基于改進(jìn)證據(jù)權(quán)重法的北海道地震同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

周 宇，常 鳴，2*，孫 文 靜，武 彬 彬

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

0 引言

2018年9月6日，日本北海道發(fā)生Mw6.7級(jí)地震，震中位于42°40′15.6″N，141°55′58.8″E，震源深度37 km[1]。受發(fā)震斷層、地形地貌及巖性影響，地震誘發(fā)的同震滑坡空間分布具有一定規(guī)律，開(kāi)展震區(qū)同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)對(duì)于災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建具有重要意義。滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型可分為確定性模型和非確定性模型，隨著GIS技術(shù)日益成熟，基于統(tǒng)計(jì)分析的非確定性模型在同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如：Pamela等選取12個(gè)評(píng)價(jià)因子利用證據(jù)權(quán)重法對(duì)印度尼西亞Takengon地區(qū)的滑坡易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確率較高[2]；Aril等基于頻率比法、多元邏輯回歸及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)印度尼西亞Ambon地區(qū)的同震滑坡易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確率最高[3]；Rahim等采用層次分析法評(píng)價(jià)巴基斯坦北部Ghizer地區(qū)的滑坡，發(fā)現(xiàn)絕大部分滑坡位于中等至極高易發(fā)區(qū)內(nèi)[4]；武雪玲等基于SVM、PSO和ANN復(fù)合模型對(duì)滑坡易發(fā)性進(jìn)行定量研究，成功率和準(zhǔn)確率均高于單獨(dú)SVM模型評(píng)價(jià)結(jié)果[5,6]；劉堅(jiān)等基于優(yōu)化的隨機(jī)森林模型開(kāi)展三峽庫(kù)區(qū)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，結(jié)果準(zhǔn)確性顯著提高[7]；楊根云等利用信息量模型開(kāi)展滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，所得滑坡易發(fā)性區(qū)劃圖與滑坡實(shí)際發(fā)育情況基本吻合[8,9]；李權(quán)等運(yùn)用多元邏輯回歸模型對(duì)蘭坪縣滑坡易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確率為78.58%[10]。

綜上，既有滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)研究以層次分析法、多元邏輯回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林等模型為主，在評(píng)價(jià)過(guò)程中未考慮評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，也未解決權(quán)重值確定方法與不同分級(jí)條件下對(duì)滑坡發(fā)生概率的影響。因此，本文以北海道地震誘發(fā)同震滑坡為研究對(duì)象，基于震前和震后高精度遙感影像構(gòu)建同震滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)，選取坡度、坡向、距斷層距離、距水系距離、地層巖性、曲率和峰值地面加速度(PGA)共7個(gè)同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)因子，分析北海道地震誘發(fā)的同震滑坡在不同評(píng)價(jià)因子上的空間分布特征；基于證據(jù)權(quán)重法和層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，通過(guò)多模型耦合得到改進(jìn)證據(jù)權(quán)重法，構(gòu)建同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)新模型，并檢驗(yàn)改進(jìn)證據(jù)權(quán)重法與原證據(jù)權(quán)重法的準(zhǔn)確度，以期得到準(zhǔn)確度更高的易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，為同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究區(qū)為北海道地震震中區(qū)域，面積508.97 km2(圖1a)。該區(qū)斷裂和活動(dòng)斷裂極為發(fā)育，南北走向較明顯，尤其是在石狩斷層地區(qū)，震中也靠近該斷層(圖1b)。利用ALOS-2數(shù)據(jù)進(jìn)行InSAR分析，獲得震區(qū)的地殼變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地震由北西向的逆斷層造成[11]。震區(qū)年降雨量為1 200～1 800 mm，地貌以低山為主，地勢(shì)東北高、西南低，海拔最高為643 m。區(qū)內(nèi)主要巖性為早中新統(tǒng)至中中新統(tǒng)泥巖、砂巖與礫巖、凝灰?guī)r交替層、晚白堊世海相泥質(zhì)濁積巖和泥巖，中部丘陵地區(qū)為中新世—上新世泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖，西部主要為全新世河流沉積的砂巖、泥巖、頁(yè)巖以及晚更新世火山碎屑流的松散堆積層[12,13]。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，地震前一天研究區(qū)有降雨，山體被雨水浸透后，在地震作用下發(fā)生了同震滑坡。本文利用地震前后不同時(shí)期高精度遙感影像(表1)獲取同震滑坡的詳細(xì)信息，震前航拍影像用于輔助辨別震后滑坡增加數(shù)量，震后Planet影像用于遙感解譯。結(jié)合前人解譯結(jié)果[15]，通過(guò)目視解譯得到5 977處同震滑坡，災(zāi)害總面積15.26 km2，主要集中在厚真町?dāng)鄬雍褪鲾鄬痈浇?，以中小型滑坡為主，單體滑坡面積最大為0.1 km2，最小為68.6 m2(圖1b)，據(jù)此建立北海道地震誘發(fā)同震滑坡空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，采用研究區(qū)地形、地質(zhì)及地震數(shù)據(jù)分析同震滑坡空間分布特征(表1)。

表1 北海道地震遙感影像及其他數(shù)據(jù)Table 1 Remote sensing images and other information data of Hokkaido earthquake

1.2 改進(jìn)型同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型

證據(jù)權(quán)重法是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、離散多元的地學(xué)統(tǒng)計(jì)方法[16]，但其未考慮各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，僅對(duì)地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的評(píng)價(jià)因子疊加復(fù)核分析，進(jìn)而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，本文在證據(jù)權(quán)重法基礎(chǔ)上，采用層次分析法計(jì)算同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，得到改進(jìn)型證據(jù)權(quán)重法，以此對(duì)同震滑坡易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算公式為：

(1)

(2)

Pp(l)=S0/S

(3)

(4)

(5)

2 北海道地震同震滑坡空間分布規(guī)律

影響同震滑坡的因子主要有地形地貌、地層巖性、地質(zhì)及人類(lèi)工程活動(dòng)等[17]。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，本文選取地形(高程、坡度、曲率、坡向)、地質(zhì)(距斷層距離、地層巖性、PGA)及水文(距水系距離)三方面共8個(gè)影響因子，通過(guò)ArcGIS空間分析功能，對(duì)研究區(qū)同震滑坡評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分級(jí)(圖2、表2)。

表2 各評(píng)價(jià)因子分級(jí)及同震滑坡發(fā)生概率Table 2 Classification and coseismic landslides probability for evaluation factors

圖2 北海道地震同震滑坡各影響因子空間分布Fig.2 Spatial distribution of influencing factors on coseismic landslides of Hokkaido earthquake

(1)高程。不同高程范圍內(nèi)土壤類(lèi)型、植被種類(lèi)、植被覆蓋率及降雨量可能不同，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡的移動(dòng)距離和影響范圍也不同。本文基于1∶5萬(wàn)地形圖中的等高線獲取研究區(qū)DEM，并將高程分為0～90 m、90～170 m、170～250 m、250～330 m和>330 m共 5類(lèi)(圖2a)，可以看出，研究區(qū)同震滑坡主要集中在高程90～250 m范圍內(nèi)，滑坡面積12.58 km2，占5個(gè)高程區(qū)間災(zāi)害總面積的82.48%，且隨著高程增加，同震滑坡數(shù)量減少。

(2)坡度及曲率。坡度是影響坡面穩(wěn)定性的重要因子，坡度大小在幾何特征上決定了同震滑坡的分布，通常滑坡更易發(fā)生在坡度較大區(qū)域[18]。基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)獲取坡度數(shù)據(jù)，將其分為0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～40°、40°～50°和>50° 共6類(lèi)(圖2b)，可以看出，研究區(qū)同震滑坡主要分布在20°～40°坡度范圍內(nèi)，滑坡面積10.57 km2，占6個(gè)坡度區(qū)間災(zāi)害總面積的69.26%；隨著坡度增加，總體上同震滑坡數(shù)量遞減，緣于研究區(qū)內(nèi)坡度較大區(qū)域面積較小，滑坡集中在坡腳地區(qū)。曲率為坡度的導(dǎo)數(shù)，曲率為正說(shuō)明坡面上凸，為負(fù)說(shuō)明坡面下凹，同震滑坡在凹形坡和凸形坡分布大致相同(圖2c)。

(3)坡向。坡向是影響滑坡分布的重要因子之一，不同坡向的日照時(shí)長(zhǎng)和輻射強(qiáng)度也不同，影響山地的植被覆蓋，進(jìn)而影響坡體的穩(wěn)定性[19]。本文基于DEM提取坡向數(shù)據(jù)，并將其分為北、東北、東、東南、南、西南、西和西北8個(gè)方向(圖2d)，可以看出，同震滑坡主要集中在東、南、東南方向，滑坡面積9.84 km2，占8個(gè)坡向區(qū)間災(zāi)害總面積的64.46%。

(4)距斷層距離。同震滑坡的空間分布特征主要受斷層控制。距斷層越近，地質(zhì)災(zāi)害越發(fā)育；距斷層越遠(yuǎn)，地質(zhì)災(zāi)害分布密度越小[20]。本文基于1∶10萬(wàn)地質(zhì)圖獲取斷層數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)有兩個(gè)較大的斷層，分別為厚真町?dāng)鄬雍褪鲾鄬?。? km為多環(huán)緩沖區(qū)間距，將研究區(qū)分為11個(gè)區(qū)域(圖2e)，可以看出，同震滑坡主要集中在距斷層5 km的區(qū)域內(nèi)，滑坡面積占11個(gè)區(qū)域?yàn)?zāi)害總面積的89.78%，且距斷層越遠(yuǎn)，同震滑坡越少，符合同震滑坡易發(fā)生在斷層附近的普遍規(guī)律。

(5)地層巖性。巖土體的類(lèi)型及其結(jié)構(gòu)特征影響坡面的穩(wěn)定性[21]。由1∶10萬(wàn)地質(zhì)圖得到研究區(qū)巖性矢量數(shù)據(jù)，并將其劃分為礫巖、砂巖、泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖及松散堆積物6種(圖2f)，可以看出，同震滑坡在頁(yè)巖和礫巖上較為發(fā)育，二者滑坡面積合計(jì)11.01 km2，占6種巖性災(zāi)害總面積的72.12%。

(6)PGA。地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的峰值加速度可反映地面及建筑物受地震破壞的程度，PGA值越大，坡面受到的影響越大，越易誘發(fā)滑坡。以0.04 g為多環(huán)緩沖區(qū)，將研究區(qū)PGA分為11類(lèi)(圖2g)，其中，同震滑坡主要分布在0.48～0.52 g區(qū)域內(nèi)，滑坡面積7.28 km2，占11類(lèi)PGA災(zāi)害總面積的47.79%。

(7)距水系距離。水系的切割為滑坡的發(fā)生提供了臨空面，滑坡分布與距水系距離密切相關(guān)，強(qiáng)震區(qū)滑坡多沿河流兩側(cè)分布，且距水系越遠(yuǎn)，滑坡分布密度越小[22]?；?∶5萬(wàn)地形圖得到水系數(shù)據(jù)，以200 m為水系多環(huán)緩沖區(qū)間距共劃分8個(gè)區(qū)域(圖2h)，可以看出，同震滑坡主要集中在距水系0.8 km范圍內(nèi)，滑坡面積12.22 km2，占8個(gè)區(qū)域?yàn)?zāi)害總面積的80.13%，且距水系越遠(yuǎn)，同震滑坡越少。

3 同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 因子相關(guān)性評(píng)價(jià)

為保證評(píng)價(jià)因子間的相互獨(dú)立性和客觀性，用Pearson相關(guān)系數(shù)衡量各評(píng)價(jià)因子間的相關(guān)關(guān)系[23]，其絕對(duì)值大于0.5時(shí)，認(rèn)為具有一定的相關(guān)性。由表3可知，除高程與距斷層距離存在一定相關(guān)外，其余各評(píng)價(jià)因子之間均滿足相互獨(dú)立的要求。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，同震滑坡主要集中在90～250 m 低海拔地區(qū)，同時(shí)考慮到同震滑坡受斷層影響較大，故將高程因子剔除，最終選取坡度、曲率、坡向、距水系距離、距斷層距離、地層巖性、PGA共7個(gè)因子作為北海道同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 各評(píng)價(jià)因子間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficients between evaluation factors

3.2 基于改進(jìn)型證據(jù)權(quán)重法的同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

本文采用層次分析法計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)因子的同震滑坡易發(fā)性權(quán)重值[24]。首先，通過(guò)專(zhuān)家打分法對(duì)7個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分，建立評(píng)價(jià)因子權(quán)重值判斷矩陣(表4)。然后，利用MATLAB軟件計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax=7，一次性指標(biāo)CI=0，通過(guò)查詢(xún)平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)表，可得RIn=7=1.32，則檢驗(yàn)性指標(biāo)CR=CI/RI=0/1.32=0<1，證明該矩陣具有完全一致性，判斷合理。最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量為(0.0588，0.0588，0.1765，0.1765，0.1765，0.0588，0.2941)，對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，得到7個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

表4 7個(gè)評(píng)價(jià)因子判斷矩陣及權(quán)重Table 4 Judgment matrix and the corresponding weights of the seven evaluation factors

利用式(1)-式(5)和表2數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)同震滑坡發(fā)生的概率，利用ArcGIS空間分析功能得到同震滑坡易發(fā)性分布圖，對(duì)概率值歸一化后將易發(fā)性由小到大分為極低(0～0.2)、低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、高(0.6～0.8)和極高(0.8～1)5個(gè)等級(jí)(圖3)，可以看出，同震滑坡主要集中在極高和高易發(fā)區(qū)，在區(qū)域內(nèi)東北向的極低和低易發(fā)區(qū)幾乎沒(méi)有分布。

圖3 模型改進(jìn)前后北海道同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation on the susceptibility of coseismic landslides of Hokkaido earthquake before and after model improvement

進(jìn)一步利用ROC曲線評(píng)價(jià)模型的精確性，以未發(fā)生同震滑坡的單元被正確預(yù)測(cè)的比例為橫坐標(biāo)、以發(fā)生同震滑坡的單元被正確預(yù)測(cè)的比例為縱坐標(biāo)繪制曲線，曲線越接近左上角，表明模型的準(zhǔn)確性越高[25]；曲線下的面積(Area Under Curve，AUC)表示模型精確程度，取值范圍為0.5～1，AUC值越接近1，表明模型的精確性越高[26]。通過(guò)SPSS分析，得到改進(jìn)前AUC=0.870，改進(jìn)后AUC=0.916，表明改進(jìn)后模型精度更高。改進(jìn)前模型預(yù)測(cè)的極高、高易發(fā)區(qū)面積合計(jì)183.17 km2，占研究區(qū)總面積的35.99%，兩區(qū)域同震滑坡面積為9.39 km2，占同震滑坡總面積的61.58%；極低、低易發(fā)區(qū)面積合計(jì)206.68 km2，同震滑坡面積合計(jì)0.51 km2。改進(jìn)后模型預(yù)測(cè)的極高、高易發(fā)區(qū)面積合計(jì)151.16 km2，占研究區(qū)總面積的29.7%，兩區(qū)域同震滑坡面積合計(jì)10.85 km2，占同震滑坡總面積的71.16%，極低、低易發(fā)區(qū)面積合計(jì)194.9 km2，同震滑坡面積合計(jì)0.41 km2，表明改進(jìn)后模型預(yù)測(cè)的同震滑坡極高、高易發(fā)區(qū)分布更集中，模型更合理。

4 結(jié)論

本文對(duì)地震前后不同時(shí)期高精度遙感影像進(jìn)行解譯，共解譯出5 977處同震滑坡，災(zāi)害面積15.26 km2，最大單體滑坡面積0.1 km2，以中小型滑坡為主，沿西北—東南向斷層兩側(cè)分布，靠近水系地區(qū)較為發(fā)育。從地形、地質(zhì)、水文條件方面對(duì)北海道地震同震滑坡的空間分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)距斷層小于5 km、距水系小于800 m范圍內(nèi)，同震滑坡分布較密集，距水系和斷層越遠(yuǎn)，同震滑坡越少；在PGA 為0.5 g、高程90～250 m、坡度20°～40°、坡向?yàn)闁|至東南向、巖性為頁(yè)巖或礫巖區(qū)域，同震滑坡較為發(fā)育。利用改進(jìn)后的證據(jù)權(quán)重法開(kāi)展北海道地震同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，經(jīng)ROC曲線評(píng)價(jià)模型驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)曲線下面積(AUC)為0.916，較改進(jìn)前模型(AUC為0.870)有明顯提升，表明改進(jìn)后的證據(jù)權(quán)重法精度更高，可更好地為相似的同震滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)提供參考。

本文基于遙感技術(shù)研究同震滑坡的分布特征，未考慮同震滑坡所處區(qū)域的巖土體物理學(xué)特征，未來(lái)將在室內(nèi)開(kāi)展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)此方面的不足。