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        基于GIS和加權(quán)信息量的湖北鄂州地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

        2018-07-27 00:49:36石長(zhǎng)柏肖志勇張金朝盧勝周
        關(guān)鍵詞:鄂州市巖組信息量

        張 波,石長(zhǎng)柏,肖志勇,張金朝,鄔 磊,習(xí) 彪,盧勝周

        (湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435004)

        0 引言

        湖北省鄂州市地貌類型為鄂東丘陵地貌,區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,雨量充沛,礦產(chǎn)資源開發(fā)、交通與城市建設(shè)等人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,是湖北省地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)之一。地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷等,尤以地面塌陷最為突出,造成了嚴(yán)重危害與經(jīng)濟(jì)損失。

        1 加權(quán)信息量地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)模型

        隨著3S技術(shù)的迅速發(fā)展,大大改進(jìn)和提高了地學(xué)傳統(tǒng)研究手段?;贕IS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),是現(xiàn)有和潛在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效工具,其評(píng)價(jià)結(jié)果可用于防災(zāi)減災(zāi)、土地利用和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃等領(lǐng)域[1]。

        目前,常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型包括:信息量法(朱良峰,2004)[2]、Logistic回歸法(李雪平,2005)[3],考慮時(shí)間效應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估(李典慶,2007)[4]、趨勢(shì)面分析法(李曉聰,2007)[5]、概率指數(shù)模型(李家存,2007)[6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(吳益平,2005)[7]、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(王國(guó)峰,2008)[8]、AHP層次分析法(岳超俊等,2009;姚玉增等,2010)[9-10]、確定性系數(shù)法(許沖等,2010)[11]、證據(jù)權(quán)法(范強(qiáng)等,2014)[12]、RS-SVM模型法(安凱強(qiáng)等2016)[13]、CF和Logistic模型法(田春山)[14]等方法。綜上所述,已有研究在選擇影響因素的過(guò)程基本上契合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)以及充分考慮他們對(duì)災(zāi)害體本身的影響權(quán)重,并在此基礎(chǔ)上建立了符合研究區(qū)災(zāi)害特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

        信息量模型屬于統(tǒng)計(jì)分析模型的一種,于其物理意義明確、操作簡(jiǎn)單,在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的研究和實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。但是該模型未考慮各評(píng)價(jià)因子在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中所起作用的大小,不能反映不同因子影響程度的差異。因此,為了更加科學(xué)合理的易發(fā)性評(píng)價(jià)應(yīng)考慮對(duì)各個(gè)影響因子賦予權(quán)重與信息量相乘后得到加權(quán)信息量。本文結(jié)合信息量法和層次分析法的優(yōu)點(diǎn),采用加權(quán)信息量法評(píng)價(jià)其指標(biāo),最終得到易發(fā)性的劃分結(jié)果,模型可以表述如下[15]:

        (1)

        式中,I——預(yù)測(cè)區(qū)某單元信息量預(yù)測(cè)值;

        Ii——值的大小直接說(shuō)明該單元產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性,是地質(zhì)易發(fā)性區(qū)劃的重要性指標(biāo);

        Wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值;

        Si——因素xi所占單元總面積;

        A——區(qū)域內(nèi)單元總面積;

        A0——已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和。

        2 研究區(qū)概況

        鄂州市位于湖北省東南部,長(zhǎng)江中游南岸,東經(jīng)114°30′~115°05′,北緯30°01′~30°36′,南北長(zhǎng)約67 km,東西寬約48 km,西與武漢市接壤,東至西南與黃石市毗連,北臨長(zhǎng)江與黃岡市隔江相望,版圖形狀酷似三葉草(圖1)。該區(qū)具亞熱帶季風(fēng)氣候特征,四季分明,雨量充沛,陽(yáng)光充足。鄂州市發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面塌陷、滑坡和不穩(wěn)定斜坡等,由于災(zāi)害體多位于人口集中、房屋密集地帶,在極端暴雨的觸發(fā)下,在一定程度上制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

        3 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

        基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)采用的空間數(shù)據(jù)主要包括鄂州市1∶5萬(wàn)地形圖、1∶5萬(wàn)地質(zhì)圖、1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害分布圖。

        3.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

        本文采用柵格單方法評(píng)價(jià)。研究區(qū)面積為1 505 km2。對(duì)于不同比例尺的要求柵格大小也有差別[16],根據(jù)柵格大小經(jīng)驗(yàn)公式:

        Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

        (2)

        式中:Gs——適宜網(wǎng)格大??;

        S——地圖數(shù)字比例尺分母。

        對(duì)于1∶50 000比例尺地形圖,由式(2)計(jì)算出最佳網(wǎng)格單元為32.52 m,為了方便數(shù)據(jù)在ArcGIS中處理和分析,本文以30 m×30 m柵格單元為最小評(píng)價(jià)單元,共1 763 803個(gè)柵格單元,在此基礎(chǔ)上開展易發(fā)性評(píng)價(jià)。

        3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重的確定

        根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)自然地質(zhì)環(huán)境特征與物理地質(zhì)事件的分布規(guī)律及形成條件,對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的分析評(píng)價(jià)過(guò)程中初步選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造及采礦活動(dòng)6個(gè)因素作為評(píng)價(jià)因子(圖2)。各自的因子信息量計(jì)算(各個(gè)因子區(qū)間的地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)與整個(gè)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)之比),總柵格比例(各因子區(qū)間的因子占整個(gè)區(qū)間的比)(圖3)。

        圖3 影響因子災(zāi)害數(shù)量、加權(quán)信息量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

        (1)地貌單元。鄂州市地貌單元分為丘陵、沖湖積平原、崗狀平原、長(zhǎng)江一級(jí)階地(圖2a)。利用ArcGIS軟件提取各地貌單元類型的柵格數(shù)比例及其相對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害柵格數(shù)比例(圖3a),根據(jù)信息量模型分別計(jì)算其信息量。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害是丘陵地區(qū),單元內(nèi)地災(zāi)發(fā)生比例為66.67%。

        (2)高差。通過(guò)ArcGIS鄰域分析提取得到鄂州市區(qū)域的高差圖(圖2b),如圖3b評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高差是15~35 m,其柵格數(shù)占總柵格的5.00%發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例約30%。

        (3)坡度。通過(guò)ArcGIS將評(píng)價(jià)區(qū)分為5個(gè)坡度等級(jí)(圖2c)。對(duì)于坡度而言,評(píng)價(jià)區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是25°~40°,其柵格數(shù)占總柵格的4.11%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為21.57%,提供的信息量為2.39(圖3c)。

        (4)工程地質(zhì)巖組。根據(jù)鄂州市工程地質(zhì)情況,劃分為8個(gè)巖土體類型(圖2d):松散巖組(Ⅰ),軟硬相間層狀砂巖泥巖互層(Ⅱ),軟硬相間層狀火山巖巖組(Ⅲ),較堅(jiān)硬至軟弱層狀砂頁(yè)巖巖組(Ⅳ),堅(jiān)硬至較堅(jiān)硬層狀砂礫巖巖組(Ⅴ),堅(jiān)硬塊狀侵入巖巖組(Ⅵ),堅(jiān)硬較堅(jiān)硬中至厚層狀強(qiáng)至中等巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾軟質(zhì)頁(yè)巖巖組(Ⅶ),堅(jiān)硬厚層狀強(qiáng)巖溶化巖組(Ⅷ)。如圖3d所示,評(píng)價(jià)區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是Ⅴ,其柵格數(shù)占總柵格的2.21%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為9.80%,提供的信息量為2.15。

        (5)地質(zhì)構(gòu)造(斷層)。根據(jù)鄂州市斷層的發(fā)育規(guī)模及影響范圍,利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到斷層影響帶分布圖(圖2e)。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)的是在斷層發(fā)育0~500 m內(nèi),其柵格數(shù)占總柵格的15.25%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為70.59%,提供的信息量為2.21(圖3e)。

        (6)采礦活動(dòng)。采礦活動(dòng)是鄂州市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最主要因素。因礦山開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題最為突出,礦區(qū)采空區(qū)較多,誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害較多。根據(jù)鄂州市采礦活動(dòng)的發(fā)育規(guī)模及影響范圍,利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到采礦活動(dòng)影響帶分布圖(圖2f)。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)的是在采礦區(qū)0~500 m范圍內(nèi),其柵格數(shù)占總柵格的5.13%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為53.9%,提供的信息量為3.39(圖3f)。

        為保證預(yù)測(cè)因素能滿足信息量模型的要求,必須通過(guò)因素之間的相互獨(dú)立性驗(yàn)證和綜合分析研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀來(lái)剔除相關(guān)性較大的因素。因此,為了準(zhǔn)確計(jì)算初選因子的互相關(guān)系數(shù),可以利用ArcGIS波段集統(tǒng)計(jì)工具中柵格波段集多元分析提供各圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣(表1)。

        表1 圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 The correlation coefficient between the matrix layer factors

        綜合表1和表2中可以看出各指標(biāo)都在低度相關(guān)范圍內(nèi)。應(yīng)用層次分析法對(duì)所選的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,劃分的有序?qū)哟?,建立評(píng)價(jià)模型層次結(jié)構(gòu)。按照各評(píng)價(jià)因子自己的內(nèi)在關(guān)系,通過(guò)相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)及鄂州市地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況,對(duì)各因子進(jìn)行兩兩比較建立判斷矩陣,進(jìn)行層次排序,確定各因子的權(quán)重值,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),得到易發(fā)性評(píng)價(jià)因子判斷矩陣(表3),加權(quán)信息量表(表4)。

        表2 相關(guān)性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of correlation classification

        表3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of evaluation factor for geohazards susceptibility

        備注:一致性比例:0.089 7;對(duì)“地質(zhì)災(zāi)害”的權(quán)重:1.000 0; λmax:6.564 9

        表4 地質(zhì)災(zāi)害影響因子加權(quán)信息量表Table 4 Weighted information values of impact factors for geological hazards

        3.3 易發(fā)性結(jié)果效果檢驗(yàn)

        易發(fā)性結(jié)果的有效性可以由受試者工作特征曲線(ROC)進(jìn)行定量檢驗(yàn),其曲線下方面積(AUC)被用來(lái)評(píng)價(jià)模型的精度[17]。本文以信息量值從高到低的區(qū)域累計(jì)柵格與總柵格的百分比作為橫軸,以對(duì)應(yīng)信息量區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)柵格與地質(zhì)災(zāi)害總柵格百分比為縱軸,得到一個(gè)經(jīng)過(guò)(0,0),(1,1)的曲線(如圖4、表5),曲線下面積為89.2%。說(shuō)明地質(zhì)災(zāi)害絕大部分發(fā)生在高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū),易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果有效性較好(圖5)。

        圖4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果ROC圖Fig.4 ROC graph for the Geological hazards assessment

        易發(fā)性分區(qū)信息量分級(jí)柵格總數(shù)面積/(km2)面積百分比災(zāi)害點(diǎn)/處點(diǎn)密度/(處/km2)高易發(fā)區(qū)I>2.5868 14772.934.85%690.93中易發(fā)區(qū)-0.57

        圖5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.5 The zonation map of geohazards susceptibility

        4 結(jié)論

        本文以鄂州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為研究對(duì)象,選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造以及開礦活動(dòng)6個(gè)影響因素作為評(píng)價(jià)因子,采取基于GIS的加權(quán)信息量評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

        (1)對(duì)各因子的加權(quán)信息量分析表明:地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)育于丘陵地區(qū),高差15~35 m、坡度在25°~40°區(qū)域及巖組為松散巖組區(qū)域;地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性隨在距離采礦范圍及斷層距離的減小而增大。

        (2)根據(jù)加權(quán)信息量法,把鄂州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分出高、中、低易發(fā)3個(gè)大區(qū),11個(gè)亞區(qū)(圖5)。全市高易發(fā)區(qū)面積72.93 km2,主要分布于西山雷山地區(qū)、澤林鎮(zhèn)以及汀祖鎮(zhèn)地區(qū),占全市總面積的4.58%,點(diǎn)密度0.93處/km2。全市中易發(fā)區(qū)總面積204.54 km2,主要分布于新廟鎮(zhèn)、沙窩鎮(zhèn)、碧石渡鎮(zhèn)及梁子湖區(qū)丘陵地區(qū),占全市面積的13.59%,點(diǎn)密度0.135處/km2。其他地區(qū)為低易發(fā)區(qū)面積1 227 km2,占整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)的81.83%。

        (3)評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)檢驗(yàn),本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果ROC曲線AUC值達(dá)89.2%,具有較高的準(zhǔn)確性,評(píng)價(jià)結(jié)果為全省內(nèi)縣域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。

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