關(guān) 穎，趙 榮，陶坤旺，朱 翊

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2．中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830）

地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)作用（現(xiàn)象）［1］。我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一，災(zāi)害種類(lèi)多，分布地域廣，造成損失大［2］。其中地質(zhì)災(zāi)害的影響尤為突出。

隨著地質(zhì)災(zāi)害日益受到各國(guó)的關(guān)注和重視，研究方法上也取得很大進(jìn)展。遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等一些新的理論、技術(shù)和方法不斷被引入到地質(zhì)災(zāi)害研究中［3－6］。

格網(wǎng)GIS是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，很多學(xué)者用來(lái)分析社會(huì)和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。格網(wǎng)GIS的研究對(duì)象是空間信息格網(wǎng)，是在空間統(tǒng)計(jì)單元的基礎(chǔ)上研究空間信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息以及組織等問(wèn)題［7］。將統(tǒng)計(jì)信息分布到一定單元格網(wǎng)內(nèi)，不僅有利于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與地理要素的應(yīng)用，而且可以提高計(jì)算精度，發(fā)現(xiàn)格網(wǎng)間信息的差異，更加符合真實(shí)情況。因此，本文將格網(wǎng)GIS技術(shù)引入到地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估中，以泥石流和滑坡為研究對(duì)象，新源縣為試驗(yàn)區(qū)域，根據(jù)研究區(qū)的具體的地質(zhì)地貌特點(diǎn)建立一套相適應(yīng)的指標(biāo)體系。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)域概況

新源縣位于新疆西部天山北麓被譽(yù)為“塞外江南”的伊犁河谷東端，隸屬于伊犁哈薩克自治州。東部邊緣的天山北麓，地處北緯43°01′～43°40′，東經(jīng)82°28′～84°57′之間，總面積約6 446．7 k m2，海拔高度781～4 250 m。新源縣三面環(huán)山，西部敞開(kāi)，形狀如箕，構(gòu)成東西長(zhǎng)、南北窄、東高西低的特殊地形。自西向東為河谷平原、低山丘陵、中山帶和高山帶，可分為平原、丘陵、山地3個(gè)地貌單元。新源地勢(shì)變差較大，獨(dú)特的地形地貌決定了新源縣地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1．2 數(shù)據(jù)源

研究的資料包括新源縣1：5萬(wàn)DEM，土地利用數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、交通道路及歷史災(zāi)害點(diǎn)和隱患點(diǎn)等。由于數(shù)據(jù)來(lái)源不同，需要在Arc GIS中將它們轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系及投影，以方便空間統(tǒng)計(jì)和疊加運(yùn)算。

2 研究方法

首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況建立指標(biāo)體系，然后將研究區(qū)域網(wǎng)格化，用熵值法計(jì)算出各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，最后對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行可視化表達(dá)，技術(shù)路線如圖1所示。

2．1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1）高程：滑坡、泥石流會(huì)在重力的作用下，沿著內(nèi)部的滑動(dòng)面向下滑動(dòng)。所以高程是滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重要影響因素。

2）坡度：坡度是基本的自然地理要素，也是影響滑坡發(fā)育的重要因素，直接影響著斜坡的穩(wěn)定性，在一定條件下，坡度越陡，地表松散的堆積物質(zhì)在雨水的作用下容易帶走，從而形成泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害［2］。

圖1 技術(shù)路線

圖2 指標(biāo)體系圖

3）斷層構(gòu)造：斷裂發(fā)育地區(qū)，往往是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。斷裂層的破碎程度會(huì)影響坡體巖石的穩(wěn)定性，所以斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造在一定距離的緩沖區(qū)范圍內(nèi)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有影響。

4）地層巖性：地層巖性是孕育一切地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于土石性質(zhì)較為軟弱、結(jié)構(gòu)比較松散而不易排水的地層易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

5）土地利用與道路網(wǎng)密度：體現(xiàn)人類(lèi)工程活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。工程活動(dòng)可以破壞坡體，當(dāng)斜坡支撐不了斜坡上部質(zhì)量時(shí)就會(huì)失去平衡［8］，如修筑公路、開(kāi)墾土地、修建農(nóng)田水利等活動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2．2 研究區(qū)域格網(wǎng)化

運(yùn)用Arc GIS中的創(chuàng)建魚(yú)網(wǎng)功能，制作一張能夠覆蓋新源縣地區(qū)的方形網(wǎng)格，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況 將網(wǎng)格的大小設(shè)置為500 m×500 m再利用Clip（裁剪）功能用新源縣邊界圖裁剪網(wǎng)格，使得格網(wǎng)形狀與研究區(qū)域一致。由于版面限制，放大部分格網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 區(qū)域網(wǎng)格圖

運(yùn)用Arc GIS中union疊置分析功能，將各層評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)數(shù)據(jù)分別分布在格網(wǎng)單元中。在疊置過(guò)程中，網(wǎng)格中會(huì)出現(xiàn)某因子層的多個(gè)類(lèi)別的信息，這就需要考慮如何賦值問(wèn)題。本文在這里主要根據(jù)“面積最大”原則，利用GIS統(tǒng)計(jì)分析功能將分別統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元內(nèi)各類(lèi)別屬性的面積，將面積最大值的屬性信息賦值給網(wǎng)格（見(jiàn)圖4），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格信息化。

圖4 信息格網(wǎng)圖

2．3 指標(biāo)量化方法

定性的各指標(biāo)因子不能直接用來(lái)計(jì)算，需要變換后轉(zhuǎn)為定量計(jì)算。考慮到地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性，本文利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的思想對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)權(quán)重模型方法的主要原理是利用地質(zhì)災(zāi)害歷史分布數(shù)據(jù)，建立災(zāi)害點(diǎn)分布與各影響因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系［9］，即根據(jù)在各影響因子不同類(lèi)別中滑坡和泥石流分布的統(tǒng)計(jì)情況來(lái)確定各影響因子對(duì)滑坡和泥石流災(zāi)害的貢獻(xiàn)率大小 計(jì)算公式為

淀粉的回生分為短期回生和長(zhǎng)期回生兩個(gè)階段。短期回生要是由直鏈淀粉的膠凝有序和結(jié)晶所引起，發(fā)生在淀粉回生的前期，該過(guò)程在糊化后較短的時(shí)間內(nèi)完成；而長(zhǎng)期的回生(以天計(jì))則主要是由支鏈淀粉外側(cè)短鏈的重結(jié)晶所引起，該過(guò)程是一個(gè)緩慢長(zhǎng)期的過(guò)程，一般發(fā)生在極端條件下，如溫度很高或冰點(diǎn)溫度時(shí)，支鏈淀粉側(cè)鏈間才會(huì)結(jié)合。淀粉回生作用與淀粉的種類(lèi)、直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比例、支鏈淀粉側(cè)鏈的鏈長(zhǎng)、分子量、糊化淀粉冷卻儲(chǔ)藏溫度、水分等因素有關(guān)。

式中：a為各二級(jí)因子中統(tǒng)計(jì)出的災(zāi)害點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Aij為二級(jí)因子的面積。

量化后的數(shù)據(jù)需要?dú)w一化處理，以消除指標(biāo)間量綱的差異性，使數(shù)據(jù)規(guī)范化。歸一化公式為

2．4 熵值法

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程中，確定影響因素的權(quán)重是非常重要的，它直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和真實(shí)性［10－11］。熵值理論是對(duì)不確定性的度量，可以定量表示狀態(tài)的混亂程度，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)［12］。熵值法賦權(quán)具有客觀性，一般情況下它能夠反映指標(biāo)信息熵值的效用價(jià)值，具有較高的可信度［13］。具體計(jì)算過(guò)程為

二級(jí)影響因子權(quán)重根據(jù)一級(jí)影響因子的權(quán)重值按平均加權(quán)的方法進(jìn)行計(jì)算。

3 研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估

3．1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)新源縣的地形地貌特點(diǎn)及滑坡、泥石流災(zāi)害點(diǎn)的分布情況，將各指標(biāo)細(xì)化為若干不同等級(jí)的二級(jí)指標(biāo)，利用Arc GIS10．0專(zhuān)業(yè)軟件將指標(biāo)因子進(jìn)行處理并以重分類(lèi)的形式顯示。部分指標(biāo)因子及其重分類(lèi)如圖5～圖8所示。

新源縣西高東低，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差達(dá)3 000 m以上。根據(jù)地形變化和與災(zāi)害點(diǎn)分布的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，將高程分為5個(gè)等級(jí)，如圖5所示；新源縣巖性數(shù)據(jù)屬性信息顯示，多以砂、砂土、礫石、火山巖屑巖及深灰質(zhì)碎屑巖為主，巖性穩(wěn)定性低，易在降雨條件下引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)巖層類(lèi)型把巖性的穩(wěn)定程度將其分為5個(gè)等級(jí)，由于部分巖性成分復(fù)雜，穩(wěn)定程度較難確定，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的真實(shí)性將其分為“易滑巖組”“較易滑巖組 偶易滑巖組 穩(wěn)定巖組 和 不確定性 如圖6所示；土地利用情況在一定程度上影響著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，依據(jù)數(shù)據(jù)屬性信息，將新源縣的土地利用類(lèi)型分為“林地”“草地”“居民用地”等5個(gè)級(jí)別，如

圖5 高程分類(lèi)圖

圖7 土地利用分類(lèi)圖

綜合應(yīng)用Arc GIS的疊置分析和空間統(tǒng)計(jì)功能將各空間數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)疊加，并統(tǒng)計(jì)各因子的二級(jí)指標(biāo)包含的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目，利用式（1）、式（2）對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化和歸一化處理。結(jié)果如表1所示。

3．2 確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)量化后的指標(biāo)值，利用熵值法計(jì)算出各一、二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，如表1所示。

根據(jù)表1中統(tǒng)計(jì)的各二級(jí)指標(biāo)所包含的災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)目可以發(fā)現(xiàn)新源縣易引起滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害的影響條件有：高程分布中，災(zāi)害點(diǎn)主要集中在1 200～1 600，1 600～2 000 m之 間；坡 度 分 布中，坡度小于40°時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害爆發(fā)的頻度隨著坡度增大而增大，大于40°時(shí)卻會(huì)明顯降低；土地利用類(lèi)型中，從災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目看，草地對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響最大，其次是林地；斷層構(gòu)造中，與斷層構(gòu)造越近越容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，主要集中在距離斷層線0～圖7所示 新源縣大部分區(qū)域?yàn)閿嗔褞Оl(fā)育區(qū) 本文依據(jù)災(zāi)害點(diǎn)與主要斷裂帶之間的距離關(guān)系，在Arc GIS中將斷層設(shè)定5個(gè)不同距離的緩沖區(qū)，如圖8所示。2 000 m之間；巖性結(jié)構(gòu)中，災(zāi)害點(diǎn)主要落在易滑和較易滑的巖組中，穩(wěn)定巖組中也有部分在災(zāi)害點(diǎn)落入，可見(jiàn)單一地質(zhì)條件對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響并非絕對(duì)，而是多因素共同作用的結(jié)果；道路密度在0～3（k m／k m2）之間對(duì)滑坡、泥石流有一定影響。

圖6 巖性分類(lèi)圖

圖8 斷層分類(lèi)

3．3 綜合評(píng)估

綜合評(píng)估計(jì)算一般采用指標(biāo)值與權(quán)重值的加權(quán)求和模型。具體算式為

其中zi與zij為一、二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)單元格網(wǎng)內(nèi)各因子的量化值和計(jì)算的權(quán)重值，利用GIS中的地圖代數(shù)功能計(jì)算每個(gè)單元格網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)危險(xiǎn)程度值，從而進(jìn)行綜合評(píng)估。本文采用Arc－GIS中的自然裂點(diǎn)法（Natural Breaks）分級(jí)。該方法的特點(diǎn)是在分級(jí)數(shù)確定的情況下，通過(guò)聚類(lèi)分析將相似性最大的數(shù)據(jù)分在同一個(gè)等級(jí) 差異最大的數(shù)據(jù)分在不同的等級(jí)，可以較好地保持?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征，能夠更準(zhǔn)確地揭示地質(zhì)災(zāi)害的空間分布格局 因此依據(jù)自然裂點(diǎn)法將危險(xiǎn)程度劃分為 低度危險(xiǎn)，較低危險(xiǎn)，較高危險(xiǎn)，高危險(xiǎn)｝4個(gè)等級(jí)，用專(zhuān)題圖可視化表達(dá)，如圖9所示。

表1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由熵值法計(jì)算出的各指標(biāo)一級(jí)權(quán)重結(jié)果（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)因子對(duì)滑坡和泥石流影響程度不同，由高到低依次為：高程0．329 2，土地利用0．291 6，坡度0．149 4，巖性0．144 3，斷層0．079 5，道路網(wǎng)密度0．006 0，并且高程和土地利用的“總貢獻(xiàn)”值達(dá)0．61，而 且 在 高 程“1 200～1 600 m、1 600～2 000 m”的分類(lèi)二級(jí)指標(biāo)和土地利用“草地”的二級(jí)指標(biāo)因子的權(quán)重值都較高。因此不難發(fā)現(xiàn)，綜合評(píng)估危險(xiǎn)程度區(qū)劃結(jié)果圖受其影響較大，同時(shí)也受到其它因子不同程度的影響。

分別統(tǒng)計(jì)各危險(xiǎn)級(jí)別包含的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目占?xì)v史災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的比例，具體結(jié)果如表2所示。

圖9 綜合評(píng)估圖

表2 危險(xiǎn)級(jí)別統(tǒng)計(jì)

從綜合評(píng)估圖和危險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)表可以看出，新源縣滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害具有以下特點(diǎn)：

1）滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在新源縣北部、中部及西南部的山區(qū)；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東部和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)附近的狹長(zhǎng)區(qū)域；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中分布在中部的平原地區(qū)。這說(shuō)明山區(qū)的危險(xiǎn)性明顯高于平原地區(qū)，由于山區(qū)地形復(fù)雜，高差大，坡度陡，并且時(shí)有降雪與降雨天氣，遇到氣溫升高，積雪融化或在汛期遇到強(qiáng)降雨，在雪水、雨水與復(fù)雜的地形作用下極易引發(fā)滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

2）從危險(xiǎn)級(jí)別統(tǒng)計(jì)表中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，較高和高危險(xiǎn)區(qū)域中災(zāi)害點(diǎn)的比例為90．17%，較低危險(xiǎn)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)的比例為8．96%，而低危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)的比例為0．87%，大多數(shù)災(zāi)害點(diǎn)被包含在較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域中。

4 結(jié) 論

基于格網(wǎng)GIS技術(shù)，本文以新源縣為研究區(qū)域，建立相關(guān)地形危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，將GIS統(tǒng)計(jì)分析功能和數(shù)學(xué)算法相結(jié)合建立以滑坡、泥石流為主的地質(zhì)災(zāi)害地形風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的的評(píng)估模型，并對(duì)新源縣的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，對(duì)評(píng)估結(jié)果給出解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明格網(wǎng)GIS技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的研究具有可行性和實(shí)踐意義。

［1］ 苗雨．基于GIS和Logistic模型的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010．

［2］ 杜繼穩(wěn)．降雨性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警［M］．北京：科學(xué)出版社，2010．

［3］ 劉興權(quán)．地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16（3）：343－346．

［4］ 褚洪斌，母海東，王金哲．層次分析法在太行山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)中的應(yīng)用［J．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14（3）：126－128．

［5］ 柳伊莎，楊苗．基于信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］．重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（4）：35－38．

［6］ 陳新建，段釗，趙法鎖，等．基于模糊數(shù)學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，2011，22（3）：92－94．

［7］ 龔麗妍．基于格網(wǎng)GIS的區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)及時(shí)空演變趨勢(shì)分析：以大連市甘井子區(qū)為例［D］．大連：遼寧師范大學(xué)，2012．

［8］ 方苗，張金龍，徐瑱．基于GIS和Logistic回歸模型的蘭州市滑坡災(zāi)害敏感性區(qū)劃研究［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（6）：846－852．

［9］ 張麗君，江思宏．區(qū)域性滑坡敏感性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)權(quán)重模型 及 應(yīng) 用［J］．水 文 地 質(zhì) 工 程 地 質(zhì)，2004（6）：33－36．

［10］騰繼東，項(xiàng)夢(mèng)杰，李蘇，等．改進(jìn)模糊層次分析法確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定［J］．安徽農(nóng)業(yè)科技，2008，36（1）：22－23．

［11］徐靜，顧留碗，張耀民，等．規(guī)則格網(wǎng)DEM地形綜合方法分析［J］．測(cè)繪工程，2014，23（9）：26－31．

［12］劉順風(fēng)．基于Arc GIS的廣西地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)研究［D］．南寧：廣西師范學(xué)院，2013．

［13］姚宇婕，陳毓芬．引導(dǎo)型專(zhuān)題數(shù)據(jù)分級(jí)處理研究［J］．測(cè)繪工程，2012，21（1）：26－27．

［14］廖永豐，趙飛，王志強(qiáng)，等．2000—2011年中國(guó)自然災(zāi)害災(zāi)情空間分布格局分析［J］．災(zāi)害學(xué)，2013，28（4）：55－60．