關(guān) 穎，程 瑤，王東興

(1.南京國圖信息產(chǎn)業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

新疆位于我國西北邊陲，面積約166萬平方公里。由于人類活動頻繁、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎、獨(dú)特的水文氣象等自然因素，促使新疆地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。而且不同區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)形式不同、危害強(qiáng)度影響范圍也不同[1]。根據(jù)新疆應(yīng)急辦提供的數(shù)據(jù)，全疆范圍內(nèi)在1920—2007期間共發(fā)生滑坡災(zāi)害1700余次，泥石流1 600余次，崩塌4 400余次。2012年由于地質(zhì)災(zāi)害使新疆區(qū)域的直接經(jīng)濟(jì)損失更是達(dá)3 000余萬元?？梢姷刭|(zhì)災(zāi)害給人們的生命財產(chǎn)安全及政府的防災(zāi)減災(zāi)工作構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，亟需探索符合新疆區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)災(zāi)害情況的評估方法模型。

隨著GIS技術(shù)在在災(zāi)害評價領(lǐng)域的作用日益凸顯，我國災(zāi)害評估的不再局限于傳統(tǒng)的定性研究，已經(jīng)向定量化方向發(fā)展。中南大學(xué)的匡樂紅學(xué)者基于粗糙集理論對AHP方法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，從而確定指標(biāo)因子的權(quán)重[2]；柳依莎等人運(yùn)用GIS方法選取高程、坡度及主要交通公路等指標(biāo)因子，構(gòu)建信息量模型對研究區(qū)域進(jìn)行危險性評價[3]；張麗君運(yùn)用貝葉斯概率模型進(jìn)行滑坡災(zāi)害敏感性分析[4]；多元回歸的分析方法被應(yīng)用到滑坡災(zāi)害的空間分布評價中[5]等。在眾多理論模型中，統(tǒng)計學(xué)方法受到了學(xué)者的青睞，因為它不需要收集詳細(xì)的邊坡數(shù)據(jù)，運(yùn)用起來方便靈活。

但基于統(tǒng)計模型對大區(qū)域的評價，研究者會直接面臨“分級”樣本量化會造成模型不準(zhǔn)確的問題，因此可利用“直接提取真實值”的方式來解決這個問題。根據(jù)新疆區(qū)域的實際情況，在相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害評價理論的基礎(chǔ)上，從孕災(zāi)和致災(zāi)兩個角度出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)體系，將GIS技術(shù)和Logistical方法集成構(gòu)建符合新疆實際特點(diǎn)的危險性評價模型。最后以滑坡為例，對新疆地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行綜合評估。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

新疆地域遼闊，地形地貌變化復(fù)雜，地勢高低差異大，斷裂帶發(fā)育明顯，構(gòu)造運(yùn)動活躍，地質(zhì)環(huán)境脆弱，因此在特殊條件下極易誘發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害，并且暴發(fā)頻率高，影響范圍廣。新疆歷史災(zāi)害點(diǎn)的具體空間分布如圖1所示。

圖1 歷史災(zāi)害點(diǎn)空間分布

在1920—2007年期間，經(jīng)過分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)約70%的滑坡災(zāi)害發(fā)生在伊犁河谷地區(qū)。巨型和大型滑坡事件累計約66次，集中分布在新源縣地區(qū)；泥石流災(zāi)害大部分事件集中在克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)西南部、昌吉回族自治州的南部及巴音郭楞蒙古自治州北部等區(qū)域。巨型和大型泥石流事件累計約59次；大型和巨型崩塌事件約30次。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文研究所用的數(shù)據(jù)來自新疆1∶5萬的信息資料，主要包括DEM數(shù)據(jù)、土地利用、斷層構(gòu)造、地層巖性、道路及歷史災(zāi)害點(diǎn)和隱患點(diǎn)等。首先由于數(shù)據(jù)來源不同，并且考慮到新疆面積較大及試驗中會涉及面積、長度等的計算，因此統(tǒng)一采用Alberts等面積投影。

其次評價過程中會涉及空間疊加運(yùn)算，因此需要將各專題數(shù)據(jù)柵格化。根據(jù)李軍對不同比例尺下柵格大小的選擇問題提出的經(jīng)驗公式[6]，將柵格的大小確定為30 m。依托ArcGIS平臺對各專題數(shù)據(jù)和DEM進(jìn)行轉(zhuǎn)換和重采樣處理。

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+

2.9×10-15S3.

式中：S為原始DEM精度的分母，Gs為適宜網(wǎng)格的大小。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的基本理論與技術(shù)路線

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評價通常是根據(jù)研究區(qū)域的地形地貌背景、地質(zhì)構(gòu)造條件、誘發(fā)因素以及人類工程活動的狀況，對一定的區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的地點(diǎn)、時間及造成的損失所進(jìn)行客觀的評價[7]。地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價需要遵循一定的原理和方法，這樣才能科學(xué)、合理的對區(qū)域展開評價。

敏感性評價：它用于回答“什么地方容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害”。其實質(zhì)是利用區(qū)域中已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)信息(災(zāi)害的密度，強(qiáng)度，概率大小)，再結(jié)合潛在影響地質(zhì)災(zāi)害性的因素，如斷層構(gòu)造、高程分布、巖性、水文氣象等進(jìn)行客觀分析評價，進(jìn)而劃分區(qū)域災(zāi)害敏感區(qū)。敏感性評估只對潛在的空間分布研究，不考慮時間概率。

危險性評價：是在敏感性的基礎(chǔ)上結(jié)合誘發(fā)因素如降雨、地震及融雪等外在因素，是其自然屬性的體現(xiàn)。Westen等學(xué)者認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害危險性主要受時間概率和空間概率兩個因素的制約影響[8]，即

地質(zhì)災(zāi)害危險性概率=時間概率×空間概率.

如果把地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生看作為一種“隨機(jī)事件”，那么地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的實質(zhì)則是分析出地質(zhì)災(zāi)害何時再次發(fā)生及可能性的大小[9]。

從敏感性和危險性評價的定義中，不難看出危險性評價應(yīng)按照敏感性評價—危險性評價的順序遞進(jìn)進(jìn)行。敏感性評價是危險性評價的重要基礎(chǔ)。敏感性評價側(cè)重于解決在什么樣的條件下“哪里”容易發(fā)生災(zāi)害，危險性側(cè)重于“何時”發(fā)生災(zāi)害。因此不難理解敏感性評價注重于對模型的分析研究，同時更是關(guān)系到區(qū)域危險性評價結(jié)果的準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。因此在遵循相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，采取的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

3 研究方法

3.1 指標(biāo)因子的指標(biāo)體系

地質(zhì)災(zāi)害是多因素相互作用的結(jié)果，因素之間的關(guān)系也錯綜復(fù)雜。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[10]，從地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子兩方面考慮構(gòu)建指標(biāo)體系(見圖3)。孕災(zāi)環(huán)境是內(nèi)在因素，主要指研究區(qū)域自身所處的自然環(huán)境條件：地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等條件；致災(zāi)因子主要是指對地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生起到誘發(fā)作用的外界因素：降雨、融雪和人類大型工程活動等。

圖3 評價指標(biāo)體系

3.2 Logistical敏感性評價方法

基于統(tǒng)計分析的理論模型是近年被很多學(xué)者普遍采用的方法，它不需要搜集詳細(xì)邊坡物理數(shù)據(jù)，主要在分析災(zāi)害事件的分布與若干指標(biāo)因子的相關(guān)關(guān)系和規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)而判斷區(qū)域發(fā)生災(zāi)害可能性的大小，具有客觀性。邏輯回歸方法(Logistic)是典型統(tǒng)計學(xué)方法之一。它的優(yōu)勢在于進(jìn)行統(tǒng)計分析時，對自變量的分布未作任何要求，可以是連續(xù)變量，也可以是離散變量等，在一定程度上增強(qiáng)了模型的應(yīng)用范圍和靈活性[11]。

3.2.1 基本原理

Logistic模型方法屬于典型的二分類變量的統(tǒng)計方法，即因變量y只有0和1，其中1表示“災(zāi)害已發(fā)生”，0表示“災(zāi)害不發(fā)生”。其評價結(jié)果在0-1之間，因此可以用概率來解釋，具有實際意義。地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生的概率可用Logistic模型方法為

P=eβ0+β1x1+…+βnxn/(1+eβ0+β1x1+…+βnxn)，

(1)

Q=1-P=1/(1+evβ0+β1x1+…+βnxn).

(2)

式中：P代表地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的大小，Q則代表地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)生概率的大小，且Q+P=l。x1，x2，x3，…，xn代表指標(biāo)因子。

將P與Q進(jìn)行Logit變換，取其對數(shù)ln(odds)，odds表示某種結(jié)果的概率與不出現(xiàn)的概率之比的比值。 Logit變換可寫成：

β2x2+…+βnxn.

(3)

式中：β0,β1，…，βn稱為Logistical回歸系數(shù)。其中P值反映研究區(qū)域在各指標(biāo)因子的綜合影響，災(zāi)害發(fā)生敏感性的高低。

3.2.2 樣本量化方法

Logistical方程的系數(shù)受樣本量化制約性較強(qiáng)。地質(zhì)災(zāi)害評價，傳統(tǒng)的量化方法是將指標(biāo)因子分成若干二級子類，用各二級子類包含的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目或災(zāi)害點(diǎn)密度度量其敏感性。但由于評價區(qū)域面積較大，通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，這樣的方法既破壞了數(shù)據(jù)的連續(xù)性也缺少關(guān)聯(lián)性，并會導(dǎo)致某些因子的系數(shù)與實際情況不符，如道路、斷層因子的系數(shù)為正值，即隨著距離的增加地質(zhì)災(zāi)害的可能性增大。

針對上述情況，為使得模型達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，本文不將因子做分類處理。具體方法如圖4所示。

1)連續(xù)數(shù)據(jù)直接獲取其真實值并歸一化到0～1之間，消除量綱影響。對于不能直接獲取其連續(xù)值的因子(公路、斷層等)，將新疆區(qū)域格網(wǎng)化，每個格網(wǎng)中心點(diǎn)會有“l(fā)abel”點(diǎn)。將所有“l(fā)abel”點(diǎn)的集合近似看作是“整個”新疆，然后利用ArcGIS工具箱中的“Near”工具獲取每個“l(fā)abel”點(diǎn)到公路、斷層的距離。

2)分類變量則以“啞變量”的形式引入。啞變量為變量的一種定義方式，用來度量兩個級別或若干級別分類變量之間的差異性，這樣可以避免一個系數(shù)擬合的不足，使結(jié)果更加準(zhǔn)確[12]。

4 新疆滑坡災(zāi)害危險性評價

4.1 基于Logistical的敏感性評價

4.1.1 樣本點(diǎn)采集及相關(guān)性檢驗

新疆共有1 201個滑坡點(diǎn)，將其分為兩部分：模型訓(xùn)練點(diǎn)(601個)，測試點(diǎn)(600個)。在滑坡點(diǎn)30 m緩沖區(qū)以外的區(qū)域隨機(jī)生成1 000個非樣本點(diǎn)，這樣可以避免地理空間距離太近帶來的影響。其中，500個作為訓(xùn)練點(diǎn)，500個作為測試點(diǎn)。所以最終得到1 101個訓(xùn)練樣本點(diǎn)，1 100個測試點(diǎn)。提取屬性值后剔除無效的邊界點(diǎn)(1個)，即最后有1 100個訓(xùn)練點(diǎn)將用于模型訓(xùn)練。

在評價因子中，坡度、坡向等地形地貌因子都是根據(jù)DEM提取出來的，這些因子或與其它因子之間若存在多元共線性的問題[13]，則會對模型帶來影響。因此用SPSS17.0對指標(biāo)因子進(jìn)行多重共線性關(guān)系檢驗。在容忍度(Tolerance)和方差膨脹因子(VIF)彼此間互為倒數(shù)。若容忍度指標(biāo)值越小，則說明因子間的共線性現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)其低至0.1以下時，則表明共線性嚴(yán)重，此時就要慎重或適當(dāng)?shù)奶幚砗笤龠M(jìn)行Logistical分析。表1分析結(jié)果顯示7個自變量因子之間不存在明顯的相關(guān)性。

表1 因子相關(guān)性統(tǒng)計表

4.1.2 模型計算

將1 100個滑坡數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本點(diǎn)導(dǎo)入SPSS軟件中分析，經(jīng)多次迭代和對模型校正后，Logistical分析結(jié)果顯示：高程、坡度、斷層、巖性及道路因子對應(yīng)的顯著性Sig.值均小于0.05。而坡向因子的Sig.值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，因此不被納入評估模型。以啞變量形式引入的巖性和土地利用分類因子整體的回歸系數(shù)差異性顯著，但是卻出現(xiàn)同一分類變量的不同啞變量之間一些具有統(tǒng)計學(xué)意義而另一些不具備的現(xiàn)象，為保證啞變量代表含義的正確性和模型精度，根據(jù)“同進(jìn)同出”的原則，將巖性和土地利用兩個指標(biāo)因子都納入模型。因此最終構(gòu)建的滑坡敏感性Logistical方程如下：

4.778×Xslope-4.667×Xdem-10.045Xrode-

(4)

其中，P為滑坡災(zāi)害空間預(yù)測的概率，Xslope,Xdem,Xrode,Xslipe為坡度、高程、道路及斷層因子值，βlituology,βlanduse為巖性、土地利用的啞變量回歸系數(shù)。

由模型匯總擬統(tǒng)計表2可以看出，模型擬合程度較好，進(jìn)行敏感性評價?；旅舾行灶A(yù)測最終的結(jié)果是預(yù)測出區(qū)域中每個格網(wǎng)發(fā)生災(zāi)害的概率。Can等學(xué)者通過研究：在檢驗空間預(yù)測分布圖效果時，應(yīng)該考慮兩個方面的因素：第一，歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)應(yīng)盡量的落在“高易發(fā)”的敏感區(qū)內(nèi)；第二，高易發(fā)區(qū)的面積不宜過大，因此他主張采用0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75，0.75-1的分級評估體系[14]。吳樹仁[15]建議評估結(jié)果制圖劃分的等級不宜太細(xì)，一般分3～5級，并且從低級到高級顏色逐級加深。綜上考慮，在ArcGIS平臺將各因子圖層疊加獲取每個格網(wǎng)單元概率值P，按照0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75，0.75～1劃分為四級(圖5所示)，分別代表不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)。

表2 邏輯回歸模型擬合統(tǒng)計

4.1.3 模型驗證

敏感性的評價結(jié)果是危險性評價的重要基礎(chǔ)，因此需要對敏感性評估的精確度進(jìn)行檢驗。通過測試點(diǎn)(1 100個)提取新疆發(fā)生滑坡敏感性概率的預(yù)測值采用正確率擬合(切割值為0.6)與ROC曲線的AUC值行驗證，具體結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)測率檢測與AUC

當(dāng)AUC≥0.9時則認(rèn)為模型有很高地準(zhǔn)確性，因此構(gòu)建的模型具有較高的準(zhǔn)確性與合理性。這是對模型本身預(yù)測效果的評價。為對滑坡空間預(yù)測分布圖的效果進(jìn)一步評判，將通過新疆滑坡歷史滑坡點(diǎn)(1 201)去驗證模型的預(yù)測效果(見表4)。發(fā)現(xiàn)落在中、高易發(fā)區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)目占到災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的94%左右，并且高易發(fā)區(qū)域內(nèi)的滑坡點(diǎn)密度最高。進(jìn)一步說明了實驗構(gòu)建的模型在地質(zhì)災(zāi)害敏感性評估中的有效性和科學(xué)性。

4.2 基于降雨因子的危險性評價

危險性評價主要針對災(zāi)害何時發(fā)生的“時間概率”而言。但對于“什么時候會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害”這樣的問題卻很難回答。新疆環(huán)境氣象研究中心的譚艷梅等專家通過分析、挖掘歷史數(shù)據(jù)信息(洪水和地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系)，發(fā)現(xiàn)新疆地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生的區(qū)域內(nèi)，災(zāi)害事件的空間分布與降水分布有一致性[16]?？梢娊涤陮π陆刭|(zhì)災(zāi)害有著明顯的制約作用。因此轉(zhuǎn)換思路，將“降雨”作為時間的度量單位實現(xiàn)對新疆滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險性的評價，在敏感性評估的基礎(chǔ)上疊加時況降雨分級圖從而得到評估結(jié)果。

降雨的時況數(shù)據(jù)很難獲取，因此通過氣象站預(yù)報的天氣進(jìn)行評價。一般天氣預(yù)報以“小雨”、“小到中雨”等的形式預(yù)報。選取新疆某一天的天氣情況，將降雨按新疆當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報進(jìn)行量化，陣雨—4，小雨—6，中雨—10，大雨—24，暴雨—48。最后通過普通克里格方法獲得全疆的降雨預(yù)報分布圖，如圖6所示。

表4 預(yù)測結(jié)果與實際滑坡對比

圖6 新疆預(yù)報降雨分布模擬

自然斷點(diǎn)法是在分級數(shù)確定的情況下，通過聚類分析的原理將相似性最大的數(shù)據(jù)分在同一等級，差異最大的則分在不同的等級[17]。因此最后將新疆滑坡地質(zhì)災(zāi)害敏感性區(qū)劃與降雨分布疊加，利用自然斷點(diǎn)法將結(jié)果分四級：低危險、中度危險、較高危險和高危險類別，具體結(jié)果如圖7所示。

從危險性評估結(jié)果看，新疆伊犁河谷地區(qū)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的危險性很高，這與降雨插值模擬的結(jié)果相吻合：伊犁河谷地區(qū)雨量接近10 mm左右，在新疆屬于中到大雨的級別，因此與敏感性疊加發(fā)生災(zāi)害的危險性理應(yīng)很高。

5 結(jié)束語

本文充分吸收Logistical的核心思想，解決大區(qū)域的評價預(yù)測過程中樣本量化的問題。在綜合GIS技術(shù)和Logistical方法的各自優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，建立危險性評價模型。并以新疆滑坡災(zāi)害為例，對滑坡災(zāi)害的危險性進(jìn)行評估。結(jié)果表明GIS技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)方法相融合，對大區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行評估的研究具有可行性和實踐意義。

作為初步研究成果，在模型設(shè)計中仍有一些問題有待改進(jìn)，如地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理復(fù)雜，并非是線性系統(tǒng)，嘗試對非線性模型引入從而對現(xiàn)有成果進(jìn)行優(yōu)化；對于大區(qū)域的評價應(yīng)具有針對性，研究合適的格網(wǎng)劃分。

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