基于多尺度分析和綜合評價法的登封市地質災害易發性評價

王瑞瑞， 劉 冰

(1.河南省地質礦產勘查開發局 測繪地理信息院，河南 鄭州 450001； 2.河南省天空地遙感智能監測工程技術研究中心，河南 鄭州 450001;3.河南省自然資源天空地遙感智能監測研究科技創新中心，河南 鄭州 450001； 4.信息工程大學，河南 鄭州 450001)

中國地質條件復雜，地質災害頻發，對人們的生命財產安全和自然地理環境產生顯著影響[1-2]。地質災害的發生與人類工程活動、地形地貌、地質構造、降雨等人為和自然因素有著密不可分的關系，而且在不同地區的發生頻率有著顯著的差異[3]。因此，基于已有歷史數據、地形地貌、地質構造、人類活動等因素，對地質災害的易發性進行區域劃分，對輔助地質災害的預防、調查等工作具有重要意義。從20世紀90年代至今，許多國內外學者對地質災害易發性進行了深入的研究，使得地質災害分區理論得到迅速發展。但是，以往研究者在地質災害易發性評價過程中，對于評價指標的選取一般只考慮了地形地貌、地質構造、降雨、人類工程活動等因素，而歷史地質災害數據作為最能夠直觀反映區域地質災害發育特征的因素之一，往往被研究者所忽略。也有部分研究者在易發性評價中考慮了歷史地質災害的發生情況，但基本都是簡單的直接應用，效果并不是十分理想。

隨著計算機、GIS等信息技術的逐漸成熟，先后出現了許多地質災害易發性評價方法，常見的方法有層析分析法[4-5]、信息量法[6-9]、BP神經網絡法[10]、邏輯回歸分析法[11]等。中國的不同省份乃至同一省份的不同地市，其地質災害的類型和發生地質災害的影響因素都有所差異，目前還沒有一種統一的方法應用于不同地區的地質災害易發性評價[12-14]。然而相對而言，綜合評價法應用于地質災害易發性評價的效果較好，與專家經驗法分區結果基本相同[15]。因此，本文采用綜合評價法并將歷史地質災害數據作為評價指標之一，同時引入多尺度分析的思想，從不同的尺度對歷史地質災害數據進行加權綜合分析，提出一種基于多尺度分析和綜合評價法的地質災害易發性評價方法。

1 評價方法

本文采用的評價方法是基于綜合評價法，將歷史地質災害數據直接作為評價指標之一，并采用多尺度分析的思想對其進行處理和表達。首先，搜集研究區的相關資料。其次，按照評價指標選取原則[16-17]，選取歷史地質災害數據、坡度、坡高、坡型、巖土結構、植被指數、降雨量、人類工程活動8個因素作為評價指標。然后，對各評價指標進行數據處理和分析，量化各評價指標并進行權重賦值。其中，對歷史地質災害數據采用多尺度分析進行處理，即對地質災害點數據進行不同距離的多尺度密度分析，并對其分析結果進行綜合分析作為最終的歷史地質災害數據評價指標，使其更為合理地表達歷史地質災害的分布情況。最后，采用綜合評價法對研究區的地質災害易發性進行評價，形成研究區易發性分區圖。其技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology roadmap

2 研究區概況

研究區登封市地理坐標為北緯34°35′～34°15′，東經112°49′～113°19′，面積約1 217 km2。該市地形較為復雜，地勢總體為南北高中間低，北部和南部分別為東西走向的嵩山、箕山和熊山。登封市為暖溫帶大陸性季風氣候，全年溫差較大，四季分明，平均氣溫14.2℃。常年干旱少雨，年平均降雨量614 mm，降雨多集中在6—8月，約占全年降雨總量的33.8%。登封市屬于華北地層區，基底主要由太古宇、古元古界組成，分布在該市的東南以及南、北兩端，巖性主要為變質巖，如片麻巖；蓋層主要由新元古界、早古生界、晚古生界、中生界、新生界組成，巖性主要為沉積巖。該地區地殼活動頻繁，巖漿巖活動較強烈，地質構造較復雜。根據搜集到的歷史地質災害數據，該市發生地質災害共計222處，主要分布于中部的沖溝發育地區、南部和北部的丘陵山區以及礦山開采較多的東部地區(圖2)。主要地質災害類型為崩塌159處，占總數的71.6%；滑坡55處，占總數的24.8%；泥石流8處，占總數的3.6%。

圖2 登封市DEM數據及歷史地質災害點分布情況圖Fig.2 DEM data and distribution of historical geological disasters in Dengfeng City

3 評價指標體系的建立

影響地質災害發生的因素有很多，包括地形地貌、地質構造、降雨和人類工程活動等。本文一方面結合登封市自然、人文條件和已有的研究，另一方面考慮到歷史地質災害的發生能直觀地反映區域地質災害的易發性分布情況[18]，最終構建如圖3所示的評價指標體系，其中共包含8個評價指標。

圖3 評價指標體系圖Fig.3 System diagram of evaluation index

3.1 評價指標的量化

根據研究區的DEM數據和搜集到的相關資料，對8個評價指標進行量化。最終所有評價指標都量化為值為0～1的柵格數據，且均為12.5 m分辨率。

3.1.1歷史地質災害數據

本文所指的歷史地質災害數據為搜集2021年之前已統計的地質災害點數據，共計222處，其中崩塌159處、滑坡55處、泥石流8處。該評價指標的量化是通過統計在一定大小的單元格內地質災害點的密度。因為歷史地質災害數據為點格式的矢量數據，統計點密度時單元格的尺寸選擇尤其重要，如果單元格尺寸太大，會造成統計結果太粗糙且可能會出現馬賽克的情況；如果單元格尺寸太小，則會造成統計結果單一化，且無法形成連續區域，很難反映出區域差異。因此，在該指標量化時引入多尺度分析的思想，分別對地質災害點進行500、900、1 300、1 700、2 100、2 500、3 000 m 的密度分析。最后，將這7個密度分析數據進行疊加分析，并進行歸一化處理。如圖4-a、4-b和4-c所示，分別為500 m、3 000 m和疊加分析并歸一化后的地質災害點密度。由圖4-c可見，對地質災害數據進行多尺度分析后再進行疊加分析所獲得的結果相比單一尺度的統計結果，能夠更客觀、合理和自然地表達出不同區域地質災害的發育分布情況。因此，選取疊加分析并歸一化后的地質災害點密度作為最終的歷史地質災害數據評價指標。

3.1.2地形地貌與地質構造

(1) 地形地貌。地形地貌包括坡度、坡高、坡型，均可由DEM數據計算獲得。根據登封地區實際情況，結合前人研究經驗認為坡度>40°更容易發生地質災害，而坡度<10°幾乎不會發生地質災害，分別賦值為1和0，然后將10°～40°之間的坡度進行歸一化，作為坡度評價指標，如圖4-d所示。坡高指DEM數據3×3窗口中的最大高差。同樣的，認為坡高>50 m的地區易發生地質災害，賦值為1，然后將0～50 m之間的坡高進行歸一化，作為坡高評價指標，如圖4-e所示。坡型指地表曲率，由于曲率為負值時，坡面為凹型或階梯型，地質災害易發程度很低，賦值為0，然后將>0的曲率部分進行歸一化，作為坡型評價指標，如圖4-f所示。

(2) 地質構造。地質構造主要是選取巖土結構指標，搜集的原始數據為登封市工程地質圖，巖土類型包括松散土類、半堅硬巖類、堅硬巖類，共3大類9小類。根據研究區各類巖土以往發生地質災害的程度，認為石英巖和碳酸鹽巖相比頁巖和片巖發生地質災害的概率更大，其次為侵入巖、變質巖和松散土類。同時，結合經驗進行專家打分(表1)，并對打分結果作柵格化和歸一化處理，作為巖土結構評價指標，如圖4-g所示。

表1 巖土結構及專家打分分值表Table 1 Geotechnical structure and expert score

圖4 各地質災害評價指標圖Fig.4 Evaluation indexes of geological disasters

3.1.3誘發因素

(1) 植被指數。選取2021年9月的Landsat8影像(影像清晰，無云覆蓋)進行植被指數提取，并對其進行歸一化處理，作為植被指數評價指標，如圖4-h所示。

(2) 降雨量。搜集的原始數據為降雨量等值線圖，對等值線數據進行柵格化和歸一化處理，作為降雨量評價指標，如圖4-i所示。

(3) 人類工程活動。地質災害的發生受人類工程活動的影響是十分復雜的，人類工程活動區域主要考慮采礦用地、住宅用地、道路用地、工業用地、商業服務用地等。數據源為登封市第三次全國國土調查(三調)數據，對數據進行300 m緩沖分析，數據覆蓋區域如果是人類工程活動區域則賦值為1，反之則賦值為0，并進行柵格化處理，作為人類工程活動評價指標，如圖4-j所示。

3.2 確定評價指標權重

本文采用PHA層次分析法確定評價指標權重，該方法可以充分利用已有的專家經驗，將定性與定量相結合[19]。首先將評價指標分層，然后逐層建立判斷矩陣計算指標權重，最后進行一致性檢驗[20]。一般采用一致性比例CR進行一致性檢驗，當CR<0.1，即認為矩陣具有滿意的一致性。權重和CR的計算方法如下：

(1)

表2 隨機一致性指標RI統計表Table 2 Random consistency index RI

本文首先根據圖3構建的評價指標體系將評價指標分為A、B兩層，A層包含3個指標，如A={誘發因素A1，地形地貌與地質構造A2，歷史地質災害數據A3}。B層為誘發因素A1、地形地貌與地質構造A2的分解，如B(A1)={植被指數B1，人類工程活動B2，降雨量B3}，B(A2)={巖土結構B4，坡型B5，坡高B6,坡度B7}。根據以往研究經驗，對于A層評價指標認為歷史地質災害點數據A3最能反映區域地質災害的易發程度，相比誘發因素A1對于地質災害易發性評價具有更為重要的意義，而地形地貌與地質構造A2相比誘發因素A1對于地質災害發生的影響更為直接，因此認為A2的重要性介于A1和A3之間，最終構建的判斷矩陣A如表3所示。同理，構建判斷矩陣A1和A2分別如表4和表5所示。其中，判斷矩陣的構建按照表6所示的標度定義。最終獲得各評價指標的權重如表7所示。

表3 判斷矩陣A及一致性檢驗結果表Table 3 Judgment matrix A and consistency test results

表4 判斷矩陣A1及一致性檢驗結果表Table 4 Judgment matrix A1 and consistency test results

表5 判斷矩陣A2及一致性檢驗結果表Table 5 Judgment matrix A2 and consistency test results

表6 標度的含義表Table 6 Meaning of scale

表7 各評價指標權重賦值表Table 7 Weight assignment table of each evaluation index

4 地質災害易發性分區

由于第3.1節處理獲得的各評價指標均為值為0～1、分辨率為12.5 m的柵格數據，因此可直接將第3.1節評價指標的量化結果按照第3.2節計算出的權重進行柵格計算，計算結果即為研究區的地質災害易發性評價結果(圖5-a)。然后，按照自然間斷點分級法將易發性評價結果分為3類。最后，將分類結果進行矢量化處理，獲得研究區高、中、低易發性分區圖(圖5-b)。分區結果顯示，高易發區面積約255.57 km2，約占區域總面積的21.0%，主要分布在南、北兩端中間區域以及東部區域，該區域包含歷史地質災害點121個，點密度為47.35個/100 km2；中易發區面積約429.11 km2，約占區域總面積的35.3%，主要分布在中部以及南、北和東部區域高易發區以外的區域，該區域包含歷史地質災害點93個，點密度為21.67個/100 km2；低易發區面積約532.40 km2，約占區域總面積的43.7%，主要分布在中部平原區域，該區域包含歷史地質災害點8個，點密度為1.50個/100 km2。隨著地質災害易發性的提高，中易發區相對于低易發區地質災害點密度提升了14.4倍，高易發區相對于中易發區和低易發區分別提升了2.2倍和31.6倍。

圖5 研究區易發性評價結果及分區圖Fig.5 Evaluation results and zoning map of susceptibility in study area

5 結論

本文以登封市為研究區，采用基于多尺度分析和綜合評價法的地質災害易發性評價方法進行區域地質災害易發性分區，得到如下結論：

(1) 由地質災害點密度分析結果可知，基于多尺度分析獲得的處理結果更為自然、合理，能更好地表達出不同區域地質災害的發育分布情況。

(2) 融合多尺度分析的綜合評價法選取歷史地質災害數據、坡度、坡高、坡型、巖土結構、植被指數、降雨量、人類工程活動8個因素作為評價指標，采用層次分析法計算指標權重，對登封市進行地質災害易發性評價，最終將其劃分為高易發區、中易發區、低易發區3個區域。

(3) 通過分析發現，坡度較大、坡高較高、降雨量較多、歷史地質災害發生較多以及巖土結構為石英巖和碳酸鹽巖的區域地質災害易發性程度較高，由此可見這些因素對地質災害易發性評價有著明顯的影響。

(4) 由地質災害易發性分區結果可知，歷史地質災害點分布在高易發區約占54.5%，中易發區約占41.9%，而低易發區僅占約3.6%。由此可見，采用的地質災害易發性評價方法真實可靠，獲得的分區結果與實際地質災害發生情況吻合度較高。