淺析GIS技術在地質災害易發性區劃中的應用

■　張少賡　焦艷菲

（1河南省地礦局第二地質環境調查院河南鄭州450000；2河南建筑職業技術學院河南鄭州450000）

淺析GIS技術在地質災害易發性區劃中的應用

■張少賡1焦艷菲2

（1河南省地礦局第二地質環境調查院河南鄭州450000；2河南建筑職業技術學院河南鄭州450000）

本文從基于GIS的信息量分析模型建立開始，對評價指標的量化、計算單元剖分及地質災害易發性區劃的方法等方面做了詳細闡述。準確的地質災害易發性分析對下一步地質災害危險性分析、易損性分析和風險性區劃十分重要，可提供細致可靠的數據基礎，對防災決策和指導地質災害防治有重大意義。

GIS地質災害評價指標易發程度區劃

0　引言

地質災害易發性區劃是分析評價一個地區在一定的地質災害條件和各類因素影響下，相對容易發生地質災害的可能程度，并結合分析這些地質因素對地質災害發生貢獻的大小，最終確定地質災害空間發生的傾向性和可能程度。地質災害易發性定性分析人為主觀因素較強，隨意性較大，而定量分析就是在定性分析基礎上，利用基于GIS的信息量模型計算各影響因素權重并對各影響因子按權重大小進行空間分析和疊加，進而得出更為合理的易發性區劃結果，為制訂土地利用規劃及災害氣象預警提供基礎資料和依據。

1　基于GIS的信息量分析模型

模型通過計算各影響因素對斜坡變形破壞所提供的信息量值，作為區劃的定量指標，既能正確地反映地質災害的基本規律，又簡便、易行、實用，便于推廣。其計算原理與過程如下：

1.1計算單因素（指標）xi提供斜坡失穩（A）的信息量I（xi/A）：

式中：S—已知樣本單元；

N—已知樣本中變形破壞的單元總數；

Si—有xi的單元個數；

Ni—有指標xi的變形破壞單元個數。

1.2計算某一單元P種因素組合情況下，提供斜坡變形破壞的信息量Ii，即

1.3根據Ii的大小，給單元確定穩定性等級：

Ii＜0表示該單元變形破壞的可能性＜區域平均變形破壞的可能性；

Ii=0表示該單元變形破壞的可能性=區域平均變形破壞的可能性；

Ii＞0表示該單元變形破壞的可能性＞區域平均變形破壞的可能性，即單元信息量值越大越有利于斜坡變形破壞。

1.4經統計分析找出突變點作為分界點，將區域分成不同等級。評價指標的基礎數據均為定量描述的數據，須采用標準化、規格化、均勻化，或對數、平方根等數值變換方法統一量綱，方可代入評價模型。

2　評價指標體系建立

地質災害易發區是指容易產生地質災害和隱患的區域。地質災害易發程度區劃側重的是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害及其隱患和自然地質現象發育的數量多少及其活躍程度，評價指標包括已有地質災害及隱患群體統計和其形成條件兩大類。

已有地質災害及其隱患群體評價指標主要包括地質災害的數量和規模，在進行地質災害易發程度區劃時，采用實地調查的災害及隱患點資料作為樣本來計算單元內地質災害的點密度。地質災害形成條件諸多，包括地形地貌、溝谷切割情況、溝谷密度和發育時期、坡向、坡度、坡高、坡體物質組成及水文地質條件等。地質災害易發性評價可選取坡度、坡高、坡型、巖土結構、植被指數、降雨指標和人類工程活動等七項主要因素作為評價易發性指標。在地質災害形成條件分析的基礎上，結合前人研究成果，可參照評價指標貢獻率法的計算結果，分析確定某一地區地質災害易發程度區劃中各個指標的權重。

3　評價指標量化

評價指標包括定量指標和定性指標。對于定量指標，如斜坡的坡度、坡高、降雨量等，取其原始觀測值，并作適當的數值變換即可；對于定性指標，如巖土結構、坡型等，需要建立一個評價指標的分級劃分標準，根據各項指標對不同級別的相對貢獻來取值。實際操作中，可選擇不同調查精度比例尺數字地形圖和地質災害調查數據作為評價指標。

3.1災點密度

根據野外調查資料，將所得的地質災害情況利用GIS進行錄入。按一定規格的網格進行評價時，密度就是單位網格內的災害點數量，然后按照不同密度區地質災害現象發生的概率，進行0～1之間的線性歸一化，得到坡度指標歸一化圖。

3.2坡度指標

利用GIS從DEM數據中分別提取某一地區不同調查精度的坡度信息，然后進行歸一化。由于45°以上斜坡發生崩塌的頻率較高，區劃可將45°以上斜坡的易發程度定義為1，而10°以下斜坡發生崩塌的頻率則較低，其易發程度定義為0；將10～45°之間的斜坡的易發程度，按照不同坡度區間滑坡和崩塌自然地質現象發生的概率，進行0～1之間的線性歸一化，得到坡度指標歸一化圖。

3.3坡高指標

利用GIS從DEM數據中分別提取某一地區的坡高信息，根據區內實際高程值進行歸一化。例如，滑坡和崩塌自然地質現象發生的斜坡高主要集中在50～100m之間，可將50m以上斜坡的易發程度定義為1，而將0～50m之間斜坡的易發程度進行0～1之間的線性歸一化，得到斜坡高度指標歸一化圖。

3.4坡型指標

坡型可以利用地表的曲率進行描述和量化，直線形和凸型斜坡在曲率上的體現是曲率≥0，凹型坡和階梯型坡的曲率＜0，因此，可利用ArcGIS平臺從DEM數據中分別提取調查區的地表曲率信息，然后進行斜坡坡型的歸一化。例如，某一地區滑坡和崩塌主要發育在直線形和凸型斜坡上，因此，當曲率＜0時，坡面為凹型或階梯型，易發程度最低；當曲率＞0時，坡面為直線形和凸型，易發程度較高，按照曲率的大小進行0～1之間的線性歸一化，得到斜坡坡型指標歸一化圖。

3.5巖土體結構指標

巖土體類型及其結構特征對斜坡的變形有顯著的控制作用，它們是決定斜坡巖土體強度、應力分布、變形破壞特征的基礎，同時也是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的物質基礎。根據某一地區地層巖性組成、分布及地貌特征、基巖切割深度變化趨勢等指標，將巖土體結構對滑坡、崩塌易發程度的影響進行0～1之間歸一化處理，得到巖土體結構指標歸一化結果圖。

3.6植被指數指標

利用Arcgis平臺從DEM數據中分別提取某一地區的地表曲率信息，然后進行斜坡坡型的歸一化。MODIS遙感數據計算植被指數。在統計分析前將該數據重新采樣成25m×25m的柵格單元。

3.7降雨指標

根據某一地區的降雨特性，選用降雨不均勻系數來量化降雨因素，將區內降雨不均勻系數進行0～1之間歸一化差值處理。

3.8人類工程活動指標

人類工程活動對滑坡、崩塌、泥石流形成發育的影響極為復雜，如何定量化反映是個難題。考慮到公路等交通建設是地區最具代表性的人類工程活動，對災害影響最明顯，且具有貫穿或覆蓋全區的特點，一般對人類工程活動的量化以公路為基準線，間隔300—500m，分別向兩邊做三個緩沖區，再經柵格化和歸一化處理，參與評價。

4　計算單元的剖分

計算單元剖分的形式及其大小對易發性區劃的結果影響較大。采用柵格單元的優點是可利用GIS實現單元的快速剖分，同時柵格數據為矩陣形式，可借助計算機快速完成運算；其缺點是柵格評價單元與地形、地貌、地質環境條件信息缺乏有機聯系。理想的評價單元應當是充分考慮地質災害形成的地質環境條件。單元選取的敏感性是不相同的，其中最為敏感的要素是地形地貌因素。

在地質災害形成條件中，河流和溝谷的發育階段對區內滑坡、崩塌的形成具有明顯的綜合控制作用，以溝谷而劃分的評價單元能夠綜合體現各種控制與影響因素的作用。對某一地區可采用以溝谷斜坡作為評價單元，該評價單元是以分水線和河谷所限匯水區域，是滑坡、崩塌發生的基本地形地貌單元。可根據水文學方法，基于DEM借助計算機自動實現評價單元的劃分。

在水文分析當中，首先進行DEM數據的洼地填充；然后根據填充后的DEM求取全區的流向圖，基于流向即可獲得各單元的累積流量。通過設定流經某柵格單元的最小匯水單元格數，即可得到全區的集水區。顯然，隨著設定最小匯水單元數的增大，就可得到更大面積的匯水區，同時，也可通過設定不同的最小匯水單元數，來對某一地區進行不同精度水平的研究。從地形學角度出發，匯水區邊界即為分水線。為確定河谷線，采用反向DEM數據進行上述水文匯水盆地分析，即將原始DEM沿某一水平線反轉，原來DEM高點變為低點，求取的新的匯水邊界就變成了河谷線。

在最終獲取斜坡單元柵格數據集的基礎上，通過GIS軟件的柵格矢量轉換功能，得到斜坡面域。在此轉換過程中，會產生許多假的面集和許多面積很小或不協調面集單元，再次通過GIS的融合歸并功能，削除不合理元素，最終得到評價單元面數據集。同時，通過統計分析各斜坡單元內所有柵格單元的傾向、傾角、高程等參數，可以得到各斜坡單元的主傾向、傾角及斜坡高度。

5　易發程度等級劃分

合理地確定易發程度分區界線值也是區劃的關鍵環節之一。方法有突變點法和等間距法，一般采用前者。經過統計分析，從中找出突變點作為易發程度分區界線值。某一地區的易發程度可分為高易發、中易發、低易發和非易發四個不同等級的全部或部分等級。

6　結束語

地質災害具有隨機性、模糊不確定性和復雜性等特點，如何準確的對地質災害的易發性進行合理正確的判斷和劃分，成為當今社會地質災害研究的一大課題。隨著GIS技術在地質災害研究中的應用、深入并不斷發展，相信人們對地質災害的研究也將會取得更加突出的成就。

[1]長安大學.山西省延安市黃陵縣地質災害詳細調查報告[R].2010

[2]朱良峰，殷坤龍，張梁.基于GIS技術的地質災害風險分析系統[J].工程地質學報，2002；10（4）：428-433

[3]張有全，宮輝力等.基于GIS的北京市延慶縣地質災害易發性區域劃分[J].中國地質災害與防治學報，2006

X3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-184-2

張少賡（1981～），男，本科，工程師，研究方向為水工環地質。