■　張少賡　焦艷菲

（1河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院河南鄭州450000；2河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南鄭州450000）

淺析GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃中的應(yīng)用

■張少賡1焦艷菲2

（1河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院河南鄭州450000；2河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南鄭州450000）

本文從基于GIS的信息量分析模型建立開始，對評價指標(biāo)的量化、計算單元剖分及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的方法等方面做了詳細(xì)闡述。準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析對下一步地質(zhì)災(zāi)害危險性分析、易損性分析和風(fēng)險性區(qū)劃十分重要，可提供細(xì)致可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對防災(zāi)決策和指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治有重大意義。

GIS地質(zhì)災(zāi)害評價指標(biāo)易發(fā)程度區(qū)劃

0　引言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃是分析評價一個地區(qū)在一定的地質(zhì)災(zāi)害條件和各類因素影響下，相對容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能程度，并結(jié)合分析這些地質(zhì)因素對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的大小，最終確定地質(zhì)災(zāi)害空間發(fā)生的傾向性和可能程度。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定性分析人為主觀因素較強(qiáng)，隨意性較大，而定量分析就是在定性分析基礎(chǔ)上，利用基于GIS的信息量模型計算各影響因素權(quán)重并對各影響因子按權(quán)重大小進(jìn)行空間分析和疊加，進(jìn)而得出更為合理的易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果，為制訂土地利用規(guī)劃及災(zāi)害氣象預(yù)警提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

1　基于GIS的信息量分析模型

模型通過計算各影響因素對斜坡變形破壞所提供的信息量值，作為區(qū)劃的定量指標(biāo)，既能正確地反映地質(zhì)災(zāi)害的基本規(guī)律，又簡便、易行、實(shí)用，便于推廣。其計算原理與過程如下：

1.1計算單因素（指標(biāo)）xi提供斜坡失穩(wěn)（A）的信息量I（xi/A）：

式中：S—已知樣本單元；

N—已知樣本中變形破壞的單元總數(shù)；

Si—有xi的單元個數(shù)；

Ni—有指標(biāo)xi的變形破壞單元個數(shù)。

1.2計算某一單元P種因素組合情況下，提供斜坡變形破壞的信息量Ii，即

1.3根據(jù)Ii的大小，給單元確定穩(wěn)定性等級：

Ii＜0表示該單元變形破壞的可能性＜區(qū)域平均變形破壞的可能性；

Ii=0表示該單元變形破壞的可能性=區(qū)域平均變形破壞的可能性；

Ii＞0表示該單元變形破壞的可能性＞區(qū)域平均變形破壞的可能性，即單元信息量值越大越有利于斜坡變形破壞。

1.4經(jīng)統(tǒng)計分析找出突變點(diǎn)作為分界點(diǎn)，將區(qū)域分成不同等級。評價指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為定量描述的數(shù)據(jù)，須采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、均勻化，或?qū)?shù)、平方根等數(shù)值變換方法統(tǒng)一量綱，方可代入評價模型。

2　評價指標(biāo)體系建立

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害和隱患的區(qū)域。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃側(cè)重的是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害及其隱患和自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的數(shù)量多少及其活躍程度，評價指標(biāo)包括已有地質(zhì)災(zāi)害及隱患群體統(tǒng)計和其形成條件兩大類。

已有地質(zhì)災(zāi)害及其隱患群體評價指標(biāo)主要包括地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和規(guī)模，在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃時，采用實(shí)地調(diào)查的災(zāi)害及隱患點(diǎn)資料作為樣本來計算單元內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的點(diǎn)密度。地質(zhì)災(zāi)害形成條件諸多，包括地形地貌、溝谷切割情況、溝谷密度和發(fā)育時期、坡向、坡度、坡高、坡體物質(zhì)組成及水文地質(zhì)條件等。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價可選取坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨指標(biāo)和人類工程活動等七項主要因素作為評價易發(fā)性指標(biāo)。在地質(zhì)災(zāi)害形成條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，可參照評價指標(biāo)貢獻(xiàn)率法的計算結(jié)果，分析確定某一地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃中各個指標(biāo)的權(quán)重。

3　評價指標(biāo)量化

評價指標(biāo)包括定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。對于定量指標(biāo)，如斜坡的坡度、坡高、降雨量等，取其原始觀測值，并作適當(dāng)?shù)臄?shù)值變換即可；對于定性指標(biāo)，如巖土結(jié)構(gòu)、坡型等，需要建立一個評價指標(biāo)的分級劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各項指標(biāo)對不同級別的相對貢獻(xiàn)來取值。實(shí)際操作中，可選擇不同調(diào)查精度比例尺數(shù)字地形圖和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)作為評價指標(biāo)。

3.1災(zāi)點(diǎn)密度

根據(jù)野外調(diào)查資料，將所得的地質(zhì)災(zāi)害情況利用GIS進(jìn)行錄入。按一定規(guī)格的網(wǎng)格進(jìn)行評價時，密度就是單位網(wǎng)格內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量，然后按照不同密度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生的概率，進(jìn)行0～1之間的線性歸一化，得到坡度指標(biāo)歸一化圖。

3.2坡度指標(biāo)

利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取某一地區(qū)不同調(diào)查精度的坡度信息，然后進(jìn)行歸一化。由于45°以上斜坡發(fā)生崩塌的頻率較高，區(qū)劃可將45°以上斜坡的易發(fā)程度定義為1，而10°以下斜坡發(fā)生崩塌的頻率則較低，其易發(fā)程度定義為0；將10～45°之間的斜坡的易發(fā)程度，按照不同坡度區(qū)間滑坡和崩塌自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的概率，進(jìn)行0～1之間的線性歸一化，得到坡度指標(biāo)歸一化圖。

3.3坡高指標(biāo)

利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取某一地區(qū)的坡高信息，根據(jù)區(qū)內(nèi)實(shí)際高程值進(jìn)行歸一化。例如，滑坡和崩塌自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的斜坡高主要集中在50～100m之間，可將50m以上斜坡的易發(fā)程度定義為1，而將0～50m之間斜坡的易發(fā)程度進(jìn)行0～1之間的線性歸一化，得到斜坡高度指標(biāo)歸一化圖。

3.4坡型指標(biāo)

坡型可以利用地表的曲率進(jìn)行描述和量化，直線形和凸型斜坡在曲率上的體現(xiàn)是曲率≥0，凹型坡和階梯型坡的曲率＜0，因此，可利用ArcGIS平臺從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的地表曲率信息，然后進(jìn)行斜坡坡型的歸一化。例如，某一地區(qū)滑坡和崩塌主要發(fā)育在直線形和凸型斜坡上，因此，當(dāng)曲率＜0時，坡面為凹型或階梯型，易發(fā)程度最低；當(dāng)曲率＞0時，坡面為直線形和凸型，易發(fā)程度較高，按照曲率的大小進(jìn)行0～1之間的線性歸一化，得到斜坡坡型指標(biāo)歸一化圖。

3.5巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)

巖土體類型及其結(jié)構(gòu)特征對斜坡的變形有顯著的控制作用，它們是決定斜坡巖土體強(qiáng)度、應(yīng)力分布、變形破壞特征的基礎(chǔ)，同時也是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)某一地區(qū)地層巖性組成、分布及地貌特征、基巖切割深度變化趨勢等指標(biāo)，將巖土體結(jié)構(gòu)對滑坡、崩塌易發(fā)程度的影響進(jìn)行0～1之間歸一化處理，得到巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)歸一化結(jié)果圖。

3.6植被指數(shù)指標(biāo)

利用Arcgis平臺從DEM數(shù)據(jù)中分別提取某一地區(qū)的地表曲率信息，然后進(jìn)行斜坡坡型的歸一化。MODIS遙感數(shù)據(jù)計算植被指數(shù)。在統(tǒng)計分析前將該數(shù)據(jù)重新采樣成25m×25m的柵格單元。

3.7降雨指標(biāo)

根據(jù)某一地區(qū)的降雨特性，選用降雨不均勻系數(shù)來量化降雨因素，將區(qū)內(nèi)降雨不均勻系數(shù)進(jìn)行0～1之間歸一化差值處理。

3.8人類工程活動指標(biāo)

人類工程活動對滑坡、崩塌、泥石流形成發(fā)育的影響極為復(fù)雜，如何定量化反映是個難題?？紤]到公路等交通建設(shè)是地區(qū)最具代表性的人類工程活動，對災(zāi)害影響最明顯，且具有貫穿或覆蓋全區(qū)的特點(diǎn)，一般對人類工程活動的量化以公路為基準(zhǔn)線，間隔300—500m，分別向兩邊做三個緩沖區(qū)，再經(jīng)柵格化和歸一化處理，參與評價。

4　計算單元的剖分

計算單元剖分的形式及其大小對易發(fā)性區(qū)劃的結(jié)果影響較大。采用柵格單元的優(yōu)點(diǎn)是可利用GIS實(shí)現(xiàn)單元的快速剖分，同時柵格數(shù)據(jù)為矩陣形式，可借助計算機(jī)快速完成運(yùn)算；其缺點(diǎn)是柵格評價單元與地形、地貌、地質(zhì)環(huán)境條件信息缺乏有機(jī)聯(lián)系。理想的評價單元應(yīng)當(dāng)是充分考慮地質(zhì)災(zāi)害形成的地質(zhì)環(huán)境條件。單元選取的敏感性是不相同的，其中最為敏感的要素是地形地貌因素。

在地質(zhì)災(zāi)害形成條件中，河流和溝谷的發(fā)育階段對區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌的形成具有明顯的綜合控制作用，以溝谷而劃分的評價單元能夠綜合體現(xiàn)各種控制與影響因素的作用。對某一地區(qū)可采用以溝谷斜坡作為評價單元，該評價單元是以分水線和河谷所限匯水區(qū)域，是滑坡、崩塌發(fā)生的基本地形地貌單元?？筛鶕?jù)水文學(xué)方法，基于DEM借助計算機(jī)自動實(shí)現(xiàn)評價單元的劃分。

在水文分析當(dāng)中，首先進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的洼地填充；然后根據(jù)填充后的DEM求取全區(qū)的流向圖，基于流向即可獲得各單元的累積流量。通過設(shè)定流經(jīng)某柵格單元的最小匯水單元格數(shù)，即可得到全區(qū)的集水區(qū)。顯然，隨著設(shè)定最小匯水單元數(shù)的增大，就可得到更大面積的匯水區(qū)，同時，也可通過設(shè)定不同的最小匯水單元數(shù)，來對某一地區(qū)進(jìn)行不同精度水平的研究。從地形學(xué)角度出發(fā)，匯水區(qū)邊界即為分水線。為確定河谷線，采用反向DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行上述水文匯水盆地分析，即將原始DEM沿某一水平線反轉(zhuǎn)，原來DEM高點(diǎn)變?yōu)榈忘c(diǎn)，求取的新的匯水邊界就變成了河谷線。

在最終獲取斜坡單元柵格數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，通過GIS軟件的柵格矢量轉(zhuǎn)換功能，得到斜坡面域。在此轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生許多假的面集和許多面積很小或不協(xié)調(diào)面集單元，再次通過GIS的融合歸并功能，削除不合理元素，最終得到評價單元面數(shù)據(jù)集。同時，通過統(tǒng)計分析各斜坡單元內(nèi)所有柵格單元的傾向、傾角、高程等參數(shù)，可以得到各斜坡單元的主傾向、傾角及斜坡高度。

5　易發(fā)程度等級劃分

合理地確定易發(fā)程度分區(qū)界線值也是區(qū)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。方法有突變點(diǎn)法和等間距法，一般采用前者。經(jīng)過統(tǒng)計分析，從中找出突變點(diǎn)作為易發(fā)程度分區(qū)界線值。某一地區(qū)的易發(fā)程度可分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和非易發(fā)四個不同等級的全部或部分等級。

6　結(jié)束語

地質(zhì)災(zāi)害具有隨機(jī)性、模糊不確定性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確的對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行合理正確的判斷和劃分，成為當(dāng)今社會地質(zhì)災(zāi)害研究的一大課題。隨著GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用、深入并不斷發(fā)展，相信人們對地質(zhì)災(zāi)害的研究也將會取得更加突出的成就。

[1]長安大學(xué).山西省延安市黃陵縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報告[R].2010

[2]朱良峰，殷坤龍，張梁.基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析系統(tǒng)[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2002；10（4）：428-433

[3]張有全，宮輝力等.基于GIS的北京市延慶縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)域劃分[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2006

X3[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-3-184-2

張少賡（1981～），男，本科，工程師，研究方向為水工環(huán)地質(zhì)。