王瑞瑞， 劉 冰

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 測繪地理信息院，河南 鄭州 450001； 2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001;3.河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測研究科技創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001； 4.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

中國地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對人們的生命財產(chǎn)安全和自然地理環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與人類工程活動、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨等人為和自然因素有著密不可分的關(guān)系，而且在不同地區(qū)的發(fā)生頻率有著顯著的差異[3]。因此，基于已有歷史數(shù)據(jù)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、人類活動等因素，對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行區(qū)域劃分，對輔助地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、調(diào)查等工作具有重要意義。從20世紀90年代至今，許多國內(nèi)外學(xué)者對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行了深入的研究，使得地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)理論得到迅速發(fā)展。但是，以往研究者在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價過程中，對于評價指標的選取一般只考慮了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、人類工程活動等因素，而歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)作為最能夠直觀反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征的因素之一，往往被研究者所忽略。也有部分研究者在易發(fā)性評價中考慮了歷史地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況，但基本都是簡單的直接應(yīng)用，效果并不是十分理想。

隨著計算機、GIS等信息技術(shù)的逐漸成熟，先后出現(xiàn)了許多地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法，常見的方法有層析分析法[4-5]、信息量法[6-9]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]、邏輯回歸分析法[11]等。中國的不同省份乃至同一省份的不同地市，其地質(zhì)災(zāi)害的類型和發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的影響因素都有所差異，目前還沒有一種統(tǒng)一的方法應(yīng)用于不同地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價[12-14]。然而相對而言，綜合評價法應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的效果較好，與專家經(jīng)驗法分區(qū)結(jié)果基本相同[15]。因此，本文采用綜合評價法并將歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)作為評價指標之一，同時引入多尺度分析的思想，從不同的尺度對歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行加權(quán)綜合分析，提出一種基于多尺度分析和綜合評價法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法。

1 評價方法

本文采用的評價方法是基于綜合評價法，將歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)直接作為評價指標之一，并采用多尺度分析的思想對其進行處理和表達。首先，搜集研究區(qū)的相關(guān)資料。其次，按照評價指標選取原則[16-17]，選取歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨量、人類工程活動8個因素作為評價指標。然后，對各評價指標進行數(shù)據(jù)處理和分析，量化各評價指標并進行權(quán)重賦值。其中，對歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采用多尺度分析進行處理，即對地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)進行不同距離的多尺度密度分析，并對其分析結(jié)果進行綜合分析作為最終的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)評價指標，使其更為合理地表達歷史地質(zhì)災(zāi)害的分布情況。最后，采用綜合評價法對研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行評價，形成研究區(qū)易發(fā)性分區(qū)圖。其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)登封市地理坐標為北緯34°35′～34°15′，東經(jīng)112°49′～113°19′，面積約1 217 km2。該市地形較為復(fù)雜，地勢總體為南北高中間低，北部和南部分別為東西走向的嵩山、箕山和熊山。登封市為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年溫差較大，四季分明，平均氣溫14.2℃。常年干旱少雨，年平均降雨量614 mm，降雨多集中在6—8月，約占全年降雨總量的33.8%。登封市屬于華北地層區(qū)，基底主要由太古宇、古元古界組成，分布在該市的東南以及南、北兩端，巖性主要為變質(zhì)巖，如片麻巖；蓋層主要由新元古界、早古生界、晚古生界、中生界、新生界組成，巖性主要為沉積巖。該地區(qū)地殼活動頻繁，巖漿巖活動較強烈，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。根據(jù)搜集到的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，該市發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害共計222處，主要分布于中部的沖溝發(fā)育地區(qū)、南部和北部的丘陵山區(qū)以及礦山開采較多的東部地區(qū)(圖2)。主要地質(zhì)災(zāi)害類型為崩塌159處，占總數(shù)的71.6%；滑坡55處，占總數(shù)的24.8%；泥石流8處，占總數(shù)的3.6%。

圖2 登封市DEM數(shù)據(jù)及歷史地質(zhì)災(zāi)害點分布情況圖Fig.2 DEM data and distribution of historical geological disasters in Dengfeng City

3 評價指標體系的建立

影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素有很多，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨和人類工程活動等。本文一方面結(jié)合登封市自然、人文條件和已有的研究，另一方面考慮到歷史地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生能直觀地反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性分布情況[18]，最終構(gòu)建如圖3所示的評價指標體系，其中共包含8個評價指標。

圖3 評價指標體系圖Fig.3 System diagram of evaluation index

3.1 評價指標的量化

根據(jù)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)和搜集到的相關(guān)資料，對8個評價指標進行量化。最終所有評價指標都量化為值為0～1的柵格數(shù)據(jù)，且均為12.5 m分辨率。

3.1.1歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

本文所指的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)為搜集2021年之前已統(tǒng)計的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)，共計222處，其中崩塌159處、滑坡55處、泥石流8處。該評價指標的量化是通過統(tǒng)計在一定大小的單元格內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點的密度。因為歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)為點格式的矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計點密度時單元格的尺寸選擇尤其重要，如果單元格尺寸太大，會造成統(tǒng)計結(jié)果太粗糙且可能會出現(xiàn)馬賽克的情況；如果單元格尺寸太小，則會造成統(tǒng)計結(jié)果單一化，且無法形成連續(xù)區(qū)域，很難反映出區(qū)域差異。因此，在該指標量化時引入多尺度分析的思想，分別對地質(zhì)災(zāi)害點進行500、900、1 300、1 700、2 100、2 500、3 000 m 的密度分析。最后，將這7個密度分析數(shù)據(jù)進行疊加分析，并進行歸一化處理。如圖4-a、4-b和4-c所示，分別為500 m、3 000 m和疊加分析并歸一化后的地質(zhì)災(zāi)害點密度。由圖4-c可見，對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行多尺度分析后再進行疊加分析所獲得的結(jié)果相比單一尺度的統(tǒng)計結(jié)果，能夠更客觀、合理和自然地表達出不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布情況。因此，選取疊加分析并歸一化后的地質(zhì)災(zāi)害點密度作為最終的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)評價指標。

3.1.2地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

(1) 地形地貌。地形地貌包括坡度、坡高、坡型，均可由DEM數(shù)據(jù)計算獲得。根據(jù)登封地區(qū)實際情況，結(jié)合前人研究經(jīng)驗認為坡度>40°更容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，而坡度<10°幾乎不會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，分別賦值為1和0，然后將10°～40°之間的坡度進行歸一化，作為坡度評價指標，如圖4-d所示。坡高指DEM數(shù)據(jù)3×3窗口中的最大高差。同樣的，認為坡高>50 m的地區(qū)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，賦值為1，然后將0～50 m之間的坡高進行歸一化，作為坡高評價指標，如圖4-e所示。坡型指地表曲率，由于曲率為負值時，坡面為凹型或階梯型，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度很低，賦值為0，然后將>0的曲率部分進行歸一化，作為坡型評價指標，如圖4-f所示。

(2) 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造主要是選取巖土結(jié)構(gòu)指標，搜集的原始數(shù)據(jù)為登封市工程地質(zhì)圖，巖土類型包括松散土類、半堅硬巖類、堅硬巖類，共3大類9小類。根據(jù)研究區(qū)各類巖土以往發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的程度，認為石英巖和碳酸鹽巖相比頁巖和片巖發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率更大，其次為侵入巖、變質(zhì)巖和松散土類。同時，結(jié)合經(jīng)驗進行專家打分(表1)，并對打分結(jié)果作柵格化和歸一化處理，作為巖土結(jié)構(gòu)評價指標，如圖4-g所示。

表1 巖土結(jié)構(gòu)及專家打分分值表Table 1 Geotechnical structure and expert score

圖4 各地質(zhì)災(zāi)害評價指標圖Fig.4 Evaluation indexes of geological disasters

3.1.3誘發(fā)因素

(1) 植被指數(shù)。選取2021年9月的Landsat8影像(影像清晰，無云覆蓋)進行植被指數(shù)提取，并對其進行歸一化處理，作為植被指數(shù)評價指標，如圖4-h所示。

(2) 降雨量。搜集的原始數(shù)據(jù)為降雨量等值線圖，對等值線數(shù)據(jù)進行柵格化和歸一化處理，作為降雨量評價指標，如圖4-i所示。

(3) 人類工程活動。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受人類工程活動的影響是十分復(fù)雜的，人類工程活動區(qū)域主要考慮采礦用地、住宅用地、道路用地、工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)用地等。數(shù)據(jù)源為登封市第三次全國國土調(diào)查(三調(diào))數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行300 m緩沖分析，數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域如果是人類工程活動區(qū)域則賦值為1，反之則賦值為0，并進行柵格化處理，作為人類工程活動評價指標，如圖4-j所示。

3.2 確定評價指標權(quán)重

本文采用PHA層次分析法確定評價指標權(quán)重，該方法可以充分利用已有的專家經(jīng)驗，將定性與定量相結(jié)合[19]。首先將評價指標分層，然后逐層建立判斷矩陣計算指標權(quán)重，最后進行一致性檢驗[20]。一般采用一致性比例CR進行一致性檢驗，當(dāng)CR<0.1，即認為矩陣具有滿意的一致性。權(quán)重和CR的計算方法如下：

(1)

表2 隨機一致性指標RI統(tǒng)計表Table 2 Random consistency index RI

本文首先根據(jù)圖3構(gòu)建的評價指標體系將評價指標分為A、B兩層，A層包含3個指標，如A={誘發(fā)因素A1，地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2，歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)A3}。B層為誘發(fā)因素A1、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2的分解，如B(A1)={植被指數(shù)B1，人類工程活動B2，降雨量B3}，B(A2)={巖土結(jié)構(gòu)B4，坡型B5，坡高B6,坡度B7}。根據(jù)以往研究經(jīng)驗，對于A層評價指標認為歷史地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)A3最能反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度，相比誘發(fā)因素A1對于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價具有更為重要的意義，而地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2相比誘發(fā)因素A1對于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響更為直接，因此認為A2的重要性介于A1和A3之間，最終構(gòu)建的判斷矩陣A如表3所示。同理，構(gòu)建判斷矩陣A1和A2分別如表4和表5所示。其中，判斷矩陣的構(gòu)建按照表6所示的標度定義。最終獲得各評價指標的權(quán)重如表7所示。

表3 判斷矩陣A及一致性檢驗結(jié)果表Table 3 Judgment matrix A and consistency test results

表4 判斷矩陣A1及一致性檢驗結(jié)果表Table 4 Judgment matrix A1 and consistency test results

表5 判斷矩陣A2及一致性檢驗結(jié)果表Table 5 Judgment matrix A2 and consistency test results

表6 標度的含義表Table 6 Meaning of scale

表7 各評價指標權(quán)重賦值表Table 7 Weight assignment table of each evaluation index

4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

由于第3.1節(jié)處理獲得的各評價指標均為值為0～1、分辨率為12.5 m的柵格數(shù)據(jù)，因此可直接將第3.1節(jié)評價指標的量化結(jié)果按照第3.2節(jié)計算出的權(quán)重進行柵格計算，計算結(jié)果即為研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果(圖5-a)。然后，按照自然間斷點分級法將易發(fā)性評價結(jié)果分為3類。最后，將分類結(jié)果進行矢量化處理，獲得研究區(qū)高、中、低易發(fā)性分區(qū)圖(圖5-b)。分區(qū)結(jié)果顯示，高易發(fā)區(qū)面積約255.57 km2，約占區(qū)域總面積的21.0%，主要分布在南、北兩端中間區(qū)域以及東部區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點121個，點密度為47.35個/100 km2；中易發(fā)區(qū)面積約429.11 km2，約占區(qū)域總面積的35.3%，主要分布在中部以及南、北和東部區(qū)域高易發(fā)區(qū)以外的區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點93個，點密度為21.67個/100 km2；低易發(fā)區(qū)面積約532.40 km2，約占區(qū)域總面積的43.7%，主要分布在中部平原區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點8個，點密度為1.50個/100 km2。隨著地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的提高，中易發(fā)區(qū)相對于低易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點密度提升了14.4倍，高易發(fā)區(qū)相對于中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)分別提升了2.2倍和31.6倍。

圖5 研究區(qū)易發(fā)性評價結(jié)果及分區(qū)圖Fig.5 Evaluation results and zoning map of susceptibility in study area

5 結(jié)論

本文以登封市為研究區(qū)，采用基于多尺度分析和綜合評價法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法進行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，得到如下結(jié)論：

(1) 由地質(zhì)災(zāi)害點密度分析結(jié)果可知，基于多尺度分析獲得的處理結(jié)果更為自然、合理，能更好地表達出不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布情況。

(2) 融合多尺度分析的綜合評價法選取歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨量、人類工程活動8個因素作為評價指標，采用層次分析法計算指標權(quán)重，對登封市進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，最終將其劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個區(qū)域。

(3) 通過分析發(fā)現(xiàn)，坡度較大、坡高較高、降雨量較多、歷史地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多以及巖土結(jié)構(gòu)為石英巖和碳酸鹽巖的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度較高，由此可見這些因素對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價有著明顯的影響。

(4) 由地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果可知，歷史地質(zhì)災(zāi)害點分布在高易發(fā)區(qū)約占54.5%，中易發(fā)區(qū)約占41.9%，而低易發(fā)區(qū)僅占約3.6%。由此可見，采用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法真實可靠，獲得的分區(qū)結(jié)果與實際地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況吻合度較高。