基于空間多準(zhǔn)則決策分析的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究

梁旭

（湖北鐵道運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評(píng)價(jià)可以認(rèn)為是由地質(zhì)等因素引發(fā)的，需要決策者做出最終決策方案的空間決策問(wèn)題，其準(zhǔn)確性直接影響著人們生命財(cái)產(chǎn)的安全。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的不確定性、地質(zhì)環(huán)境的特殊性以及評(píng)價(jià)因子選取的復(fù)雜性等因素，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果受到諸多因素的影響。目前常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法大多無(wú)法解決地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中準(zhǔn)則相互沖突的問(wèn)題。空間多準(zhǔn)則決策分析(Spatial Multi-Criteria Decision Analysis，SMCDA) 是將多準(zhǔn)則決策分析方法(Multi-Criteria Decision Analysis，MCDA)應(yīng)用到包含有空間元素的決策問(wèn)題的方法，具有對(duì)每個(gè)備選準(zhǔn)則都能同等對(duì)待，并在可能相互矛盾、不一致的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下確定準(zhǔn)則的特點(diǎn)，考慮將該方法運(yùn)用到滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，為決策者提供有效的決策支持[1]。

本研究以福建省滑坡災(zāi)害為研究對(duì)象，構(gòu)建基于GIS的空間多準(zhǔn)則決策分析模型，從決策者決策角度出發(fā)，通過(guò)層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)科學(xué)客觀地量化決策者的個(gè)人偏好，完成滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)分析。基于空間多準(zhǔn)則決策分析的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法解決了滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中準(zhǔn)則相互沖突的問(wèn)題，為滑坡災(zāi)害的易發(fā)性評(píng)價(jià)研究提供了新思路。

2 空間多準(zhǔn)則決策模型

2.1 空間多準(zhǔn)則決策分析

多準(zhǔn)則決策分析是現(xiàn)代決策科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是在幾個(gè)已知的備選方案條件下，決策者依據(jù)其個(gè)人偏好參照多個(gè)可能相互矛盾的評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)已知的備選方案進(jìn)行優(yōu)劣排序的過(guò)程[2]。空間多準(zhǔn)則決策是通過(guò)結(jié)合地理數(shù)據(jù)和價(jià)值判斷來(lái)獲取決策信息的過(guò)程，空間多準(zhǔn)則決策分析是利用多準(zhǔn)則決策分析方法來(lái)解決包含有空間元素的決策問(wèn)題。

2.2 基于層次分析法的空間多準(zhǔn)則決策分析

目前，我國(guó)采用基于GIS的多準(zhǔn)則決策分析方法主要分為兩大類，一類是基于邏輯交集、并集運(yùn)算的布爾決策；另一類是基于連續(xù)變量標(biāo)準(zhǔn)化的權(quán)重組合決策，包括權(quán)重線性組合決策和次序權(quán)重平均決策[3]。但這兩種方法還存在一定的不足，主要體現(xiàn)在評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的選取和權(quán)重系數(shù)的確定。

基于層次分析法的空間多準(zhǔn)則決策分析是把復(fù)雜的決策問(wèn)題層次化，將決策問(wèn)題按總目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，乃至決策方案的順序劃分為不同的層次結(jié)構(gòu)。借助GIS技術(shù)建立空間多準(zhǔn)則決策分析模型，利用層次分析法來(lái)確定準(zhǔn)則和準(zhǔn)則權(quán)重。

3 基于空間多準(zhǔn)則決策分析的福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型

3.1 福建省滑坡災(zāi)害特征分析

根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，福建省地質(zhì)災(zāi)害主要包含滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷四種類型，其中滑坡地質(zhì)災(zāi)害是分布最廣、危害最大的災(zāi)害類型，它具有發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、分布廣泛、規(guī)模較小、以土質(zhì)為主以及大多數(shù)與人類工程活動(dòng)相關(guān)等特點(diǎn)[4]。而福建省滑坡災(zāi)害的發(fā)生主要取決于以下兩點(diǎn)原因：一是內(nèi)在因素指滑坡本身特性，如地形地貌、地層巖性等；二是外部因素，如地震、降雨、人類工程活動(dòng)等。

3.2 基于空間多準(zhǔn)則決策分析的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型

（1）評(píng)價(jià)因子的選取

根據(jù)福建省內(nèi)滑坡災(zāi)害特征分析及形成機(jī)理，選取災(zāi)害點(diǎn)分布密度、地形地貌、地層巖性、氣象條件和人類工程活動(dòng)五個(gè)易發(fā)因子作為誘發(fā)福建省滑坡災(zāi)害的主要致災(zāi)因素，并以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)模型的研究基礎(chǔ)[5]。

（2）確定層次結(jié)構(gòu)模型

對(duì)上述選取的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，建立由上而下的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

（3）構(gòu)造層次判斷矩陣

根據(jù)層次分析法的層次劃分原理，利用選取的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：災(zāi)害點(diǎn)分布密度、地層巖性、地貌條件、氣象條件及人類工程活動(dòng)，建立兩兩比較矩陣。其中，用1～9來(lái)確定兩兩指標(biāo)間重要性。目標(biāo)層A對(duì)準(zhǔn)則層B的兩兩比較判斷矩陣如表1所示。

根據(jù)層次分析法權(quán)向量的計(jì)算公式，得表1中判斷矩陣的最大特征根λmax=5.1463，CI=(λmax-n)/(n-1)=0.036575，則檢驗(yàn)指標(biāo)CR=CI/RI=0.03265625 ＜0.1，判斷矩陣有較好的一致性。λmax對(duì)應(yīng)的矩陣特征向量為：(0.3251,0.4576,0.7681,0.2457,0.1858)T，歸一化特征向量得福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分別為WB1=0.1640、WB2=0.2308、WB3=0.3875、WB4=0.1239、WB5=0.0937。

表1 一級(jí)易發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣表

從權(quán)重值可以看出，最大的權(quán)重值是WB3，即影響福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中最重要的因素是地形地貌，其余依次為地層巖性、災(zāi)害點(diǎn)分布密度、氣象條件、人類工程活動(dòng)。

同理根據(jù)準(zhǔn)則層B 對(duì)子準(zhǔn)則層C 的易發(fā)因子兩兩比較判斷矩陣和子準(zhǔn)則層C 對(duì)目標(biāo)層A 的層次總排序權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 判斷矩陣層次總排序表

經(jīng)計(jì)算，子準(zhǔn)則層C對(duì)目標(biāo)層A的檢驗(yàn)指標(biāo)CR=CI/RI= =0.0324＜0.1，可見(jiàn)層次總排序結(jié)果的一致性較為滿意。層次總排序的結(jié)果反映了各個(gè)易發(fā)因子評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的貢獻(xiàn)大小和相對(duì)重要性。其中，C7 地形坡度60°～90°這一指標(biāo)最為顯著，其次為C5碳酸鹽組及軟質(zhì)鹽組。

（4）滑坡災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)計(jì)算

利用層次分析法，借助GIS軟件計(jì)算滑坡災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)，計(jì)算公式為：

其中：B為滑坡災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；aj為權(quán)重；Nj為單元影響指數(shù)。

根據(jù)B的值以及研究區(qū)的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，對(duì)滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)可以分為5個(gè)等級(jí)，依次為滑坡災(zāi)害易發(fā)高區(qū)B＞0.8，滑坡災(zāi)害易發(fā)較高區(qū)B為0.6～0.8，滑坡災(zāi)害易發(fā)中區(qū)B為0.6～0.3，滑坡災(zāi)害易發(fā)低區(qū)B為0.1～0.3，滑坡災(zāi)害不發(fā)育區(qū)B＜0.1。

4 研究區(qū)實(shí)驗(yàn)ROC曲線檢驗(yàn)

受試者工作特征曲線(Receiver Operating Characteristic Curve，ROC曲線)是關(guān)于檢測(cè)閾值的函數(shù)曲線。將模型最后的權(quán)重值作為診斷值，以及模型預(yù)測(cè)結(jié)果值導(dǎo)入SPSS 軟件中進(jìn)行ROC曲線分析，所得結(jié)果如圖2，表3所示。

表3 ROC曲線下面積

圖2 ROC曲線

ROC 曲線下面積(Area Under Curve，AUC)即ROC 曲線與其下方坐標(biāo)軸圍成的多邊形面積，用來(lái)標(biāo)志模型的準(zhǔn)確性。AUC值介于0.5～1，AUC越接近于1，說(shuō)明模型準(zhǔn)確性越高。從圖3 的結(jié)果可以看出，空間多準(zhǔn)則決策分析模型的AUC值為0.852，說(shuō)明空間多準(zhǔn)則決策分析模型準(zhǔn)確性較高，同時(shí)曲線呈明顯的“凸型”，表明滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果是理想的，說(shuō)明空間多準(zhǔn)則決策分析模型可以應(yīng)用到福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究中并具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)福建省滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)的調(diào)查與分析，本文研究了該研究區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)分布密度、地形地貌、巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動(dòng)等相關(guān)資料，將空間多準(zhǔn)則決策分析方法應(yīng)用到福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)與區(qū)劃中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將空間多準(zhǔn)則決策分析方法應(yīng)用于福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是合理的。但由于滑坡災(zāi)害的影響因素具有復(fù)雜多樣性以及研究過(guò)程中的局限性，本研究在進(jìn)行福建省滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的深度和廣度上還存在著不足，還有待進(jìn)一步完善和提高。

（1）雖然文中列舉了引發(fā)福建省滑坡災(zāi)害的主要影響因素，但諸如地震、地下水等易發(fā)因子未納入考慮范圍。

（2）在進(jìn)行滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃中，滑坡災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)的分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)具體的研究區(qū)概況進(jìn)一步完善，以提升研究區(qū)區(qū)劃結(jié)果的精確性和可靠性。

（3）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，只是單純的應(yīng)用ROC曲線來(lái)分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，沒(méi)有考慮到結(jié)合其他檢驗(yàn)方法(如Kappa、卡爾曼濾波等)進(jìn)行對(duì)比分析，在驗(yàn)證方面可能存在不夠精確的問(wèn)題。

滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究是一個(gè)復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過(guò)程，本文所做的研究還處于一個(gè)初期的摸索階段，后期的研究還需要對(duì)數(shù)學(xué)模型做進(jìn)一步的完善，以提高結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性。