基于GIS與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測(cè)

吳晶晶，江思義，吳秋菊，李海良，邱恩露

（1.南寧市自然資源信息集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 530029；3.廣西壯族自治區(qū)遙感中心，廣西 南寧 530023）

0 引言

對(duì)可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的狀況進(jìn)行易發(fā)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)具有重要的實(shí)際意義。隨著全國(guó)1∶50000地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的全面開(kāi)展，相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)。黃希明等［1］基于GIS對(duì)靈山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行研究；周海玲等［2］以桂東北平樂(lè)縣為例，對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性展開(kāi)了評(píng)價(jià)研究；江思義等［3］以北流市為例，利用GIS技術(shù)對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性展開(kāi)了評(píng)價(jià)研究；韋雪松等［4－5］利用GIS技術(shù)分別對(duì)廣西的田林縣和金秀瑤族自治縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性展開(kāi)了評(píng)價(jià)研究。相關(guān)的研究不勝枚舉，更加合理、有效、科學(xué)地評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性有待繼續(xù)研究。

1 研究區(qū)概況

賀州市平桂區(qū)地處桂東北，賀州市中部，坐標(biāo)為東經(jīng)111°12′～111°41′，北緯23°52′～24°34′，面積2 022 km2。平桂區(qū)地形復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)頻繁，主要為切坡建房或修路和礦山開(kāi)采，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，主要的地質(zhì)災(zāi)害類型為滑坡、崩塌（危巖），其次為不穩(wěn)定斜坡、巖溶地面塌陷和采空塌陷［6］。

2 數(shù)據(jù)處理及初始評(píng)價(jià)因子提取

2.1 數(shù)據(jù)處理及信息提取

崩塌滑坡的易發(fā)性評(píng)價(jià)首先要選擇一個(gè)合適的評(píng)價(jià)對(duì)象，即制圖單元。本次地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)使用網(wǎng)格單元，把地域劃分成規(guī)則的30 m×30 m方形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元分配一個(gè)因子的值（地形、地質(zhì)和土地利用類型等）。

2.2 初始評(píng)價(jià)因子提取

崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是各種內(nèi)、外影響因子綜合作用的產(chǎn)物。結(jié)合前人的研究資料和研究區(qū)的實(shí)際情況，選取的崩塌滑坡的易發(fā)性影響因素如下：

（1）坡度。坡度是影響崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要因素。坡度直接影響著坡體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，坡度與坡角應(yīng)力呈正比［7］。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀和相關(guān)的研究資料，按坡度大小將坡度因子分為8個(gè)等級(jí)，如表1，通過(guò)遙感解譯得到坡度劃分等級(jí)圖（如圖1a）。

（2）坡向。坡向決定了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，影響植被覆蓋、蒸發(fā)量、土壤含水率等，最終會(huì)影響斜坡地下水孔隙壓力的分布及巖土體物理力學(xué)特征［8］。把研究區(qū)坡向與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度情況分為8個(gè)等級(jí)，如表1，通過(guò)遙感解譯得到坡向劃分等級(jí)圖（如圖1b）。

（3）地層巖性與巖組。巖石的類型和軟硬程度以及層間結(jié)構(gòu)決定巖土體的物理力學(xué)特征，是崩塌、滑坡形成的重要影響因素和內(nèi)在條件之一。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)情況，把地層巖性與巖組分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到地層巖性劃分等級(jí)圖（如圖1c）。

（4）植被覆蓋。植被對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育和穩(wěn)定性具有深刻影響。反映植被覆蓋的一個(gè)重要指標(biāo)就是NDVI值，NDVI值越大，表示植被生長(zhǎng)力越高［9］。把研究區(qū)植被指數(shù)分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到植被指數(shù)劃分等級(jí)圖（如圖1d）。

（5）斷裂構(gòu)造。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與斷裂構(gòu)造有著密切的關(guān)系，地質(zhì)災(zāi)害常常產(chǎn)生在地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈、斷裂褶皺發(fā)育、巖層破碎的地區(qū)。根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造情況，把構(gòu)造影響區(qū)域分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到構(gòu)造劃分等級(jí)圖（如圖1e）。

（6）路網(wǎng)。道路的修建和運(yùn)營(yíng)對(duì)斜坡土體有一個(gè)擾動(dòng)作用，可能破壞土體的平衡，尤其是在土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)［10］。根據(jù)研究區(qū)路網(wǎng)分布情況，把路網(wǎng)影響區(qū)域分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到路網(wǎng)密度劃分等級(jí)圖（如圖1f）。

（7）土壤含水率。土壤含水率影響了非飽和土的抗剪強(qiáng)度，土壤黏聚力隨著土壤含水率的增加基本呈先增大后減小之趨勢(shì)。根據(jù)研究區(qū)土壤含水率情況，把土壤含水率分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到土壤含水率劃分等級(jí)圖（如圖1g）。

（8）曲率。剖面曲率是對(duì)地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，可以間接地表示坡面形態(tài)。把研究區(qū)曲率分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到曲率劃分等級(jí)圖（如圖1h）。

（9）居民地密度。居民地密度直接反映了與人類居住相關(guān)的工程活動(dòng)強(qiáng)度大小。把研究區(qū)居民地密度分為8個(gè)等級(jí)，如表1，得到居民地密度劃分等級(jí)圖（如圖1i）。

圖1 研究區(qū)崩塌滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)影響因子處理結(jié)果

以平桂區(qū)為例對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，影響因子歸一化處理見(jiàn)表1。

表1 崩塌滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)影響因子等級(jí)評(píng)分表

3 基于粗糙集的影響因子評(píng)價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)開(kāi)放的非線性系統(tǒng)，地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育過(guò)程十分復(fù)雜，影響地質(zhì)災(zāi)害的因素眾多。確定哪些因素是影響地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本項(xiàng)目采用粗糙集理論方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析，找出對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生相關(guān)性高的因素。

在粗糙集理論中，一個(gè)知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)可由四元序組表示，即：S＝（U，I，V，f）

式中：U＝（x1，x2，…，xm）為論域，是指對(duì)象的有限非空集合，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，為災(zāi)害點(diǎn)；I＝（a1，a2，…，an）為有限非空的屬性集合，與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的因素，且I＝C∪D，C為條件屬性，D為決策屬性；V為相應(yīng)屬性a的值域；f為信息函數(shù)，f：U×I→V，f（x，a）∈V。為減少計(jì)算量且保證樣本具有代表性，選擇研究區(qū)部分柵格單位作為論域，包括469個(gè)災(zāi)害柵格和531個(gè)非災(zāi)害柵格，共計(jì)1 000個(gè)對(duì)象（根據(jù)每個(gè)縣災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)量進(jìn)行選取），計(jì)算過(guò)程如下：

（1）根據(jù)粗糙集理論，構(gòu)建研究區(qū)崩塌、滑坡易發(fā)性初始決策表，對(duì)象條件屬性為初始評(píng)價(jià)因子，是否為災(zāi)害區(qū)域（1表示災(zāi)害區(qū)域，0表示非災(zāi)害區(qū)域）為對(duì)象決策屬性，采用表1中各屬性分段區(qū)間的特征值進(jìn)行量化，其中，I為屬性集合，U為論域，I＝C∪D，條件屬性C＝（c1，c2，…，c13），決策屬性D表示是否為地質(zhì)災(zāi)害［11］，初始決策見(jiàn)表2。

表2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性初始決策表格（部分）

（2）基于粗糙集理論及遺傳約簡(jiǎn)算法，選取遺傳變異概率Pm＝0.02，交叉概率Pc＝0.6，最大迭代次數(shù)300，訓(xùn)練種群規(guī)模M＝500，實(shí)現(xiàn)約簡(jiǎn)。多次計(jì)算后，挑選依賴度γc（D）≥0.9的62組結(jié)果作為篩選依據(jù)，將各指標(biāo)在最優(yōu)個(gè)體中出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終篩選結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 初始評(píng)價(jià)因子約簡(jiǎn)情況統(tǒng)計(jì)表

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前應(yīng)用最為廣泛的一種具有指導(dǎo)性的訓(xùn)練模型，采用包括一個(gè)輸入層、一個(gè)隱藏層和一個(gè)輸出層的三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)（模型）結(jié)構(gòu)圖

輸入層為易發(fā)性的評(píng)價(jià)因子，包括坡度、坡向、植被指數(shù)、斷裂構(gòu)造、植被覆蓋等。節(jié)點(diǎn)的作用函數(shù)選用S型函數(shù)：

隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能具有一定的影響，隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)少則學(xué)習(xí)容量有限，不足以存儲(chǔ)訓(xùn)練樣本中蘊(yùn)涵的所有規(guī)律；隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)多，則不僅會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的時(shí)間，還會(huì)存儲(chǔ)樣本中非規(guī)律性的內(nèi)容，反而降低其泛化能力。隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的計(jì)算公式為：

式中：Nh為隱藏層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；Ni為輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)后，將整個(gè)研究區(qū)置于網(wǎng)絡(luò)中判斷崩塌滑坡易發(fā)性，獲得每一柵格中的易發(fā)性值，之后在GIS環(huán)境轉(zhuǎn)化柵格數(shù)據(jù)，生成崩塌滑坡易發(fā)性圖。

4.2 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果

（1）地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。該區(qū)地質(zhì)環(huán)境相對(duì)惡劣，地質(zhì)災(zāi)害充分發(fā)育。主要分布于北部（主要包括寨腳塘、車底、西田口等區(qū)域），西部（主要包括山腳、東沖、楓樹(shù)頭等區(qū)域）。

（2）地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)。該區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件差，地質(zhì)災(zāi)害中等發(fā)育。分布于北部（主要包括豐底、八仙沖、樟樹(shù)坳、白祖、社山腳等區(qū)域），中部（主要包括大河、東沖、輝洞、羅家寨、河背、樟坪等區(qū)域），南部（主要包括車山、閘平、石碑、車山等區(qū)域）。

（3）地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)。該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較少，分布在北部（主要包括馬古槽、社山腳、萬(wàn)友等區(qū)域），中部（主要包括桐沖、文旺沖、羊尾、馬山肚、上龍等區(qū)域），南部（主要包括芙蓉尾、祖口、桐木、車山、利合、石碑等區(qū)域）。具體見(jiàn)圖3。

圖3 平桂區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖

5 結(jié)論

（1）本文結(jié)合平桂區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的形成條件、影響因素、災(zāi)害特征和已有研究成果，選取了9個(gè)易發(fā)性分區(qū)的地質(zhì)環(huán)境因素，探討了借助ArcGIS平臺(tái)優(yōu)化選取樣本的方法；利用IDL語(yǔ)言調(diào)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具建立了GIS和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型。

（2）由于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是各種內(nèi)、外影響因子綜合作用的產(chǎn)物，各個(gè)因素對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的權(quán)重貢獻(xiàn)很難用簡(jiǎn)單的線性模型映射能力，影響因素特征不同，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性權(quán)重函數(shù)隨之產(chǎn)生變化，從而更加逼近真實(shí)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)情況。