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(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

基于GIS的崩塌災(zāi)害定量評價空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)與實現(xiàn)

韓柳，萬億

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

地質(zhì)災(zāi)害的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。因此，本文對崩塌災(zāi)害的定量評價空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和相關(guān)處理方法進行了分析，具體可采用加權(quán)Logistic回歸模型和證據(jù)權(quán)模型相結(jié)合大方式獲得最終崩塌地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合定量評價結(jié)果。通過對崩塌災(zāi)害定量評價空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，既可以避免由于條件獨立假設(shè)所造成的困擾，又可以彌補兩種模型評價結(jié)果同實際值的偏差，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價目標。

GIS；地質(zhì)災(zāi)害；數(shù)據(jù)庫；定量評價

地質(zhì)災(zāi)害的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中往往以固定權(quán)值和量化值將各影響因素進行簡單線性疊加，這種簡單線性疊加模式在形式上屬于定量評價，但從本質(zhì)上分析，這種線性疊加的基礎(chǔ)包含人為干擾極重的定性成分。因此，本文基于GIS平臺，并參考相關(guān)研究成果[1-5]，通過采用加權(quán)Logistic回歸模型和證據(jù)權(quán)模型相結(jié)合的方式對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性和危險性進行定量評價。采用上述方法既可以避免由于條件獨立假設(shè)所造成的困擾，又可以彌補兩種模型評價結(jié)果同實際值的偏差，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價目標。

1 定量評價模型的建立

本文定量評價模型是由項目組野外工作人員、專家組以及定量評價建模人員根據(jù)野外實際調(diào)查情況，結(jié)合前人理論及相關(guān)認識經(jīng)反復(fù)討論、總結(jié)而成。根據(jù)野外實地調(diào)查結(jié)果，崩塌形成的主要條件包括：(1)物質(zhì)條件；(2)地貌條件；(3)動力條件；(4)人類工程活動擾動等四個方面。

1.1 物質(zhì)條件

巖土體類型為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其物質(zhì)條件可通過工程地質(zhì)巖組和土地覆被類型數(shù)據(jù)體現(xiàn)。

1.2 地貌條件

崩塌的地形地貌條件體主要現(xiàn)在斜坡特征上，如坡度、坡形、坡向、物質(zhì)運移方向、局部相對高差等特征，上述特征可通過DEM數(shù)據(jù)經(jīng)空間分析后獲得。

1.3 動力條件

與崩塌災(zāi)害相關(guān)的動力條件主要體現(xiàn)地質(zhì)作用、水動力作用兩個方面：

1.3.1 地質(zhì)作用

地質(zhì)作用一方面是各類構(gòu)造面對斜坡物質(zhì)的切割，包括斷層、節(jié)理、裂隙，主體是斷層的作用；地質(zhì)作用的另一方面以地震的方式體現(xiàn)，改變斜坡物質(zhì)狀態(tài)或誘發(fā)崩塌。兩方面可通過斷層和地震數(shù)據(jù)表達。

1.3.2 水動力作用

水動力作用主要體現(xiàn)在地表水和地下水對物質(zhì)條件(如軟化和降低強度)和地貌條件(如坡腳沖刷)的改變，可通過地表累積流量和泉分布數(shù)據(jù)表達。

1.4 人類工程活動擾動

不合理的人類工程活動(如開挖坡腳、坡體上部堆載、爆破、礦山開采)改變斜坡物質(zhì)狀態(tài)以及斜坡特征誘發(fā)崩塌，可通過道路、礦山分布、居民點數(shù)據(jù)進行分析。

根據(jù)以上分析，可初步形成本區(qū)崩塌定量評價概念模型，如圖1所示，具體因素需要全面單因素分析完成后，再行選擇。

圖1 崩塌易發(fā)性定量評價概念模型

(模型說明：以野外調(diào)查獲得的崩塌分布為響應(yīng)因子，結(jié)合崩塌成因理論初步選擇崩塌可能形成條件進行單因素分析，依據(jù)分析結(jié)果選擇影響因子并做集成分析，獲得崩塌易發(fā)性定量評價結(jié)果)

2 定量評價空間數(shù)據(jù)處理方法

本次空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、中間過程數(shù)據(jù)、以及評價結(jié)果數(shù)據(jù)三個方面，其中中間過程數(shù)據(jù)以及評價結(jié)果數(shù)據(jù)是在定量評價過程中和完成時的數(shù)據(jù)。

2.1 空間數(shù)據(jù)的建立

圍繞定量評價模型，空間數(shù)據(jù)庫首先需要建立的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，坐標系統(tǒng)一采用西安1980投影坐標系，共包含5個專題數(shù)據(jù)：地質(zhì)災(zāi)害專題、物質(zhì)專題、地貌專題、動力專題和人類工程活動專題。其中，地質(zhì)災(zāi)害專題包括崩塌地質(zhì)災(zāi)害，以矢量數(shù)據(jù)(點要素類)存儲；物質(zhì)專題包括工程地質(zhì)巖組、土地覆被類型，以矢量數(shù)據(jù)(面要素類)存儲；地貌專題包括高程、坡度、坡向、坡型、物質(zhì)運移方向、沿運移方向落差，以連續(xù)型柵格數(shù)據(jù)存儲；動力專題包括斷層、地震、水系、泉水，以矢量數(shù)據(jù)存儲(線、點要素類)；人類工程活動專題包括：道路、礦山、居民點，以矢量數(shù)據(jù)存儲(線、面、點要素類)。

2.2 數(shù)據(jù)準備階段數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)準備階段數(shù)據(jù)處理具體包括：坡度分析、矢量-柵格轉(zhuǎn)換、密度、距離、斜坡運移勢、斜坡落差勢、坡型、組合分析、重分類分析、空間配位分析等空間數(shù)據(jù)處理方法。

(1)矢量-柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要用于將土地覆被類型、工程地質(zhì)巖組等以面要素類存在的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可滿足崩塌易發(fā)性定量評價精度要求的整型柵格數(shù)據(jù)。

(2)密度分析主要用于將泉水、斷層、水系等點或線要素類轉(zhuǎn)換為反映泉水、斷層、水系等空間分布密集程度的整型柵格數(shù)據(jù)，為進一步分析地質(zhì)災(zāi)害和泉水、斷層、水系等因素分布密度之間的空間相關(guān)性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)距離分析主要用于獲得描述距離泉水、斷層、水系的距離遠近整型柵格數(shù)據(jù)，以便通過單因素分析進一步獲得地質(zhì)災(zāi)害與泉水、斷層以及水系在距離上空間分布相關(guān)性。

(4)空間配位分析主要用于將水系、泉水、斷層等點或線要素類按國標分類類別和一定的空間影響范圍轉(zhuǎn)換為相應(yīng)整型柵格數(shù)據(jù)，以便進一步確定各類別在一定空間范圍內(nèi)同地質(zhì)災(zāi)害間的空間分布關(guān)系。

(5)坡度分析是以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過領(lǐng)域計算獲得相應(yīng)地形坡度柵格數(shù)據(jù)，以便進一步確定地形坡度同地質(zhì)災(zāi)害間的空間相關(guān)性。

(6)斜坡運移勢分析是以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析斜坡上每一像元同周圍八個像元的相對位置高低關(guān)系，從而獲得描述每一像元物質(zhì)運移趨勢的柵格數(shù)據(jù)，為進一步描述斜坡特征同地質(zhì)災(zāi)害間的空間關(guān)系奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(7)斜坡落差勢分析是以DEM數(shù)據(jù)和斜坡物質(zhì)運移方向數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析每一像元斜坡物質(zhì)沿像元物質(zhì)運移方向的最大高程變化率，以百分比形式表現(xiàn)，分析結(jié)果為斜坡落差勢連續(xù)型柵格數(shù)據(jù)，為進一步描述斜坡特征同地質(zhì)災(zāi)害間的空間關(guān)系奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(8)坡型分析主要是通過計算斜坡的曲率變化而獲得凸形坡和凹形破分布結(jié)果。

(9)組合分析本質(zhì)是對同一柵格數(shù)據(jù)的任一像元根據(jù)定量評價要求賦予多重屬性，使其滿足多重分類和多因素信息提取需要。

(10)重分類分析是將上述各類分析所獲得的連續(xù)型柵格數(shù)據(jù)按一定類別區(qū)間重分類，轉(zhuǎn)換為整型柵格數(shù)據(jù)的空間分析方法，使地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量評價可按各因素的區(qū)間分類探討同災(zāi)害間的空間相關(guān)性。

通過上述數(shù)據(jù)處理及分析方法可為崩塌地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量評價提供較為全面的可供分析的各類中間過程數(shù)據(jù)。

2.3 單因素空間相關(guān)性分析

傳統(tǒng)單因素分析，單因素量化值及權(quán)重通過的確定通過人為方式完成，即通過專家打分加權(quán)平均或通過野外調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析獲得。專家經(jīng)驗往往通過在特定區(qū)域內(nèi)長期工作獲得，但地學(xué)事件的最重要的特點之一就是空間性，即同樣的地學(xué)事件在不同的空間位置表現(xiàn)出不同的特點，因此專家打分往往存在著一定的片面性，因此結(jié)果往往隨所選專家的變化而變化，結(jié)果不可重復(fù)；相對而言，通過野外調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析進而確定單因素量化值和權(quán)重可靠程度較高，但該種方式所確定的量化值和權(quán)重仍然具有極為濃厚的定性色彩屬半定量的評價方法。

隨著計算機軟硬件的迅速發(fā)展和空間數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)的完善，目前，對于單因素分析，存在著較多比較成熟的定量方法，如信息量法、證據(jù)權(quán)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。其中證據(jù)權(quán)法包含信息量法的內(nèi)涵，同時又做了較大的改進，該方法所應(yīng)用的單因素分析方法不僅定量分析單因素中具備該類別時災(zāi)害的響應(yīng)程度，而且還定量分析不具備該類別時災(zāi)害的響應(yīng)程度，同時給出定量分析結(jié)果的置信度，并且能通過兩類響應(yīng)程度分析結(jié)果結(jié)合置信度給出各類別的綜合定量分析結(jié)果，該結(jié)果可以代替定性方式給出的量化值和權(quán)重值的綜合結(jié)果。

2.4 多因素綜合定量評價方法

地質(zhì)災(zāi)害的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中往往以固定權(quán)值和量化值將各影響因素進行簡單線性疊加，這種簡單線性疊加模式在形式上屬于定量評價，但從本質(zhì)上分析，這種線性疊加的基礎(chǔ)包含人為干擾極重的定性成分。

為避免上述問題，在疊加函數(shù)的選擇上可以采用兩種模式，如果影響因子間相對獨立，則采用貝葉斯法則進行疊加，獲得相應(yīng)定量評價結(jié)果；如果影響因子間不具備相對獨立條件，則采用加權(quán)Logistic回歸作為疊加函數(shù)，獲得相應(yīng)定量評價結(jié)果。貝葉斯法則疊加方式和加權(quán)Logistic回歸均為數(shù)據(jù)驅(qū)動定量評價方式，沒有人為因素加入其中。

綜合分析以上兩種綜合定量評價模式，依據(jù)證據(jù)權(quán)模型進行疊加時，要求參與評價的各因素必須滿足條件獨立假設(shè)，采用證據(jù)權(quán)模型進行綜合定量評價時，評價結(jié)果(后概率)往往略高于實際值；依據(jù)加權(quán)Logistic回歸模型進行疊加時，不要求參與評價的各因素間的條件獨立假設(shè)，采用加權(quán)Logistic回歸模型進行綜合定量評價時，評價結(jié)果(后概率)往往略低于實際值。

3 結(jié)語

地質(zhì)災(zāi)害的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。因此，本文對崩塌災(zāi)害的定量評價空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和相關(guān)處理方法進行了分析，具體可采用加權(quán)Logistic回歸模型和證據(jù)權(quán)模型相結(jié)合大方式獲得最終崩塌地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合定量評價結(jié)果。采用上述方法既可以避免由于條件獨立假設(shè)所造成的困擾，又可以彌補兩種模型評價結(jié)果同實際值的偏差，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價目標。

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1004-1184(2017)06-0121-02

2017-06-28

韓柳(1983-)，女，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，主要從事測繪工程制圖方面的工作。