基于多尺度分析和綜合評(píng)價(jià)法的登封市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

王瑞瑞， 劉 冰

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 測(cè)繪地理信息院，河南 鄭州 450001； 2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001;3.河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測(cè)研究科技創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001； 4.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

中國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和自然地理環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與人類(lèi)工程活動(dòng)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨等人為和自然因素有著密不可分的關(guān)系，而且在不同地區(qū)的發(fā)生頻率有著顯著的差異[3]。因此，基于已有歷史數(shù)據(jù)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、人類(lèi)活動(dòng)等因素，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)輔助地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、調(diào)查等工作具有重要意義。從20世紀(jì)90年代至今，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了深入的研究，使得地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)理論得到迅速發(fā)展。但是，以往研究者在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取一般只考慮了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、人類(lèi)工程活動(dòng)等因素，而歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)作為最能夠直觀反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征的因素之一，往往被研究者所忽略。也有部分研究者在易發(fā)性評(píng)價(jià)中考慮了歷史地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況，但基本都是簡(jiǎn)單的直接應(yīng)用，效果并不是十分理想。

隨著計(jì)算機(jī)、GIS等信息技術(shù)的逐漸成熟，先后出現(xiàn)了許多地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，常見(jiàn)的方法有層析分析法[4-5]、信息量法[6-9]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]、邏輯回歸分析法[11]等。中國(guó)的不同省份乃至同一省份的不同地市，其地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型和發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的影響因素都有所差異，目前還沒(méi)有一種統(tǒng)一的方法應(yīng)用于不同地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)[12-14]。然而相對(duì)而言，綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的效果較好，與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法分區(qū)結(jié)果基本相同[15]。因此，本文采用綜合評(píng)價(jià)法并將歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，同時(shí)引入多尺度分析的思想，從不同的尺度對(duì)歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)綜合分析，提出一種基于多尺度分析和綜合評(píng)價(jià)法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法。

1 評(píng)價(jià)方法

本文采用的評(píng)價(jià)方法是基于綜合評(píng)價(jià)法，將歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)直接作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并采用多尺度分析的思想對(duì)其進(jìn)行處理和表達(dá)。首先，搜集研究區(qū)的相關(guān)資料。其次，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則[16-17]，選取歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨量、人類(lèi)工程活動(dòng)8個(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，量化各評(píng)價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行權(quán)重賦值。其中，對(duì)歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采用多尺度分析進(jìn)行處理，即對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同距離的多尺度密度分析，并對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析作為最終的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使其更為合理地表達(dá)歷史地質(zhì)災(zāi)害的分布情況。最后，采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成研究區(qū)易發(fā)性分區(qū)圖。其技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.1 Technology roadmap

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)登封市地理坐標(biāo)為北緯34°35′～34°15′，東經(jīng)112°49′～113°19′，面積約1 217 km2。該市地形較為復(fù)雜，地勢(shì)總體為南北高中間低，北部和南部分別為東西走向的嵩山、箕山和熊山。登封市為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年溫差較大，四季分明，平均氣溫14.2℃。常年干旱少雨，年平均降雨量614 mm，降雨多集中在6—8月，約占全年降雨總量的33.8%。登封市屬于華北地層區(qū)，基底主要由太古宇、古元古界組成，分布在該市的東南以及南、北兩端，巖性主要為變質(zhì)巖，如片麻巖；蓋層主要由新元古界、早古生界、晚古生界、中生界、新生界組成，巖性主要為沉積巖。該地區(qū)地殼活動(dòng)頻繁，巖漿巖活動(dòng)較強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。根據(jù)搜集到的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，該市發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害共計(jì)222處，主要分布于中部的沖溝發(fā)育地區(qū)、南部和北部的丘陵山區(qū)以及礦山開(kāi)采較多的東部地區(qū)(圖2)。主要地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型為崩塌159處，占總數(shù)的71.6%；滑坡55處，占總數(shù)的24.8%；泥石流8處，占總數(shù)的3.6%。

圖2 登封市DEM數(shù)據(jù)及歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布情況圖Fig.2 DEM data and distribution of historical geological disasters in Dengfeng City

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素有很多，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨和人類(lèi)工程活動(dòng)等。本文一方面結(jié)合登封市自然、人文條件和已有的研究，另一方面考慮到歷史地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生能直觀地反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性分布情況[18]，最終構(gòu)建如圖3所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中共包含8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖Fig.3 System diagram of evaluation index

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化

根據(jù)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)和搜集到的相關(guān)資料，對(duì)8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化。最終所有評(píng)價(jià)指標(biāo)都量化為值為0～1的柵格數(shù)據(jù)，且均為12.5 m分辨率。

3.1.1歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

本文所指的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)為搜集2021年之前已統(tǒng)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)，共計(jì)222處，其中崩塌159處、滑坡55處、泥石流8處。該評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化是通過(guò)統(tǒng)計(jì)在一定大小的單元格內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的密度。因?yàn)闅v史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)為點(diǎn)格式的矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)密度時(shí)單元格的尺寸選擇尤其重要，如果單元格尺寸太大，會(huì)造成統(tǒng)計(jì)結(jié)果太粗糙且可能會(huì)出現(xiàn)馬賽克的情況；如果單元格尺寸太小，則會(huì)造成統(tǒng)計(jì)結(jié)果單一化，且無(wú)法形成連續(xù)區(qū)域，很難反映出區(qū)域差異。因此，在該指標(biāo)量化時(shí)引入多尺度分析的思想，分別對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行500、900、1 300、1 700、2 100、2 500、3 000 m 的密度分析。最后，將這7個(gè)密度分析數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并進(jìn)行歸一化處理。如圖4-a、4-b和4-c所示，分別為500 m、3 000 m和疊加分析并歸一化后的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度。由圖4-c可見(jiàn)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分析后再進(jìn)行疊加分析所獲得的結(jié)果相比單一尺度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，能夠更客觀、合理和自然地表達(dá)出不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布情況。因此，選取疊加分析并歸一化后的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度作為最終的歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1.2地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

(1) 地形地貌。地形地貌包括坡度、坡高、坡型，均可由DEM數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。根據(jù)登封地區(qū)實(shí)際情況，結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為坡度>40°更容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，而坡度<10°幾乎不會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，分別賦值為1和0，然后將10°～40°之間的坡度進(jìn)行歸一化，作為坡度評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-d所示。坡高指DEM數(shù)據(jù)3×3窗口中的最大高差。同樣的，認(rèn)為坡高>50 m的地區(qū)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，賦值為1，然后將0～50 m之間的坡高進(jìn)行歸一化，作為坡高評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-e所示。坡型指地表曲率，由于曲率為負(fù)值時(shí)，坡面為凹型或階梯型，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度很低，賦值為0，然后將>0的曲率部分進(jìn)行歸一化，作為坡型評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-f所示。

(2) 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造主要是選取巖土結(jié)構(gòu)指標(biāo)，搜集的原始數(shù)據(jù)為登封市工程地質(zhì)圖，巖土類(lèi)型包括松散土類(lèi)、半堅(jiān)硬巖類(lèi)、堅(jiān)硬巖類(lèi)，共3大類(lèi)9小類(lèi)。根據(jù)研究區(qū)各類(lèi)巖土以往發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的程度，認(rèn)為石英巖和碳酸鹽巖相比頁(yè)巖和片巖發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率更大，其次為侵入巖、變質(zhì)巖和松散土類(lèi)。同時(shí)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行專(zhuān)家打分(表1)，并對(duì)打分結(jié)果作柵格化和歸一化處理，作為巖土結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-g所示。

表1 巖土結(jié)構(gòu)及專(zhuān)家打分分值表Table 1 Geotechnical structure and expert score

圖4 各地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)圖Fig.4 Evaluation indexes of geological disasters

3.1.3誘發(fā)因素

(1) 植被指數(shù)。選取2021年9月的Landsat8影像(影像清晰，無(wú)云覆蓋)進(jìn)行植被指數(shù)提取，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，作為植被指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-h所示。

(2) 降雨量。搜集的原始數(shù)據(jù)為降雨量等值線(xiàn)圖，對(duì)等值線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化和歸一化處理，作為降雨量評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-i所示。

(3) 人類(lèi)工程活動(dòng)。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受人類(lèi)工程活動(dòng)的影響是十分復(fù)雜的，人類(lèi)工程活動(dòng)區(qū)域主要考慮采礦用地、住宅用地、道路用地、工業(yè)用地、商業(yè)服務(wù)用地等。數(shù)據(jù)源為登封市第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查(三調(diào))數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行300 m緩沖分析，數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域如果是人類(lèi)工程活動(dòng)區(qū)域則賦值為1，反之則賦值為0，并進(jìn)行柵格化處理，作為人類(lèi)工程活動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4-j所示。

3.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

本文采用PHA層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，該方法可以充分利用已有的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，將定性與定量相結(jié)合[19]。首先將評(píng)價(jià)指標(biāo)分層，然后逐層建立判斷矩陣計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[20]。一般采用一致性比例CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)CR<0.1，即認(rèn)為矩陣具有滿(mǎn)意的一致性。權(quán)重和CR的計(jì)算方法如下：

(1)

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI統(tǒng)計(jì)表Table 2 Random consistency index RI

本文首先根據(jù)圖3構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為A、B兩層，A層包含3個(gè)指標(biāo)，如A={誘發(fā)因素A1，地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2，歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)A3}。B層為誘發(fā)因素A1、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2的分解，如B(A1)={植被指數(shù)B1，人類(lèi)工程活動(dòng)B2，降雨量B3}，B(A2)={巖土結(jié)構(gòu)B4，坡型B5，坡高B6,坡度B7}。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于A層評(píng)價(jià)指標(biāo)認(rèn)為歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)A3最能反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度，相比誘發(fā)因素A1對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)具有更為重要的意義，而地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造A2相比誘發(fā)因素A1對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響更為直接，因此認(rèn)為A2的重要性介于A1和A3之間，最終構(gòu)建的判斷矩陣A如表3所示。同理，構(gòu)建判斷矩陣A1和A2分別如表4和表5所示。其中，判斷矩陣的構(gòu)建按照表6所示的標(biāo)度定義。最終獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重如表7所示。

表3 判斷矩陣A及一致性檢驗(yàn)結(jié)果表Table 3 Judgment matrix A and consistency test results

表4 判斷矩陣A1及一致性檢驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Judgment matrix A1 and consistency test results

表5 判斷矩陣A2及一致性檢驗(yàn)結(jié)果表Table 5 Judgment matrix A2 and consistency test results

表6 標(biāo)度的含義表Table 6 Meaning of scale

表7 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值表Table 7 Weight assignment table of each evaluation index

4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

由于第3.1節(jié)處理獲得的各評(píng)價(jià)指標(biāo)均為值為0～1、分辨率為12.5 m的柵格數(shù)據(jù)，因此可直接將第3.1節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化結(jié)果按照第3.2節(jié)計(jì)算出的權(quán)重進(jìn)行柵格計(jì)算，計(jì)算結(jié)果即為研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖5-a)。然后，按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果分為3類(lèi)。最后，將分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行矢量化處理，獲得研究區(qū)高、中、低易發(fā)性分區(qū)圖(圖5-b)。分區(qū)結(jié)果顯示，高易發(fā)區(qū)面積約255.57 km2，約占區(qū)域總面積的21.0%，主要分布在南、北兩端中間區(qū)域以及東部區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)121個(gè)，點(diǎn)密度為47.35個(gè)/100 km2；中易發(fā)區(qū)面積約429.11 km2，約占區(qū)域總面積的35.3%，主要分布在中部以及南、北和東部區(qū)域高易發(fā)區(qū)以外的區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)93個(gè)，點(diǎn)密度為21.67個(gè)/100 km2；低易發(fā)區(qū)面積約532.40 km2，約占區(qū)域總面積的43.7%，主要分布在中部平原區(qū)域，該區(qū)域包含歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)8個(gè)，點(diǎn)密度為1.50個(gè)/100 km2。隨著地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的提高，中易發(fā)區(qū)相對(duì)于低易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度提升了14.4倍，高易發(fā)區(qū)相對(duì)于中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)分別提升了2.2倍和31.6倍。

圖5 研究區(qū)易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果及分區(qū)圖Fig.5 Evaluation results and zoning map of susceptibility in study area

5 結(jié)論

本文以登封市為研究區(qū)，采用基于多尺度分析和綜合評(píng)價(jià)法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，得到如下結(jié)論：

(1) 由地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度分析結(jié)果可知，基于多尺度分析獲得的處理結(jié)果更為自然、合理，能更好地表達(dá)出不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布情況。

(2) 融合多尺度分析的綜合評(píng)價(jià)法選取歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨量、人類(lèi)工程活動(dòng)8個(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，對(duì)登封市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，最終將其劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個(gè)區(qū)域。

(3) 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，坡度較大、坡高較高、降雨量較多、歷史地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多以及巖土結(jié)構(gòu)為石英巖和碳酸鹽巖的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度較高，由此可見(jiàn)這些因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)有著明顯的影響。

(4) 由地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果可知，歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布在高易發(fā)區(qū)約占54.5%，中易發(fā)區(qū)約占41.9%，而低易發(fā)區(qū)僅占約3.6%。由此可見(jiàn)，采用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法真實(shí)可靠，獲得的分區(qū)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況吻合度較高。