基于GIS和加权信息量的湖北鄂州地质灾害易发性区划

张 波，石长柏，肖志勇，张金朝，邬 磊，习 彪，卢胜周

(湖北省地质局第五地质大队，湖北 黄石 435004)

0 引言

湖北省鄂州市地貌类型为鄂东丘陵地貌，区内地质条件复杂，雨量充沛，矿产资源开发、交通与城市建设等人类工程活动强烈，地质灾害发育，是湖北省地质灾害高易发区之一。地质灾害类型有崩塌、滑坡、不稳定斜坡、地面塌陷等，尤以地面塌陷最为突出，造成了严重危害与经济损失。

1 加权信息量地质灾害评价模型

随着3S技术的迅速发展，大大改进和提高了地学传统研究手段。基于GIS技术的地质灾害易发性评价是地质灾害危险性和风险性评价的基础，是现有和潜在地质灾害风险评估的有效工具，其评价结果可用于防灾减灾、土地利用和基础设施规划等领域[1]。

目前，常用的地质灾害易发性评价模型包括：信息量法(朱良峰，2004)[2]、Logistic回归法(李雪平，2005)[3]，考虑时间效应的地质灾害评估(李典庆，2007)[4]、趋势面分析法(李晓聪，2007)[5]、概率指数模型(李家存，2007)[6]、BP神经网络模型(吴益平，2005)[7]、遗传神经网络(王国峰，2008)[8]、AHP层次分析法(岳超俊等，2009；姚玉增等，2010)[9-10]、确定性系数法(许冲等，2010)[11]、证据权法(范强等，2014)[12]、RS-SVM模型法(安凯强等2016)[13]、CF和Logistic模型法(田春山)[14]等方法。综上所述，已有研究在选择影响因素的过程基本上契合研究区地质环境特点以及充分考虑他们对灾害体本身的影响权重，并在此基础上建立了符合研究区灾害特征的评价指标体系。

信息量模型属于统计分析模型的一种，于其物理意义明确、操作简单，在地质灾害易发性评价的研究和实践中得到了广泛的应用。但是该模型未考虑各评价因子在地质灾害发生过程中所起作用的大小，不能反映不同因子影响程度的差异。因此，为了更加科学合理的易发性评价应考虑对各个影响因子赋予权重与信息量相乘后得到加权信息量。本文结合信息量法和层次分析法的优点，采用加权信息量法评价其指标，最终得到易发性的划分结果，模型可以表述如下[15]：

(1)

式中，I——预测区某单元信息量预测值；

Ii——值的大小直接说明该单元产生地质灾害的可能性，是地质易发性区划的重要性指标；

Wi——第i个评价因子的权重值；

Si——因素xi所占单元总面积；

A——区域内单元总面积；

A0——已经发生地质灾害的单元面积之和。

2 研究区概况

鄂州市位于湖北省东南部，长江中游南岸，东经114°30′～115°05′，北纬30°01′～30°36′，南北长约67 km，东西宽约48 km，西与武汉市接壤，东至西南与黄石市毗连，北临长江与黄冈市隔江相望，版图形状酷似三叶草(图1)。该区具亚热带季风气候特征，四季分明，雨量充沛，阳光充足。鄂州市发育地质灾害主要包括地面塌陷、滑坡和不稳定斜坡等，由于灾害体多位于人口集中、房屋密集地带，在极端暴雨的触发下，在一定程度上制约当地社会经济的发展。

3 基于GIS的地质灾害易发性评价

基于GIS的地质灾害易发性评价采用的空间数据主要包括鄂州市1∶5万地形图、1∶5万地质图、1∶5万地质灾害分布图。

3.1 评价单元划分

本文采用栅格单方法评价。研究区面积为1 505 km2。对于不同比例尺的要求栅格大小也有差别[16]，根据栅格大小经验公式：

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(2)

式中：Gs——适宜网格大小；

S——地图数字比例尺分母。

对于1∶50 000比例尺地形图，由式(2)计算出最佳网格单元为32.52 m，为了方便数据在ArcGIS中处理和分析，本文以30 m×30 m栅格单元为最小评价单元，共1 763 803个栅格单元，在此基础上开展易发性评价。

3.2 评价指标及其权重的确定

根据评价区内自然地质环境特征与物理地质事件的分布规律及形成条件，对于地质灾害易发性的分析评价过程中初步选取地貌单元、高差、坡度、工程地质岩组、地质构造及采矿活动6个因素作为评价因子(图2)。各自的因子信息量计算(各个因子区间的地质灾害单元数与整个研究区内地质灾害单元数之比)，总栅格比例(各因子区间的因子占整个区间的比)(图3)。

图3 影响因子灾害数量、加权信息量相关性统计图Fig.3 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

(1)地貌单元。鄂州市地貌单元分为丘陵、冲湖积平原、岗状平原、长江一级阶地(图2a)。利用ArcGIS软件提取各地貌单元类型的栅格数比例及其相对应地质灾害栅格数比例(图3a)，根据信息量模型分别计算其信息量。评价区内最有利于发生地质灾害是丘陵地区，单元内地灾发生比例为66.67%。

(2)高差。通过ArcGIS邻域分析提取得到鄂州市区域的高差图(图2b)，如图3b评价区内最有利于发生地质灾害的高差是15～35 m，其栅格数占总栅格的5.00%发生地质灾害比例约30%。

(3)坡度。通过ArcGIS将评价区分为5个坡度等级(图2c)。对于坡度而言，评价区最有利于地质灾害发生的是25°～40°，其栅格数占总栅格的4.11%，发生地质灾害比例为21.57%，提供的信息量为2.39(图3c)。

(4)工程地质岩组。根据鄂州市工程地质情况，划分为8个岩土体类型(图2d)：松散岩组(Ⅰ)，软硬相间层状砂岩泥岩互层(Ⅱ)，软硬相间层状火山岩岩组(Ⅲ)，较坚硬至软弱层状砂页岩岩组(Ⅳ)，坚硬至较坚硬层状砂砾岩岩组(Ⅴ)，坚硬块状侵入岩岩组(Ⅵ)，坚硬较坚硬中至厚层状强至中等岩溶化灰岩、泥灰岩夹软质页岩岩组(Ⅶ)，坚硬厚层状强岩溶化岩组(Ⅷ)。如图3d所示，评价区最有利于地质灾害发生的是Ⅴ，其栅格数占总栅格的2.21%，发生地质灾害比例为9.80%，提供的信息量为2.15。

(5)地质构造(断层)。根据鄂州市断层的发育规模及影响范围，利ArcGIS的多环缓冲功能得到断层影响带分布图(图2e)。评价区内最有利于地质灾害发的是在断层发育0～500 m内，其栅格数占总栅格的15.25%，发生地质灾害比例为70.59%，提供的信息量为2.21(图3e)。

(6)采矿活动。采矿活动是鄂州市地质灾害发生最主要因素。因矿山开采引发的地质灾害问题最为突出，矿区采空区较多，诱发地质灾害较多。根据鄂州市采矿活动的发育规模及影响范围，利ArcGIS的多环缓冲功能得到采矿活动影响带分布图(图2f)。评价区内最有利于地质灾害发的是在采矿区0～500 m范围内，其栅格数占总栅格的5.13%，发生地质灾害比例为53.9%，提供的信息量为3.39(图3f)。

为保证预测因素能满足信息量模型的要求，必须通过因素之间的相互独立性验证和综合分析研究区内的现状来剔除相关性较大的因素。因此，为了准确计算初选因子的互相关系数，可以利用ArcGIS波段集统计工具中栅格波段集多元分析提供各图层因素之间的相关系数矩阵(表1)。

表1 图层因素之间的相关系数矩阵Table 1 The correlation coefficient between the matrix layer factors

综合表1和表2中可以看出各指标都在低度相关范围内。应用层次分析法对所选的6个评价指标进行分析，划分的有序层次，建立评价模型层次结构。按照各评价因子自己的内在关系，通过相关专家经验及鄂州市地质灾害的实际情况，对各因子进行两两比较建立判断矩阵，进行层次排序，确定各因子的权重值，并进行一致性检验，得到易发性评价因子判断矩阵(表3)，加权信息量表(表4)。

表2 相关性划分标准Table 2 The standard of correlation classification

表3 地质灾害易发性评价因子判断矩阵Table 3 Judgment matrix of evaluation factor for geohazards susceptibility

备注：一致性比例：0.089 7；对“地质灾害”的权重：1.000 0； λmax：6.564 9

表4 地质灾害影响因子加权信息量表Table 4 Weighted information values of impact factors for geological hazards

3.3 易发性结果效果检验

易发性结果的有效性可以由受试者工作特征曲线(ROC)进行定量检验，其曲线下方面积(AUC)被用来评价模型的精度[17]。本文以信息量值从高到低的区域累计栅格与总栅格的百分比作为横轴，以对应信息量区间内地质灾害累计栅格与地质灾害总栅格百分比为纵轴，得到一个经过(0，0)，(1，1)的曲线(如图4、表5)，曲线下面积为89.2%。说明地质灾害绝大部分发生在高易发区和中易发区，易发性评价结果有效性较好(图5)。

图4 地质灾害易发性评价结果ROC图Fig.4 ROC graph for the Geological hazards assessment

易发性分区信息量分级栅格总数面积/(km2)面积百分比灾害点/处点密度/(处/km2)高易发区I>2.5868 14772.934.85%690.93中易发区-0.57

图5 地质灾害易发性分区图Fig.5 The zonation map of geohazards susceptibility

4 结论

本文以鄂州市地质灾害易发性为研究对象，选取地貌单元、高差、坡度、工程地质岩组、地质构造以及开矿活动6个影响因素作为评价因子，采取基于GIS的加权信息量评价模型对研究区的地质灾害易发性评价。

(1)对各因子的加权信息量分析表明：地质灾害多发育于丘陵地区，高差15～35 m、坡度在25°～40°区域及岩组为松散岩组区域；地质灾害易发性随在距离采矿范围及断层距离的减小而增大。

(2)根据加权信息量法，把鄂州市地质灾害易发性划分出高、中、低易发3个大区，11个亚区(图5)。全市高易发区面积72.93 km2，主要分布于西山雷山地区、泽林镇以及汀祖镇地区，占全市总面积的4.58%，点密度0.93处/km2。全市中易发区总面积204.54 km2，主要分布于新庙镇、沙窝镇、碧石渡镇及梁子湖区丘陵地区，占全市面积的13.59%，点密度0.135处/km2。其他地区为低易发区面积1 227 km2，占整个评价区的81.83%。

(3)评价结果经检验，本次地质灾害易发性评价结果ROC曲线AUC值达89.2%，具有较高的准确性，评价结果为全省内县域地质灾害易发性评价提供理论指导和技术参考。