标识码:A

文章编号：1001-7445(2016)01-0141-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0141

通讯作者：陈立华( 1980—)，男，福建三明人，广西大学教授，博士; E-mail: zgfjclh@163. com。

基金项目：广西壮族自治区国土资源厅重大科研课题项目(GXZC2014-G3-0371-KLZB、GXZC2015-G3-4366-KLZB);广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1298005-6);国家自然科学基金资助项目(51369006)

收稿日期：2015-09-10；

修订日期：2015-12-17

引文格式：陈立华，叶江，魏传健,等.基于ArcGIS与信息量法的滑坡易发性评价[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：141-148.