基于證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃對比分析
——以虹口鄉(xiāng)為例

劉光輝，劉漢湖*，姚 昆，夏 潔

(成都理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院，b.國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

基于證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃對比分析
——以虹口鄉(xiāng)為例

劉光輝a,b，劉漢湖a,b*，姚 昆a,b，夏 潔a,b

(成都理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院，b.國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

都江堰虹口鄉(xiāng)為國家級旅游景區(qū)，汶川地震后，該區(qū)滑坡頻發(fā)，極大威脅該地區(qū)游客及居民人身財(cái)產(chǎn)安全，開展該地區(qū)滑坡危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測具有重要意義。這里以地質(zhì)圖、地形圖、DEM高程數(shù)據(jù)、QuickBird影像為數(shù)據(jù)源，選取地層巖性、構(gòu)造、高程、坡度、坡向、水系6個(gè)評價(jià)因子，基于GIS平臺(tái)，用證據(jù)權(quán)法、確定系數(shù)法對研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性分析方法進(jìn)行對比分析，得出最優(yōu)的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃研究方法。分析表明：確定系數(shù)法的準(zhǔn)確率為0.7732，而證據(jù)權(quán)法的準(zhǔn)確率為0.7216。經(jīng)過野外的調(diào)查、研究，確定系數(shù)法預(yù)測的危險(xiǎn)性區(qū)域與實(shí)際情況更加地吻合，有著較高的精度，因此確定系數(shù)法更加適合虹口鄉(xiāng)的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃研究。

證據(jù)權(quán)法； 確定系數(shù)法； GIS； 滑坡

0 引言

滑坡是一種十分常見的地質(zhì)災(zāi)害，合理的滑坡預(yù)測方法能增加預(yù)測的準(zhǔn)確性，降低滑坡造成的危害，減少生命財(cái)產(chǎn)的損失[1]。現(xiàn)在主要的滑坡預(yù)測方法分為三類：①知識(shí)驅(qū)動(dòng)方法；②數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法；③確定性方法[2]。這里選擇的證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法都是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。證據(jù)權(quán)法[2-6]最早用于醫(yī)療診斷，后由加拿大數(shù)學(xué)地質(zhì)學(xué)家Agterberg引入地質(zhì)領(lǐng)域。確定系數(shù)[7-9]最早是由E.H.Shortliffe和B.G.Buchanan提出，后由D.Heckerman進(jìn)行改進(jìn)用在災(zāi)害評價(jià)中。兩種方法均為數(shù)學(xué)的概率學(xué)模型，在GIS柵格分析功能[10-11]的支持下，計(jì)算出每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值。證據(jù)權(quán)法是需要得到每個(gè)評價(jià)因子的正、負(fù)權(quán)重值，通過正、負(fù)權(quán)重的疊加來獲取評價(jià)因子的最終權(quán)重值。確定系數(shù)法是利用一個(gè)概率函數(shù)直接計(jì)算出每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值，且這個(gè)權(quán)重值的值域是[-1,1]。前人在滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃研究中并沒有對確定系數(shù)法與證據(jù)權(quán)法進(jìn)行預(yù)測準(zhǔn)確率的對比分析，這里以虹口鄉(xiāng)為研究區(qū)，分析出證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法在虹口鄉(xiāng)這種地形復(fù)雜，地質(zhì)條件特殊，滑坡災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，該方法有更高的滑坡預(yù)測精度。證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法，更加地適合虹口鄉(xiāng)的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃研究。

1 數(shù)據(jù)

虹口鄉(xiāng)位于四川省都江堰市東北的白沙河中游，東接彭州市，南連向峨鄉(xiāng)、金鳳鄉(xiāng)、白沙鄉(xiāng)，西南靠龍池鎮(zhèn)，西北和北鄰阿壩州汶川縣(圖1)。研究區(qū)內(nèi)水系單一，水網(wǎng)密集，在地形上中間沿河流起伏較小，向兩側(cè)坡度變陡。在地質(zhì)構(gòu)造上，受龍門山斷裂帶的影響，虹口鄉(xiāng)溝谷發(fā)育，坡陡坡長，厚層砂巖及厚層礫巖場形成后陡坎或陡崖，斜坡穩(wěn)定性較差，規(guī)模不大的崩塌、滑坡比較發(fā)育，處于斷裂構(gòu)造部位有大型的滑坡或崩塌。虹口鄉(xiāng)在地形，地質(zhì)，地貌等條件上都容易誘發(fā)滑坡，特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致虹口鄉(xiāng)成為地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，其地質(zhì)災(zāi)害主要以崩塌和滑坡為主。

圖1 虹口鄉(xiāng)滑坡區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of Hongkou landslide area

本次滑坡的危險(xiǎn)性區(qū)劃研究數(shù)據(jù)包括：1∶50 000 地質(zhì)圖、1∶50 000 地形圖、ASRGTM 30 m空間分辨率數(shù)字高程模型、Quickbird影像。

2 研究方法

2.1 證據(jù)權(quán)法

證據(jù)權(quán)法是一種綜合各種證據(jù)來支持一種假設(shè)的定量方法，該方法以貝葉斯統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過對已經(jīng)發(fā)生的滑坡與影響滑坡形成的影響因子( 坡度、坡向、地層巖性等) 進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)分析，求取各個(gè)評價(jià)因子對滑坡發(fā)生的貢獻(xiàn)率( 即權(quán)重) ，最后將各個(gè)評價(jià)因子賦予相應(yīng)權(quán)重并疊加，得到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，該指數(shù)高低代表該區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性的大小。其計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

Wf=W+-W-

(3)

2.2 確定系數(shù)法

確定系數(shù)法是一種結(jié)合確定性系數(shù)(CF)來分析影響滑坡發(fā)生的各個(gè)因素敏感性的方法。確定系數(shù)法是一種利用概率函數(shù)的方法，其計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中：PPa為影響因子分級中事件發(fā)生的條件概率，在這里可表示為影響因子各級范圍內(nèi)滑坡發(fā)生的柵格數(shù)與所有柵格數(shù)的比值；PPs為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)事件發(fā)生的先驗(yàn)概率，表示為研究區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)生的柵格數(shù)與研究區(qū)總柵格數(shù)的比值。

2.3 評價(jià)因子

基于前人研究及歷史滑坡數(shù)據(jù)的綜合分析[12-15]，主要選取斷裂帶、地層巖性、水系、坡度、坡向、高程6個(gè)評價(jià)因子。并將各個(gè)評價(jià)因子分成不同的等級，見表1。

3 結(jié)果分析

3.1 權(quán)重計(jì)算

為便于權(quán)重的計(jì)算，將研究區(qū)的評價(jià)單元分成5 m×5 m的柵格，再根據(jù)證據(jù)權(quán)法和確定系數(shù)法分別計(jì)算出每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值，計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2 危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算

因?yàn)樽C據(jù)權(quán)法和確定系數(shù)法都是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，利用概率方法建立模型進(jìn)行運(yùn)算，每個(gè)評價(jià)因子之間必須滿足條件獨(dú)立性的假設(shè)。計(jì)算之前首先驗(yàn)證各個(gè)評價(jià)因子兩兩之間的獨(dú)立性。這里選用的是卡方(X2)檢測方法對各個(gè)評價(jià)因子進(jìn)行獨(dú)立性檢測。檢測結(jié)果表明評價(jià)因子之間均滿足獨(dú)立性條件。利用GIS的空間分析功能將各個(gè)評價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)分析，得到每個(gè)評價(jià)單元的危險(xiǎn)性指數(shù)(LHI),其計(jì)算公式如下：

表1 評價(jià)因子及屬性分級

表2 滑坡危險(xiǎn)性權(quán)重計(jì)算表

LHI=Wf巖性+Wf水系+Wf坡度+Wf高程+

Wf坡向+Wf斷裂帶

(5)

LHI=CFf巖性+CFf水系+CFf坡度+

CFf高程+CFf坡向+CFf斷裂帶

(6)

運(yùn)用證據(jù)權(quán)法將6個(gè)評價(jià)因子按照公式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到滑坡的危險(xiǎn)性指數(shù)的范圍是-4.958～7.1。而運(yùn)用確定系數(shù)法將6個(gè)評價(jià)因子按照公式(6)進(jìn)行計(jì)算，得到滑坡的危險(xiǎn)性指數(shù)范圍為-3.391～2.605。

滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)的成功率檢驗(yàn)采用成功率曲線法，這是一種定量的滑坡檢測方法(圖2)。在圖2中AUC曲線下面積越大，說明滑坡評價(jià)單元危險(xiǎn)性指數(shù)越高，即模型預(yù)測效果越好。由圖2可以計(jì)算出，證據(jù)權(quán)法的曲線下面積為72.16，確定性系數(shù)法的曲線下面積為77.32。由此可知，虹口鄉(xiāng)的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃研究中，確定系數(shù)法預(yù)測的結(jié)果要比證據(jù)權(quán)法預(yù)測的結(jié)果成功率高。

圖2 成功率曲線圖Fig.2 Success rate curve of landslides hazards

3.3 危險(xiǎn)性分區(qū)

根據(jù)證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法兩種方法計(jì)算得到的綜合危險(xiǎn)性指數(shù)，將研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性指數(shù)分為極高、高、中、低4類，并統(tǒng)計(jì)每類滑坡的面積百分比(表3)。

從表3可以看出：證據(jù)權(quán)法分析結(jié)果表明極高危險(xiǎn)區(qū)面積百分比為21.7%，滑坡面積的76.8%分布在高危險(xiǎn)區(qū)與中危險(xiǎn)區(qū)；確定系數(shù)法分析結(jié)果表明高危險(xiǎn)區(qū)所占的比例為31.3%，滑坡面積的80%分布在高危險(xiǎn)區(qū)與中危險(xiǎn)區(qū)。在研究區(qū)的滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃研究中確定系數(shù)法的精確度高于證據(jù)權(quán)法，下面給出確定系數(shù)法的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃的分區(qū)圖(圖2)。研究區(qū)總共解譯出滑坡117處，極高危險(xiǎn)區(qū)有34處滑坡，占滑坡總個(gè)數(shù)的29%，高危險(xiǎn)區(qū)有53處滑坡，占總滑坡個(gè)數(shù)的45%。

表3 證據(jù)權(quán)法與確定系數(shù)法危險(xiǎn)區(qū)劃對比圖

圖3 研究區(qū)確定系數(shù)法危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.3 Risk zoning map of the study area determin-ation coefficient method

4 結(jié)論

滑坡預(yù)測準(zhǔn)確率直接影響生命財(cái)產(chǎn)安全，針對不同區(qū)域的不同地形、地質(zhì)、地貌的特點(diǎn)，滑坡的預(yù)測應(yīng)采用適合的評價(jià)模型提高預(yù)測準(zhǔn)確率。這里選取證據(jù)權(quán)法、確定系數(shù)法2種研究模型，對研究區(qū)域滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃進(jìn)行研究分析。這2種方法都是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，在各個(gè)評價(jià)因子選擇及權(quán)重賦值的過程中有效地減小人為影響。研究結(jié)果表明：

1)滑坡的分布與水系、坡度、巖性有著明顯的關(guān)系。滑坡在距水系小于400 m時(shí)，水系對滑坡的影響較大，占總滑坡數(shù)的65.2 %，特別是在100 m～300 m之間影響最大，占總滑坡數(shù)的34 %。坡度對滑坡的影響在30°～40°之間時(shí)影響最大，其滑坡數(shù)量占總滑坡的65.7%。從圖3可以看出，在圖3的左面滑坡分布較多，該處巖層風(fēng)化厚度較大，坡度主要為30°～40°，且大多斜坡為順層斜坡，其滑坡數(shù)占總滑坡的77.9%。

2)在研究區(qū)的分區(qū)結(jié)果中，高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)所占面積較大，證據(jù)權(quán)法、確定系數(shù)法分析結(jié)果面積百分比分別達(dá)到76.8%和80%，證據(jù)權(quán)法的高危險(xiǎn)區(qū)所占比例為21.7%，確定系數(shù)法的高危險(xiǎn)區(qū)所占比例為31.3%，在高危險(xiǎn)區(qū)確定系數(shù)法的預(yù)測準(zhǔn)確率明顯高于證據(jù)權(quán)法。

3)由成功率曲線法得到確定系數(shù)法的準(zhǔn)確率為0.773 2，而證據(jù)權(quán)法的準(zhǔn)確率為0.721 6，從成功率曲線可以看出，在危險(xiǎn)系數(shù)從10%～40%之間，確定系數(shù)法的曲線明顯的高于證據(jù)權(quán)法，預(yù)測出的滑坡數(shù)確定系數(shù)法比證據(jù)權(quán)法多。確定系數(shù)法的預(yù)測結(jié)果成功率相較于證據(jù)權(quán)法更高，從整體分析確定系數(shù)法更加適用于研究區(qū)的滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃研究。

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Based on the weights of evidence method and certainty factor method of landslide danger division comparative analysis——A case study in Hongkou,chine

LIU Guang-huia,b,LIU Han-hua,b*,YAO Kuna,b,XIA Jiea,b

(Chengdu University of Techndogy,a.College of Eong sciences;b.key Laboratory of Geological spatial Information Technology of Ministry of Land and Resources,Chengdu 610059,China)

Hongkou township in Dujiangyan is a national scenic spot.After Wenchuan earthquake,landslides frequently occur in this area,which greatly threatens personal and property safety of tourists and residents there.Thus,it becomes significantly important to develop forecast to the landslide dangerous area of this region.This article based on GIS platform,takes geologic map,topographic map,DEM elevation data,QuickBird image as data sources,selects 6 evaluation factors of stratigraphic lithology,structure,elevation,slope,slope direction and water system,applies to weight of evidence method,determination coefficient method to make comparative analysis to the analytical methods of landslide dangers in research area and find out the best research method to landslide risk area.The analysis shows that,accuracy rate of determination coefficient method is 0.7732,while weight of evidence method has 0.7216 accuracy rate.After field research,the risk area predicated by method of determination coefficient can match practical situation more with high accuracy.Thus determination coefficient method is more fitness for the research of landslide risk area in Hongkou Township.

weights of evidence; certainty factor; GIS; landslides

2015-10-28 改回日期：2015-12-03

國家自然科學(xué)基金(41102225)

劉光輝(1988- )，男，碩士,主要研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)，E-mail：lghyaogan@126.com。

*通信作者：劉漢湖(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)，E-mail：Liuganhu@cdut.cn。

1001-1749(2016)06-0848-06

TU 431