基于GIS的地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)劃分與評價研究

王萬平

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710018 )

0 引 言

隨著人類活動規(guī)模和范圍的擴大，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害呈現(xiàn)加劇趨勢，嚴重危害著人們的生命和財產(chǎn)安全，影響著經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。為此，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局在“十三五”期間部署開展地質(zhì)災害詳細調(diào)查。地質(zhì)災害詳細調(diào)查內(nèi)容涉及地質(zhì)、地貌、氣象、水文、人類活動等諸多領域，調(diào)查數(shù)據(jù)類型復雜，數(shù)據(jù)量極大。為了有效地存儲和管理這些海量數(shù)據(jù)，提高防災減災工作效率，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)可以有效地解決這一問題[1-5]。利用ArcGIS空間分析功能，進行地質(zhì)災害易發(fā)程度區(qū)劃和評價。極大地方便了地方政府相關(guān)部門防災減災工作，為專業(yè)技術(shù)人員提供了一個快捷有效的數(shù)據(jù)提取、分析評價平臺。易發(fā)程度區(qū)劃可以為地方經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃提供減災防災依據(jù)，保證經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，同時也可以宣傳地質(zhì)災害知識，提高公眾的減災防災意識，有利于地質(zhì)災害群測群防網(wǎng)絡建設。

1 評價方法

本文采用層次分析法確定各評價因子權(quán)重。層次分析法（analytical hierarchy process,AHP）的基本原理是將要評價系統(tǒng)的各種要素分解成目標、準則、方案等層次，在分解基礎上進行定性和定量分析的決策[6]。這種方法的特點是在對決策問題的本質(zhì)、影響因素及內(nèi)在關(guān)系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息把決策者的決策思維過程數(shù)學化，從而為多目標，多準則或無結(jié)構(gòu)特性的復雜決策問題提供簡單的決策手段。

1.1 層次分析法的基本步驟

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型

在深入分析實際問題的基礎上，將有關(guān)的各因素按照不同的屬性自上而下分解成若干層次。同一層次的諸因素從屬于上一層或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?，同時又支配下一層的因素或受下一層因素的作用。層次結(jié)構(gòu)通?？煞譃槟繕藢印蕜t層和方案層。

2）構(gòu)造判斷矩陣

從層次結(jié)構(gòu)模型的方案層開始，對于從屬于（或影響）上一層的每個因素的同一層諸因素進行兩兩比較。比較其對于準則的重要程度，并按事前規(guī)定的標度定量化，建立判斷矩陣。

3）計算權(quán)向量

對每一個成對比較矩陣，利用求和法計算最大特征根及對應特征向量。

4）一致性檢驗：AHP要求判斷矩陣具有大體的一致性，能夠使計算的結(jié)果基本上合理。對矩陣進行一致性檢驗，計算。

式中，CR為一致性比率。當CR＜0.1時，認為矩陣具有滿意的一致性；而

式中，λmax為一致性矩陣的最大特征根，n為成對比較的因子的個數(shù)；RI為隨機一致性指標。

1.2 層次分析法計算權(quán)重

1.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，建立研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性評價結(jié)構(gòu)模型圖，將災害分布密度、坡度、坡型、坡高、巖土體類型、河流沖刷和人類工程活動等7個因子作為方案層，分別歸屬于災害發(fā)育因素、形成因素、誘發(fā)因素準則層。

圖1 易發(fā)性評價層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model for evaluation of susceptibility

1.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

采用1～9標度方法分別對準則層和方案層的各個因素進行兩兩比較，賦以相應分值，構(gòu)造判斷矩陣，其中，目標層A對準則層B判斷矩陣為：

準則層B對方案層C的判斷矩陣為：

1.2.3 計算權(quán)向量及一致性檢驗

根據(jù)層次分析法權(quán)向量計算公式，可以計算出矩陣A和B的λmax和歸一化的ω值：

λmax(A)=3，ω(A)=(0.567 9，0.333 9，0.098 2)，其一致性檢驗結(jié)果CR＝0.021 3

λmax(B2)=5.013 3，ω(B2)=(0.313 0，0.098 8，0.0988，0.313 0，0.176 5)，其一致性檢驗結(jié)果CR＝0.003。

方案層C對目標層A的總排序權(quán)重計算結(jié)果見表1。

表1 判斷矩陣層次總排序結(jié)果表Tab.1 Judgment matrix hierarchy total sort results table

方案層C對目標層A的一致性比率CR＝0.0243＜0.1，層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性。

2 基于GIS地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)的評價

2.1 評價單元選擇

應用GIS評價區(qū)域地質(zhì)災害易發(fā)性時，產(chǎn)生了多種劃分模型單元的方法，總結(jié)起來主要有以下5種形式：格網(wǎng)單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元、邊坡單元。其中，格網(wǎng)單元對應于GIS中的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是柵格GIS中常用的一種基本單元。將整個區(qū)域按預定的大小劃分為規(guī)則的多邊形作為基本的模型計算和繪圖單元。格網(wǎng)劃分完之后，將所要考慮的每一個因素（地質(zhì)、地形等）的賦值賦予每一個網(wǎng)格單元，這些值在單元中均勻分布。由于格網(wǎng)單元法在計算機中的實現(xiàn)十分快捷和方便，在評價區(qū)域地質(zhì)災害易發(fā)性時被廣泛采用[7-10]。本文亦采用格網(wǎng)單元法確定延長縣地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)評價單元。

采用格網(wǎng)單元法時格網(wǎng)大小的確定十分重要，格網(wǎng)單元尺寸選取太大，則影響預測精度，選取太小，則造成計算量太大，所以，格網(wǎng)大小的選取應依據(jù)以下原則：格網(wǎng)應使單元精度能充分反映一定比例尺下地質(zhì)實體的空間分布及其屬性特性，滿足該比例尺下地質(zhì)體的實際精度；格網(wǎng)化時應充分考慮計算機處理能力，在保證一定格網(wǎng)化精度的情況下，盡可能地保證計算機運行的速度；格網(wǎng)化時應綜合考慮各圖層的精度[11-13]。

根據(jù)以上選取原則，結(jié)合研究區(qū)已發(fā)生崩塌、滑坡災害的規(guī)模，本文采用2 km×2 km的方格精度進行格網(wǎng)劃分，將全區(qū)離散為670個單元網(wǎng)格，所依據(jù)的基礎圖件為1:50 000的DEM圖和工程地質(zhì)圖。然后將災點密度、坡度指標、坡高指標、坡型指標、巖土體類型指標、河流沖刷指標和人類工程活動指標計算結(jié)果柵格化，并進行0～1之間線性歸一化。各個指標歸一化圖如圖2～圖8所示。

圖2 災點密度歸一化圖Fig.2 Normalized plots of disaster density

圖3 坡度歸一化圖Fig.3 Normalized slope diagram

圖4 坡型歸一化Fig.4 Slope normalization

圖5 坡型歸一化圖Fig.5 Normalized slope pattern

圖6 巖土體類型歸一化圖Fig.6 Normalized map of rock

圖7 河流沖刷歸一化圖Fig.7 Normalization of river erosion

圖8 人類工程活動歸一化圖Fig.8 Normalized human engineering activity

2.2 基于GIS的空間疊置分析

2.2.1 運算方法及過程

在評價指標分析和重分類基礎上，可用下面的公式計算易發(fā)性評價結(jié)果：

式中,P為地質(zhì)災害易發(fā)性評價結(jié)果，xi為各評價因子的評價結(jié)果，ni為各評價因子的權(quán)重。

這一過程可以運用ArcGIS柵格計算功能實現(xiàn)，將各指標重分類圖按照層次分析法確定的權(quán)重(見表3)進行疊加計算?？梢缘玫窖芯繀^(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度評價結(jié)果圖，如圖9所示。

圖9 各因子指標疊置分析計算結(jié)果圖Fig.9 Shows the overlay analysis results of each factor

2.2.2 易發(fā)程度等級劃分

合理確定易發(fā)程度分區(qū)界線值十分重要。本次評價采用ArcGIS中自然裂點法和當?shù)刈匀粸暮v年發(fā)生統(tǒng)計結(jié)果作為分級標準，將各因子評價指標疊加分析結(jié)果分為四級，分級結(jié)果如圖10所示。

圖10 研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)圖Fig.10 Geographic hazard-prone zoning map for the study area

P＝0.392 460 470～0.985 501 528時，為高易發(fā)區(qū)；P＝0.234 572 915～0.392 460 470時，為中易發(fā)區(qū)；P＝0.134 449 100～0.234 572 915時，為低易發(fā)區(qū)；P＝0.003 517 957～0.134 449 100時，為不易發(fā)區(qū)。在定量計算劃分易發(fā)區(qū)的基礎上，綜合考慮各種因素，得到地質(zhì)災害易發(fā)程度區(qū)劃圖，如圖11所示。

圖11 研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度區(qū)劃圖Fig.11 Zoning map of geological hazard prone areas in the study area

2.3 地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)分區(qū)評價

在ArcGIS平臺劃分易發(fā)區(qū)的基礎上，綜合考慮各種因素，編制出了研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)，將研究區(qū)化分為地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。其中，高易發(fā)區(qū)面積167.18 km2，占全研究區(qū)面積的7.06%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點74處，地質(zhì)災害點密度0.44處/km2，包括黑家堡～郭旗高易發(fā)區(qū)(Ⅰ1)、七里村～縣區(qū)高易發(fā)區(qū)(Ⅰ2)、張家灘高易發(fā)區(qū)(Ⅰ3)、交口高易發(fā)區(qū)(Ⅰ4)、雷赤～南河溝高易發(fā)區(qū)(Ⅰ5)等5個亞區(qū)；中易發(fā)區(qū)面積533.04 km2，占研究區(qū)面積的22.51%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點100處，地質(zhì)災害點密度0.19處/km2，包括黑家堡～南河溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ1)、交口～劉家河中易發(fā)區(qū)(Ⅱ2)、安溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ3)、雷赤～南河溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ4)及安河中易發(fā)區(qū)(Ⅱ5)5個亞區(qū)；低易發(fā)區(qū)面積1 427.19 km2，占研究區(qū)面積的60.27%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點85處，地質(zhì)災害點密度0.06處/km2；不易發(fā)區(qū)面積240.59 km2，占研究區(qū)面積的10.16%，包括鄭莊～七里村～安溝非易發(fā)區(qū)(Ⅳ1)和羅子山～安河非易發(fā)區(qū)(Ⅳ2)，基本無地質(zhì)災害發(fā)生。

3 結(jié)束語

1）在對研究區(qū)災害現(xiàn)狀及形成條件、誘發(fā)因素分析的基礎上，選取災點分布密度、斜坡坡度、斜坡坡型、斜坡坡高、河流沖刷、巖土體條件、人類活動等7個因素作為研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度評價指標。

2）在利用層次分析法計算出各評價因子的權(quán)重，ArcGIS平臺下，將評價因子進行量化，得到了各個評價指標歸一化圖，根據(jù)各評價指標的權(quán)重，利用空間疊置分析功能將所有評價指標進行疊置計算分析，然后采用ArcGIS中自然裂點法和當?shù)刈匀粸暮v年發(fā)生統(tǒng)計結(jié)果分級標準，將計算結(jié)果分成四級，得到研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度分級結(jié)果。

3）在易發(fā)區(qū)的基礎上，綜合考慮各種因素，編制出了研究區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)，將研究區(qū)化分為地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。分級結(jié)果極大地方便了地方政府相關(guān)部門防災減災工作，為地質(zhì)災害防治提供了決策依據(jù)。