基于格網GIS的地質災害地形因子危險評估方法

關 穎，趙 榮，陶坤旺，朱 翊

（1．遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新123000；2．中國測繪科學研究院，北京100830）

地質災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財產、環境造成破壞和損失的地質作用（現象）［1］。我國是世界上自然災害最嚴重的少數國家之一，災害種類多，分布地域廣，造成損失大［2］。其中地質災害的影響尤為突出。

隨著地質災害日益受到各國的關注和重視，研究方法上也取得很大進展。遙感、地理信息系統、數學以及統計學等一些新的理論、技術和方法不斷被引入到地質災害研究中［3－6］。

格網GIS是網絡技術發展的必然產物，很多學者用來分析社會和經濟現象。格網GIS的研究對象是空間信息格網，是在空間統計單元的基礎上研究空間信息、社會經濟信息以及組織等問題［7］。將統計信息分布到一定單元格網內，不僅有利于統計數據與地理要素的應用，而且可以提高計算精度，發現格網間信息的差異，更加符合真實情況。因此，本文將格網GIS技術引入到地質災害評估中，以泥石流和滑坡為研究對象，新源縣為試驗區域，根據研究區的具體的地質地貌特點建立一套相適應的指標體系。

1 研究區域與數據源

1．1 研究區域概況

新源縣位于新疆西部天山北麓被譽為“塞外江南”的伊犁河谷東端，隸屬于伊犁哈薩克自治州。東部邊緣的天山北麓，地處北緯43°01′～43°40′，東經82°28′～84°57′之間，總面積約6 446．7 k m2，海拔高度781～4 250 m。新源縣三面環山，西部敞開，形狀如箕，構成東西長、南北窄、東高西低的特殊地形。自西向東為河谷平原、低山丘陵、中山帶和高山帶，可分為平原、丘陵、山地3個地貌單元。新源地勢變差較大，獨特的地形地貌決定了新源縣地區地質災害頻發，嚴重威脅人們的生命財產安全。

1．2 數據源

研究的資料包括新源縣1：5萬DEM，土地利用數據、地質數據、斷層數據、交通道路及歷史災害點和隱患點等。由于數據來源不同，需要在Arc GIS中將它們轉換成統一的地理坐標系及投影，以方便空間統計和疊加運算。

2 研究方法

首先根據實驗區實際情況建立指標體系，然后將研究區域網格化，用熵值法計算出各級指標的權重，最后對評估結果進行可視化表達，技術路線如圖1所示。

2．1 建立評價指標體系

1）高程：滑坡、泥石流會在重力的作用下，沿著內部的滑動面向下滑動。所以高程是滑坡、泥石流等地質災害的重要影響因素。

2）坡度：坡度是基本的自然地理要素，也是影響滑坡發育的重要因素，直接影響著斜坡的穩定性，在一定條件下，坡度越陡，地表松散的堆積物質在雨水的作用下容易帶走，從而形成泥石流、滑坡等地質災害［2］。

圖1 技術路線

圖2 指標體系圖

3）斷層構造：斷裂發育地區，往往是引發地質災害的重要因素。斷裂層的破碎程度會影響坡體巖石的穩定性，所以斷裂帶地質構造在一定距離的緩沖區范圍內對地質災害的發生有影響。

4）地層巖性：地層巖性是孕育一切地質災害的物質基礎。對于土石性質較為軟弱、結構比較松散而不易排水的地層易產生滑坡、泥石流等地質災害。

5）土地利用與道路網密度：體現人類工程活動與地質災害的關系。工程活動可以破壞坡體，當斜坡支撐不了斜坡上部質量時就會失去平衡［8］，如修筑公路、開墾土地、修建農田水利等活動都會導致地質災害的發生。

2．2 研究區域格網化

運用Arc GIS中的創建魚網功能，制作一張能夠覆蓋新源縣地區的方形網格，結合研究區的實際情況 將網格的大小設置為500 m×500 m再利用Clip（裁剪）功能用新源縣邊界圖裁剪網格，使得格網形狀與研究區域一致。由于版面限制，放大部分格網，如圖3所示。

圖3 區域網格圖

運用Arc GIS中union疊置分析功能，將各層評價因子的指標數據分別分布在格網單元中。在疊置過程中，網格中會出現某因子層的多個類別的信息，這就需要考慮如何賦值問題。本文在這里主要根據“面積最大”原則，利用GIS統計分析功能將分別統計網格單元內各類別屬性的面積，將面積最大值的屬性信息賦值給網格（見圖4），實現網格信息化。

圖4 信息格網圖

2．3 指標量化方法

定性的各指標因子不能直接用來計算，需要變換后轉為定量計算。考慮到地質災害的復雜性，本文利用數據驅動模型的思想對數據進行量化。數據驅動權重模型方法的主要原理是利用地質災害歷史分布數據，建立災害點分布與各影響因子之間的統計關系［9］，即根據在各影響因子不同類別中滑坡和泥石流分布的統計情況來確定各影響因子對滑坡和泥石流災害的貢獻率大小 計算公式為

淀粉的回生分為短期回生和長期回生兩個階段。短期回生要是由直鏈淀粉的膠凝有序和結晶所引起，發生在淀粉回生的前期，該過程在糊化后較短的時間內完成；而長期的回生(以天計)則主要是由支鏈淀粉外側短鏈的重結晶所引起，該過程是一個緩慢長期的過程，一般發生在極端條件下，如溫度很高或冰點溫度時，支鏈淀粉側鏈間才會結合。淀粉回生作用與淀粉的種類、直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比例、支鏈淀粉側鏈的鏈長、分子量、糊化淀粉冷卻儲藏溫度、水分等因素有關。

式中：a為各二級因子中統計出的災害點的個數；Aij為二級因子的面積。

量化后的數據需要歸一化處理，以消除指標間量綱的差異性，使數據規范化。歸一化公式為

2．4 熵值法

地質災害風險評估的過程中，確定影響因素的權重是非常重要的，它直接關系到評價結果的合理性和真實性［10－11］。熵值理論是對不確定性的度量，可以定量表示狀態的混亂程度，在一定的時間范圍內預測發展趨勢［12］。熵值法賦權具有客觀性，一般情況下它能夠反映指標信息熵值的效用價值，具有較高的可信度［13］。具體計算過程為

二級影響因子權重根據一級影響因子的權重值按平均加權的方法進行計算。

3 研究區域地質災害危險性評估

3．1 數據處理

根據新源縣的地形地貌特點及滑坡、泥石流災害點的分布情況，將各指標細化為若干不同等級的二級指標，利用Arc GIS10．0專業軟件將指標因子進行處理并以重分類的形式顯示。部分指標因子及其重分類如圖5～圖8所示。

新源縣西高東低，最高點與最低點的高差達3 000 m以上。根據地形變化和與災害點分布的位置對應關系，將高程分為5個等級，如圖5所示；新源縣巖性數據屬性信息顯示，多以砂、砂土、礫石、火山巖屑巖及深灰質碎屑巖為主，巖性穩定性低，易在降雨條件下引發滑坡、泥石流等地質災害，根據巖層類型把巖性的穩定程度將其分為5個等級，由于部分巖性成分復雜，穩定程度較難確定，為保持數據的真實性將其分為“易滑巖組”“較易滑巖組 偶易滑巖組 穩定巖組 和 不確定性 如圖6所示；土地利用情況在一定程度上影響著地質災害的發生，依據數據屬性信息，將新源縣的土地利用類型分為“林地”“草地”“居民用地”等5個級別，如

圖5 高程分類圖

圖7 土地利用分類圖

綜合應用Arc GIS的疊置分析和空間統計功能將各空間數據和網格數據疊加，并統計各因子的二級指標包含的災害點數目，利用式（1）、式（2）對指標進行量化和歸一化處理。結果如表1所示。

3．2 確定指標權重

根據量化后的指標值，利用熵值法計算出各一、二級指標的權重，如表1所示。

根據表1中統計的各二級指標所包含的災害點的數目可以發現新源縣易引起滑坡、泥石流地質災害的影響條件有：高程分布中，災害點主要集中在1 200～1 600，1 600～2 000 m之 間；坡 度 分 布中，坡度小于40°時，地質災害爆發的頻度隨著坡度增大而增大，大于40°時卻會明顯降低；土地利用類型中，從災害點數目看，草地對地質災害的影響最大，其次是林地；斷層構造中，與斷層構造越近越容易引發地質災害，主要集中在距離斷層線0～圖7所示 新源縣大部分區域為斷裂帶發育區 本文依據災害點與主要斷裂帶之間的距離關系，在Arc GIS中將斷層設定5個不同距離的緩沖區，如圖8所示。2 000 m之間；巖性結構中，災害點主要落在易滑和較易滑的巖組中，穩定巖組中也有部分在災害點落入，可見單一地質條件對地質災害的影響并非絕對，而是多因素共同作用的結果；道路密度在0～3（k m／k m2）之間對滑坡、泥石流有一定影響。

圖6 巖性分類圖

圖8 斷層分類

3．3 綜合評估

綜合評估計算一般采用指標值與權重值的加權求和模型。具體算式為

其中zi與zij為一、二級指標權重。根據單元格網內各因子的量化值和計算的權重值，利用GIS中的地圖代數功能計算每個單元格網的地質災害易發危險程度值，從而進行綜合評估。本文采用Arc－GIS中的自然裂點法（Natural Breaks）分級。該方法的特點是在分級數確定的情況下，通過聚類分析將相似性最大的數據分在同一個等級 差異最大的數據分在不同的等級，可以較好地保持數據的統計特征，能夠更準確地揭示地質災害的空間分布格局 因此依據自然裂點法將危險程度劃分為 低度危險，較低危險，較高危險，高危險｝4個等級，用專題圖可視化表達，如圖9所示。

表1 權重計算結果

由熵值法計算出的各指標一級權重結果（見表1），發現各指標因子對滑坡和泥石流影響程度不同，由高到低依次為：高程0．329 2，土地利用0．291 6，坡度0．149 4，巖性0．144 3，斷層0．079 5，道路網密度0．006 0，并且高程和土地利用的“總貢獻”值達0．61，而 且 在 高 程“1 200～1 600 m、1 600～2 000 m”的分類二級指標和土地利用“草地”的二級指標因子的權重值都較高。因此不難發現，綜合評估危險程度區劃結果圖受其影響較大，同時也受到其它因子不同程度的影響。

分別統計各危險級別包含的災害點數目占歷史災害點總數的比例，具體結果如表2所示。

圖9 綜合評估圖

表2 危險級別統計

從綜合評估圖和危險統計表可以看出，新源縣滑坡、泥石流地質災害具有以下特點：

1）滑坡、泥石流地質災害高危險區主要分布在新源縣北部、中部及西南部的山區；較高風險區主要分布在東部和高風險區附近的狹長區域；低風險區和較低風險區集中分布在中部的平原地區。這說明山區的危險性明顯高于平原地區，由于山區地形復雜，高差大，坡度陡，并且時有降雪與降雨天氣，遇到氣溫升高，積雪融化或在汛期遇到強降雨，在雪水、雨水與復雜的地形作用下極易引發滑坡、泥石流地質災害。

2）從危險級別統計表中的統計結果看，較高和高危險區域中災害點的比例為90．17%，較低危險區災害點的比例為8．96%，而低危險區域災害點的比例為0．87%，大多數災害點被包含在較高風險區和高風險的區域中。

4 結 論

基于格網GIS技術，本文以新源縣為研究區域，建立相關地形危險評估指標體系，將GIS統計分析功能和數學算法相結合建立以滑坡、泥石流為主的地質災害地形風險區域的的評估模型，并對新源縣的危險區域進行評估，對評估結果給出解釋。實驗結果表明格網GIS技術對地質災害的研究具有可行性和實踐意義。

［1］ 苗雨．基于GIS和Logistic模型的地質災害危險性區劃研究［D］．西安：長安大學，2010．

［2］ 杜繼穩．降雨性地質災害預報預警［M］．北京：科學出版社，2010．

［3］ 劉興權．地質災害預警預報模型設計與應用［J］．工程地質學報，2008，16（3）：343－346．

［4］ 褚洪斌，母海東，王金哲．層次分析法在太行山區地質災害危險性分區中的應用［J．中國地質災害與防治學報，2003，14（3）：126－128．

［5］ 柳伊莎，楊苗．基于信息量模型的地質災害危險性評價研究［J］．重慶師范大學學報，2012，29（4）：35－38．

［6］ 陳新建，段釗，趙法鎖，等．基于模糊數學的地質災害危險性評價［J］．中國地質災害危險性評價，2011，22（3）：92－94．

［7］ 龔麗妍．基于格網GIS的區域生態安全評價及時空演變趨勢分析：以大連市甘井子區為例［D］．大連：遼寧師范大學，2012．

［8］ 方苗，張金龍，徐瑱．基于GIS和Logistic回歸模型的蘭州市滑坡災害敏感性區劃研究［J］．遙感技術與應用，2011，26（6）：846－852．

［9］ 張麗君，江思宏．區域性滑坡敏感性評價的數據驅動權重模型 及 應 用［J］．水 文 地 質 工 程 地 質，2004（6）：33－36．

［10］騰繼東，項夢杰，李蘇，等．改進模糊層次分析法確定地質災害危險性評價指標權重的確定［J］．安徽農業科技，2008，36（1）：22－23．

［11］徐靜，顧留碗，張耀民，等．規則格網DEM地形綜合方法分析［J］．測繪工程，2014，23（9）：26－31．

［12］劉順風．基于Arc GIS的廣西地質災害易發性分區研究［D］．南寧：廣西師范學院，2013．

［13］姚宇婕，陳毓芬．引導型專題數據分級處理研究［J］．測繪工程，2012，21（1）：26－27．

［14］廖永豐，趙飛，王志強，等．2000—2011年中國自然災害災情空間分布格局分析［J］．災害學，2013，28（4）：55－60．