基于信息量模型的地質災害易發性評價

趙 帥，趙 洲

(西安科技大學地質與環境學院，陜西西安710054)

0 引 言

地質災害是在自然或工程經濟活動的作用下，對人類生命財產安全及地質環境造成破壞的災害性地質事件[1]。陜南山區(陜西南部漢中、安康、商洛等3市的山地區域)是陜西省乃至全國地質災害高發區和重災區之一，嚴重威脅當地居民的生命財產安全和正常的生產生活，使當地的經濟發展失衡。因此，在研究地質災害發生機理的基礎上進行區域性地質災害易發性評價，對防災減災具有重要的意義[2]。

基于遙感和GIS技術，將地質災害易發性評價方法主要分為2類：一類是基于專家經驗認知的定性評價方法，另一類是基于統計學的定量評價方法。王維早等[3]從泥石流的形成條件方面選取影響因子，通過層次分析法對太行山泥石流危險性評價；許沖等[4]通過遙感的手段選取地震滑坡影響因子，基于GIS與確定性系數法對汶川地震滑坡進行敏感性分析；王念秦等[5]根據粗糙集理論和專家經驗求得其矩陣，進而對鳳縣泥石流易發性評價；劉藝梁等[6]建立三峽壩區滑坡空間數據庫，運用邏輯回歸和人工神經網絡2種模型進行對比定量分析；王哲等[7]根據量化的指標構建模糊綜合評判矩陣對綿陽市地質災害進行評價；Chao Zhou[8]、Wei Chen[9]等把支持向量機中分類和預測方法應用到滑坡災害敏感性評價中；黃發明[10]認為基于聚類分析能更準確地預測滑坡柵格單元；張興龍[11]采用RS、GIS與Markov模型開展了滑坡動態預測研究；劉淵博等[12]從空間多源數據中提取致災因子，建立旋轉森林模型進行滑坡空間預測。上述模型雖然可以取得良好的結果，但仍存在一定的不足。如層次分析法評價因子的權重是依據經驗賦值，主觀性較強，人為干擾大。神經網絡模型是以局部搜索為依據，評價結果與所選樣本相關。

信息量模型原理清晰，且容易建模，能客觀地對各評價因素進行分級。譚玉敏等[13]通過遙感、GIS與信息量模型相結合進行地質災害易發性評價。安凱強等[14]從單一固定模型延伸到多種模型耦合關系，通過計算指標的信息量值建立信息量支持下的SVM模型，對三峽庫區滑坡災害易發性進行評價。因此，本文以略陽縣為研究區域，在地質災害形成機理的基礎上，總結地質災害形成機理和分布規律，選取造成地質災害發生的控制因素和誘發因素，通過信息量模型，計算各評價指標對地質災害的信息量值，并結合ArcGIS平臺空間分析計算，對地質災害易發性進行研究。

1 信息量模型

1.1 理論基礎

信息量模型的理論基礎是信息論，主要是通過熵的減少表征事物發生的可能性，應用于地質災害易發性評價的基本思想是通過已經發生的地質災害所計算的指標信息量值，進而轉化為對整個區域內的地質災害易發性的評價[15]。評價指標內計算的信息量值越大，表示該評價指標的貢獻率越大，用概率公式表示信息量值如下

(1)

式中，I(Y，x1，x2，…，xn)表示評價指標組合對地質災害提供的信息量值；P(Y，x1，x2，…，xn)表示評價指標組合條件下地質災害發生的可能性大小；P(Y)表示地質災害發生的可能性大小。

實際應用中，通常采用某一因素樣本統計結果計算其信息量值，再進行綜合分析疊加，其相應的信息量模型為

(2)

式中，Ii為評價單元總信息量值；n為評價指標總數；Ni為分布在因素內特定類別內的地質災害點個數；N為研究區地質災害點總數；Si為研究區含有評價因素的單元面積；S為研究區評價單元總面積。

1.2 建模流程

①通過基礎資料野外實地調查，分析研究區地質災害的空間分布特征，研究其分布關系及其規律。②研究區內地質災害形成條件與孕災環境，分別從地質災害控制因素和誘發因素方面選取評價指標。其中，控制因素包括高程、坡度、坡向、曲率、巖性、構造條件；誘發因素包括河流、道路、地震等。③利用ArcGIS的空間分析功能對各評價指標進行柵格化，通過式(2)計算各個評價單元的信息量值，重分類并生成各評價指標的信息量專題圖。④利用ArcGIS的疊加分析和柵格代數功能得到綜合信息量圖，并按統計學中的自然斷點法對結果進行重分類。⑤運用ROC曲線對信息量評價結果進行精度評價，由此得到AUC值，驗證信息量模型在本研究區的適用性和精確性。評價流程見圖1。

圖1 評價流程

2 數據分析

2.1 研究區概況

略陽縣行政隸屬于陜西省漢中市，位于漢中市西部，秦嶺山脈以南，長江支流嘉陵江與漢江上游，介于東經105°42′～106°31′，北緯33°07′～33°38′范圍內，全縣面積2 834 km2。略陽縣屬暖溫帶濕潤性季風氣候(Ⅳ區)，濕潤多雨，四季分明，地理環境復雜，地質環境脆弱，新構造運動活躍，深大斷裂發育。略陽縣發育的地質災害共有229處，其中滑坡186處，占災害總數的81%；崩塌、泥石流、地面塌陷共43處，僅占災害總數的19%。通過詳細調查資料和野外調查數據，境內地質災害具有成片成帶分布、規模差異大、發生頻率高等特點。略陽縣地質災害分布見圖2。

圖2 地質災害分布

2.2 地質災害控制因素

(1)高程。高程不僅影響大量的生物物理參數和人類工程活動，對土壤特性也有顯著影響。略陽縣高程在598～2 368 m范圍內，按照自然斷點法將高程分為5類。高程分類及信息量值見表1。從表1可知，598～1 160 m的高程范圍內，尤其是598～931 m范圍內，地質災害易于發生。

表1 高程分類及信息量值

(2)坡度。坡度表示坡面傾斜程度，略陽縣坡度范圍在0°～77°。坡度分類及信息量值見表2。從表2可知，略陽縣地質災害多發生在<20°區間內。

表2 坡度分類及信息量值

(3)坡向。坡向影響斜坡表面不同的光照強度，從而造成巖土體宏微觀力學特性的改變。坡向分類及信息量值見表3。從表3可知，研究區地質災害多發生南(S)、東南(SE)方向。

表3 坡向分類及信息量值

(4)曲率。曲率表示斜坡地表幾何形態的基本變量。曲率分類及信息量值見表4。從表4可知，凸坡與凹坡的信息量值均大于平坡，表明凸坡與凹坡更易發生地質災害。

表4 曲率分類及信息量值

(5)巖性。巖性是地質災害產生的物質基礎，略陽縣出露的巖石主要為各種變質巖系和具有一定變質程度的巖漿巖、沉積巖類。巖性分組及信息量值見表5。從5表可知，較易發生地質災害的巖性主要為千枚巖、頁巖和砂巖等。

表5 巖性分組及信息量值

(6)構造條件。略陽縣大地構造單元位于昆侖秦嶺東西向褶皺斷裂帶，地質構造線基本呈東西向延伸。構造緩沖距離分級信息量值見表6。從表6可知，地質災害易發性隨著與斷層距離的增加而減小，即距離構造越近，地質災害越容易發生。

通過計算各控制因素指標的信息量值，采用ArcGIS的空間分析功能，得到誘發因素評價指標分級圖(見圖3)。

表6 構造緩沖距離分級信息量值

圖3 控制因素評價指標分級

2.3 地質災害誘發因素

(1)河流。河流的作用主要表現為地表徑流沖刷河岸，降低岸坡支撐力，從而降低斜坡穩定性。略陽縣河網密布，水系發達，長江支流嘉陵江水系與漢江水系為流經略陽縣境內的主要河流。河流緩沖距離信息量值見表7。從表7可知，地質災害與河流距離之間為負相關關系，隨距離的增大而減小。

表7 河流緩沖距離信息量值

(2)道路。公路、鐵路等基礎設施工程的建設體現區內人類工程活動的強弱，略陽縣主要公路線有十天高速等；鐵路線有寶成線等。道路緩沖距離信息量值見表8。從表8可知，地質災害易發性隨著與道路距離的增大而減小，即距離道路越近，地質災害越容易發生。

表8 道路緩沖距離信息量值

(3)地震。地震是誘發境內各種地質災害發生的重要因素之一，本文選取地震動峰值加速度作為評價指標。根據相關資料顯示，略陽縣西部地區的地震動峰值加速度為0.2g，中部和東部為0.15g。地震動峰加速度分級及信息量值見表9。從表9可知，地質災害與地震動峰值加速度之間為正相關關系。

通過計算各誘發因素指標的信息量值，采用ArcGIS的空間分析功能，得到誘發因素評價指標分級圖(見圖4)。

3 地質災害易發性評價

3.1 評價結果

基于ArcGIS平臺對各評價指標專題信息量圖進行疊加分析，得到綜合信息量圖。略陽縣地質災害易發性評價結果見圖5，將其按照綜合信息量值的大小劃分為5類，即低易發區、較低易發區、中易發區和較高易發區和高易發區。從圖5可知，高和較高易發區總面積為824.813 km2，占全縣面積的29.1%，主要分布在東南部的黑河鎮和何家巖鎮、略陽城區人類工程活動強的區域、公路鐵路沿線和嘉陵江沿岸；低和較低易發區總面積為1 290.945 km2，占全縣面積的45.5%，主要分布在遠離河流與道路、人類工程活動低的區域與東北部地勢較平坦的地區。

圖4 誘發因素評價指標分級

圖5 略陽縣地質災害易發性評價結果

3.2 精度評價

ROC曲線(receiver operating characteristic curve)即受試者工作特征曲線，橫坐標為假陽性率(1-特異度)，縱坐標為真陽性率(即敏感度)。ROC曲線下的面積(Area Under Curve)即為AUC值，AUC評價指標值越大，則代表模型分類結果的準確性越高，即模型精度越高。略陽縣地質災害易發性評價結果ROC曲線見圖6。由圖6可知，信息量模型的AUC值為0.796，具有較高的精度和可靠性。

圖6 ROC曲線

4 結 語

本文在分析略陽縣地質環境，總結地質災害分布規律的基礎上，選取地質災害發生的控制因素與誘發因素，結合信息量模型與GIS平臺，開展了區域地質災害易發性評價，得到以下幾點認識：

(1)在地質災害易發性評價中，信息量模型與GIS空間分析功能相結合能客觀地生成評價成果，避免了其他因素的干擾。

(2)ROC曲線分析方法對本文信息量模型精度評價的結果表明，本文方法可靠，評價結果與實際情況一致。

(3)開展區域地質災害易發性評價，不僅對區內防災減災具有重要意義，還可為政府土地利用規劃提供科學依據。