基于GIS 的貴州省丹寨縣斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制圖方法分析

胡嶼，劉勇，侯江勇

（1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州貴陽 550081；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽 550018）

0 引言

貴州受喜馬拉雅期造山進(jìn)程和青藏高原隆升影響，位于揚(yáng)子板塊的云貴高原地殼在晚新生代時(shí)期發(fā)生階段性、差異性隆升[1～2]，山高坡陡、溝谷深切，特殊的地質(zhì)條件使貴州地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布，造成的災(zāi)害損失長(zhǎng)期居于全國前列[3～5]。斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的分布具有重要影響，是地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的基礎(chǔ)因子之一，在地質(zhì)災(zāi)害防治工作中有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景[6～10]。

傳統(tǒng)的斜坡結(jié)構(gòu)圖由專業(yè)人員采用手工方式在充分理解斜坡坡向、坡度和地層傾向、傾角關(guān)系的基礎(chǔ)上在地質(zhì)圖上直接勾繪所得。此方法要求操作者具有很高的地質(zhì)專業(yè)能力，同時(shí)，存在工作量繁重、錯(cuò)誤不易檢查、工作效率低下等問題，而基于GIS 的斜坡結(jié)構(gòu)制圖能在確保制圖質(zhì)量的基礎(chǔ)上極大地提高制圖效率。目前，基于GIS 的斜坡結(jié)構(gòu)制圖方法有TOBIA 指數(shù)法。過于復(fù)雜的斜坡結(jié)構(gòu)劃分方法或過于復(fù)雜的建模方法，需要具備較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)能力，難以滿足當(dāng)前快速自動(dòng)化制圖需求[11～14]。

本文以貴州省丹寨縣為研究對(duì)象，利用GIS 在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的過程中，結(jié)合易發(fā)性評(píng)價(jià)因子的制圖需要，在前人研究的基礎(chǔ)上，定量化劃分斜坡結(jié)構(gòu)；基于GIS 空間功能模塊，構(gòu)建斜坡結(jié)構(gòu)模型，以易于操作的方式，實(shí)現(xiàn)斜坡結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制圖。

1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括地形坡度、坡向、巖層傾向、傾角、地質(zhì)構(gòu)造等。地形坡度、坡向數(shù)據(jù)源于貴州省測(cè)繪檔案資料館提供的DEM 數(shù)據(jù)生成，分辨率為5 m×5 m；地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)源于貴州省地質(zhì)資料館提供的丹寨縣1∶50000 地質(zhì)圖和野外調(diào)查補(bǔ)充的地質(zhì)資料提取獲得，巖層傾向、傾角數(shù)據(jù)源于1∶50000 地質(zhì)圖及野外測(cè)量的地層產(chǎn)狀資料提取獲得。

2 斜坡結(jié)構(gòu)劃分

斜坡結(jié)構(gòu)的劃分根據(jù)用途不同，分類也不盡相同[15～17]。工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì)編制的《工程地質(zhì)手冊(cè)》各版本中根據(jù)巖層面與斜坡的組合方式不同均將斜坡結(jié)構(gòu)分為：順向斜坡、反向斜坡、切向斜坡和直立斜坡4類；自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局編制的《地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）（DD 2019-08）》《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求（1∶50000）（試行）》根據(jù)巖層面與斜坡的組合關(guān)系將斜坡結(jié)構(gòu)分為：順向坡、斜向坡、橫向坡、逆向坡、近水平層狀坡、塊狀結(jié)構(gòu)斜坡6類，其中，順向坡為巖層傾向與坡向夾角小于30°的斜坡類型；斜向坡為巖層傾向與坡向交角在30°～60°、120°～150°的斜坡類型；橫向坡為巖層傾向與坡向交角在60°～120°的斜坡類型；逆向坡為巖層傾向與坡向交角在150°～180°的斜坡類型；近水平層狀坡為巖層傾角小于5°的斜坡類型；塊狀結(jié)構(gòu)斜坡為沒有明顯的層理構(gòu)造，主要受節(jié)理控制的巖石斜坡類型。本次研究在以上分類基礎(chǔ)上，根據(jù)丹寨縣風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作的實(shí)際情況，巖層面與斜坡的組合關(guān)系，將斜坡結(jié)構(gòu)分為：順向飄傾坡、順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡、逆向坡、近水平層狀坡8類（圖1）。

圖1 斜坡結(jié)構(gòu)劃分量化標(biāo)準(zhǔn)Figure 1. Quantitative standard for slope structure division

3 基于GIS的斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制圖

3.1 總體框架概述

斜坡結(jié)構(gòu)圖制作主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成和斜坡結(jié)構(gòu)類型顏色填充三大部分。最為關(guān)鍵的為斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成，主要基于ArcGIS 平臺(tái)中構(gòu)建斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成模型，將生成斜坡結(jié)構(gòu)圖中涉及到的工具及步驟完整地集合在一個(gè)模型中，模型具有適用性好，計(jì)算快速等特點(diǎn)（圖2）。

圖2 斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)制圖總體框架Figure 2. Overall framework for automated map making of slope structures

3.2 重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)

（1）評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?。評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐种饕袞鸥駟挝?、斜坡單元、流域單元及地貌單元等。本次研究采用柵格單元?duì)丹寨縣進(jìn)行劃分，利用計(jì)算機(jī)對(duì)柵格數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算特點(diǎn)，節(jié)約計(jì)算等待時(shí)間；柵格單元?jiǎng)澐执笮∨c評(píng)價(jià)精度密切相關(guān)，主要根據(jù)研究區(qū)調(diào)查精度相關(guān)的比例尺和原始DEM分辨率進(jìn)行確定。

（2）插值方法選取。插值是通過一定的已知樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)未知數(shù)據(jù)的柵格圖像，作用是通過有限的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)某區(qū)域內(nèi)樣本數(shù)據(jù)以外的屬性值，使其成為連續(xù)性的柵格值，在高程、降雨、噪音分析等方面具有廣泛的應(yīng)用。各點(diǎn)之間地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的權(quán)重與距離有明顯的相關(guān)性。因此，地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的柵格化處理通常采用克里金插值或反距離權(quán)重法。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，影響學(xué)生對(duì)專業(yè)態(tài)度的因素依次為個(gè)人興趣愛好、就業(yè)出路和事業(yè)前途。在一二年級(jí)主要是受“個(gè)人興趣愛好”的影響，面臨畢業(yè)時(shí)，“就業(yè)出路”成為影響學(xué)生對(duì)專業(yè)態(tài)度的主要因素。

（3）GIS空間建模。通過ArcGIS空間分析中建模功能的模型生成器（Model Builder），為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)空間處理模型提供了一個(gè)圖形化的建模環(huán)境。模型通過工具將數(shù)據(jù)串起來以創(chuàng)立高級(jí)的功能和流程，可以將工具和數(shù)據(jù)集拖動(dòng)到一個(gè)模型中，然后按照有序的步驟將其串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的GIS 任務(wù)，極大地提高制圖效率。要實(shí)現(xiàn)斜坡結(jié)構(gòu)圖的空間建模，首先要將復(fù)雜的制圖任務(wù)細(xì)分為有序的流程步驟，然后在建模過程中將數(shù)據(jù)集和工具有機(jī)連接。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)源為5 m×5 m高分辨率的DEM高精度數(shù)據(jù)、1∶50000 地質(zhì)圖和野外調(diào)查的地層產(chǎn)狀和構(gòu)造數(shù)據(jù)。從地質(zhì)圖中獲取的數(shù)據(jù)為原有野外調(diào)查的地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)和構(gòu)造線數(shù)據(jù)，其中地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)主要為產(chǎn)狀點(diǎn)中傾向和傾角屬性內(nèi)容，構(gòu)造數(shù)據(jù)主要為構(gòu)造線，如斷層線和褶皺線。主圖外框面為丹寨縣1∶50000 圖形大小的外框，用于插值產(chǎn)狀時(shí)的限定范圍，產(chǎn)狀插值分辨率與DEM 分辨率一致，地形坡向和坡度可通過DEM快速生成獲取。

3.4 斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成步驟

斜坡結(jié)構(gòu)圖自動(dòng)化生成是在斜坡結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)源和預(yù)期成果，將復(fù)雜的制圖任務(wù)細(xì)分為有序的流程步驟，制作出方便且實(shí)用性較強(qiáng)的斜坡結(jié)構(gòu)模型。本研究將丹寨縣斜坡結(jié)構(gòu)圖自動(dòng)生成過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)通過以下數(shù)據(jù)柵格化和數(shù)學(xué)運(yùn)算兩大步驟分別逐一細(xì)分。

3.4.1 數(shù)據(jù)柵格化

（1）坡向、坡度柵格化。利用3D Analyst Tools工具中Surface 的Aspect 工具計(jì)算坡向，獲取坡向柵格圖[圖3（a）]；利用3D Analyst Tools 工具中Surface 的Slope工具計(jì)算坡度，得到坡度柵格圖[圖3（b）]。數(shù)據(jù)源為DEM。

（2）傾向、傾角柵格化。傾向、傾角采用3D Analyst Tools 工具中Raster Interpolation 的IDW 反距離權(quán)重法插值，輸入折線障礙要素為斷層和褶皺，限制插值范圍為主圖外框面，得到傾向和傾角柵格圖[圖3（c）、圖3（d）]，數(shù)據(jù)源為產(chǎn)狀點(diǎn)的傾向和傾角。

3.4.2 數(shù)學(xué)運(yùn)算

（1）坡向-傾向。利用3D Analyst Tools 工具中Raster Math 的Minus 工具計(jì)算坡向與傾向的差值[圖3（e）]，數(shù)據(jù)源為坡向和傾向。

（2）|坡向-傾向|。利用Spatial Analyst Tools工具中Math的Trigonometric的Abs工具，計(jì)算獲得坡向與傾向差值的絕對(duì)值[圖3（f）]，數(shù)據(jù)源為坡向-傾向。

（3）含≤5°|坡向-傾向|粗重分類。通過Spatial Analyst Tools工具中Reclass的Reclassify工具對(duì)坡向與傾向差值的絕對(duì)值進(jìn)行粗重分類：差值絕對(duì)值為0°～30°和330°～360°時(shí)為順向坡0，差值絕對(duì)值為30°～60°和300°～330°時(shí)為順斜坡4，差值絕對(duì)值為60°～120°和240°～300°時(shí)為橫向坡5，差值絕對(duì)值為120°～150°和210°～240°時(shí)為逆斜坡6，差值絕對(duì)值為150°～210°時(shí)為逆向坡7，共5 大類。粗重分類中不考慮順向坡中的順向飄傾坡、順向?qū)用嫫潞晚樝蚍鼉A坡，可得到順斜坡4、橫向坡5、逆斜坡6 和逆向坡7[圖3（g）]。

（4）含≤5°順向坡提取。對(duì)粗重分類結(jié)果進(jìn)行Reclassify重分類，將原來為0的柵格值改為1，將原來為4、5、6、7 的柵格值改為0，得到含有順向飄傾坡、順向?qū)用嫫潞晚樝蚍鼉A坡的順向坡度圖（圖3（h））。

（5）坡度＞傾角、坡度=傾角、坡度＜傾角。分別獲取所有坡度大于、等于和小于所有傾角的柵格值，利用Spatial Analyst Tools 工具中Logical 的Greater Than、Equal To和Less Than工具分別進(jìn)行計(jì)算，符合條件的值為1，不符合條件的為0[圖3（i）、圖3（j）、圖3（k）]。數(shù)據(jù)源為坡度和傾角，其目的主要為了獲取順向飄傾坡、順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡做準(zhǔn)備。

（6）含≤5°順向飄傾坡、順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡。該步驟為獲取包含≤5°的順向坡中的順向飄傾坡、順向?qū)用嫫潞晚樝蚍鼉A坡，通過Spatial Analyst Tools工具中Logical的Boolean And 工具，對(duì)順向坡和坡度＞傾角、順向坡和坡度=傾角、順向坡和坡度＜傾角分別進(jìn)行計(jì)算求邏輯與，符合條件的值為1，不符合條件的為0，數(shù)據(jù)源為重分類中的順向坡、坡度＞傾角、坡度=傾角和坡度＜傾角數(shù)據(jù)。其目的是為了保留順向坡中坡度＞傾角、坡度=傾角、坡度＜傾角的柵格值，因坡度＞傾角、坡度=傾角、坡度＜傾角的計(jì)算結(jié)果除包含順向坡中坡度＞傾角、坡度=傾角、坡度＜傾角的柵格值外，其余4、5、6、7 斜坡類型中還包括坡度＞傾角、坡度=傾角、坡度＜傾角的柵格值。計(jì)算為含≤5°的初步順向飄傾坡、順向?qū)用嫫潞晚樝蚍鼉A坡[圖3（l）、圖3（m）、圖3（n）]。

（7）含≤5°順向?qū)用嫫聳鸥裰? 變?yōu)?、順向伏傾坡柵格值1變?yōu)?。利用Spatial Analyst Tools工具中Reclass的Reclassify工具分別對(duì)順向?qū)用嫫潞晚樝蚍鼉A坡柵格圖進(jìn)行重分類，將柵格值分別改為2 和3，其余柵格值為0[圖3（o）、圖3（p）]。數(shù)據(jù)源為含≤5°的初步順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡。

（8）傾角≤5°重分類。該步驟為獲取≤5°的傾角數(shù)據(jù)，通過Spatial Analyst Tools 工具中Logical 的Less Than Equal工具，對(duì)傾角柵格圖進(jìn)行小于等于5°計(jì)算，數(shù)據(jù)源為傾角柵格圖，符合條件的值為1，不符合條件的為0[圖3（q）]。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Reclassify 重分類，將柵格值1改為0，0改為1，結(jié)果為近水平層狀坡0。

（9）合并1、2。將順向飄傾坡和順向?qū)用嫫潞喜ⅰＭㄟ^3D Analyst Tools 工具中Ruster Math 的Plus 工具，將含≤5°的順向飄傾坡和順向?qū)用嫫孪嗉荧@得合并1、2 柵格圖[圖3（r）]。數(shù)據(jù)源為結(jié)果為含≤5°的順向飄傾坡1、順向?qū)用嫫?。

（10）合并1、2、3。將含≤5°順向飄傾坡、順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡合并。通過3D Analyst Tools 工具中Ruster Math 的Plus 工具，將含≤5°的順向飄傾坡和順向?qū)用嫫屡c順向伏傾坡相加得到合并1、2、3 柵格圖[圖3（s）]。數(shù)據(jù)源為結(jié)果為含≤5°的順向飄傾坡1 和順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡3。

（11）合并1、2、3、4、5、6、7。通過3D Analyst Tools工具中Ruster Math的Plus工具，將含≤5°的順向飄傾坡1和順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡3與橫向坡5、逆斜坡6 和逆向坡7 合并得到合并1、2、3、4、5、6、7 柵格圖[圖3（t）]。數(shù)據(jù)源為合并1、2、3 和被標(biāo)識(shí)了的“順斜坡4、橫向坡5、逆斜坡6 和逆向坡7”，即“含≤5°的|坡向-傾向|粗重分類”結(jié)果。

（12）傾角≤5°與合并1、2、3、4、5、6、7 相乘。將近水平層狀坡加入運(yùn)算，通過3D Analyst Tools 工具中Ruster Math 的Times 工具，將傾角≤5°的水平層狀坡與合并1、2、3、4、5、6、7 相乘。因合并1、2、3、4、5、6、7柵格中任一類斜坡結(jié)構(gòu)都可能含有近水平層狀坡的值，通過相乘，使含≤5°的近水平層狀坡的柵格值全部為0，其余類型柵格值不變，即完成對(duì)所有斜坡結(jié)構(gòu)類型標(biāo)識(shí)[圖3（u）]。

圖3 斜坡結(jié)構(gòu)圖自動(dòng)生成流程Figure 3. Automated generation process of slope structure diagrams

4 結(jié)果評(píng)述

根據(jù)丹寨縣斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化生成結(jié)果[圖3（u）]，將研究區(qū)分為6 個(gè)斜坡結(jié)構(gòu)，即順向飄傾坡1、順向伏傾坡3、順斜坡4、橫向坡5、逆斜坡6、逆向坡7。無近水平層狀坡0和順向?qū)用嫫?兩類斜坡分布。

（1）橫向坡分布面積最多，占總面積的32.76%，分布滑坡19 處、地面塌陷2 處；順向伏傾坡分布面積最少，占總面積的9.06%，分布滑坡8 處；順向飄傾坡分布面積97.58 km2，占總面積的10.12%，分布滑坡15處；順斜坡分布面積172.31 km2，占總面積的17.87%，分布滑坡15 處、不穩(wěn)定斜坡1 處、泥石流1 處；逆斜坡分布面積148.26 km2，占總面積的15.37%，分布滑坡7處，分布崩塌1 處，地面塌陷1 處；逆向坡分布面積142.94 km2，占總面積的14.82%，分布滑坡7 處、泥石流1處（表1）。

表1 丹寨縣斜坡結(jié)構(gòu)分類統(tǒng)計(jì)Table 1. Classification statistics of slope structures in Danzhai County

（2）根據(jù)丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害的野外調(diào)查資料，對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)圖成果進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)（表2）。對(duì)已知下伏地層斜坡結(jié)構(gòu)類型的滑坡體與斜坡結(jié)構(gòu)圖疊加分析，其詳細(xì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。由表2 可以發(fā)現(xiàn)，2～7 號(hào)點(diǎn)滑坡體區(qū)域地層產(chǎn)狀點(diǎn)分布較多且均勻，8 號(hào)、10 號(hào)和13號(hào)點(diǎn)產(chǎn)狀分布平穩(wěn)，9號(hào)點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)產(chǎn)狀數(shù)量多，通過插值得到斜坡結(jié)構(gòu)圖與野外調(diào)查點(diǎn)基本一致；而1、11、12號(hào)點(diǎn)滑坡區(qū)域地層產(chǎn)狀點(diǎn)起伏變化較大且分布少，因此出現(xiàn)較大誤差。由此可見，地層產(chǎn)狀點(diǎn)分布情況和變化情況對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)圖的質(zhì)量有著重要影響，產(chǎn)狀點(diǎn)越密集、均勻及平穩(wěn)的地方，斜坡結(jié)構(gòu)圖越精準(zhǔn)，產(chǎn)狀點(diǎn)越多變的地方，斜坡結(jié)構(gòu)圖精準(zhǔn)度越差。

表2 已查明滑坡下伏巖層斜坡結(jié)構(gòu)類型可靠性檢驗(yàn)Table 2. Reliability test of the types of the identified slope structures of the strata underlying landslides

5 結(jié)論

（1）以丹寨縣為研究對(duì)象，根據(jù)坡向、坡度、巖層傾向、傾角之間的組合關(guān)系，將斜坡結(jié)構(gòu)分為順向飄傾坡、順向?qū)用嫫?、順向伏傾坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡、逆向坡、近水平層狀坡8類。

（2）對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)建模過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，通過細(xì)分為有序的流程步驟，完成了復(fù)雜斜坡結(jié)構(gòu)類型劃分的自動(dòng)化制圖工作。

（3）基于GIS 技術(shù)的斜坡結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制圖方法在貴州省丹寨縣詳細(xì)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目中得到成功的應(yīng)用，具備較強(qiáng)的可操作性，極大地提高了制圖效率。

（4）通過對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)圖成果進(jìn)行可靠性對(duì)比檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，由于地質(zhì)構(gòu)造因素影響，巖層空間分布變化多端，局部產(chǎn)狀點(diǎn)稀疏和多變的區(qū)域結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，需要對(duì)研究區(qū)盡可能多地布設(shè)均勻的產(chǎn)狀控制點(diǎn)以達(dá)到對(duì)巖層空間分布的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而達(dá)到較理想的斜坡結(jié)構(gòu)制圖效果。