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        基于GIS的滑坡泥石流風(fēng)險評估及其應(yīng)用

        2014-03-27 09:03:08劉力維程傳周
        地理空間信息 2014年3期
        關(guān)鍵詞:泥石流滑坡災(zāi)害

        劉力維,程傳周

        (1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037;2. 國家海洋局,北京 100860)

        滑坡是指在河流沖刷、降雨、地震、人工切坡、斜坡施工等因素影響下,土層或巖層整體或分散地順斜坡向下滑動的現(xiàn)象[1]。泥石流是指在降水、潰壩或冰雪融化形成的地面流水作用下,在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種挾帶大量泥砂、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流[2]。當(dāng)滑坡、泥石流運動速度較快,滑坡上或滑坡、泥石流運移路徑上有城鎮(zhèn)、村莊分布時,常常由于人們猝不及防而造成巨大生命、財產(chǎn)損失[1-4]。進(jìn)行滑坡、泥石流風(fēng)險評估,是預(yù)防和減少災(zāi)害損失的有效方法。但是,滑坡、泥石流的孕育和發(fā)生受內(nèi)外因素的多重影響,災(zāi)害發(fā)生機制十分復(fù)雜[5-7],其風(fēng)險評估十分困難。

        1 滑坡、泥石流風(fēng)險評估背景

        滑坡、泥石流均是巖土體失穩(wěn)運動的重要形式。根據(jù)不同的特性可分為不同類型[1,3],如按組成物質(zhì)可將滑坡分為堆巖滑坡、基巖滑坡,泥石流可分為稀性泥石流和粘性泥石流;按穩(wěn)定性可以分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次穩(wěn)定、不穩(wěn)定等幾類。相關(guān)研究表明,所有這些失穩(wěn)運動形式都具有以下特點[8-12]:

        1)氣象條件主要為陰雨天氣,并且在持續(xù)的大量降雨情況下居多;

        2)災(zāi)害發(fā)生過程具有階段征,按時間順序一般包括相對緩慢的蠕動階段和速滑階段;

        3)巖體在蠕動階段形變量相對較小,對周邊環(huán)境和人類影響也較輕微;

        4)速滑階段是災(zāi)害強度突然增大和爆發(fā)的時期,也是產(chǎn)生破壞和災(zāi)害的主要階段,而時間相對較長的蠕動階段為災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報提供了時間和可能;

        5)滑坡、泥石流的發(fā)生具有周期性的特點;

        6)滑坡、泥石流產(chǎn)生的破壞性和損失除了與地質(zhì)災(zāi)害本身的強度有關(guān)外,也與發(fā)生的地點、時間密切相關(guān),是該地方人口、產(chǎn)業(yè)等社會經(jīng)濟因子發(fā)展布局的函數(shù)。

        基于以上分析,滑坡、泥石流風(fēng)險評估模型需要具備持續(xù)、實時、快速響應(yīng)和周期性的特點,高精度的風(fēng)險評估需要有全面、及時、可靠的數(shù)據(jù)支撐。風(fēng)險評估的目的是為了識別危害、降低風(fēng)險損失。對滑坡、泥石流而言,主要包括風(fēng)險識別、風(fēng)險估算和風(fēng)險評價3個環(huán)節(jié)。目前,災(zāi)害風(fēng)險公式已得到廣大學(xué)者的普遍認(rèn)可,滑坡、泥石流基本評估方法也相對比較成熟;但在風(fēng)險評估中,如何實現(xiàn)從點評價向面評價過渡相對不足[13]。GIS技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)獲取、管理、分析和信息挖掘能力,為滑坡、泥石流災(zāi)害風(fēng)險評估提供了有效的空間分析平臺[14],也為由點到面的風(fēng)險評估提供了技術(shù)手段,已經(jīng)應(yīng)用到風(fēng)險評估的各個方面[15-19]。但是,對于滑坡、泥石流預(yù)報預(yù)測、大范圍統(tǒng)一的災(zāi)損評估模型以及基于GIS的實現(xiàn)方法,研究尚不成熟[1]。

        2 基于GIS的滑坡、泥石流風(fēng)險分析方法綜述

        目前,基于GIS的滑坡、泥石流風(fēng)險評估主要是在GIS技術(shù)支持下,驅(qū)動相關(guān)模型,利用GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析、演示制圖功能,實現(xiàn)災(zāi)害分析和風(fēng)險評估。

        2.1 專家打分法

        專家打分法是決策支持系統(tǒng)中經(jīng)常用到的一種間接定性方法,有利于避免無法獲取的客觀數(shù)據(jù)的影響。但是,打分結(jié)果容易受到專業(yè)背景及實際經(jīng)驗的影響,從而使決策結(jié)果產(chǎn)生誤差。因此,采用專家打分法首先要選擇合適的專家成員。另外,由于專家打分法帶有一定的主觀性,也會影響權(quán)重的計算結(jié)果。利用特征根法(GEM , group eigenvalue method)對專家打分進(jìn)行統(tǒng)計分析,可以確定最優(yōu)專家[20]。

        2.2 層次分析法

        層次分析法是一種進(jìn)行多目標(biāo)決策分析的方法。該方法能把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進(jìn)行層次化,把決策過程中定性和定量因素有機結(jié)合起來。通過判斷矩陣的建立、排序計算和一致性檢驗,得到的最后結(jié)果更具有說服力。同時,由于可將人的主觀性用數(shù)量表達(dá)出來,使之更具條理性和科學(xué)性,從而可以避免由于人的主觀性導(dǎo)致的權(quán)重預(yù)測與實際情況相矛盾的現(xiàn)象,提高決策的有效性[21]。但是,在構(gòu)造判斷矩陣時,由于決策者很難掌握標(biāo)度的標(biāo)準(zhǔn),作出的判斷往往不能滿足一致性檢驗,進(jìn)而會導(dǎo)致計算量增加。實際應(yīng)用中,可采用判斷平均特性修正矩陣的方法對判斷矩陣進(jìn)行一致性改進(jìn),提高排序權(quán)向量的穩(wěn)定性,有利于計算機完成迭代算法[22]。

        2.3 Logistic回歸模型

        對于地質(zhì)災(zāi)害而言,從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā),各因子數(shù)據(jù)可以作為自變量,而災(zāi)害的發(fā)生與否可以作為分類因變量。由于不是連續(xù)變量,線性回歸將不適用于推導(dǎo)此類自變量和因變量之間的關(guān)系。這種情況下,通常采用對數(shù)線性模型(Log-linear model),而Logistic回歸模型就是對數(shù)線性模型的一種特殊形式[23],它已被國內(nèi)外學(xué)者引入到地質(zhì)災(zāi)害評價模型中,預(yù)測評價效果較好[24,25]。

        2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析具有獨特的學(xué)習(xí)特性,收斂速度快,容錯能力高,被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)測,如Pradhan[26]基于GIS建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到了滿意的地區(qū)滑坡災(zāi)害圖。但是,由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入和輸出有嚴(yán)格要求,而在地質(zhì)災(zāi)害評價中輸出很難和實際數(shù)據(jù)一致,導(dǎo)致訓(xùn)練樣本的選擇成為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的一大難點。

        2.5 統(tǒng)計量法

        叢威青等[27]提出了統(tǒng)計量法模型,在分析過程中更加注重每一個評價因子與地質(zhì)災(zāi)害之間的一一對應(yīng)關(guān)系,并以此指導(dǎo)影響因子的選擇和因子區(qū)段的劃分。該模型利用如下公式計算災(zāi)害危險性:

        其中,F(xiàn)k為單元k地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃值;δi為利用相關(guān)性分析獲得的因子i的相關(guān)性系數(shù);Iki為單元k因子i出現(xiàn)區(qū)段的敏感性數(shù)值;m為評價因子總數(shù)。

        2.6 基于GIS的滑坡災(zāi)害概率預(yù)測模型

        Chung等[28]通過對滑坡數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析,提出了一個統(tǒng)一的基于GIS多層空間數(shù)據(jù)的滑坡災(zāi)害概率預(yù)測模型,以現(xiàn)場測量和遙感數(shù)據(jù)作為輸入,預(yù)測滑坡在未來發(fā)生的頻率,但在模型擴展應(yīng)用和評估實效上目前仍達(dá)不到預(yù)期。

        2.7 遙感解譯法

        遙感是目前唯一的快速獲取大范圍地表數(shù)據(jù)的有效手段[29]。在滑坡、泥石流災(zāi)害風(fēng)險評估中,利用遙感圖像對災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查,即基于災(zāi)害的光譜特性及時序變化趨勢,利用遙感圖像對災(zāi)害發(fā)育背景進(jìn)行判別分析,包括工程地質(zhì)巖組的判別分析、植被覆蓋解譯、水文條件分析、地貌辨識等,進(jìn)而基于GIS技術(shù)實現(xiàn)分析滑坡、泥石流風(fēng)險形勢和警情、評估災(zāi)害損失的目的[30,31]。但是,遙感解譯法目前主要側(cè)重于使用超高分辨率數(shù)據(jù),價格相對昂貴且數(shù)據(jù)時空覆蓋不夠全面。

        3 發(fā)展前景與建議

        GIS為快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測評估滑坡、泥石流風(fēng)險提供了強有力的技術(shù)手段。但是,滑坡、泥石流災(zāi)害所涉及的地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地貌形態(tài)、底層突變、水系分布、植被覆蓋等主要控制因素和降雨、地震、冰雪消融及人為工程施工等誘發(fā)因素之間的關(guān)系非常復(fù)雜,GIS手段用于模擬真實地表動態(tài)特性還存在很大困難,只能從增進(jìn)數(shù)據(jù)獲取效率、把握時空格局、提高決策速度,以及確保模型適用性等角度,建立、改進(jìn)風(fēng)險評估模型,提高預(yù)測和評估結(jié)果的有效性。在目前的GIS和RS、GPS技術(shù)水平下,可以從以下幾個方面入手:

        1)提高模型輸入數(shù)據(jù)的全面性和質(zhì)量。輸入數(shù)據(jù)的精度是影響滑坡風(fēng)險分析的重要因素,發(fā)展更好的數(shù)據(jù)綜合處理方法、獲取更全面的輸入數(shù)據(jù)非常必要。另外,滑坡、泥石流即時影響因子的判斷和權(quán)重賦值,離不開歷史序列數(shù)據(jù)的積累和對其相互干擾的分析,對歷史數(shù)據(jù)的回溯處理也有助于對滑坡風(fēng)險的分析。

        2)巖體蠕動具有持續(xù)累積性和相對突發(fā)性的特點,要求有長期積累的背景參考信息和實時的、高精度的內(nèi)外部影響因子來加以判別。因而,需要利用各種可以獲得的多源數(shù)據(jù),建立滑坡、泥石流風(fēng)險評估地形地貌和水文地質(zhì)背景庫。

        3)構(gòu)建針對不同地質(zhì)構(gòu)造的滑坡、泥石流快速預(yù)報與響應(yīng)模型,提高模型精度。由于滑坡、泥石流驅(qū)動因子及相互關(guān)系,尤其是地質(zhì)力學(xué)關(guān)系非常復(fù)雜,尚沒有統(tǒng)一的范式,這就造成了風(fēng)險評估大批量快速操作的不確定性。所以,基于GIS建立適合于不同地質(zhì)構(gòu)造的滑坡、泥石流快速預(yù)報與響應(yīng)模型,對于快速獲得大范圍的滑坡、泥石流信息非常重要。

        目前,基于GIS進(jìn)行滑坡、泥石流風(fēng)險評估,主要是將GIS作為一種技術(shù)手段來實現(xiàn)已有滑坡、泥石流的風(fēng)險評估模型和方法,而以GIS為基礎(chǔ),綜合利用3S技術(shù)構(gòu)建的模型較少。同時,現(xiàn)有應(yīng)用主要是在繼發(fā)災(zāi)害的災(zāi)情分析和損失評估上,RS大范圍快速數(shù)據(jù)獲取功能、GIS強大的空間分析和三維模擬等功能都得不到充分利用。但是,MODIS等中高分辨率遙感數(shù)據(jù)對地表特征捕獲較為全面,數(shù)據(jù)實效性強,且全球免費發(fā)布,將其與地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果、氣象站降雨數(shù)據(jù)結(jié)合起來,構(gòu)建驅(qū)動因子更加全面的模型,使間斷性的地面勘察數(shù)據(jù)和高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)相融合,將是進(jìn)行滑坡、泥石流風(fēng)險預(yù)測和災(zāi)損評估的可行方法。

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