基于加權信息量法的成家莊地質災害敏感性評價研究

王小浩 唐亞明 馮衛 王浩

摘? 要：通過對晉陜黃土高原河曲-韓城段成家莊鎮圖幅（J49E015012）1：5萬地質災害野外調查，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個因素作為地質災害敏感性影響因子。利用ArcGIS空間分析功能，采取加權信息量法對圖幅范圍災害敏感性研究，將研究區分為高易發區、中易發區、低易發區與極低易發區4類，敏感性分區圖與野外調查情況基本一致，其AUC評價指標值為0.90，該方法預測精度較高，對區域地質災害野外調查重點區劃具有一定指導意義，為區域防災減災提供科學依據。

關鍵詞：信息量法;地質災害;GIS;敏感性評價;層次分析法

中圖分類號：P694? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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）

隨著人類經濟社會的不斷發展，人口迅速增長及人類工程經濟活動強度的增加，地質災害的發生頻率、影響范圍和危害程度也在不斷增長，已嚴重威脅人類生命財產安全。開展地質災害危險性區劃研究，進行地質災害危險性評價具有非常重要的理論與實際意義[1]。近年來，對地質災害研究不斷深入，從定性方法與定量方法兩個方面已提出很多評價地質災害敏感性的數學模型。定量方法有證據權、信息量、隨機森林、支持向量機等，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計預測方法，廣泛用于環境地質研究中[4]。本文通過對晉陜黃土高原河曲-韓城段地質災害調查項目成家莊鎮圖幅地質災害進行野外調查，采用層次分析法與信息量法相結合客觀的對該圖幅災害敏感性進行評價，對地質災害野外調查重點區劃分具有一定指導意義。

1 研究區地質背景及地質災害發育概況

研究區位于晉陜黃土高原河曲-韓城中部，坐標范圍為經度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，局部地區出露灰巖、白云質灰巖，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、春季多風沙、夏季多雨、冬季氣溫較低。災害主要發育于沿黃公路及黃河支流溝道內（圖1）。主要地質災害為滑坡、崩塌，人工修筑沿黃公路對災害發生影響較大，災害點共158個，總面積為3.69km2，約占研究區總面積4.66%。

沿黃公路災害主要分為基巖危巖體與黃土斜坡體，危險性較大，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，易堵塞溝道（圖2）。

2 基于信息量法的地質災害敏感性評價

2.1 加權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域的現實情況和所得到的信息，把反映各種影響區域穩定性因素的實測值轉換為影響該區域穩定性的信息量值，其實也就是用信息量的大小來評價影響因素與研究對象關系的密切程度[5]。定量評價因子對結果影響程度的數學運算模型，評價因子的信息量表達式如下：

式中：S-已知調查區域面積;N-災點個數;Si-某因素面積;Ni某因素內災點個數。

層次分析法，簡稱AHP，首先構建判斷矩陣，同層n個因子相互運用九分位比例標度進行重要性判斷，兩兩對比各因子相對重要程度;其次歸一化處理矩陣，通過計算矩陣特征值與特征向量，計算每個因子的權重Wi;最后對權重值進行一致性檢驗，計算一致性檢驗指標CI，與判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI比較，當CR小于0.10時，該判斷矩陣滿足一致性，計算權重值可靠。區域地質災害敏感型指數S。

Ii<0表示該單元變形破壞的可能性小于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等于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大于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[6]。

2.2 研究區地質災害敏感性分析

地理空間數據云下載DEM數字高程數據，分辨率為30m×30m，結合1：5萬地質圖，地形圖，野外調查158個災害點。研究區自然條件、地形地貌特征、基巖差異風化、人類工程活動等均對災害發育有一定影響。綜上所述本文證據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，人為因子有道路、土地利用類型，研究區敏感性分析，分別用公式（1）、（2）、（3）計算，得到各因子各分級的信息量值如表1。

綜上信息量結果對災害敏感性進行分類：Ii>2，最利于災害發生;2>Ii>1，利于災害發育;1>Ii>0.5，較利于災害發育;Ii>0，對災害發育有一定影響。

研究區高程598m-732m范圍內較利于災害發育，高程較低區域人類活動劇烈，災害易發;坡度26°-58°范圍內較利于災害發育，坡度越大，災害易發;坡向北方向較利于災害發育，北部季風氣候影響，災害易發;粗糙度1.197-1.798最利于災害發育，粗糙度越大，斜坡面破碎程度越大，災害易發;砂泥巖互層較利于災害發育，黃河沿岸人工修筑沿黃公路，切坡造成不穩定斜坡，災害易發;距離河流0m-100m內較利于災害發育，沿黃公路及鄉村公路切坡造成，災害易發;距離道路0m-100m內利于災害發育，人工切坡影響斜坡穩定性，災害易發;居民區人工活動劇烈，較利于災害發育。

將上述計算信息量值代替原始分級標準，利用ArcGIS空間分析功能得到各因子評價分析結果，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

基于上述ArcGIS對各因子評價分析結果，結合層次分析法對各因子權重計算值Wi，利用ArcGIS進行疊加分析，得到研究區災害敏感性分區圖（圖3（i））。

利用自然斷點法將研究區災害敏感性分為四類：高易發區、中易發區、低易發區、極低易發區，基于災害敏感性分區圖，統計每個易發區災害點個數及各分區柵格數，分析災害點及面積占比見表2。

高易發區面積為57.68km2，占研究區總面積14%，災害點占總災害點65%，主要分布于晉陜交界黃河兩側沿黃公路、柳林黃河支流溝道;低、極低易發區面積為243.08km2，占研究區總面積59%，災害點占總災害點8%，主要為呂梁市、柳林高程較高、遠離河流、道路區域，與野外調查情況基本吻合，且具有較高評價準確性。

基于上述災害敏感性分區統計，進行災害敏感性精度評價，繪制ROC曲線（圖4），ROC曲線下面積為AUC，加權信息量法得到AUC評價指標值為0.90，評價結果具較高的精度和可靠性。

4 結論

本文基于野外地質災害調查，室內整理資料分析，分析災害發育規律，選取災害影響因子，結合加權信息量法與ArcGIS空間分析功能，對成家莊鎮圖幅地質災害敏感性評價，得到以下結論：

（1）信息量法分析結果與野外調查情況基本一致，各因子對形成地質災害的敏感性大小為：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、人類活動聚居、巖性、降雨、河流、節理裂隙發育程度等都是災害發育重要因素。

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

（3）對研究區進行災害敏感性評價，對地質學者掌握區內地災規律和地災預測具有重要意義，為該地區地質災害防災減災具有一定的指導價值。

參考文獻：

[1]魏江波.基于GIS的眉縣地質災害危險性評價[J].科技創新與應用，2017（19）：178-179.

[2]殷坤龍，朱良峰.滑坡災害空間區劃及GIS應用研究[J].地學前緣，2001，8（2）：279-284.

[3]趙建華，陳漢林，楊樹鋒.滑坡災害危險性評價模型比較[J].自然災害學報，2006，15（1）：128-134.

[4]王佳佳，殷坤龍，肖莉麗.基于GIS和信息量的滑坡災害易發性評價——以三峽庫區萬州區為例[J].巖石力學與工程學報，2014，33（04）：797-808.

[5]魏江波，趙洲.基于加權確定性系數法的地質災害易發性分析[J].煤田地質與勘探，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災害危險性區劃中的應用[J].成都理工學院學報，2001（01）：89-92.