基于GIS的滑坡泥石流風(fēng)險評估及其應(yīng)用

劉力維，程傳周

（1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037；2. 國家海洋局,北京 100860）

滑坡是指在河流沖刷、降雨、地震、人工切坡、斜坡施工等因素影響下，土層或巖層整體或分散地順斜坡向下滑動的現(xiàn)象[1]。泥石流是指在降水、潰壩或冰雪融化形成的地面流水作用下，在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種挾帶大量泥砂、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流[2]。當(dāng)滑坡、泥石流運動速度較快，滑坡上或滑坡、泥石流運移路徑上有城鎮(zhèn)、村莊分布時，常常由于人們猝不及防而造成巨大生命、財產(chǎn)損失[1-4]。進行滑坡、泥石流風(fēng)險評估，是預(yù)防和減少災(zāi)害損失的有效方法。但是，滑坡、泥石流的孕育和發(fā)生受內(nèi)外因素的多重影響，災(zāi)害發(fā)生機制十分復(fù)雜[5-7]，其風(fēng)險評估十分困難。

1 滑坡、泥石流風(fēng)險評估背景

滑坡、泥石流均是巖土體失穩(wěn)運動的重要形式。根據(jù)不同的特性可分為不同類型[1,3]，如按組成物質(zhì)可將滑坡分為堆巖滑坡、基巖滑坡，泥石流可分為稀性泥石流和粘性泥石流；按穩(wěn)定性可以分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次穩(wěn)定、不穩(wěn)定等幾類。相關(guān)研究表明，所有這些失穩(wěn)運動形式都具有以下特點[8-12]：

1）氣象條件主要為陰雨天氣，并且在持續(xù)的大量降雨情況下居多；

2）災(zāi)害發(fā)生過程具有階段征，按時間順序一般包括相對緩慢的蠕動階段和速滑階段；

3）巖體在蠕動階段形變量相對較小，對周邊環(huán)境和人類影響也較輕微；

4）速滑階段是災(zāi)害強度突然增大和爆發(fā)的時期，也是產(chǎn)生破壞和災(zāi)害的主要階段，而時間相對較長的蠕動階段為災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報提供了時間和可能；

5）滑坡、泥石流的發(fā)生具有周期性的特點；

6）滑坡、泥石流產(chǎn)生的破壞性和損失除了與地質(zhì)災(zāi)害本身的強度有關(guān)外，也與發(fā)生的地點、時間密切相關(guān)，是該地方人口、產(chǎn)業(yè)等社會經(jīng)濟因子發(fā)展布局的函數(shù)。

基于以上分析，滑坡、泥石流風(fēng)險評估模型需要具備持續(xù)、實時、快速響應(yīng)和周期性的特點，高精度的風(fēng)險評估需要有全面、及時、可靠的數(shù)據(jù)支撐。風(fēng)險評估的目的是為了識別危害、降低風(fēng)險損失。對滑坡、泥石流而言，主要包括風(fēng)險識別、風(fēng)險估算和風(fēng)險評價3個環(huán)節(jié)。目前，災(zāi)害風(fēng)險公式已得到廣大學(xué)者的普遍認(rèn)可，滑坡、泥石流基本評估方法也相對比較成熟；但在風(fēng)險評估中，如何實現(xiàn)從點評價向面評價過渡相對不足[13]。GIS技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)獲取、管理、分析和信息挖掘能力，為滑坡、泥石流災(zāi)害風(fēng)險評估提供了有效的空間分析平臺[14]，也為由點到面的風(fēng)險評估提供了技術(shù)手段，已經(jīng)應(yīng)用到風(fēng)險評估的各個方面[15-19]。但是，對于滑坡、泥石流預(yù)報預(yù)測、大范圍統(tǒng)一的災(zāi)損評估模型以及基于GIS的實現(xiàn)方法，研究尚不成熟[1]。

2 基于GIS的滑坡、泥石流風(fēng)險分析方法綜述

目前，基于GIS的滑坡、泥石流風(fēng)險評估主要是在GIS技術(shù)支持下，驅(qū)動相關(guān)模型，利用GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析、演示制圖功能，實現(xiàn)災(zāi)害分析和風(fēng)險評估。

2.1 專家打分法

專家打分法是決策支持系統(tǒng)中經(jīng)常用到的一種間接定性方法，有利于避免無法獲取的客觀數(shù)據(jù)的影響。但是，打分結(jié)果容易受到專業(yè)背景及實際經(jīng)驗的影響，從而使決策結(jié)果產(chǎn)生誤差。因此，采用專家打分法首先要選擇合適的專家成員。另外，由于專家打分法帶有一定的主觀性，也會影響權(quán)重的計算結(jié)果。利用特征根法（GEM , group eigenvalue method）對專家打分進行統(tǒng)計分析，可以確定最優(yōu)專家[20]。

2.2 層次分析法

層次分析法是一種進行多目標(biāo)決策分析的方法。該方法能把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進行層次化，把決策過程中定性和定量因素有機結(jié)合起來。通過判斷矩陣的建立、排序計算和一致性檢驗，得到的最后結(jié)果更具有說服力。同時，由于可將人的主觀性用數(shù)量表達出來，使之更具條理性和科學(xué)性，從而可以避免由于人的主觀性導(dǎo)致的權(quán)重預(yù)測與實際情況相矛盾的現(xiàn)象，提高決策的有效性[21]。但是，在構(gòu)造判斷矩陣時，由于決策者很難掌握標(biāo)度的標(biāo)準(zhǔn)，作出的判斷往往不能滿足一致性檢驗，進而會導(dǎo)致計算量增加。實際應(yīng)用中，可采用判斷平均特性修正矩陣的方法對判斷矩陣進行一致性改進，提高排序權(quán)向量的穩(wěn)定性，有利于計算機完成迭代算法[22]。

2.3 Logistic回歸模型

對于地質(zhì)災(zāi)害而言，從統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，各因子數(shù)據(jù)可以作為自變量，而災(zāi)害的發(fā)生與否可以作為分類因變量。由于不是連續(xù)變量，線性回歸將不適用于推導(dǎo)此類自變量和因變量之間的關(guān)系。這種情況下，通常采用對數(shù)線性模型（Log-linear model），而Logistic回歸模型就是對數(shù)線性模型的一種特殊形式[23]，它已被國內(nèi)外學(xué)者引入到地質(zhì)災(zāi)害評價模型中，預(yù)測評價效果較好[24,25]。

2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析具有獨特的學(xué)習(xí)特性，收斂速度快，容錯能力高，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)測，如Pradhan[26]基于GIS建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得到了滿意的地區(qū)滑坡災(zāi)害圖。但是，由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入和輸出有嚴(yán)格要求，而在地質(zhì)災(zāi)害評價中輸出很難和實際數(shù)據(jù)一致，導(dǎo)致訓(xùn)練樣本的選擇成為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的一大難點。

2.5 統(tǒng)計量法

叢威青等[27]提出了統(tǒng)計量法模型，在分析過程中更加注重每一個評價因子與地質(zhì)災(zāi)害之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并以此指導(dǎo)影響因子的選擇和因子區(qū)段的劃分。該模型利用如下公式計算災(zāi)害危險性：

其中，F(xiàn)k為單元k地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃值；δi為利用相關(guān)性分析獲得的因子i的相關(guān)性系數(shù)；Iki為單元k因子i出現(xiàn)區(qū)段的敏感性數(shù)值；m為評價因子總數(shù)。

2.6 基于GIS的滑坡災(zāi)害概率預(yù)測模型

Chung等[28]通過對滑坡數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，提出了一個統(tǒng)一的基于GIS多層空間數(shù)據(jù)的滑坡災(zāi)害概率預(yù)測模型，以現(xiàn)場測量和遙感數(shù)據(jù)作為輸入，預(yù)測滑坡在未來發(fā)生的頻率，但在模型擴展應(yīng)用和評估實效上目前仍達不到預(yù)期。

2.7 遙感解譯法

遙感是目前唯一的快速獲取大范圍地表數(shù)據(jù)的有效手段[29]。在滑坡、泥石流災(zāi)害風(fēng)險評估中，利用遙感圖像對災(zāi)害進行調(diào)查，即基于災(zāi)害的光譜特性及時序變化趨勢，利用遙感圖像對災(zāi)害發(fā)育背景進行判別分析，包括工程地質(zhì)巖組的判別分析、植被覆蓋解譯、水文條件分析、地貌辨識等，進而基于GIS技術(shù)實現(xiàn)分析滑坡、泥石流風(fēng)險形勢和警情、評估災(zāi)害損失的目的[30,31]。但是，遙感解譯法目前主要側(cè)重于使用超高分辨率數(shù)據(jù)，價格相對昂貴且數(shù)據(jù)時空覆蓋不夠全面。

3 發(fā)展前景與建議

GIS為快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測評估滑坡、泥石流風(fēng)險提供了強有力的技術(shù)手段。但是，滑坡、泥石流災(zāi)害所涉及的地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地貌形態(tài)、底層突變、水系分布、植被覆蓋等主要控制因素和降雨、地震、冰雪消融及人為工程施工等誘發(fā)因素之間的關(guān)系非常復(fù)雜，GIS手段用于模擬真實地表動態(tài)特性還存在很大困難，只能從增進數(shù)據(jù)獲取效率、把握時空格局、提高決策速度，以及確保模型適用性等角度，建立、改進風(fēng)險評估模型，提高預(yù)測和評估結(jié)果的有效性。在目前的GIS和RS、GPS技術(shù)水平下，可以從以下幾個方面入手：

1）提高模型輸入數(shù)據(jù)的全面性和質(zhì)量。輸入數(shù)據(jù)的精度是影響滑坡風(fēng)險分析的重要因素，發(fā)展更好的數(shù)據(jù)綜合處理方法、獲取更全面的輸入數(shù)據(jù)非常必要。另外，滑坡、泥石流即時影響因子的判斷和權(quán)重賦值，離不開歷史序列數(shù)據(jù)的積累和對其相互干擾的分析，對歷史數(shù)據(jù)的回溯處理也有助于對滑坡風(fēng)險的分析。

2）巖體蠕動具有持續(xù)累積性和相對突發(fā)性的特點，要求有長期積累的背景參考信息和實時的、高精度的內(nèi)外部影響因子來加以判別。因而，需要利用各種可以獲得的多源數(shù)據(jù)，建立滑坡、泥石流風(fēng)險評估地形地貌和水文地質(zhì)背景庫。

3）構(gòu)建針對不同地質(zhì)構(gòu)造的滑坡、泥石流快速預(yù)報與響應(yīng)模型，提高模型精度。由于滑坡、泥石流驅(qū)動因子及相互關(guān)系，尤其是地質(zhì)力學(xué)關(guān)系非常復(fù)雜，尚沒有統(tǒng)一的范式，這就造成了風(fēng)險評估大批量快速操作的不確定性。所以，基于GIS建立適合于不同地質(zhì)構(gòu)造的滑坡、泥石流快速預(yù)報與響應(yīng)模型，對于快速獲得大范圍的滑坡、泥石流信息非常重要。

目前，基于GIS進行滑坡、泥石流風(fēng)險評估，主要是將GIS作為一種技術(shù)手段來實現(xiàn)已有滑坡、泥石流的風(fēng)險評估模型和方法，而以GIS為基礎(chǔ)，綜合利用3S技術(shù)構(gòu)建的模型較少。同時，現(xiàn)有應(yīng)用主要是在繼發(fā)災(zāi)害的災(zāi)情分析和損失評估上，RS大范圍快速數(shù)據(jù)獲取功能、GIS強大的空間分析和三維模擬等功能都得不到充分利用。但是，MODIS等中高分辨率遙感數(shù)據(jù)對地表特征捕獲較為全面，數(shù)據(jù)實效性強，且全球免費發(fā)布，將其與地質(zhì)地貌調(diào)查結(jié)果、氣象站降雨數(shù)據(jù)結(jié)合起來，構(gòu)建驅(qū)動因子更加全面的模型，使間斷性的地面勘察數(shù)據(jù)和高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)相融合，將是進行滑坡、泥石流風(fēng)險預(yù)測和災(zāi)損評估的可行方法。

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