基于GIS的崩塌灾害定量评价空间数据库建设与实现

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(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

基于GIS的崩塌灾害定量评价空间数据库建设与实现

韩柳，万亿

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

地质灾害的形成是多种因素综合作用的结果。因此，本文对崩塌灾害的定量评价空间数据库的建设和相关处理方法进行了分析，具体可采用加权Logistic回归模型和证据权模型相结合大方式获得最终崩塌地质灾害易发性综合定量评价结果。通过对崩塌灾害定量评价空间数据库的建设，既可以避免由于条件独立假设所造成的困扰，又可以弥补两种模型评价结果同实际值的偏差，实现地质灾害易发性评价目标。

GIS；地质灾害；数据库；定量评价

地质灾害的形成是多种因素综合作用的结果，在地质灾害危险性评价中往往以固定权值和量化值将各影响因素进行简单线性叠加，这种简单线性叠加模式在形式上属于定量评价，但从本质上分析，这种线性叠加的基础包含人为干扰极重的定性成分。因此，本文基于GIS平台，并参考相关研究成果[1-5]，通过采用加权Logistic回归模型和证据权模型相结合的方式对地质灾害的易发性和危险性进行定量评价。采用上述方法既可以避免由于条件独立假设所造成的困扰，又可以弥补两种模型评价结果同实际值的偏差，实现地质灾害易发性评价目标。

1 定量评价模型的建立

本文定量评价模型是由项目组野外工作人员、专家组以及定量评价建模人员根据野外实际调查情况，结合前人理论及相关认识经反复讨论、总结而成。根据野外实地调查结果，崩塌形成的主要条件包括：(1)物质条件；(2)地貌条件；(3)动力条件；(4)人类工程活动扰动等四个方面。

1.1 物质条件

岩土体类型为崩塌灾害的发生提供了物质基础，其物质条件可通过工程地质岩组和土地覆被类型数据体现。

1.2 地貌条件

崩塌的地形地貌条件体主要现在斜坡特征上，如坡度、坡形、坡向、物质运移方向、局部相对高差等特征，上述特征可通过DEM数据经空间分析后获得。

1.3 动力条件

与崩塌灾害相关的动力条件主要体现地质作用、水动力作用两个方面：

1.3.1 地质作用

地质作用一方面是各类构造面对斜坡物质的切割，包括断层、节理、裂隙，主体是断层的作用；地质作用的另一方面以地震的方式体现，改变斜坡物质状态或诱发崩塌。两方面可通过断层和地震数据表达。

1.3.2 水动力作用

水动力作用主要体现在地表水和地下水对物质条件(如软化和降低强度)和地貌条件(如坡脚冲刷)的改变，可通过地表累积流量和泉分布数据表达。

1.4 人类工程活动扰动

不合理的人类工程活动(如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、矿山开采)改变斜坡物质状态以及斜坡特征诱发崩塌，可通过道路、矿山分布、居民点数据进行分析。

根据以上分析，可初步形成本区崩塌定量评价概念模型，如图1所示，具体因素需要全面单因素分析完成后，再行选择。

图1 崩塌易发性定量评价概念模型

(模型说明：以野外调查获得的崩塌分布为响应因子，结合崩塌成因理论初步选择崩塌可能形成条件进行单因素分析，依据分析结果选择影响因子并做集成分析，获得崩塌易发性定量评价结果)

2 定量评价空间数据处理方法

本次空间数据库中的数据内容主要包括：基础数据、中间过程数据、以及评价结果数据三个方面，其中中间过程数据以及评价结果数据是在定量评价过程中和完成时的数据。

2.1 空间数据的建立

围绕定量评价模型，空间数据库首先需要建立的数据为基础数据，坐标系统一采用西安1980投影坐标系，共包含5个专题数据：地质灾害专题、物质专题、地貌专题、动力专题和人类工程活动专题。其中，地质灾害专题包括崩塌地质灾害，以矢量数据(点要素类)存储；物质专题包括工程地质岩组、土地覆被类型，以矢量数据(面要素类)存储；地貌专题包括高程、坡度、坡向、坡型、物质运移方向、沿运移方向落差，以连续型栅格数据存储；动力专题包括断层、地震、水系、泉水，以矢量数据存储(线、点要素类)；人类工程活动专题包括：道路、矿山、居民点，以矢量数据存储(线、面、点要素类)。

2.2 数据准备阶段数据处理

数据准备阶段数据处理具体包括：坡度分析、矢量-栅格转换、密度、距离、斜坡运移势、斜坡落差势、坡型、组合分析、重分类分析、空间配位分析等空间数据处理方法。

(1)矢量-栅格数据转换主要用于将土地覆被类型、工程地质岩组等以面要素类存在的空间数据转换为可满足崩塌易发性定量评价精度要求的整型栅格数据。

(2)密度分析主要用于将泉水、断层、水系等点或线要素类转换为反映泉水、断层、水系等空间分布密集程度的整型栅格数据，为进一步分析地质灾害和泉水、断层、水系等因素分布密度之间的空间相关性提供基础数据。

(3)距离分析主要用于获得描述距离泉水、断层、水系的距离远近整型栅格数据，以便通过单因素分析进一步获得地质灾害与泉水、断层以及水系在距离上空间分布相关性。

(4)空间配位分析主要用于将水系、泉水、断层等点或线要素类按国标分类类别和一定的空间影响范围转换为相应整型栅格数据，以便进一步确定各类别在一定空间范围内同地质灾害间的空间分布关系。

(5)坡度分析是以DEM数据为基础，通过领域计算获得相应地形坡度栅格数据，以便进一步确定地形坡度同地质灾害间的空间相关性。

(6)斜坡运移势分析是以DEM数据为基础，分析斜坡上每一像元同周围八个像元的相对位置高低关系，从而获得描述每一像元物质运移趋势的栅格数据，为进一步描述斜坡特征同地质灾害间的空间关系奠定数据基础。

(7)斜坡落差势分析是以DEM数据和斜坡物质运移方向数据为基础，分析每一像元斜坡物质沿像元物质运移方向的最大高程变化率，以百分比形式表现，分析结果为斜坡落差势连续型栅格数据，为进一步描述斜坡特征同地质灾害间的空间关系奠定数据基础。

(8)坡型分析主要是通过计算斜坡的曲率变化而获得凸形坡和凹形破分布结果。

(9)组合分析本质是对同一栅格数据的任一像元根据定量评价要求赋予多重属性，使其满足多重分类和多因素信息提取需要。

(10)重分类分析是将上述各类分析所获得的连续型栅格数据按一定类别区间重分类，转换为整型栅格数据的空间分析方法，使地质灾害易发性定量评价可按各因素的区间分类探讨同灾害间的空间相关性。

通过上述数据处理及分析方法可为崩塌地质灾害易发性定量评价提供较为全面的可供分析的各类中间过程数据。

2.3 单因素空间相关性分析

传统单因素分析，单因素量化值及权重通过的确定通过人为方式完成，即通过专家打分加权平均或通过野外调查结果统计分析获得。专家经验往往通过在特定区域内长期工作获得，但地学事件的最重要的特点之一就是空间性，即同样的地学事件在不同的空间位置表现出不同的特点，因此专家打分往往存在着一定的片面性，因此结果往往随所选专家的变化而变化，结果不可重复；相对而言，通过野外调查结果进行统计分析进而确定单因素量化值和权重可靠程度较高，但该种方式所确定的量化值和权重仍然具有极为浓厚的定性色彩属半定量的评价方法。

随着计算机软硬件的迅速发展和空间数据分析和处理技术的完善，目前，对于单因素分析，存在着较多比较成熟的定量方法，如信息量法、证据权法、神经网络法等。其中证据权法包含信息量法的内涵，同时又做了较大的改进，该方法所应用的单因素分析方法不仅定量分析单因素中具备该类别时灾害的响应程度，而且还定量分析不具备该类别时灾害的响应程度，同时给出定量分析结果的置信度，并且能通过两类响应程度分析结果结合置信度给出各类别的综合定量分析结果，该结果可以代替定性方式给出的量化值和权重值的综合结果。

2.4 多因素综合定量评价方法

地质灾害的形成是多种因素综合作用的结果，在地质灾害危险性评价中往往以固定权值和量化值将各影响因素进行简单线性叠加，这种简单线性叠加模式在形式上属于定量评价，但从本质上分析，这种线性叠加的基础包含人为干扰极重的定性成分。

为避免上述问题，在叠加函数的选择上可以采用两种模式，如果影响因子间相对独立，则采用贝叶斯法则进行叠加，获得相应定量评价结果；如果影响因子间不具备相对独立条件，则采用加权Logistic回归作为叠加函数，获得相应定量评价结果。贝叶斯法则叠加方式和加权Logistic回归均为数据驱动定量评价方式，没有人为因素加入其中。

综合分析以上两种综合定量评价模式，依据证据权模型进行叠加时，要求参与评价的各因素必须满足条件独立假设，采用证据权模型进行综合定量评价时，评价结果(后概率)往往略高于实际值；依据加权Logistic回归模型进行叠加时，不要求参与评价的各因素间的条件独立假设，采用加权Logistic回归模型进行综合定量评价时，评价结果(后概率)往往略低于实际值。

3 结语

地质灾害的形成是多种因素综合作用的结果。因此，本文对崩塌灾害的定量评价空间数据库的建设和相关处理方法进行了分析，具体可采用加权Logistic回归模型和证据权模型相结合大方式获得最终崩塌地质灾害易发性综合定量评价结果。采用上述方法既可以避免由于条件独立假设所造成的困扰，又可以弥补两种模型评价结果同实际值的偏差，实现地质灾害易发性评价目标。

[1]曹龙. 基于神经网络的地质灾害预警GIS系统的设计与实现[D]. 西安电子科技大学.2005.

[2]周显平. 煤矿地质灾害的GIS、遥感预测方法[J]. 煤炭技术.2013.32(1):142-143.

[3]闫霈. 面向地质灾害的GIS系统设计与实现[J]. 科技资讯.2015.13(20):41-42.

[4]阮沈勇, 黄润秋. 基于GIS的信息量法模型在地质灾害危险性区划中的应用[J]. 成都理工大学学报(自科版).2001.28(1):89-92.

[5]杨建鹏, 韩晨, 王龙,等. 地理信息系统技术在滑坡及泥石流灾害评估中的应用[J]. 地下水.2012(4):181-183.

P642.21

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1004-1184(2017)06-0121-02

2017-06-28

韩柳(1983-)，女，辽宁北镇人，工程师，主要从事测绘工程制图方面的工作。