基于加权信息量法的成家庄地质灾害敏感性评价研究

王小浩 唐亚明 冯卫 王浩

摘  要：通过对晋陕黄土高原河曲-韩城段成家庄镇图幅（J49E015012）1：5万地质灾害野外调查，收集分析资料，选取高程、坡度、坡向、粗糙度、地层、河流、道路、土地利用类型8个因素作为地质灾害敏感性影响因子。利用ArcGIS空间分析功能，采取加权信息量法对图幅范围灾害敏感性研究，将研究区分为高易发区、中易发区、低易发区与极低易发区4类，敏感性分区图与野外调查情况基本一致，其AUC评价指标值为0.90，该方法预测精度较高，对区域地质灾害野外调查重点区划具有一定指导意义，为区域防灾减灾提供科学依据。

关键词：信息量法;地质灾害;GIS;敏感性评价;层次分析法

中图分类号：P694        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0063-05

Abstract： Based on the field investigation of geological hazards in Chengjiazhuang Town Map （J49E015012） of Hequ-Hancheng section of Shanxi-Shaanxi Loess Plateau， the data were collected and analyzed. Eight factors such as elevation， slope， aspect， roughness， stratum， river， road and land use type were selected as the influencing factors of geological hazard sensitivity. By using the function of ArcGIS spatial analysis， the weighted information method is used to study the disaster sensitivity of the map range. The study is divided into four types： high incidence area， medium risk area， low risk area and extremely low risk area. The sensitivity zoning map is basically consistent with the field investigation， and the AUC evaluation index value is 0.90. The prediction accuracy of this method is high， which has a certain guiding significance for the key regionalization of regional geological hazard field investigation， so as to provide scientific basis for regional disaster prevention and reduction.

Keywords： information quantity method; geological hazard; GIS; sensitivity evaluation; analytic hierarchy process （AHP）

隨着人类经济社会的不断发展，人口迅速增长及人类工程经济活动强度的增加，地质灾害的发生频率、影响范围和危害程度也在不断增长，已严重威胁人类生命财产安全。开展地质灾害危险性区划研究，进行地质灾害危险性评价具有非常重要的理论与实际意义[1]。近年来，对地质灾害研究不断深入，从定性方法与定量方法两个方面已提出很多评价地质灾害敏感性的数学模型。定量方法有证据权、信息量、随机森林、支持向量机等，定性方法有专家打分、层次分析法等[2-3]。

信息量法是从信息理论中引出的一种统计预测方法，广泛用于环境地质研究中[4]。本文通过对晋陕黄土高原河曲-韩城段地质灾害调查项目成家庄镇图幅地质灾害进行野外调查，采用层次分析法与信息量法相结合客观的对该图幅灾害敏感性进行评价，对地质灾害野外调查重点区划分具有一定指导意义。

1 研究区地质背景及地质灾害发育概况

研究区位于晋陕黄土高原河曲-韩城中部，坐标范围为经度110°45′-111°，纬度37°30′-37° 40′，幅员412km2，黄河及支流沟道以浅灰绿色、灰红色砂泥岩互层为主，局部地区出露灰岩、白云质灰岩，偶见红黏土出露，坡面出露亚砂土，坡顶亚砂土出露。属中温带干旱气候，昼夜温差大、春季多风沙、夏季多雨、冬季气温较低。灾害主要发育于沿黄公路及黄河支流沟道内（图1）。主要地质灾害为滑坡、崩塌，人工修筑沿黄公路对灾害发生影响较大，灾害点共158个，总面积为3.69km2，约占研究区总面积4.66%。

沿黄公路灾害主要分为基岩危岩体与黄土斜坡体，危险性较大，对沿黄公路过往车辆及人员安全造成威胁，黄河支流沟道滑坡易发，易堵塞沟道（图2）。

2 基于信息量法的地质灾害敏感性评价

2.1 加权信息量法的基本理论

信息量法是通过对已知的变形或破坏区域的现实情况和所得到的信息，把反映各种影响区域稳定性因素的实测值转换为影响该区域稳定性的信息量值，其实也就是用信息量的大小来评价影响因素与研究对象关系的密切程度[5]。定量评价因子对结果影响程度的数学运算模型，评价因子的信息量表达式如下：

式中：S-已知调查区域面积;N-灾点个数;Si-某因素面积;Ni某因素内灾点个数。

层次分析法，简称AHP，首先构建判断矩阵，同层n个因子相互运用九分位比例标度进行重要性判断，两两对比各因子相对重要程度;其次归一化处理矩阵，通过计算矩阵特征值与特征向量，计算每个因子的权重Wi;最后对权重值进行一致性检验，计算一致性检验指标CI，与判断矩阵的平均随机一致性指标RI比较，当CR小于0.10时，该判断矩阵满足一致性，计算权重值可靠。区域地质灾害敏感型指数S。

Ii<0表示该单元变形破坏的可能性小于区域平均变形破坏的可能性;Ii=0表示该单元变形破坏的可能性等于区域平均变形破坏的可能性;Ii>0表示该单元变形破坏的可能性大于区域平均变形破坏的可能性;即单元信息量值越大越有利于斜坡变形破坏[6]。

2.2 研究区地质灾害敏感性分析

地理空间数据云下载DEM数字高程数据，分辨率为30m×30m，结合1：5万地质图，地形图，野外调查158个灾害点。研究区自然条件、地形地貌特征、基岩差异风化、人类工程活动等均对灾害发育有一定影响。综上所述本文证据因子类型分为地形因子、自然因子、人为因子三类，地形因子有高程、坡度、坡向、粗糙度，自然因子包含河流、地质，人为因子有道路、土地利用类型，研究区敏感性分析，分别用公式（1）、（2）、（3）计算，得到各因子各分级的信息量值如表1。

综上信息量结果对灾害敏感性进行分类：Ii>2，最利于灾害发生;2>Ii>1，利于灾害发育;1>Ii>0.5，较利于灾害发育;Ii>0，对灾害发育有一定影响。

研究区高程598m-732m范围内较利于灾害发育，高程较低区域人类活动剧烈，灾害易发;坡度26°-58°范围内较利于灾害发育，坡度越大，灾害易发;坡向北方向较利于灾害发育，北部季风气候影响，灾害易发;粗糙度1.197-1.798最利于灾害发育，粗糙度越大，斜坡面破碎程度越大，灾害易发;砂泥岩互层较利于灾害发育，黄河沿岸人工修筑沿黄公路，切坡造成不稳定斜坡，灾害易发;距离河流0m-100m内较利于灾害发育，沿黄公路及乡村公路切坡造成，灾害易发;距离道路0m-100m内利于灾害发育，人工切坡影响斜坡稳定性，灾害易发;居民区人工活动剧烈，较利于灾害发育。

将上述计算信息量值代替原始分级标准，利用ArcGIS空间分析功能得到各因子评价分析结果，分别为高程、坡度、坡向、粗糙度、地层岩性、水系、道路、土地利用类型图（图3）

3 敏感性评价

基于上述ArcGIS对各因子评价分析结果，结合层次分析法对各因子权重计算值Wi，利用ArcGIS进行叠加分析，得到研究区灾害敏感性分区图（图3（i））。

利用自然断点法将研究区灾害敏感性分为四类：高易发区、中易发区、低易发区、极低易发区，基于灾害敏感性分区图，统计每个易发区灾害点个数及各分区栅格数，分析灾害点及面积占比见表2。

高易发区面积为57.68km2，占研究区总面积14%，灾害点占总灾害点65%，主要分布于晋陕交界黄河两侧沿黄公路、柳林黄河支流沟道;低、极低易发区面积为243.08km2，占研究区总面积59%，灾害点占总灾害点8%，主要为吕梁市、柳林高程较高、远离河流、道路区域，与野外调查情况基本吻合，且具有较高评价准确性。

基于上述灾害敏感性分区统计，进行灾害敏感性精度评价，绘制ROC曲线（图4），ROC曲线下面积为AUC，加权信息量法得到AUC评价指标值为0.90，评价结果具较高的精度和可靠性。

4 结论

本文基于野外地质灾害调查，室内整理资料分析，分析灾害发育规律，选取灾害影响因子，结合加权信息量法与ArcGIS空间分析功能，对成家庄镇图幅地质灾害敏感性评价，得到以下结论：

（1）信息量法分析结果与野外调查情况基本一致，各因子对形成地质灾害的敏感性大小为：粗糙度>道路>高程>水系>坡向>岩性>土地利用类型，沿黄公路修筑、人类活动聚居、岩性、降雨、河流、节理裂隙发育程度等都是灾害发育重要因素。

（2）地灾敏感性评价过程，加权信息量法分层对各因子评价分析，一定程度避免因子赋权主观性，还考虑各因子正负信息量值，综合评价，结合ArcGIS空间分析，结果较客观;用ROC曲线分析方法对结果精度进行评价，具有较高的精度和可靠性。

（3）对研究区进行灾害敏感性评价，对地质学者掌握区内地灾规律和地灾预测具有重要意义，为该地区地质灾害防灾减灾具有一定的指导价值。

参考文献：

[1]魏江波.基于GIS的眉县地质灾害危险性评价[J].科技创新与应用，2017（19）：178-179.

[2]殷坤龙，朱良峰.滑坡災害空间区划及GIS应用研究[J].地学前缘，2001，8（2）：279-284.

[3]赵建华，陈汉林，杨树锋.滑坡灾害危险性评价模型比较[J].自然灾害学报，2006，15（1）：128-134.

[4]王佳佳，殷坤龙，肖莉丽.基于GIS和信息量的滑坡灾害易发性评价——以三峡库区万州区为例[J].岩石力学与工程学报，2014，33（04）：797-808.

[5]魏江波，赵洲.基于加权确定性系数法的地质灾害易发性分析[J].煤田地质与勘探，2018，46（06）：108-114.

[6]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].成都理工学院学报，2001（01）：89-92.