基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的區(qū)域滑坡易發(fā)性評價

張林梵，王佳運，張茂省,*，陳社斌，王濤

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710043)

中國是世界上地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災害頻發(fā)的國家之一。全國每年平均地質(zhì)災害多達1.4萬起，其中滑坡災害約占災害總數(shù)的70%(國土資源部，2010～2016)，滑坡已成為中國主要的地質(zhì)災害類型之一。筆者通過對滑坡易發(fā)性分析，并用于預測滑坡發(fā)生的高頻率區(qū)域，進而服務當?shù)爻青l(xiāng)建設、宜居地選擇及防災減災政策等。

現(xiàn)有的滑坡易發(fā)性評價模型可分為3類：知識驅(qū)動模型、物理力學模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型(Corominas J et al.,2014)。知識驅(qū)動模型，如專家打分法，依賴于專家自身的經(jīng)驗和知識結(jié)構(gòu)，受主觀因素影響(林金煌等，2018)；物理力學模型的分析具有物理意義明確、分析結(jié)果準確的優(yōu)勢，但需要大量的地質(zhì)水文參數(shù)，較為適合單體邊坡易發(fā)性評價(陶舒等，2010)；基于數(shù)據(jù)獲取方式多樣化，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型一般應用在區(qū)域滑坡易發(fā)性快速分析中(蘭恒星等，2002；Caniani D et al.,2008；Yeon Y K et al.,2010；Langping L et al.,2016)，在數(shù)據(jù)驅(qū)動模型中，機器學習模型逐漸成為應用最廣泛的滑坡易發(fā)性分析模型(黃發(fā)明等，2018)，常用的機器學習模型有支持向量機(Support Vector Machine，SVM)(王倩等，2021)、邏輯回歸(Logistic Regression，LR)(胡濤等，2020)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(Artificial Neural Network，ANN)(唐睿旋等，2017)及決策樹(Decision Tree，DT)模型(楊永剛等，2019)等。

模型的選擇關(guān)系到評價結(jié)果的準確度和穩(wěn)定性(蘭恒星等，2002)。以下學者對常用的機器學習模型進行了對比，Yilmaz(2010)對比表明ANN的預測精度優(yōu)于LR、SVM和條件概率模型；Nourani(2014)、Park(2013)等對比顯示，ANN的預測精度高于LR、FR和層次分析法(AHP)。以上研究表明，ANN被用于滑坡易發(fā)性評價可以得到可信的結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡模型的預測精度受輸入層因子選擇、模型優(yōu)化和等級劃分影響較大(Xiny，1999)。因此，筆者將從研究區(qū)黃土滑坡控制性因素分析、模型優(yōu)化和等級分級3個方面著手，進行研究區(qū)黃土滑坡災害易發(fā)性評價。

伊犁地處歐亞大陸腹地，是西天山最大的山間谷地。谷底北東南三面高山環(huán)繞，北有科古琴、博羅科努山脈，海坡4 000～4 500 m，東有依連哈比爾尕山山脈，平均海拔3 600 m，南有哈爾勒克山、帖爾斯克山、那拉提山等，較北部山脈略低，海拔3 500～4 000 m，組成向西開口的“喇叭形”谷地(曹小紅等，2020)。地貌類型為侵蝕褶皺斷塊山、剝蝕堆積塊狀隆起山和堆積平原。研究區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)伊犁州伊寧縣西北方向，經(jīng)度為81°30′～81°45′，緯度為44°0′～44°10′(圖1)。在研究區(qū)開展地質(zhì)災害調(diào)查過程中，當?shù)厥芙涤旰蛿嗔延绊懏a(chǎn)生了大量密集的滑坡災害，對當?shù)氐陌l(fā)展造成了一定程度的影響。筆者選取研究區(qū)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)，分析黃土滑坡控制性因素，進而采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域滑坡易發(fā)性預測模型，對研究區(qū)進行滑坡易發(fā)性評價。

圖1 研究區(qū)位置圖

1 黃土滑坡控制性因素分析

滑坡的孕育環(huán)境是一個復雜的系統(tǒng)，其中斜坡的幾何形態(tài)、所處的地質(zhì)構(gòu)造控制著滑坡的發(fā)育和發(fā)展，誘發(fā)因素包括河流侵蝕、地震和人類活動等(唐亞明等，2011)。根據(jù)伊寧縣區(qū)域地質(zhì)災害調(diào)查的詳細野外資料，分析了控制黃土滑坡的關(guān)鍵因素,為挑選易發(fā)性評價因子提供依據(jù)。分析結(jié)果表明，河谷演化階段、邊坡地質(zhì)構(gòu)造和邊坡幾何形狀都對黃土滑坡的發(fā)生、分布等特征起著重要作用，地下水和植被也有助于促進滑坡的形成，人類工程活動和降水事件的結(jié)合是造成黃土邊坡不穩(wěn)定的主要觸發(fā)因素。

1.1 地層和構(gòu)造的影響

1.1.1 巖性

圖幅內(nèi)地層包括奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、新近系和第四系(圖2)。其中，第四系黃土和新近系紅黏土易滑。石炭系和侏羅系深埋在第四系之下，僅在河流侵蝕溝谷和裸漏基巖山體上才有露頭，在調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)基巖滑坡。新近系紅黏土并不連續(xù)，僅在孤立的谷底位置露頭，即使這種物質(zhì)容易滑動，也很少發(fā)生滑坡。第四系黃土幾乎覆蓋了整個地區(qū)，該黃土類型屬風成黃土，疏松、蟲孔、大空隙構(gòu)造和垂直節(jié)理發(fā)育，濕陷性較強，有時可形成濕陷漏斗和地面塌陷，力學性質(zhì)較差，該黃土地層為黃土滑坡發(fā)生創(chuàng)造了基本物質(zhì)條件(安海堂等，2010)。本次調(diào)查中，研究區(qū)內(nèi)滑坡、滑面類型為黃土層內(nèi)滑坡和基覆界面滑坡，分別占比53%和47%，即調(diào)查區(qū)所有滑坡有的與黃土有關(guān)，有的發(fā)生在黃土中。

圖2 地層巖性與構(gòu)造圖

1.1.2 巖土體結(jié)構(gòu)

調(diào)查區(qū)內(nèi)巖土體結(jié)構(gòu)可分為4類：①黃土+近乎平行的新近系紅黏土。②黃土+傾斜的新近系紅黏土。③黃土+基巖。④黃土+新近系紅黏土+基巖。巖土體結(jié)構(gòu)預先決定了邊坡的不穩(wěn)定模式和結(jié)構(gòu)弱點的位置，對滑動平面位置有明顯的控制作用(王佳運等，2018)。較陡的黃土斜坡(坡度為30°～60°)或懸崖(坡度大于60°)通常會導致墜落；而黃土斜坡(坡度為10°～30°)通常會導致滑動。

1.1.3 斷裂帶影響

整個伊犁地區(qū)大地構(gòu)造位于天山-興安地槽褶皺區(qū)和西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶。研究區(qū)內(nèi)受伊犁盆地北緣斷裂和F20斷裂控制(圖3a)，總體呈現(xiàn)北西—南東延伸，為陡傾角壓性斷裂,斷層面總體南傾,傾角為50°～80°(曹小紅等，2020)。2條大斷裂之間發(fā)育有一系列次級斷裂，延伸受大斷裂控制。通過對研究區(qū)內(nèi)斷層緩沖區(qū)分析(主斷裂設置1 km緩沖區(qū)，次級斷裂設置0.5 km緩沖區(qū))可知，調(diào)查數(shù)據(jù)中76.25%的滑坡點位于主斷裂與次斷裂附近，主斷裂附近分布更為密集，即在斷裂段附近，斷裂對滑坡的形成、發(fā)展起控制作用(朱立峰，2019)。

圖3 (a)研究區(qū)遙感影像與(b)挑選的重點研究區(qū)河谷演化階段分布圖

1.2 河谷演化階段的影響

本研究將河谷的完整演化劃分為3個階段：①一級支流屬于常年河流。②二級支流屬于季節(jié)性河流或者暴雨河流。③三級支流只有在強降雨時才有水流，包括溝壑、干溝等。圖3b為圖幅內(nèi)選出的滑坡災害頻發(fā)中低山區(qū)域，河谷演化發(fā)育階段對邊坡的變形特征、破壞模式和規(guī)模都有明顯的影響。河谷的3個發(fā)育階段在挑選區(qū)域的分布(圖3b)及各個階段河谷的主要特征見表1。

1.2.1 一級支流

一級支流的河谷通常呈U形，河谷很寬，為200～260 m寬的河道和河流階地。部分下游河流階地、河谷兩側(cè)或河谷底部存在4～10 m的基巖露頭，向下和橫向侵蝕均較緩。河谷坡一般平緩(5°～35°)，河流間丘陵高110 m以上。河谷兩側(cè)未見新增天然滑坡，滑坡大多為老滑坡(表1)。挑選重點研究區(qū)域調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，25%滑坡位于一級支流河谷之中。

表1 重點研究區(qū)河谷演化階段的分類及其主要特征表

1.2.2 二級支流

從圖3可以看出，挑選區(qū)域共有10條二級支流，二級支流河谷有一個發(fā)達的排水系統(tǒng)；滑坡坡度范圍為26°～65°，谷寬100～200 m，坡高60～100 m，谷形為U形或V形；垂直侵蝕相對緩慢，而橫向侵蝕突出；河谷兩側(cè)邊坡陡，谷邊多凸坡不穩(wěn)定，這種類型的河谷位于人口稀少的地區(qū)，為當?shù)啬撩穹拍列〉?，滑坡威脅過道的行人和牛羊。

1.2.3 三級支流

三級支流的河谷仍處于其進化的初期階段，包括干溝、淺溝、懸溝或沖溝，最后依次演化為河谷。三級支流河谷的輪廓一般呈V形，深度不同。垂直侵蝕較強烈，側(cè)向侵蝕不太明顯；山谷的斜坡很陡峭，通常超過50°，或幾乎是垂直的；邊坡不穩(wěn)定的主要形式是：頻繁的小規(guī)模黃土落陷，其破壞受到結(jié)構(gòu)接縫存在和風化及卸載裂縫的控制。因為三級支流河谷通常很狹窄，很少有人類活動，工程設施也很少，這種不穩(wěn)定通常沒有危險。

1.3 地形的影響

不利的邊坡幾何形狀是自然滑坡演化的前提，河谷、溝壑的演變和被侵蝕的地形為整個地區(qū)的山體滑坡和崩塌提供了條件。邊坡幾何形狀決定邊坡應力狀態(tài)和分布，需控制邊坡的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定模式。

在研究區(qū)80個被調(diào)查的滑坡中，66個發(fā)生在前傾斜坡上(26個凸坡和40個線性斜坡)，凹坡和階梯坡各有11個、3個。由于斜坡的應力狀態(tài)分布，后向凹坡和階梯坡更容易穩(wěn)定。因為減少了沿斜坡方向的應力集中(趙尚毅等，2002)，相反，在前傾斜坡中應力集中導致穩(wěn)定性變差。

1.3.1 坡度

滑坡孕育在一定的地質(zhì)環(huán)境條件之上，坡度是滑坡啟動的重要條件，坡度低緩無法提供足夠動力，過于陡峭又不利于坡積物的累積，無法為滑坡提供物源基礎(chǔ)。從調(diào)查滑坡坡度所在的坡度區(qū)間和百分比可知(圖4)，坡度小于30°的滑坡僅占調(diào)查滑坡總數(shù)的3.75%，比例很小。在30°～50°梯度區(qū)間內(nèi)，滑坡數(shù)量占比92.5%，其中35°～40°區(qū)間是最頻發(fā)的小區(qū)段，占42.5%。邊坡坡度對邊坡應力分布影響顯著，隨著邊坡坡度增加，邊坡的應力和邊坡底部的應力集中均有增加。根據(jù)有限差分數(shù)值分析結(jié)果(圖5)，安全系數(shù)隨著坡度的增加呈現(xiàn)近線性下降，表明坡度對穩(wěn)定性有顯著影響。坡度大于60°的邊坡更容易傾落，隨著坡度的減小，滑動將取代傾倒塌落。

圖4 滑坡坡度分布百分比圖

圖5 不同邊坡高度下安全系數(shù)與坡度的關(guān)系圖

1.3.2 坡高

圖5顯示了邊坡高度和坡度對滑坡的控制作用，即使邊坡高度不改變邊坡應力分布，但它控制著應力水平(Zhang M et al.,2010)。隨著坡高的增加，應力呈線性增加，對于相同的坡度，失穩(wěn)的可能性增大，因此黃土滑坡的高度也控制了滑坡的發(fā)生。黃土滑坡最常見于50～120 m高度的邊坡，黃土塌落多發(fā)生在10～20 m高度的邊坡上，占總數(shù)的69.23%；其次發(fā)生在20～30 m高度的邊坡上，占總數(shù)的17.31%。坡度越高黃土塌落比例越低。原因是經(jīng)過長時間風化，高邊坡已達到穩(wěn)定狀態(tài)，坡角低；相反，在較低的斜坡上，陡坡容易受到河流作用和侵蝕，也容易受到人類工程活動的影響，邊坡仍處于平衡和調(diào)節(jié)階段，黃土塌落比例較高。

1.3.3 坡向

研究區(qū)內(nèi)所調(diào)查的80個滑坡坡向和坡度見圖6、圖7?；缕孪蚍植季呙黠@的方向性，如圖7所示，大部分滑坡斜坡的方向在0°～90°和270°～360°。首先，這跟該地區(qū)河流的方向有關(guān)，如圖3b所示，在滑坡分布密集的中低山地貌區(qū)域中(挑選的重點研究區(qū))，二級支流多以北東—西南向，一級支流為東—西向。在河道兩岸，河流側(cè)蝕坡腳，極易引發(fā)牽引式滑動；其次，坡向則會影響太陽的照射時間和強度，也會影響降雨在邊坡的分布，導致邊坡在不同方向上產(chǎn)生不同程度的侵蝕，形成不同程度的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)內(nèi)滑坡區(qū)域坡向多在北向以及西北向，除去受河流側(cè)蝕原因之外，分析原因還包括黃土堆積成因影響(徐張建等，2007)。因伊犁地區(qū)黃土多為西北方向往東南搬運沉積，坡向在北向以及西北向堆積厚度相比其他坡向更厚，因此該坡向的斜坡更容易滿足滑坡的啟動條件。

圖6 黃土滑坡斜坡方向(0°～360°)和坡度(0°～90°)散點圖

圖7 不同邊坡方向間隔內(nèi)發(fā)生滑坡的數(shù)量圖

1.4 地下水與植被的影響

1.4.1 地下水賦存狀態(tài)

研究區(qū)無整體連續(xù)的地下水流系統(tǒng)，這里地下水主要存在于沖蝕河谷沖積層中，雖然在其他地方與黃土和基巖接觸，但通常不形成區(qū)域地下水位。當強降雨時，降水與地表徑流沿著發(fā)育良好的黃土接縫、裂縫、陷坑下滲，以棲息水形式賦存在地下，甚至是潛水；古土壤和基巖上方形成局部滯水或潛水。地下水降低了黃土的強度，改變了邊坡巖體內(nèi)的應力狀態(tài)，引發(fā)了邊坡的不穩(wěn)定性(Duan Z et al.,2015)。地下水對邊坡有3種影響：①斜坡上層積水的影響會降低土體的強度，增加土壤的重量，從而導致斜坡的不穩(wěn)定。②向下滲透會導致土壤含水量的增加，雖然土壤仍然不飽和，但土體的強度會降低，引發(fā)斜坡的不穩(wěn)定。③若地下水滲流沿著坡腳方向，致使沿著坡腳滲流力過大，坡腳土體破碎甚至形成過水通道，極不利于斜坡的穩(wěn)定。

1.4.2 植被

植被因素對滑坡具有雙重影響(莊茂國等，2018)。一方面，植被發(fā)育的坡面根系固結(jié)深度大，可增加坡體的支撐力，進而增加斜坡的整體穩(wěn)定性。反之，植被不發(fā)育或遭到破壞將增加降水入滲，使坡體重度及孔隙水壓力加大，巖土體內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角降低，進而使斜坡的穩(wěn)定性降低。另一方面，植被發(fā)育將增大坡體的保水性而使土體含水率增高，其內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角值相對降低。伊犁黃土分布地區(qū)以牧草為主，灌木較少，但因牧草根系較短，植被不是決定滑坡分布的重要原因。

2 滑坡易發(fā)性評價

2.1 研究方法

區(qū)域滑坡地質(zhì)災害易發(fā)性評價是從基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件(內(nèi)在控制因素)出發(fā)，考察山區(qū)斜坡體各種基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境背景條件(內(nèi)在控制因素)及其相互組合對滑坡孕育發(fā)生的控制作用，靜態(tài)考察區(qū)域內(nèi)部滑坡地質(zhì)災害在相對穩(wěn)定孕災環(huán)境中發(fā)生的可能性大小。從物理意義上看，區(qū)域內(nèi)各處滑坡地質(zhì)災害的易發(fā)性是一個概率值(特殊的地質(zhì)環(huán)境背景決定了該坡體易于發(fā)生滑坡)。滑坡災害的孕育是一個時間和空間尺度上線性與非線性、均變與突變、確定性與非確定性、規(guī)則與隨機共存的過程。目前，仍然無法精確確定影響滑坡災害的全部影響因素及其影響程度(武雪玲等，2013)。從靜態(tài)地質(zhì)環(huán)境條件出發(fā)，認為研究區(qū)內(nèi)控制和影響滑坡的主要因素條件已經(jīng)清楚，并且假設工程地質(zhì)條件與已有滑坡相類似的斜坡更易滑塌(邱維蓉等，2020)。基于以上假設，筆者采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來構(gòu)建滑坡易發(fā)性評價模型。神經(jīng)網(wǎng)絡屬于動態(tài)非線性系統(tǒng)，它適用于處理背景知識不清楚，推理規(guī)則不明確，模糊、隨機、復雜的信息識別問題(厙向陽等，2006)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡能為客觀反映滑坡災害地質(zhì)體穩(wěn)定性程度提供一條有效途徑。

2.2 滑坡災害預測因子的選取及優(yōu)化

本研究利用實地調(diào)查資料，分析了河谷演變階段、斜坡構(gòu)造和幾何形態(tài)、區(qū)域構(gòu)造、地下水和植被，從以上黃土滑坡控制性因素分析中可得出以下結(jié)論：滑坡防治、風險評估和預測中應注意河谷演化過程、邊坡結(jié)構(gòu)和形態(tài)及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造。黃土滑坡也受到地下水狀況和植被的影響。由于研究區(qū)內(nèi)黃土厚度較小，滲透性低，黃土層之下為新近系紅黏土或者基巖，降水一般不會通過水位上升而引起滑坡，因此，地下水不是研究區(qū)滑坡的主要控制因素。但是在研究區(qū)植被覆蓋率不高，加上放牧影響，降水很容易滲入黃土地層內(nèi)部，導致水位上升，從而引發(fā)滑坡。在本研究區(qū)因編錄的滑坡數(shù)據(jù)大多無時間記錄，無法得到降雨致滑坡時間序列的概率，因此只能將這一要素略去不考慮。通過植被覆蓋率和土壤相對濕度側(cè)面反映降雨影響。根據(jù)以上黃土滑坡控制性因素分析，選取了地形起伏度、坡度、高程、坡向分布、土壤相對濕度、土地利用、植被指數(shù)、距斷層距離和距離河流距離9個致災因子，選取依據(jù)與數(shù)據(jù)源見表2。

表2 致災因子的詳細數(shù)據(jù)源與選取原則表

在滑坡預測要素中，離散數(shù)據(jù)要進行量化，即對每個屬性的不同屬性賦值，根據(jù)其在滑坡預測中對滑坡影響程度對每個屬性賦予不同數(shù)值。在9個致災因子中，土地利用類型為離散化數(shù)據(jù)，離散型土地利用因子屬性量化值見表3。

表3 離散型土地利用因子屬性量化值表(李利峰等，2020)

利用ENVI遙感解譯和ArcGIS空間分析得到圖幅內(nèi)各致災因子柵格圖(圖8)，柵格單元的精度為5 m×5 m。

在滑坡致災因子中，各個因子的范圍、量級、單位不同，不同類型的數(shù)據(jù)會降低訓練模型效率，從而影響預測結(jié)果(Meng X Z et al.,2014)。因此，對各因子數(shù)據(jù)進行歸一化處理，對原始數(shù)據(jù)進行線性變換，使之落入到[0,1]內(nèi)。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的構(gòu)建及優(yōu)化

BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的構(gòu)建在Matlab平臺上實現(xiàn)，為了防止過度訓練(Li C Z,2011)，不采用分區(qū)數(shù)據(jù)，使用簡單模式，即隱藏層數(shù)為1，節(jié)點數(shù)為3。將研究區(qū)80個滑坡點和142個一般觀測點(一般觀測點多為黃土平原、黃土塬和建設用地，這類坡比降很低，無致災可能的區(qū)域)作為樣本，滑坡點和一般觀測點的易發(fā)性等級分別賦值1和0。從圖8中提取各柵格點9個致災因子值作為神經(jīng)網(wǎng)絡輸入值。在構(gòu)建訓練樣本時，從樣本中隨機選取192個樣本為訓練樣本，剩下的30個樣本為檢驗樣本。將經(jīng)過標準化處理的樣本數(shù)據(jù)導入Matlab建立的初步BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型(圖9)，經(jīng)過反復調(diào)試，當隱藏層節(jié)點個數(shù)為12個、迭代次數(shù)6 000次、誤差閾值為10-3、學習率為0.000 1時，神經(jīng)網(wǎng)絡具有較好的預測性(圖10)，擬合優(yōu)度R2=0.942 8。

圖8 9個致災因子分布圖

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型結(jié)構(gòu)圖

圖10 測試集預測結(jié)果對比圖

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型在區(qū)域滑坡空間預測中的應用

采用上述訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，結(jié)合研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)和遙感解譯圖獲取的數(shù)據(jù)對整個研究區(qū)進行柵格處理，精度為5 m，共有3 068 780個柵格單元，最終形成研究區(qū)滑坡災害易發(fā)性空間預測結(jié)果(圖11)。

3 易發(fā)性等級分級和評價

區(qū)域內(nèi)滑坡易發(fā)性等級采用歷史災害統(tǒng)計法將易發(fā)性分為4個等級：極高、高、中和低。其中，各易發(fā)性等級所占的面積比例(表4)，易發(fā)性等級為極高和高分別占比8.51%和25.09%，并且落入極高以及高易發(fā)性區(qū)域的滑坡點占總數(shù)的91.5%。從圖11中可以看出，預測結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)比較吻合，高易發(fā)性區(qū)域多分布在圓頂?shù)蜕胶蜏\切割緩頂中山，以沿河道、坡向為西北和北向最為常見。在伊犁北緣斷裂與F20斷裂附近，特別F20斷裂兩側(cè)分布著大量的易發(fā)性等級為極高的區(qū)域，也間接說明了研究區(qū)斷裂對滑坡的形成、發(fā)展起控制作用，誘發(fā)因素多為河流側(cè)蝕坡腳引起邊坡失穩(wěn)。在緩傾斜的細土含礫平原和山前黃土丘陵溝谷河道之中也分布少量滑坡。

圖11 研究區(qū)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的滑坡易發(fā)性預測結(jié)果圖

表4 滑坡易發(fā)性統(tǒng)計表

4 結(jié)論

筆者通過對研究區(qū)黃土滑坡控制性因素的分析，結(jié)合研究區(qū)概況，選取了9個易發(fā)性滑坡評價因子作為構(gòu)建和測試神經(jīng)網(wǎng)絡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后在Matlab平臺上構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡模型；通過訓練調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最終得到擬合優(yōu)度較高的預測模型。采用訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，結(jié)合研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)和資源環(huán)境遙感解譯數(shù)據(jù)，對研究區(qū)滑坡的發(fā)生概率進行了預測，并對滑坡易發(fā)區(qū)域進行了劃分，最終得到滑坡易發(fā)性區(qū)劃分圖。主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)內(nèi)黃土滑坡的發(fā)生主要受區(qū)域構(gòu)造、河谷演化階段、邊坡結(jié)構(gòu)和邊坡形態(tài)等因素的控制。黃土滑坡也受到地下水狀況和植被的影響，由于研究區(qū)年降雨量少，年平均降雨量為200～500 mm，極端降雨除外，降水一般不會通過水位上升而引起滑坡，因此，地下水不是研究區(qū)滑坡的主要控制因素。但是在有裂縫、裸漏和落水洞的地層中，降水很容易滲入黃土地層內(nèi)部，導致水位上升，從而引發(fā)滑坡。植被可以防止土壤和水侵蝕影響邊坡穩(wěn)定性，但并不是決定滑坡分布的主要因素。

(2)出于滑坡影響因素獲取的簡便性，選取DEM數(shù)據(jù)和遙感解譯數(shù)據(jù)來提取地質(zhì)環(huán)境影響因素，以ArcGIS為平臺整合研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，借助空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、可視化工具和地理信息系統(tǒng)等，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡，較為便捷地構(gòu)建了區(qū)域滑坡易發(fā)性分區(qū)圖。

(3)研究區(qū)滑坡極高易發(fā)區(qū)主要分布于中低山斷裂帶附近、河流侵蝕河谷處。其中研究區(qū)內(nèi)2條斷裂分布著83%的滑坡災害點，并且坡向多為北向和西北方向，說明斷裂控制著滑坡的發(fā)展與發(fā)生，河流侵蝕為誘發(fā)因素。在沉積平原河流溝谷處分布著較少的滑坡，與人類不合理開挖河道的影響有關(guān)。