宋小川，劉漢湖，張 春，周林博

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610051)

滑坡是常見地質(zhì)災(zāi)害之一，容易造成大量生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞。我國滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，因此，需要對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害有全面的認(rèn)識(shí)，為此進(jìn)行滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。

國內(nèi)外許多學(xué)者在研究滑坡易發(fā)性中，先后提出了多種評(píng)價(jià)方法，滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)從最開始的定性分析(如：專家打分法、層次分析法[1-3]、加權(quán)線性組合法[4]等)，如許沖等人利用層次分析法對(duì)汶川地震區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)[5]，層次分析法作為一種多因素分析方法，有一定的主觀因素影響，基于專家知識(shí)逐一對(duì)比每兩個(gè)影響因子之間的關(guān)系，使易發(fā)性評(píng)級(jí)結(jié)果較為主觀，受人為因素的影響較大；再到被科學(xué)界認(rèn)為更客觀、更適合用于滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以大限度減少專家的主觀性，應(yīng)用比較廣泛的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型有[6-9]邏輯回歸、信息量、確定性系數(shù)等。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的不斷發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)模型[10-12](BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等)也得到極為廣泛的應(yīng)用。對(duì)比以上方法，定性分析方法受主觀因素影響較大，機(jī)器學(xué)習(xí)在精度上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但以此為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)模型過程復(fù)雜，而統(tǒng)計(jì)學(xué)方法原理容易理解、操作更易于實(shí)現(xiàn)，在更新評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)只需將指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)系數(shù)疊加到原始評(píng)價(jià)結(jié)果中，不需再對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

綜上，選取了統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型中應(yīng)用比較廣泛的信息量與確定性系數(shù)模型用于該區(qū)域的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，希望能為滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)提供一定的理論與依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雷波縣位于四川省西南邊緣、金沙江下游北岸，屬?zèng)錾揭妥遄灾沃菟牐乩碜鴺?biāo)為東經(jīng)103°10′～103°52′，北緯27°49′～28°36′，如圖1所示，全縣幅員面積2 932 km2，海拔277.6～4 067 m，屬于金沙江高中山峽谷氣候，干濕季節(jié)分布明顯，年降雨量主要集中于夏、秋兩季，年氣溫差異較小，地方氣候特點(diǎn)比較突出，受諸多因素影響，區(qū)內(nèi)氣候變化明顯，縣域內(nèi)構(gòu)造帶也較為發(fā)育。以上的地質(zhì)地貌條件，孕育了雷波縣滑坡災(zāi)害發(fā)生的自然環(huán)境。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次數(shù)據(jù)包括：空間分辨率為10 m的數(shù)字高程模型(DEM)，1：100 000地質(zhì)圖(圖幅號(hào)為H48D011003、H48D011004、H48D012003、H48D012004、G48D001003、G48D001004)，河流與路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/)，地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載的空間分辨率為30 m的Landsat8遙感影像，野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料收集的滑坡點(diǎn)數(shù)據(jù)129處。

2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)方法與因子選取

2.1 研究方法

2.1.1 信息量模型

導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生的因素較多，信息量模型是通過計(jì)算滑坡發(fā)生的密度來表征各影響因子分級(jí)下滑坡發(fā)生的信息量大小，再通過疊加各因子分級(jí)下的信息量值，完成滑坡易發(fā)性分區(qū)[13-14]，其原理公式如下：

(1)

式中，I(y，x1，x2，…，xn)為因子組合x1，x2，…，xn對(duì)滑坡災(zāi)害提供的信息量；P(y，x1，x2，…，xn)為因子組合x1，x2，…，xn條件下滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率；P(y)為滑坡災(zāi)害發(fā)生概率。

在實(shí)際運(yùn)用過程中，一般采用以下模型計(jì)算：

(1)首先，計(jì)算單因子x對(duì)滑坡災(zāi)害(D)發(fā)生提供的信息量I(xi，D)：

(2)

(2)計(jì)算單個(gè)評(píng)價(jià)單元中總的信息量值：

(3)

式中，Ni為某一因子分級(jí)xi中發(fā)生滑坡的個(gè)數(shù)；Si為xi的柵格總數(shù)；N為研究區(qū)內(nèi)滑坡總數(shù)；S為研究區(qū)總柵格數(shù)；I為評(píng)價(jià)單元總的信息量。

2.1.2 確定性系數(shù)

確定性系數(shù)(Certainty Factor，CF)是一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，此指標(biāo)通過已經(jīng)發(fā)生的滑坡災(zāi)害與確定影響災(zāi)害發(fā)生的若干因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來分析各影響因子敏感性[15]。其表達(dá)式如下：

(4)

式中，PPa為滑坡災(zāi)害在某一影響因子分級(jí)a中發(fā)生的概率，即是分級(jí)a中滑坡災(zāi)害數(shù)量(或面積)與分級(jí)單元數(shù)量(或面積)的比值；PPs為滑坡災(zāi)害在整個(gè)研究區(qū)發(fā)生的概率，是整個(gè)研究區(qū)滑坡災(zāi)害數(shù)量(或面積)與研究區(qū)單元數(shù)量(或面積)的比值。CF取值范圍在[-1，1]，其值越大，表示發(fā)生滑坡災(zāi)害的概率越大。

2.1.3 精度驗(yàn)證

利用測(cè)試數(shù)據(jù)集，采用統(tǒng)計(jì)方法和受試者工作特征(Receiver Operating Characteristic，ROC)曲線對(duì)滑坡模型的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用的統(tǒng)計(jì)方法是精確率(precision)、召回率(recall)、準(zhǔn)確率(accuracy)和ROC曲線[16]。

(5)

(6)

(7)

式中， FP為誤分類滑坡的數(shù)量樣本；FN為誤分類的非滑坡樣本數(shù)量；TP為正確分類的滑坡樣本數(shù)量；TN為正確分類的非滑坡樣本數(shù)量。如表1所示。

表1 混淆矩陣

2.2 評(píng)價(jià)單元與因子選取分級(jí)

首先，需要選取規(guī)則的評(píng)價(jià)單元，所用數(shù)字高程模型分辨率為10 m，因此，將單元格劃分為10 m×10 m大小，通過ArcGIS重采樣功能將各個(gè)因子圖層轉(zhuǎn)化為10 m×10 m大小的柵格，同時(shí)，所有因子圖層采用統(tǒng)一坐標(biāo)系(CGCS2000)。

評(píng)價(jià)因子的選取數(shù)量對(duì)于評(píng)價(jià)分析也尤為關(guān)鍵，在結(jié)合滑坡影響因素以及資料收集的前提下，主要考慮了地理環(huán)境因子、地質(zhì)環(huán)境因子、人類活動(dòng)因子三個(gè)方面。選取坡度、坡向、高程、歸一化植被指數(shù)、距河流距離為地理環(huán)境因子；選取距斷層距離、地層巖性為地質(zhì)環(huán)境因子；選取距道路距離為人類活動(dòng)因子。

將坡向按照方向進(jìn)行分級(jí)。將高程、坡度、歸一化植被指數(shù)按照自然間斷法進(jìn)行分級(jí)。自然間斷法是一種依據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律分級(jí)和分類的統(tǒng)計(jì)方法，它能使類與類之間的不同最大化。將距道路、河流距離以500 m為步長進(jìn)行分級(jí)，距斷層距離以800 m為步長進(jìn)行分級(jí)。針對(duì)巖土體的整體性及復(fù)雜性，將巖組劃分為5類，分別為碎屑巖軟質(zhì)～半堅(jiān)硬，碳酸鹽巖硬質(zhì)巖組，玄武巖堅(jiān)硬巖組，砂、泥巖軟質(zhì)～半堅(jiān)硬，第四系松散碎石、粘土。

2.2.1 地理環(huán)境因子

(1)高程

滑坡災(zāi)害的發(fā)生受海拔高度的影響，不同的海拔范圍影響強(qiáng)度也不同。研究區(qū)最高4 067 m，最低277 m，高差較大，不同高程對(duì)該區(qū)域的滑坡災(zāi)害發(fā)生影響程度也不同，采用ArcGIS自然間斷法進(jìn)行分級(jí)，如圖2(a)所示。

(2)坡度

不同坡度對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生的影響也具有差異，通過DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能，采用自然間斷法分為5類，如圖2(b)所示。

(3)坡向

不同坡向的光照強(qiáng)度影響著植被覆蓋、斜坡體穩(wěn)定性等。研究區(qū)坡向?yàn)?1°～360°。根據(jù)其方向分為10類，如圖2(c)所示。

(4)歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)是植被覆蓋密度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，植被覆蓋好的區(qū)域不利于災(zāi)害的發(fā)生。采用自然間斷法將其分為5級(jí)，如圖2(d)所示。

(5)距河流距離

距河流的遠(yuǎn)近影響著斜坡的穩(wěn)定性，距離越近其影響越大。研究區(qū)均屬長江上游金沙江水系，區(qū)內(nèi)金沙江由南西向北東向穿過，采用ArcGIS歐氏距離以500 m為間隔進(jìn)行分級(jí)，如圖2(e)所示。

2.2.2 地質(zhì)環(huán)境因子

(1)距斷層距離

斷裂構(gòu)造嚴(yán)重影響著滑坡災(zāi)害的發(fā)生，研究區(qū)不同方向構(gòu)造帶較為發(fā)育。利用ArcGIS歐氏距離分析，以800 m為間隔進(jìn)行分級(jí)，如圖2(f)所示。

(2)地層巖性

不同的地層巖性影響著斜坡巖層的穩(wěn)定性，巖性越脆弱，其發(fā)生滑坡災(zāi)害的概率就越大，根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料，將巖性大致分為5類，如圖2(g)所示。

2.2.3 人類活動(dòng)因子

人類活動(dòng)也是滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要因素，距離道路的遠(yuǎn)近差異也會(huì)受到不同程度的影響。利用ArcGIS歐氏距離分析，以500 m為間隔進(jìn)行分級(jí)，如圖2(h)所示。

圖2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)

3 易發(fā)性結(jié)果對(duì)比分析

3.1 易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)各影響因子的不同分級(jí)，計(jì)算兩種評(píng)價(jià)模型各影響因子不同分級(jí)下的信息量值和CF值，兩種評(píng)價(jià)模型易發(fā)性分區(qū)結(jié)果如圖3所示。通過對(duì)各因子圖層進(jìn)行疊加分析，得出研究區(qū)信息量值的范圍為[-7，3]，信息量值越大表明該區(qū)域發(fā)生滑坡災(zāi)害的可能性也越大；對(duì)疊加得到的確定性系數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，利用ArcGIS對(duì)總信息量值、確定性系數(shù)值進(jìn)行重分類，采取自然間斷法將研究區(qū)分為低、較低、中、較高、高易發(fā)區(qū)。

圖3 滑坡易發(fā)性分區(qū)圖

如表2所示，滑坡災(zāi)害主要集中在高程較低的區(qū)域，當(dāng)高程大于1 800 m時(shí)滑坡比例僅占7%，而且信息量值與CF值均表現(xiàn)為負(fù)，說明大于1 800 m時(shí)滑坡易發(fā)性較??；坡向因子，除了在北方向上滑坡比例不超過5%，其他方向分布上較均勻，在10%～17%范圍內(nèi)，信息量值與CF值在東、南、西南、西方向上表現(xiàn)為正值；對(duì)于坡度因子，滑坡災(zāi)害點(diǎn)接近80%分布在36°以下，結(jié)合信息量值與CF值均表現(xiàn)為正值，可以看出坡度在36°以下更有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生；在植被覆蓋度方面，結(jié)合信息量值與CF值，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明植被覆蓋越大越不利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生；河流、斷層、道路對(duì)于滑坡災(zāi)害的影響，表現(xiàn)為在一定距離范圍內(nèi)，距河流、斷層、道路距離越近，其滑坡比例越大，表明其發(fā)生滑坡災(zāi)害的概率越大；在地層巖性方面，地層碎屑巖軟質(zhì)滑坡比例占60.47%，砂、泥巖軟質(zhì)滑坡比例占11.63%，有利于滑坡的發(fā)生，第四系松散碎石、粘土信息量值(1.108 512)、CF值(0.67)較大，也表明對(duì)滑坡發(fā)生影響程度較大，因?yàn)檫@幾種地層巖性比較脆弱，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，這也與實(shí)際情況相符。

表2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 易發(fā)性結(jié)果驗(yàn)證對(duì)比分析

通過選取滑坡點(diǎn)30%作為驗(yàn)證樣本，并在已有滑坡點(diǎn)1 km內(nèi)建立緩沖區(qū)，然后，在緩沖區(qū)外隨機(jī)選取出相同數(shù)量的非滑坡點(diǎn)，將兩者組成之后作為正負(fù)類樣本，再利用ROC曲線分析兩種模型對(duì)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的預(yù)測(cè)率。

如表3所示，信息量模型精確率(0.88)較高，但召回率(0.72)較低，確定性系數(shù)模型精確率0.81，召回率0.84，確定性系數(shù)模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的滑坡數(shù)量比例高于信息量模型。為了更好的評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力， 采用ROC曲線及曲線下面積(Area Under Curve，AUC)值對(duì)模型進(jìn)行精度分析。ROC曲線以敏感性和特異性為垂直軸和水平軸，AUC值的大小用來評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力，值越接近1則表示模型預(yù)測(cè)能力越好，反之越差。

表3 不同模型的預(yù)測(cè)精度對(duì)比

如圖4所示，信息量和確定性系數(shù)模型的AUC值分別是0.829 9、0.893 5，確定性系數(shù)模型AUC值大于信息量模型，說明確定性系數(shù)模型整體上預(yù)測(cè)效果更好。

圖4 不同模型預(yù)測(cè)結(jié)果的ROC曲線

在面積分布上，如圖5所示，兩種模型均表現(xiàn)為以低、較低、中易發(fā)區(qū)為主，但在較高、高易發(fā)區(qū)分布面積上有一定差異，信息量模型分布面積占比41.85%，確定性系數(shù)模型分布面積占比27.42%；在滑坡數(shù)量上，信息量模型有81%的滑坡點(diǎn)位于較高和高易發(fā)區(qū)，而確定性系數(shù)模型有80%的滑坡點(diǎn)位于較高和高易發(fā)區(qū)。結(jié)合分區(qū)面積，前者較高、高易發(fā)區(qū)分布面積占比較大，而后者分布面積較小，分析可得出確定性系數(shù)模型在較高、高易發(fā)區(qū)的點(diǎn)密度相對(duì)較大，同時(shí)，結(jié)合ROC曲線結(jié)果分析，表明確定性系數(shù)模型更加適合于該區(qū)域的滑坡易發(fā)性定量評(píng)估。

圖5 不同模型易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

(1)以四川省雷波縣為研究對(duì)象，選取了高程、坡度、坡向、歸一化植被指數(shù)、距道路距離、距河流距離、距斷層距離、地層巖性作為滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)因子，采用了信息量模型、確定性系數(shù)模型進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，得出了雷波縣滑坡易發(fā)性分區(qū)圖。

(2)兩種模型評(píng)價(jià)結(jié)果都顯示高、較高易發(fā)區(qū)集中分布在距離道路、河流、斷層較近和地層巖性脆弱的地區(qū)。信息量模型分區(qū)結(jié)果：低易發(fā)區(qū)10.34%、較低易發(fā)區(qū)30.2%、中易發(fā)區(qū)17.7%、較高易發(fā)區(qū)28.82%、高易發(fā)區(qū)13.03%；確定性系數(shù)模型分區(qū)結(jié)果：低易發(fā)區(qū)18.57%、較低易發(fā)區(qū)30.55%、中易發(fā)區(qū)23.46%、較高易發(fā)區(qū)16.49%、高易發(fā)區(qū)10.93%?；曼c(diǎn)數(shù)量上，信息量模型與確定性系數(shù)模型分別有81%、80%的滑坡點(diǎn)位于較高和高易發(fā)區(qū)?；乱装l(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果與野外災(zāi)害調(diào)查結(jié)果比較一致。

(3)通過分析ROC曲線結(jié)果信息量模型(AUC=0.829 9)、確定性系數(shù)模型(AUC=0.893 5)，后者ROC精度更高，表明確定性系數(shù)模型在該區(qū)域滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)結(jié)果與預(yù)測(cè)能力較好，更加符合該區(qū)域?qū)嶋H滑坡的分布情況，適合于該區(qū)域的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，由ROC曲線與確定性系數(shù)相結(jié)合的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，可以為滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。