汪 瑩

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550008；2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550008)

1 引言

滑坡易發(fā)性評價是通過對多個影響因子的綜合分析，評價發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性大小(田欽 等，2020)，是區(qū)域滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估的有效手段。其評價結(jié)果可為國土資源空間規(guī)劃、土地利用、工程建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)等提供有效的技術(shù)支撐(劉月 等，2020)。

關(guān)于滑坡易發(fā)性評價的模型，眾多的研究學(xué)者先后提出了多種方法，從最初的定性評價模型發(fā)展到定量物理力學(xué)評價模型，再到目前應(yīng)用較為廣泛的概率統(tǒng)計模型(劉月 等，2020)。概率統(tǒng)計模型又根據(jù)具體的計算方法分為：信息量模型(彭珂 等，2018；王佳佳 等，2014；楊根云 等，2018；周超 等，2015)、確定性系數(shù)法(劉艷芳 等，2014)、邏輯回歸模型(張俊 等，2016)、頻率比法(李文彥 等，2020)等。雖然不同計算方法對滑坡易發(fā)性評價都能起到較好的效果，但在評價精度上也存在一定的差異。

為優(yōu)選最適宜山區(qū)區(qū)域滑坡易發(fā)性評價方法，本文以貴州省桐梓縣為研究區(qū)，在采用概率統(tǒng)計模型中應(yīng)用較為廣泛的信息量模型、頻率比法、確定性系數(shù)法三種評價模型分別對本研究區(qū)進行滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上，引入“ROC曲線”對這三種方法的評價結(jié)果進行評價精度的對比研究，研究結(jié)果可為類似地區(qū)滑坡易發(fā)性評價提供借鑒。

2 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of geographical location and landslide geological hazards distribution in the study area

該區(qū)位于上揚子地塊黔北隆起區(qū)，地跨畢節(jié)弧形褶皺帶和鳳崗南北向隔槽式褶皺變形區(qū)，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以SN、NE走向為主，斷裂多呈壓扭性?？h域地貌總體為東北高西南低，區(qū)內(nèi)寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系地層出露完好，泥盆系與石碳系地層缺失。桐梓縣境內(nèi)晚近期構(gòu)造運動跡象較明顯，區(qū)內(nèi)大面積上升為主，多為侵蝕、剝蝕、山地，第四系沉積物零星分布，除桐梓河兩岸為第四系沉積物外，其余主要河谷多急劇深切，呈“V”型或箱狀廓道式峽谷。

由于區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件較為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。地質(zhì)災(zāi)害隱患呈現(xiàn)出點多面廣、群發(fā)性、密集性等特點。本研究選取區(qū)內(nèi)144處滑坡地質(zhì)災(zāi)害點為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展區(qū)內(nèi)不同模型滑坡易發(fā)性評價的應(yīng)用與比較研究。

3 研究方法

3.1 信息量模型

信息量模型(information value model)是由Yin et al.，(1988)提出的一種統(tǒng)計分析模型。通過對地質(zhì)災(zāi)害的各影響因素進行統(tǒng)計分析，計算其提供的信息量值，疊加各因素的信息量用于評估地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性(鄭光明，2017)。

信息量模型的計算公式如下(儀政 等，2021)：

式中：I為評價單元的總信息量；n為影響因子數(shù)量；I(xi，H)為單獨因子xi對滑坡災(zāi)害發(fā)生事件(H)所提供的信息量；Ni為單獨評價因子xi內(nèi)特定級別內(nèi)的滑坡數(shù)量；N為研究區(qū)滑坡總數(shù)量；Si為單獨評價因子xi的面積；S為整個研究區(qū)的總面積。

3.2 頻率比法

頻率比法(Frequency Ratio)是滑坡易發(fā)性評價的常用方法(Yalcin et al.，2011)，該方法是基于統(tǒng)計分析對指標(biāo)因子進行區(qū)間分類。其原理為(李文彥 等，2020)：

設(shè)滑坡面積為L，影響因子為F，按照一定的規(guī)則將F劃分為不同的區(qū)間，進而計算不同區(qū)間內(nèi)落入滑坡的面積。影響因子F的第j個區(qū)間的頻率比FjR：

式中：P(LFj)表示L中Fj的頻率，P(Fj)表示研究區(qū)中Fj的頻率，ALFj表示L中Fj的面積，AL表示L的總面積，AFj表示Fj的總面積，A表示研究區(qū)的總面積。

對于特定的空間位置，不同的影響因子F(i)，該空間位置滑坡災(zāi)害L的易發(fā)性指數(shù)LSI：

LSI=∑F(i)jR(i=1，2，3…m；j=1，2，3…n)

3.3 確定性系數(shù)法

確定性系數(shù)法(Certainty Factor)是一種概率函數(shù)的方法，該方法基于已知的地質(zhì)災(zāi)害隱患點，計算各影響因子不同區(qū)間的敏感性(Shortlife et al.，1987)。最終的確定性系數(shù)CF的值越大，表示滑坡災(zāi)害發(fā)生的確定性越高。其原理公式如下(劉月 等，2020)：

式中：PPa表示特征a中單元存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點的柵格數(shù)與特征a的柵格數(shù)的比值；PPs表示為整個研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點柵格數(shù)與研究區(qū)總柵格數(shù)的比值。

3.4 精度驗證

ROC曲線(Receiver Operating Characteristic)又被稱為感受性曲線，具有簡單、直觀、可準(zhǔn)確地反映所用分析方法特異性與敏感性的關(guān)系的特點而廣泛應(yīng)用于模型精度的驗證(劉月 等，2020)。本次研究引入ROC曲線法對前述3種滑坡易發(fā)性評價方法的精度進行定量的分析比較。

表1 混淆矩陣Table 1 Confusion matrix

3.5 指標(biāo)體系構(gòu)建

滑坡易發(fā)性主要考慮在一定區(qū)域內(nèi)由孕災(zāi)地質(zhì)條件控制的滑坡發(fā)生的可能性(楊強 等，2021)?；碌刭|(zhì)災(zāi)害的影響因素眾多，在建立評價模型時需要具體分析，找出區(qū)域內(nèi)影響滑坡易發(fā)性的主要地形地貌和地質(zhì)因素(鄭光明，2017)。

本文基于野外實地調(diào)查及收集的資料數(shù)據(jù)，選取坡度、斜坡結(jié)構(gòu)、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、距斷層距離、距水系距離6個因子。其中，斜坡結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)巖組屬于離散型因子，其分類代表了具體的含義和對滑坡的影響程度，不再進行等級劃分；其余4個連續(xù)型指標(biāo)因子，需要對各因子進行等級劃分。

不同坡度條件會對斜坡的應(yīng)力分布、人類工程活動等造成差異，從而影響滑坡的發(fā)育(蔣德明 等，2016)，以 15°的間距進行劃分(閆舉生 等，2019)。地形起伏度代表特定區(qū)域內(nèi)最高海拔與最低海拔之間的差值，可反映區(qū)域內(nèi)地形的起伏狀況，同時也一定程度地反映了地表的破碎程度(李郎平 等，2017)。選取以單元格為中心100 m為半徑的圓作為統(tǒng)計單元進行地形起伏度計算，計算結(jié)果以15 m為間隔進行劃分(鄭光明，2017)?；聻?zāi)害的發(fā)生與斷裂構(gòu)造有著密切的關(guān)系(高克昌 等，2006)，斷層的影響距離較遠(yuǎn)，以800 m的間距做緩沖分析(宋小川 等，2021)。河流會對斜坡的坡腳進行沖刷進而造成岸坡失穩(wěn)(田述軍 等，2019)，以500 m的間距做緩沖分析(閆舉生 等，2019)。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

4.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本次研究收集整理了桐梓縣的區(qū)域地質(zhì)、區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)等資料。其中區(qū)域地質(zhì)資料主要來源于貴州省1∶5 W地質(zhì)圖。區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)主要來源于貴州省桐梓縣地質(zhì)災(zāi)害詳查及風(fēng)險評價的調(diào)查成果數(shù)據(jù)。主要利用GIS軟件對數(shù)據(jù)進行處理：(1)從1∶5W地質(zhì)圖提取區(qū)內(nèi)地層巖性、斷裂帶分布；(2)利用地形數(shù)據(jù)生成25×25 m分辨率的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，提取坡度、坡向、地形起伏度等因子。不同評價因子分級結(jié)果見圖2。

圖2 滑坡易發(fā)性評價各影響因子分級圖(a)坡度；(b)斜坡結(jié)構(gòu)；(c)地形起伏度；(d)工程地質(zhì)巖組；(e)距水系距離；(f)距斷層距離Fig.2 Grading diagram of each influencing factor for landslide susceptibility evaluation(a)slope；(b) slope structure；(c) topographic relief；(d) engineering geological petrofabric；(e) distance from water system；(f) distance from fault

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1 滑坡易發(fā)性評價結(jié)果

三種模型各影響因子不同分級下的信息量值，確定性系數(shù)(CF)值和頻率比(FR)值見表2。

表2 各模型計算結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Statistics of calculation results of each model

續(xù)表

通過GIS空間分析工具將各個影響因子進行疊加得到易發(fā)性評價結(jié)果，采用自然斷點法將研究區(qū)劃分為低、中、高和極高易發(fā)區(qū)，三種模型的易發(fā)性分區(qū)結(jié)果如圖3所示，已發(fā)生的滑坡地質(zhì)災(zāi)害點主要分布于模型劃分的極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)，說明三種模型的易發(fā)性劃分結(jié)果是合理的，因此進一步驗證評價結(jié)果精度，以便找到更為適宜的模型。

圖3 不同模型的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖(a)信息量模型；(b)確定性系數(shù)法；(c)頻率比法Fig.3 Zoning map of landslide susceptibility in different models(a)information value model；(b) certainty factor method；(c) frequency ratio method

4.2.2 易發(fā)性評價結(jié)果的驗證與對比分析

圖4 不同模型預(yù)測結(jié)果的ROC曲線Fig.4 ROC curves of prediction results of different models

表3 不同評價方法評價結(jié)果對比統(tǒng)計表Table 3 Statistics of evaluation results comparison of different evaluation methods

根據(jù)表3中統(tǒng)計結(jié)果，實際滑坡地質(zhì)災(zāi)害點都主要落在極高易發(fā)區(qū)，災(zāi)害點落在各易發(fā)等級區(qū)的百分比都隨易發(fā)區(qū)等級的增高而增大。信息量模型和確定性系數(shù)法的低易發(fā)區(qū)占整個研究區(qū)面積的百分比最小，而頻率比法則是極高易發(fā)區(qū)占整個研究區(qū)面積的百分比最小。

結(jié)合ROC曲線結(jié)果、滑坡易發(fā)性分區(qū)與實際災(zāi)害的數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果，表明信息量模型更加適合于該區(qū)域的滑坡易發(fā)性評價。

5 結(jié)論與討論

(2)通過對三種不同方法的ROC曲線分析：信息量模型(AUC=0.800)，確定性系數(shù)法(AUC=0.784)，頻率比法(AUC=0.787)，結(jié)合三種模型滑坡易發(fā)性分區(qū)結(jié)果與實際的吻合度分析，表明信息量模型在該區(qū)域滑坡易發(fā)性評價中評價結(jié)果與預(yù)測能力較好，更適合于該區(qū)域的滑坡易發(fā)性評價。

(3)在檢驗滑坡易發(fā)性評價結(jié)果的合理性時，應(yīng)注意檢驗樣本點落在極高易發(fā)區(qū)的百分比是否為最大；低易發(fā)區(qū)占整個研究區(qū)面積的百分比是否為最小；檢驗樣本點落在各易發(fā)等級區(qū)的百分比與各等級區(qū)的面積占區(qū)域面積百分比的比值是否隨易發(fā)區(qū)等級的增高而增大。