基于敏感指數(shù)主成分分析法的浙江沿海突發(fā)性地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)評價*

余豐華，劉正華，夏躍珍，張達政，佘恬鈺

（1.中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢430074；2.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，浙江杭州310007）

基于敏感指數(shù)主成分分析法的浙江沿海突發(fā)性地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)評價*

余豐華1，2，劉正華1，2，夏躍珍2，張達政2，佘恬鈺2

（1.中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢430074；2.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，浙江杭州310007）

浙江海洋經(jīng)濟示范區(qū)具有非常重要的經(jīng)濟地位，崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災害嚴重威脅該區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展。該文通過地質(zhì)災害點對坡度、坡向、地質(zhì)、巖性、降雨、植被、斷層、道路、水系等因素的敏感性計算，獲得評價格網(wǎng)的各指標的綜合面積指數(shù)，采用主成分分析法計算評價格網(wǎng)各要素的綜合分值，表征格網(wǎng)地質(zhì)災害脆弱性，對示范區(qū)地質(zhì)災害脆弱性進行分級，結(jié)合典型區(qū)域的地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)規(guī)劃作為樣本，對脆弱性等級劃分標準進行調(diào)整得到區(qū)域地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)，為區(qū)域地質(zhì)災害防御及工程建設活動提供參考依據(jù)。

敏感指數(shù)；主成分分析；地質(zhì)災害；易發(fā)區(qū)評價；浙江沿海地區(qū)

浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)是指包括浙江全部海域和杭州、寧波、溫州、嘉興、紹興、舟山、臺州等7個市及47個沿海縣（市、區(qū)）的陸域（含舟山群島、臺州列島、洞頭列島等島群）。示范區(qū)土地面積34 671 km2，戶籍人口2 767.21萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值21 225.73億元［1］，占浙江省的比例分別為34.1%，57.9%和66.3%，具有非常重要的政治經(jīng)濟地位。

示范區(qū)地處我國東南沿海亞熱帶季風氣候區(qū)，汛期臺風及階段性強降雨是誘發(fā)區(qū)內(nèi)多發(fā)、群發(fā)、突發(fā)性地質(zhì)災害的常見因素。根據(jù)已有調(diào)查資料，截至2013年底，示范區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害點2 054處，類型以滑坡為主，占57.7%，崩塌次之，占33.4%，泥石流占8.9%，詳見表1。各類地質(zhì)災害規(guī)模均以小型為主，占示范區(qū)內(nèi)調(diào)查災害點總數(shù)的98.6%，其次為中型，占總數(shù)的1.4%。地質(zhì)災害對示范區(qū)社會經(jīng)濟建設活動構(gòu)成嚴重的威脅。

表1 示范區(qū)地質(zhì)災害類型統(tǒng)計表

地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)是指具備地質(zhì)災害發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和氣候條件，容易或者可能發(fā)生地質(zhì)災害的區(qū)域。易發(fā)區(qū)對于區(qū)域地質(zhì)災害災情及險情在歷史認知、現(xiàn)狀把握以及未來趨勢預測都具有非常重要的意義，是地質(zhì)災害隱患點的工程治理、搬遷避讓或監(jiān)測預警等防治工作內(nèi)容一個重要參考依據(jù)。美國、日本及歐洲等經(jīng)濟較為發(fā)達的國家或地區(qū)對區(qū)域地質(zhì)災害易發(fā)性評價工作開展較早，評價方法成熟且多樣，相關(guān)法律法規(guī)的制訂及執(zhí)行也較為嚴格。我國對突發(fā)性地質(zhì)災害先后發(fā)布了地質(zhì)災害防治條例（2003年）、國務院關(guān)于加強地質(zhì)災害防治工作的決定（2011年）等加以規(guī)范，從1999年開始逐步在地質(zhì)災害多發(fā)的山地丘陵區(qū)以縣為單位開展了縣（市）地質(zhì)災害的調(diào)查與區(qū)劃工作，根據(jù)國土資源部公報數(shù)據(jù)，截止到2009年，已經(jīng)全面完成了1 640個縣（市、區(qū)）的災害調(diào)查與易發(fā)區(qū)評價。

地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)主要依據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件，充分考慮現(xiàn)狀地質(zhì)災害的發(fā)生頻次，參考地質(zhì)災害現(xiàn)狀和人類工程活動劃定，通常分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)4個等級。在進行地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)評價工作中，通常采用的評價方法有層次分析法（AHP）、模糊評價法、權(quán)重指數(shù)法等，這些均可視為綜合指數(shù)法，是一種半定量化的評價方法，評價過程中，需要通過專家對評價指標分級，建立評分準則及權(quán)重分配標準，最后采用加權(quán)系數(shù)，通過計算綜合分值表示地質(zhì)災害的易發(fā)程度，再結(jié)合地質(zhì)災害防治實際工作需求，劃分地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。綜合指數(shù)法具有直觀性強、方法簡潔和計算功能簡單的優(yōu)點，但在面向具體應用時存在如下問題。首先對于現(xiàn)狀地質(zhì)災害采用點、面和體積模數(shù)比的方法，對于崩塌、滑坡、泥石流等不同類型的地質(zhì)災害在規(guī)模、災情、險情等級，致災因子的描述及評價指標等均存在差異，其次由于評價指標分值和指標等級通過專家打分法確定［2-4］，受主觀干擾大，最后由于計算過程中對影響因子的逐級分級概化，計算結(jié)果變成了對有限因子評分數(shù)據(jù)的組合，在對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境脆弱性進行動態(tài)連續(xù)描述方面存在欠缺。

采用信息量模型、證據(jù)權(quán)法等定量化的地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)方法是突發(fā)性地質(zhì)災害區(qū)劃的一個重要研究內(nèi)容［5］。本次評價工作采用的主成分分析法也是定量化的一種，該方法在綜合性評價工作中采用廣泛［6-7］，通過對各影響因子的單項分值計算得到綜合分值表示孕災體地質(zhì)災害脆弱性指數(shù)，各影響因子單項分值的計算通過綜合面積指數(shù)實現(xiàn)，綜合面積指數(shù)則由敏感指數(shù)通過定量化方法計算。地質(zhì)災害易發(fā)程度劃分標準以脆弱性指數(shù)為基礎，選擇示范區(qū)內(nèi)部分區(qū)域的地質(zhì)災害防治規(guī)劃、縣市地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃作為樣本來劃分等級，為示范區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)帶規(guī)劃、建筑區(qū)規(guī)劃，山地丘陵區(qū)工程建設活動中地質(zhì)災害防御提供參考依據(jù)。

1 基礎數(shù)據(jù)

評價從地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層分布及巖土體結(jié)構(gòu)特征、氣象水文條件、人類活動等5個方面選擇［8］，包括6個面狀要素（坡度、坡向、地質(zhì)、巖性、降雨、植被）和3個線狀要素（斷層、道路、水系）。道路、水系數(shù)據(jù)由1：25萬數(shù)字線劃圖（DLG）提??；地質(zhì)、巖性、斷層數(shù)據(jù)來自于浙江省地質(zhì)圖（1：50萬）；植被類型來自于浙江省森林分布圖（1：50萬）；坡度、坡向數(shù)據(jù)由數(shù)字高程模型（STRM DEM）計算得到，基礎數(shù)據(jù)精度約75m?；诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)精度和空間地形地貌等區(qū)域分異，評價單元采用邊長為1 km規(guī)則方格網(wǎng)。

2 評價步驟

（1）單元格劃分

對評價區(qū)劃分評價單元，在ArcGIS平臺上生成39 954個方格網(wǎng)，對每個網(wǎng)格編號，將其作為識別評價單元的標識，用來實現(xiàn)ArcGIS平臺上空間數(shù)據(jù)和SPSS屬性數(shù)據(jù)對應連接。

（2）敏感指數(shù)的計算

對計算過程中各級元素（集），采用圖素、要素及專題來表示，專題表示不同要素的集合，可以理解為矢量化的點、線、區(qū)文件；要素表示具備相同屬性的圖素的集合，如地質(zhì)圖中的玄武巖；圖素代表數(shù)字化介質(zhì)中實體的基本單位，如編號為7的玄武巖記錄。

針對特定的專題，地質(zhì)災害在各要素類型中發(fā)生的頻次是不同的，為了表示各要素內(nèi)地質(zhì)災害的易發(fā)性，采用敏感指數(shù)（SensitivityCoefficient）進行表示，敏感指數(shù)與特定要素對應，計算公式如下：

式中：SCi為專題中特定要素的敏感指數(shù)；ppa為災害點在第i類要素中的條件概率，為第i類要素中災害點個數(shù)與第i類要素面積的比值；pps為災害點在專題中的先驗概率，可以表示為專題內(nèi)的災害個數(shù)與專題面積的比值；M為研究區(qū)災害總點數(shù)；A為研究區(qū)總面積；m為第i類要素內(nèi)災害數(shù)量；a為第i類要素面積。

通過式（1）計算逐要素的敏感指數(shù)。要素的敏感指數(shù)表示要素與地質(zhì)災害關(guān)系密切程度，數(shù)值越大，表示該要素與地質(zhì)災害潛在關(guān)系越密切，越容易發(fā)生地質(zhì)災害。

（3）綜合面積的計算

針對特定專題，計算規(guī)則格網(wǎng)的綜合面積。首先用方格網(wǎng)將專題切割（圖1），對于每個切分單元，可能存在多個不同的圖素，分別計算各圖素面積，用Sz11、Sz12……等表示，每個圖素類型均對應一個要素的敏感指數(shù)。

圖1 采用規(guī)則格網(wǎng)切分專題示意圖

逐個計算格網(wǎng)內(nèi)的圖素的面積與該圖素對應的權(quán)重系數(shù)求積，權(quán)重系數(shù)為對應要素敏感指數(shù)SCi。格網(wǎng)的綜合面積為上述各圖素計算結(jié)果的累計，計算公式如式（2）所示。

式中：Szone1為zone1格的綜合面積；Sz11為zone1格內(nèi)第1個圖素面積；SC1為zone1格內(nèi)第1個圖素對應要素的敏感指數(shù)；n表示zone1格內(nèi)包含的圖素數(shù)量。

通過這種方式，計算每個格網(wǎng)的綜合面積。

（4）綜合面積指數(shù)的計算

綜合面積指數(shù)的計算方式如式（3）所示。

式中：Azone1為zone1綜合面積指數(shù)；S0為zone1格網(wǎng)的實際面積，若非邊界格網(wǎng)，一般為1 km2。

由式（3）計算每個格網(wǎng)的綜合面積指數(shù)，綜合面積指數(shù)是對面積進行的無量綱化處理，綜合面積指數(shù)的大小表示在特定專題的影響下（其余專題相同），每個格網(wǎng)地質(zhì)災害易發(fā)性大小。

通過上面的計算過程，可以得到每個格網(wǎng)單專題的綜合面積指數(shù)，作為格網(wǎng)的屬性，以此計算步驟，可以獲得其余專題的綜合面積指數(shù)，分別作為格網(wǎng)的屬性。對于線狀要素，選擇緩沖區(qū)的方式進行，通過計算分析，道路、水系、斷層緩沖距離分別為300 m、300 m和2.5 km。

3 主成分分析計算綜合評價指標

上述計算過程主要通過ArcGIS軟件平臺上實現(xiàn)，通過計算可以得到的數(shù)據(jù)樣式為每個具有空間展布的規(guī)則格網(wǎng)，每格網(wǎng)具備9個屬性，屬性值為各要素的綜合面積指數(shù)。

采用主成分分析法進行綜合指標（地質(zhì)災害脆弱性）的計算。主成分分析（Principal Component A-nalysis，PCA）是將眾多具有一定相關(guān)性的專題通過降維的方式，重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標來代替原來的指標來描述、理解和分析實體的一種多元統(tǒng)計方法。其原理這里不進行過多敘述，可以理解為通過坐標軸旋轉(zhuǎn)，長軸的變量就描述了數(shù)據(jù)的主要變化，而代表短軸的變量就描述了數(shù)據(jù)的次要變化，長軸變量代表了數(shù)據(jù)包含的大部分信息，就用該變量代替原先的兩個變量。數(shù)據(jù)計算分析在SPSS軟件平臺上實現(xiàn)。

首先對各評價單元網(wǎng)格的地質(zhì)、巖性等綜合面積指數(shù)采用正規(guī)化方法進行數(shù)據(jù)標準化處理，將屬性轉(zhuǎn)換為各自的Z分值（Zero-mean Normalization），使數(shù)據(jù)符合標準正態(tài)分布。標準化的地質(zhì)環(huán)境屬性數(shù)據(jù)為Z1～Z9。對數(shù)據(jù)進行主成分運算，為保證累積貢獻率達到85%以上，這里提取了6個主成分（累計貢獻率達到86.997%）。運算數(shù)據(jù)如表2、表3、表4。

從成分矩陣表中可以看出，綜合得分和巖性、坡度、坡向、地質(zhì)、植被及降雨相關(guān)性較好，說明它們存在信息上的重疊，但對于線性水系、斷層及道路則相關(guān)性相對較弱，可能原因是但從這個因素考慮，平緩地區(qū)的路網(wǎng)水網(wǎng)密度普遍高于山地丘陵區(qū)。

為了計算每個評價單元的綜合分值，來定量化地表示各單元地質(zhì)災害相對易發(fā)性，用成分矩陣中各要素對應的6項成分，除以解釋總方差表中合計項對應值的算術(shù)平方根，得到6個主成分（F1～F6）的系數(shù)如表5所示。

生成各成分公式是如下：

取前6項主成分各項方差比例，按比例進行重新調(diào)整，得到調(diào)整比例系數(shù)，如表6所示。

根據(jù)調(diào)整后的比例，得到結(jié)果如式（10）所示。

將式（4）～式（9）（F1～F6）代入得到F與Z1～Z9關(guān)系如式（11）所示。

表2 相關(guān)矩陣

表3 解釋的總方差

表4 成分矩陣

表5 主成分系數(shù)計算結(jié)果

采用式（11），可以對每個單元格9個標準化的屬性值（Z1～Z9）計算一個綜合分值。根據(jù)主成分分析的原理，綜合分值的大小一定程度上反映滑坡災害影響因子對滑坡發(fā)生的總的貢獻程度，即滑坡災害因子對災害發(fā)生的敏感程度。綜合分值越小，說明該滑坡點的災害背景條件越好，越不利于滑坡災害的發(fā)生。反之，如果綜合分值越大，說明該滑坡點的災害背景條件越差，越有利于滑坡災害的發(fā)生。

為了更直觀顯示綜合分值的分布情況，將綜合分值從小到大進行排列，數(shù)據(jù)分布情況如圖2所示。

綜合分值是一系列離散數(shù)據(jù)，范圍區(qū)間為-1.6～5.5，定量反映了各評價單元格與地質(zhì)災害密切相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境脆弱性情況，中間沒有進行易發(fā)區(qū)劃分對應的明顯拐點，現(xiàn)實中對這類數(shù)據(jù)也沒有成熟的數(shù)據(jù)聚類分析方法。采用克里金（Kriging）插值辦法可以得到數(shù)據(jù)的空間分布（圖3），可以看出其規(guī)律性是顯而易見的。選擇沿海各市地質(zhì)災害防治規(guī)劃及縣市地質(zhì)災害調(diào)查區(qū)劃部分作為樣本，確定脆弱性等級的劃分標準（表7），將示范區(qū)脆弱性評價結(jié)果分成4個等級，獲得脆弱性分級圖（圖4），脆弱性分級圖定量反映示范區(qū)地質(zhì)災害的脆弱性高低。

圖3 示范區(qū)脆弱性插值結(jié)果

圖4 示范區(qū)脆弱性分級圖

圖5 示范區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)圖

表7 地質(zhì)災害脆弱性等級劃分標準

4 易發(fā)程度分區(qū)

以脆弱性分級圖為基礎，綜合地質(zhì)災害點分布及實際地質(zhì)環(huán)境條件圈定地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)圖（圖5）。共圈定20個易發(fā)區(qū)，累計面積16 132.8 km2，占示范區(qū)總面積的44.8%。其中高易發(fā)區(qū)5處，累計面積6.5 km2，占示范區(qū)總面積的6.5%；中易發(fā)區(qū)6處，累計面積5 071.3 km2，占示范區(qū)面積的14.1%；低易發(fā)區(qū)9處，累計面積8 716.9 km2，占示范區(qū)面積的24.2%。其余為不易發(fā)區(qū)，占示范區(qū)總面積的55.2%。

5 結(jié)語

（1）綜合考慮現(xiàn)有比例尺空間數(shù)據(jù)的區(qū)域分異性和災害點孕災環(huán)境及承災體空間展布特征，以1 km方格網(wǎng)作為評價單元，保證區(qū)域綜合評價成果的精度。

（2）采用敏感指數(shù)表征要素與地質(zhì)災害關(guān)系的密切程度，體現(xiàn)了地質(zhì)環(huán)境相似類比的基本評價方法，通過這種方法，實現(xiàn)了評價指標的定量化表達，根據(jù)量化數(shù)值賦對應因子權(quán)重，減少了主觀因素的干擾，提高了評價成果的客觀性。

（3）采用主成分分析方法對地質(zhì)環(huán)境脆弱性進行了綜合評價，具有成熟的數(shù)理統(tǒng)計理論支撐和應用實踐，保證了評價成果的科學性。

（4）在脆弱性評價基礎上進行易發(fā)區(qū)劃分時，選擇示范區(qū)內(nèi)已完成的縣（市）地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃易發(fā)區(qū)作為樣本，同時兼顧現(xiàn)有地質(zhì)災害及隱患點的空間分布，確定易發(fā)區(qū)分級標準，保證了成果與各級地質(zhì)災害防治行政管理工作的一致性。

（5）評價成果對于浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)產(chǎn)業(yè)帶規(guī)劃、建筑區(qū)規(guī)劃及重大工程點地質(zhì)災害防御等工作具有重要參考意義。

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Evaluation of the Unexpected Geological Disasters Distributions in Coastal Region of Zhejiang Province Base on Sensitivity Coefficient and Principal Com ponent Analysis

Yu Fenghua1，2，Liu Zhenghua1，2，Xia Yuezhen2，Zhang Dazheng2and She Tianyu2
（1．China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．Zhejiang Province Institute of Geo-environment Monitoring，Hangzhou 310007，China）

The Marine Economy Demonstration Area of Zhejiang Province is very important on economic status.Geological hazards of collapse，landslide，debris flow and so on are factorswhich threaten the social economic development.In this paper，we calculate the sensitive coefficient based on historical hazard and slope，aspect，geological，lithology，rainfall zoning and vegetative cover etc.To obtain comprehensive area index of each evaluation grid，the principal component analysismethod is used to gain the comprehensive score of grid which indicate the vulnerability of the certain grid.Finally，we use themethod on the typical regional geological disaster areas as an example and divide four grades according to the score results.The results are benefit to the regional geological disaster prevention and engineering activities.

sensitivity coefficient；principal component analysis；geological hazard；prone area evaluation；coastal region of Zhejiang province

P694；X43

A

1000-811X（2015）04-0064-05

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.013

余豐華，劉正華，夏躍珍，等.基于敏感指數(shù)主成分分析法的浙江沿海突發(fā)性地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)評價［J］.災害學，2015，30（4）：64-68.［Yu Fenghua，Liu Zhenghua，Xia Yuezhen，et al.Evaluation of the unexpected geological disasters distributions in coastal region of Zhejiang Province base on Sensitivity Coefficient and Principal Component Analysis［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：64-68.］*

2015-03-19 修回日期：2015-05-08

中國地調(diào)局南京地調(diào)中心項目浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價（1212011220007）

余豐華（1976-），男，河南信陽人，高級工程師，主要從事突發(fā)性地質(zhì)災害氣象風險預警工作.

E-mail：yu＿fenghua＠163.com