基于RS及GIS的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害三維定量評價

姚書朋， 陳建平， 唐　超， 李　珂

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國土資源信息開發(fā)研究重點實驗室，北京100083； 3.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

基于RS及GIS的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害三維定量評價

姚書朋1,2， 陳建平1，2， 唐超3， 李珂3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083； 2.北京市國土資源信息開發(fā)研究重點實驗室，北京100083； 3.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

摘要：隨著泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，定量分析災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險性已經(jīng)成為越來越重要的課題。綜合運用RS(遙感)和GIS(地理信息系統(tǒng))等技術(shù)，對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行采集、存儲、檢索、建模、分析，以期定量評價災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險性，并以此作為參考，給泥石流等災(zāi)害可能發(fā)生的地區(qū)提出合理建議。

關(guān)鍵詞：泥石流； RS；GIS；定量評價；風(fēng)險性；內(nèi)蒙古

中圖分類號：TP75;X87

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0501-11

收稿日期：2015-06-14；修回日期：2015-06-29；編輯：蔣艷

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“礦山環(huán)境綜合調(diào)查與評價”(1212011120029)

作者簡介：姚書朋(1990—)，男，碩士研究生，地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，研究方向為三維地質(zhì)建模找礦、遙感監(jiān)測、無人機探測等，E-mail:408925861@qq.com

0引言

我國地形多樣,地質(zhì)條件復(fù)雜,構(gòu)造活動頻繁,滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害分布面積廣,發(fā)生頻率大,對人們的日常生活和財產(chǎn)安全造成了極大的威脅。泥石流治理工程是防治泥石流災(zāi)害發(fā)生的有效手段之一，鑒于泥石流災(zāi)害的特點，對每個泥石流都進行工程治理是不現(xiàn)實的，也不是最有效的。研究區(qū)泥石流災(zāi)害嚴重且廣泛，通過對具有代表性的泥石流地質(zhì)災(zāi)害進行分析，獲取其風(fēng)險性，以期為研究區(qū)今后的災(zāi)害治理工作提供借鑒。

1研究背景

泥石流是松散土石體和水的混合體在重力作用下沿自然坡面或沿壓力坡流動的現(xiàn)象。它通常存在于山區(qū)溝谷或山坡坡地上，在其發(fā)生時通常攜有大量泥沙石塊，并具有發(fā)生突然、歷時短暫、來勢兇猛、破壞力大等特征，常常對人類社會和自然環(huán)境造成嚴重危害(張建石，2012)。

RS技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作具有宏觀、快速、準(zhǔn)確的特點,能反映出地質(zhì)災(zāi)害的真實情況,已成為地質(zhì)災(zāi)害研究的重要方法。GIS技術(shù)具有強大的信息管理及空間分析功能,利用其建立數(shù)據(jù)庫可以有效地存儲和管理地質(zhì)災(zāi)害的信息,具備髙效性、準(zhǔn)確性,已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、危險性評價、危險性區(qū)劃、監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報、應(yīng)急指揮中。近年來,隨著遙感數(shù)據(jù)源的不斷豐富、空間分辨率的不斷提髙以及GIS可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,利用遙感和三維GIS技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,能快速、準(zhǔn)確并且多角度、全方位、立體地觀察地質(zhì)災(zāi)害及其周邊地形,不僅具有傳統(tǒng)實地調(diào)查無法比擬的優(yōu)勢,而且克服了二維遙感解譯的不足,是當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害研究工作的熱點方向(林淑珍，2013)。

國內(nèi)外對自然災(zāi)害風(fēng)險的認識經(jīng)歷了漫長的過程才得以不斷的成熟和完善。Maskrey(1989)認為風(fēng)險是自然災(zāi)害發(fā)生后所造成的總損失；Tobin等(1997)認為風(fēng)險是災(zāi)害發(fā)生概率和期望損失的乘積；Deyle等(1998)認為風(fēng)險是災(zāi)害發(fā)生概率與災(zāi)害發(fā)生后果的規(guī)模的結(jié)合。聯(lián)合國人道主義事務(wù)部正式公布的自然災(zāi)害風(fēng)險的定義:“風(fēng)險是在一定區(qū)域和給定時段內(nèi)，由于某一自然災(zāi)害而引起的人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的期望損失值”(United Nations, Department of Humanitarian Affairs，1991)。其表達式為:風(fēng)險(risk)=危險性(hazard)×易損性(vulnerability)，這一定義既包括了致災(zāi)體的自然屬性，即致災(zāi)體活動的密度、強度(規(guī)模)、發(fā)生概率(發(fā)展速率)以及可能造成的危害區(qū)的位置、范圍，也涵蓋了受災(zāi)體的社會屬性，即潛在損害現(xiàn)象可能造成的損失程度(Fell，1997)。

2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

以內(nèi)蒙古某地區(qū)為研究對象，利用該地區(qū)遙感影像、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、1∶50萬地質(zhì)圖和該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害、五級河流、縣級行政邊界等矢量數(shù)據(jù)及在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上獲得的該地區(qū)5年(2006—2010)內(nèi)的降水?dāng)?shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過對地質(zhì)地層、斷裂帶、水文、河流的提取與泥石流的迭加分析，并運用ArcGIS軟件對其DEM高程信息進行坡度分析，建立三維可視化遙感解譯平臺,對該地區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流等多發(fā)地質(zhì)災(zāi)害進行三維遙感解譯，分析地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育狀況及分布規(guī)律，最終得到科學(xué)的危險性評價。

2.1　影像

影像不僅直觀地呈現(xiàn)了該地區(qū)的地形地貌，也為科學(xué)分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次工作選用的遙感數(shù)據(jù)主要是“高分一號”國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時相從2013-11-27—2014-04-27。經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平差，正射校正，影像融合，影像鑲嵌等處理得到該地區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1　經(jīng)鑲嵌后的遙感影像圖Fig.1　Remote sensing image after mosaic processing

2.2　圖層文件

圖層文件主要包括：(1) 地質(zhì)災(zāi)害矢量數(shù)據(jù)。計算滑坡最底端到建筑用地、公園占地、農(nóng)業(yè)用地、林地等的最近距離，距離越近易損性越高；(2) 國家五級河流。通過空間分析，將該地區(qū)的水文信息與泥石流信息有機地迭加分析，泥石流處的水文信息值越高，泥石流的危險性越高。將上述影像加載五級河流、縣級行政邊界及地質(zhì)災(zāi)害矢量文件，其中紅色的點狀圖斑即為地質(zhì)災(zāi)害圖像，由于比例尺很小，所以泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的面狀物在此圖上顯示為斑點狀(圖2)。

圖2　添加經(jīng)緯網(wǎng)的遙感影像圖Fig.2　Remote sensing image after adding graticule

2.3　數(shù)字高程DEM

運用ArcGIS軟件對該地區(qū)的DEM高程信息進行坡度、坡向的提取，以期通過對坡度、坡向的分析，進行災(zāi)害的定量研究，并對典型的危害大的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進行三維構(gòu)建。通過對泥石流災(zāi)害的三維構(gòu)建，使泥石流地質(zhì)災(zāi)害更加直觀地呈現(xiàn)。該地區(qū)的數(shù)字高程DEM如圖3所示。

圖3　研究區(qū)的高程數(shù)據(jù)圖Fig.3　Elevation data of this area

2.4　降水?dāng)?shù)據(jù)

該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.2 ℃，年平均降水量379.7 mm，年平均無霜期125天。獲取該地區(qū)5年(2006—2010)內(nèi)的平均月降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)來源包括2個部分：由國家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項收集、整理的1961年至最新的全國國家級臺站(基本、基準(zhǔn)和一般站)的降水月值資料；由GTOPO 30數(shù)據(jù)(分辨率為0.05°×0.05°)經(jīng)過重采樣產(chǎn)生的中國陸地0.5°×0.5°的數(shù)字高程模型DEM。這樣就可以將每個泥石流的地理坐標(biāo)與降水?dāng)?shù)據(jù)一一對應(yīng)，并可以得到每個泥石流所代表地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)。

3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析階段是研究的重點。通常情況下，獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并進行科學(xué)的分析、嚴謹?shù)奶幚?、?zhǔn)確的運算，是得到理想結(jié)果的前提，本次研究技術(shù)路線如圖4。

圖4　技術(shù)路線圖Fig.4　Technical route diagram

根據(jù)風(fēng)險公式：風(fēng)險(risk)=危險性(hazard)×易損性(vulnerability)，分別針對危險性和易損性進行控制因子的分析提取，進而定量得出每個地災(zāi)的風(fēng)險值。

3.1　危險性控制因子研究

危險性分析的目的是分析研究區(qū)潛在的災(zāi)害危險性。地質(zhì)條件、地形地貌條件及地震和降雨(雪)等條件是泥石流等地質(zhì)災(zāi)害危險性的影響因素，通過對泥石流等地質(zhì)災(zāi)害形成的影響因素的分析來判斷區(qū)域泥石流等災(zāi)害發(fā)生的危險性。

3.1.1自身因子分析(1) 面積、高程差分析。這里需要計算2個面積：① 每個泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的面積；② 每個滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害周圍建筑占地、農(nóng)業(yè)占地、公園等的面積。

計算每個泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的面積是對于地質(zhì)災(zāi)害本身的研究。得到地質(zhì)災(zāi)害的面積，再與它的平均坡度及距離建筑占地的高程差進行數(shù)學(xué)關(guān)系的推導(dǎo)計算，就可以得出每個泥石流自身的危險性。

根據(jù)物理學(xué)公式:

W=MHG

(1)

M=ρV

(2)

V=Sd

(3)

H=H泥-H建

(4)

式(1)、(2)、(3)、(4)中，W為泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重力勢能，G為重力加速度，H為泥石流的平均高程與建筑占地的平均高程之差，H泥、H建分別為泥石流與建筑占地的平均高程，M、ρ、V分別為泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的質(zhì)量、密度、體積，S為泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的表面積，d為其平均厚度。由公式可知，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的危險性與其表面積、平均坡度及其距建筑占地的高程差呈正相關(guān)關(guān)系。

表1所示數(shù)據(jù)，是在綜合分析遙感影像、DEM數(shù)據(jù)及各種矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在ArcGIS平臺下提取分析得到的每一處地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、形狀、面積、H泥、H建、經(jīng)度、緯度等信息。

表1中編號為182的泥石流災(zāi)害點與其附近的居民區(qū)的高差為-8 m，即居民區(qū)比泥石流的災(zāi)害點高。此編號的泥石流在理論上對其附近的居民區(qū)已經(jīng)構(gòu)不成任何威脅，其危害性被排除。另外，由于編號171的泥石流附近5 km之內(nèi)沒有任何居民存在，H建在這里沒有數(shù)值，定義為空。

表1　地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

(2) 坡度信息提取。利用ArcGIS軟件在DEM基礎(chǔ)上作該地區(qū)坡度圖。利用空間分析功能生成坡度數(shù)據(jù),即Spatial Analyst→Surface Analysis→Slope，然后再對坡度進行重分類，得到坡度分級圖(圖5)。

圖5　坡度分級圖Fig.5　Map showing grading of slope

通過分析數(shù)據(jù)得知，該地區(qū)的大部分泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的坡度在3°～25°之間，再求得該區(qū)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的正弦值，總結(jié)數(shù)據(jù)如表2。

表2　每個地質(zhì)災(zāi)害點的坡度值

3.1.2外部因素分析(1) 地質(zhì)斷裂研究。泥石流溝谷呈“N”型，溝底可見堆積物，坡體長期未動，溝道彎度小，順直通暢，為泥石流提供了良好的路線(韓麗芳等，2010)。它常發(fā)生于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂褶皺發(fā)育、新構(gòu)造活動強烈、地震烈度較高的地區(qū)，巖性和斷裂構(gòu)造是其發(fā)育的主要影響因素(吳遠進等，2014)，具體受地層巖性以及構(gòu)造因素的控制。

① 地層巖性。地層巖性對泥石流的影響主要有2個方面：基巖地層和第四系堆積層。

基巖地層。分析基巖地層對泥石流的控制作用，關(guān)鍵在于啟動(物源)區(qū)段的基巖巖性。一般而言， 要成為泥石流物源，巖體必須較容易風(fēng)化，發(fā)育較厚的風(fēng)化殼，或者發(fā)育大量的節(jié)理裂隙而使得其結(jié)構(gòu)較松散，可在水的浸潤下或水介質(zhì)中發(fā)生位移——崩塌、滑坡或漂移。容易出現(xiàn)差異風(fēng)化的地層巖性組合有可能成為泥石流物源。

第四系堆積層。第四系表層的各類松散堆積物對泥石流的影響較大，主要是松散層能夠直接為泥石流提供大量的物質(zhì)來源。第四系在山區(qū)主要分布在河流兩岸，為殘、坡、沖、洪積物，呈零星窄條帶狀分布，雖然面積、厚度一般都比較小，但足以提供泥石流的啟動物源并不斷補給。在已經(jīng)發(fā)生的泥石流中有不少啟動物源便是由源頭的殘坡積層形成的淺層滑坡所致，溝岸的洪沖積、坡洪積層等松散層以溝岸崩塌或受沖刷等形式直接作為泥石流的補給物質(zhì)來源。

② 構(gòu)造。構(gòu)造條件是泥石流發(fā)生的重要制約因素，其中以斷裂作用最為明顯，斷裂對泥石流的影響主要通過2個方面實現(xiàn)：降低巖體完整性與形成有利泥石流運動的地貌條件。構(gòu)造運動造成巖石錯位、變形、破壞，形成斷裂。斷裂構(gòu)造使巖石的完整性、堅固性和穩(wěn)定性遭到破壞。 斷裂帶內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石破碎，形成斷層泥、糜棱巖、斷層角礫巖、壓碎巖、碎塊巖等動力變質(zhì)巖，直接為泥石流提供松散碎屑物質(zhì)。該地區(qū)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害通常形成于地層比較活躍、斷裂帶較多的地區(qū)。

(2) 地震分析。若一個地區(qū)的地殼比較活躍，地震較容易發(fā)生，則這個地區(qū)的巖石地層容易受到較為猛烈的沖擊，使得巖層發(fā)生錯位、變形、拉伸等構(gòu)造活動，從而誘發(fā)泥石流、崩塌、地裂等災(zāi)害。如果泥石流等地質(zhì)災(zāi)害體處于地震高發(fā)區(qū)，或潛在爆發(fā)區(qū)，則這個泥石流等地質(zhì)災(zāi)害再次激活的概率要遠高于其他處于地殼平穩(wěn)地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害體，即泥石流的風(fēng)險值與它所在地區(qū)的地震活躍度呈正相關(guān)。所以該地區(qū)的地震活躍情況也是對該地區(qū)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進行定量研究所不得不考慮的一個因素。

通過查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》第1號修改單(GB 18306—2001)，得知研究區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為 0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度(鐵永波等，2011)。地震烈度是指地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。該地區(qū)的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害所受到的地震的潛在影響基本一致。

(3) 植被控制因素分析。若泥石流缺乏植被覆蓋的保護，它極易受到雨水因素的影響，可能一場小雨都能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，即泥石流等的表面植被覆蓋度也是災(zāi)害的影響因子，所以可以通過定量研究泥石流等地質(zhì)災(zāi)害體表面植被的覆蓋度來間接地進行地質(zhì)災(zāi)害的定量研究，但需要注意的是泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的整體植被覆蓋度對該地質(zhì)災(zāi)害點的再次發(fā)生與否沒有直接的關(guān)系。

通過研究得知，該地區(qū)的每一處泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的表面都鮮有植被覆蓋，這造成了各個滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害在植被覆蓋度這個控制因素上幾乎沒有差異，所以通過研究泥石流等地質(zhì)災(zāi)害體表面處的植被覆蓋度間接進行災(zāi)害的定量研究是不可行的。

(4) 降水水系分析。該地區(qū)的河流屬西遼河水系，流經(jīng)境內(nèi)的主要河流有西拉沐淪河、查干沐淪河、嘎斯汰河、巴兒汰河。由圖2可知:淺藍色的線狀物為該地區(qū)的水系河流，紅色的斑點為泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害點，該地區(qū)的河流較少，且泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點離河流都較遠。由于河流對泥石流等地質(zhì)災(zāi)害體的控制力微乎其微，武斷地對地質(zhì)災(zāi)害點至河流的最短距離做緩沖區(qū)分析并賦值做控制因子實際是不準(zhǔn)確的，這里就不再對水系河流這個因子作過多的研究。

林西地處中溫帶，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，降水量較少且時空分布不均，空間上降水差異較大，從降水的角度對這些泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進行定量評價提供了理論上的可能。抽取2009年4月該地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)(表3)，表中編號為20的行CO列為北緯42.5°、東經(jīng)117°的降水?dāng)?shù)據(jù)，編號為23的行CQ列為北緯42.5°、東經(jīng)118.5°的降水?dāng)?shù)據(jù)，每個單元格所代表的范圍為0.5°×0.5°。

表3中加“*”號的數(shù)據(jù)為該地區(qū)2009年4月的降水量，通過數(shù)據(jù)的采集、整理、運算，可以得到每個泥石流等地質(zhì)災(zāi)害在2006—2010這5年內(nèi)的平均年降水?dāng)?shù)據(jù)(表4)。

表3　2009年4月的該地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)

注：降水量單位為mm;加“*”號的數(shù)據(jù)為2009年4月的降水量

表4　每個災(zāi)害點2006—2010年的平均降水?dāng)?shù)據(jù)

由表4可知，編號為166的泥石流所在地區(qū)的年平均降水量最高，因此它受到的雨水沖蝕作用更明顯；相反，編號為171的泥石流所在地區(qū)年平均降水量最低，受到的雨水沖蝕影響最小。

(5) 人類活動的影響。人類活動是指人類為了生存、發(fā)展和提升生活水平所進行的一系列不同規(guī)模、不同類型的活動，包括農(nóng)、林、漁、牧、礦、工、商、交通、觀光和各種工程建設(shè)等。所謂人為原因主要指使地表土壤加速破壞和移動的不合理生產(chǎn)建設(shè)活動。引發(fā)水土流失的生產(chǎn)建設(shè)活動主要有陡坡開荒、不合理的林木采伐、草原過度放牧、開礦、修路、采石等。

目前,對人類工程活動的影響定量化分析較為困難(孫秀菲，2013)。在其他情況一致的條件下，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點所在地區(qū)的人口密度越高，其可能受到的人類活動影響越大。在選泥石流所在區(qū)域時，如果選取的范圍太大，則人口密度對于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響不明顯。這里通過研究每個泥石流所在具體地區(qū)(精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn))的人口密度來定量地反演人類活動對于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響。通過查閱相關(guān)文獻得到每個地質(zhì)災(zāi)害所在地的區(qū)域面積及人口數(shù)，從而求得人口密度(表5)。

表5　每個災(zāi)害點所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密度表

由表5可知，編號為19的崩塌所在地人口最為密集，其受到人類活動的干擾最大。編號為12的泥石流由于在人煙稀少的偏遠地區(qū)，受到人類活動的破壞相應(yīng)小很多。二者的概況見圖6、圖7。

圖6　編號19崩塌概況圖Fig.6　Overview of the land slide No. 19

圖7　編號12泥石流概況圖Fig.7　Overview of the debris flow No. 12

3.2　易損性控制因子研究

易損性評價的目的是評價這些直接受泥石流災(zāi)害影響的承災(zāi)體的損失情況。主要通過對研究區(qū)內(nèi)承災(zāi)體的種類、數(shù)量、分布、價值和對不同強度泥石流災(zāi)害的抗御能力、可恢復(fù)能力進行綜合分析，確定可能遭受泥石流災(zāi)害危害的人口、建筑物、道路、橋梁、其他固定財產(chǎn)以及國土資源的數(shù)量、價值及其破壞損失率。在同等泥石流災(zāi)害規(guī)模條件下，承災(zāi)體的數(shù)量越多，價值越高，對災(zāi)害的抗御和可恢復(fù)能力越差，災(zāi)害造成的破壞損失就會越嚴重(丁繼新等，2006)。

易損性主要是從經(jīng)濟財產(chǎn)方面來考慮的。當(dāng)一個潛在的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對其附近的居民生命財產(chǎn)可能造成的損失越大，則該地質(zhì)災(zāi)害的易損性的值就越高，地質(zhì)災(zāi)害點距離居民活動領(lǐng)域的遠近也直接左右其危險程度。所以通過對泥石流等地質(zhì)災(zāi)害附近的居民生活水平即發(fā)達程度及其與居民活動領(lǐng)域的直接最短距離加以研究，以期達到對泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的易損性定量分析的效果。

3.2.1發(fā)達程度研究通常情況下，在同一地區(qū)，局部經(jīng)濟發(fā)達程度與其小范圍的人口密度有關(guān)，人口密度越高，經(jīng)濟越發(fā)達。如果按照農(nóng)村、城鎮(zhèn)、城市、特大城市來說，人口密度依次增大，經(jīng)濟的發(fā)達度也隨之增高。中心城區(qū)較之二、三圈層來說,經(jīng)濟聚集的程度更高,經(jīng)濟更為發(fā)達,更能夠吸引人口的涌入,進而擁有更高的人口聚集量(韋柳河， 2013)。各城市按照經(jīng)濟聚集水平和按照人口密度得出的排名幾乎是一致的,這也證實了人口聚集與經(jīng)濟聚集呈正相關(guān)關(guān)系,人口聚集程度越高,經(jīng)濟聚集的水平也越高(表6)。

表6　發(fā)達程度分級

因此，研究泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點的易損性與發(fā)達程度之間的關(guān)系便轉(zhuǎn)化為其易損性與所在區(qū)域的人口密度之間的關(guān)系，即可以通過研究泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點的人口密度來定量研究災(zāi)害的易損性。前面已經(jīng)得到了每處泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點所在區(qū)域的人口密度，對人口密度進行分級，以確定每處泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點所在地區(qū)的發(fā)達程度(表7)。

表7　每個災(zāi)害點所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)達程度

3.2.2距離分析研究泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的易損性時不可忽略的因素是泥石流災(zāi)害點與其附近建筑占地的最近距離的大小，距離居民生活區(qū)越近，所帶來的易損性可能就越高。泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點與附近居民生活區(qū)的最近距離在ArcGIS中能夠?qū)崿F(xiàn)，最終得到每處的最短距離(表8)。

表8　每個災(zāi)害點與居民地的最近距離

4數(shù)據(jù)的綜合處理

綜上所述，得出下列結(jié)論。

(1) 泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的自身數(shù)據(jù)包括其表面積、坡度值和高程差。

(2) 影響地質(zhì)災(zāi)害爆發(fā)的外部因素數(shù)據(jù)包括所在地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)、人類活動數(shù)據(jù)。

(3) 泥石流等地質(zhì)災(zāi)害控制的易損性數(shù)據(jù)包括該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)達程度、距離居民區(qū)的最短距離。

經(jīng)過整理與綜合，將這些控制因子數(shù)據(jù)整理后如表9所示。

表9　每個災(zāi)害點的控制因子數(shù)據(jù)

通常為了簡化計算，在這里對一些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)如面積、最短距離進行分級(表10)，這樣便于后面的加權(quán)計算。

表10　面積、最短距離分級

用已經(jīng)分級好的面積等級及最短距離等級分別替換控制數(shù)據(jù)表中的面積和最短距離控制因子，然后分別對各個控制因素賦權(quán)重新歸一化，并計算每個控制因子在已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)下對泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響(表11)。

表11　每個災(zāi)害點的加權(quán)數(shù)據(jù)值

注：“X”表示高程差為負值，無危險性

計算公式如下：

風(fēng)險性=危險性×易損性

(5)

危險性=危險性面積等級+危險性坡度+危險性高程差+危險性降水+危險性地震+危險性人類

(6)

易損性=易損性發(fā)達程度+易損性最短距離

(7)

通過以上3個公式可以得到每條泥石流的風(fēng)險性(表12)。

表12　每個災(zāi)害點最終的風(fēng)險值

注：“X”表示高程差為負值，無危險性

由表12可以看出：編號為19的崩塌風(fēng)險性最大，對居民的生命財產(chǎn)安全的潛在威脅最大，然后依次為編號92、80、91、90、166、149、5、40、75、171。其中編號為182的泥石流災(zāi)害點，由于其與附近居民區(qū)的高差為-8 m，即居民區(qū)比泥石流的災(zāi)害點高。因此該編號的泥石流在理論上對附近的居民區(qū)不構(gòu)成威脅，所以危害性被排除。

下面對風(fēng)險較大的編號為92的泥石流進行三維展示，可以在ArcScene中通過將泥石流的影像圖與其對應(yīng)的DEM表面高程數(shù)據(jù)相疊加得以實現(xiàn)(圖8)。

圖8　編號為92的高風(fēng)險泥石流三維展示圖Fig.8　Three-dimensional display of the high-risk debris flow No.92

5結(jié)論

通過對該地區(qū)的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的定量分析得知，這12處泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險性的占比較高，占總體的1/3。其中編號為19的崩塌及編號為92的泥石流的風(fēng)險值最高，亟需進行安全治理，其次是編號為81、91等的泥石流。

為了保障該地區(qū)人民的生命及財產(chǎn)安全，加強泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的治理工作已經(jīng)刻不容緩。對于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)及時在其周圍做加固處理，或?qū)ζ溥M行封網(wǎng)式治理。此外，要不定期進行觀察，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時妥善解決，防微杜漸，拒絕放過任何小的隱患。

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Three-dimensional quantitative evaluation of debris flow disasters based on RS and GIS

YAO Shu-peng1,2, CHEN Jian-ping1,2, TANG Chao3, LI Ke3

(1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2. Key Laboratory of Land Resources Information Research & Development in Beijing，Beijing 100083，China; 3. Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Company, Ltd, Beijing 100101, China)

Abstract：With the increasingly frequent geological disasters such as debris flows, the quantitative analysis of disaster risk has become a more and more important topic in the field of geological work. This study used integrated remote sensing (RS) and Geographic Information System (GIS) technologies to collect, store, retrieve, model and analyze the geological disaster data, in order to quantitatively evaluate the risk of disasters. According to this, we put forward reasonable suggestions for the regions with potential disasters such as debris flow.

Keywords：debris flow; RS; GIS; quantitative assessment； riskiness； Inner Mongolia