基于加權(quán)信息量法的成家莊地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)研究

王小浩 唐亞明 馮衛(wèi) 王浩

摘? 要：通過對晉陜黃土高原河曲-韓城段成家莊鎮(zhèn)圖幅（J49E015012）1：5萬地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查，收集分析資料，選取高程、坡度、坡向、粗糙度、地層、河流、道路、土地利用類型8個(gè)因素作為地質(zhì)災(zāi)害敏感性影響因子。利用ArcGIS空間分析功能，采取加權(quán)信息量法對圖幅范圍災(zāi)害敏感性研究，將研究區(qū)分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)與極低易發(fā)區(qū)4類，敏感性分區(qū)圖與野外調(diào)查情況基本一致，其AUC評價(jià)指標(biāo)值為0.90，該方法預(yù)測精度較高，對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查重點(diǎn)區(qū)劃具有一定指導(dǎo)意義，為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：信息量法;地質(zhì)災(zāi)害;GIS;敏感性評價(jià);層次分析法

中圖分類號(hào)：P694? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0063-05

Abstract： Based on the field investigation of geological hazards in Chengjiazhuang Town Map （J49E015012） of Hequ-Hancheng section of Shanxi-Shaanxi Loess Plateau， the data were collected and analyzed. Eight factors such as elevation， slope， aspect， roughness， stratum， river， road and land use type were selected as the influencing factors of geological hazard sensitivity. By using the function of ArcGIS spatial analysis， the weighted information method is used to study the disaster sensitivity of the map range. The study is divided into four types： high incidence area， medium risk area， low risk area and extremely low risk area. The sensitivity zoning map is basically consistent with the field investigation， and the AUC evaluation index value is 0.90. The prediction accuracy of this method is high， which has a certain guiding significance for the key regionalization of regional geological hazard field investigation， so as to provide scientific basis for regional disaster prevention and reduction.

Keywords： information quantity method; geological hazard; GIS; sensitivity evaluation; analytic hierarchy process （AHP）

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人口迅速增長及人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度的增加，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率、影響范圍和危害程度也在不斷增長，已嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全。開展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)具有非常重要的理論與實(shí)際意義[1]。近年來，對地質(zhì)災(zāi)害研究不斷深入，從定性方法與定量方法兩個(gè)方面已提出很多評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害敏感性的數(shù)學(xué)模型。定量方法有證據(jù)權(quán)、信息量、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等，定性方法有專家打分、層次分析法等[2-3]。

信息量法是從信息理論中引出的一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法，廣泛用于環(huán)境地質(zhì)研究中[4]。本文通過對晉陜黃土高原河曲-韓城段地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目成家莊鎮(zhèn)圖幅地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行野外調(diào)查，采用層次分析法與信息量法相結(jié)合客觀的對該圖幅災(zāi)害敏感性進(jìn)行評價(jià)，對地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查重點(diǎn)區(qū)劃分具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概況

研究區(qū)位于晉陜黃土高原河曲-韓城中部，坐標(biāo)范圍為經(jīng)度110°45′-111°，緯度37°30′-37° 40′，幅員412km2，黃河及支流溝道以淺灰綠色、灰紅色砂泥巖互層為主，局部地區(qū)出露灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，偶見紅黏土出露，坡面出露亞砂土，坡頂亞砂土出露。屬中溫帶干旱氣候，晝夜溫差大、春季多風(fēng)沙、夏季多雨、冬季氣溫較低。災(zāi)害主要發(fā)育于沿黃公路及黃河支流溝道內(nèi)（圖1）。主要地質(zhì)災(zāi)害為滑坡、崩塌，人工修筑沿黃公路對災(zāi)害發(fā)生影響較大，災(zāi)害點(diǎn)共158個(gè)，總面積為3.69km2，約占研究區(qū)總面積4.66%。

沿黃公路災(zāi)害主要分為基巖危巖體與黃土斜坡體，危險(xiǎn)性較大，對沿黃公路過往車輛及人員安全造成威脅，黃河支流溝道滑坡易發(fā)，易堵塞溝道（圖2）。

2 基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)

2.1 加權(quán)信息量法的基本理論

信息量法是通過對已知的變形或破壞區(qū)域的現(xiàn)實(shí)情況和所得到的信息，把反映各種影響區(qū)域穩(wěn)定性因素的實(shí)測值轉(zhuǎn)換為影響該區(qū)域穩(wěn)定性的信息量值，其實(shí)也就是用信息量的大小來評價(jià)影響因素與研究對象關(guān)系的密切程度[5]。定量評價(jià)因子對結(jié)果影響程度的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，評價(jià)因子的信息量表達(dá)式如下：

式中：S-已知調(diào)查區(qū)域面積;N-災(zāi)點(diǎn)個(gè)數(shù);Si-某因素面積;Ni某因素內(nèi)災(zāi)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

層次分析法，簡稱AHP，首先構(gòu)建判斷矩陣，同層n個(gè)因子相互運(yùn)用九分位比例標(biāo)度進(jìn)行重要性判斷，兩兩對比各因子相對重要程度;其次歸一化處理矩陣，通過計(jì)算矩陣特征值與特征向量，計(jì)算每個(gè)因子的權(quán)重Wi;最后對權(quán)重值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI，與判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI比較，當(dāng)CR小于0.10時(shí)，該判斷矩陣滿足一致性，計(jì)算權(quán)重值可靠。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害敏感型指數(shù)S。

Ii<0表示該單元變形破壞的可能性小于區(qū)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等于區(qū)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大于區(qū)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[6]。

2.2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析

地理空間數(shù)據(jù)云下載DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，分辨率為30m×30m，結(jié)合1：5萬地質(zhì)圖，地形圖，野外調(diào)查158個(gè)災(zāi)害點(diǎn)。研究區(qū)自然條件、地形地貌特征、基巖差異風(fēng)化、人類工程活動(dòng)等均對災(zāi)害發(fā)育有一定影響。綜上所述本文證據(jù)因子類型分為地形因子、自然因子、人為因子三類，地形因子有高程、坡度、坡向、粗糙度，自然因子包含河流、地質(zhì)，人為因子有道路、土地利用類型，研究區(qū)敏感性分析，分別用公式（1）、（2）、（3）計(jì)算，得到各因子各分級的信息量值如表1。

綜上信息量結(jié)果對災(zāi)害敏感性進(jìn)行分類：Ii>2，最利于災(zāi)害發(fā)生;2>Ii>1，利于災(zāi)害發(fā)育;1>Ii>0.5，較利于災(zāi)害發(fā)育;Ii>0，對災(zāi)害發(fā)育有一定影響。

研究區(qū)高程598m-732m范圍內(nèi)較利于災(zāi)害發(fā)育，高程較低區(qū)域人類活動(dòng)劇烈，災(zāi)害易發(fā);坡度26°-58°范圍內(nèi)較利于災(zāi)害發(fā)育，坡度越大，災(zāi)害易發(fā);坡向北方向較利于災(zāi)害發(fā)育，北部季風(fēng)氣候影響，災(zāi)害易發(fā);粗糙度1.197-1.798最利于災(zāi)害發(fā)育，粗糙度越大，斜坡面破碎程度越大，災(zāi)害易發(fā);砂泥巖互層較利于災(zāi)害發(fā)育，黃河沿岸人工修筑沿黃公路，切坡造成不穩(wěn)定斜坡，災(zāi)害易發(fā);距離河流0m-100m內(nèi)較利于災(zāi)害發(fā)育，沿黃公路及鄉(xiāng)村公路切坡造成，災(zāi)害易發(fā);距離道路0m-100m內(nèi)利于災(zāi)害發(fā)育，人工切坡影響斜坡穩(wěn)定性，災(zāi)害易發(fā);居民區(qū)人工活動(dòng)劇烈，較利于災(zāi)害發(fā)育。

將上述計(jì)算信息量值代替原始分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS空間分析功能得到各因子評價(jià)分析結(jié)果，分別為高程、坡度、坡向、粗糙度、地層巖性、水系、道路、土地利用類型圖（圖3）

3 敏感性評價(jià)

基于上述ArcGIS對各因子評價(jià)分析結(jié)果，結(jié)合層次分析法對各因子權(quán)重計(jì)算值Wi，利用ArcGIS進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)災(zāi)害敏感性分區(qū)圖（圖3（i））。

利用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)災(zāi)害敏感性分為四類：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)，基于災(zāi)害敏感性分區(qū)圖，統(tǒng)計(jì)每個(gè)易發(fā)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)及各分區(qū)柵格數(shù)，分析災(zāi)害點(diǎn)及面積占比見表2。

高易發(fā)區(qū)面積為57.68km2，占研究區(qū)總面積14%，災(zāi)害點(diǎn)占總災(zāi)害點(diǎn)65%，主要分布于晉陜交界黃河兩側(cè)沿黃公路、柳林黃河支流溝道;低、極低易發(fā)區(qū)面積為243.08km2，占研究區(qū)總面積59%，災(zāi)害點(diǎn)占總災(zāi)害點(diǎn)8%，主要為呂梁市、柳林高程較高、遠(yuǎn)離河流、道路區(qū)域，與野外調(diào)查情況基本吻合，且具有較高評價(jià)準(zhǔn)確性。

基于上述災(zāi)害敏感性分區(qū)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行災(zāi)害敏感性精度評價(jià)，繪制ROC曲線（圖4），ROC曲線下面積為AUC，加權(quán)信息量法得到AUC評價(jià)指標(biāo)值為0.90，評價(jià)結(jié)果具較高的精度和可靠性。

4 結(jié)論

本文基于野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，室內(nèi)整理資料分析，分析災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，選取災(zāi)害影響因子，結(jié)合加權(quán)信息量法與ArcGIS空間分析功能，對成家莊鎮(zhèn)圖幅地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)，得到以下結(jié)論：

（1）信息量法分析結(jié)果與野外調(diào)查情況基本一致，各因子對形成地質(zhì)災(zāi)害的敏感性大小為：粗糙度>道路>高程>水系>坡向>巖性>土地利用類型，沿黃公路修筑、人類活動(dòng)聚居、巖性、降雨、河流、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等都是災(zāi)害發(fā)育重要因素。

（2）地災(zāi)敏感性評價(jià)過程，加權(quán)信息量法分層對各因子評價(jià)分析，一定程度避免因子賦權(quán)主觀性，還考慮各因子正負(fù)信息量值，綜合評價(jià)，結(jié)合ArcGIS空間分析，結(jié)果較客觀;用ROC曲線分析方法對結(jié)果精度進(jìn)行評價(jià)，具有較高的精度和可靠性。

（3）對研究區(qū)進(jìn)行災(zāi)害敏感性評價(jià)，對地質(zhì)學(xué)者掌握區(qū)內(nèi)地災(zāi)規(guī)律和地災(zāi)預(yù)測具有重要意義，為該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏江波.基于GIS的眉縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（19）：178-179.

[2]殷坤龍，朱良峰.滑坡災(zāi)害空間區(qū)劃及GIS應(yīng)用研究[J].地學(xué)前緣，2001，8（2）：279-284.

[3]趙建華，陳漢林，楊樹鋒.滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)模型比較[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15（1）：128-134.

[4]王佳佳，殷坤龍，肖莉麗.基于GIS和信息量的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)——以三峽庫區(qū)萬州區(qū)為例[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（04）：797-808.

[5]魏江波，趙洲.基于加權(quán)確定性系數(shù)法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2018，46（06）：108-114.

[6]阮沈勇，黃潤秋.基于GIS的信息量法模型在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中的應(yīng)用[J].成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（01）：89-92.