李再興,丁麗,徐偉,楊楊

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州　450006)

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GIS綜合評價(jià)模型在地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查中的應(yīng)用

李再興,丁麗,徐偉,楊楊

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，鄭州450006)

摘要：以河南省登封市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查為例，在分析地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，確定易發(fā)性分區(qū)評價(jià)指標(biāo)，并運(yùn)用GIS綜合評價(jià)模型分析計(jì)算，得出的分區(qū)結(jié)果與實(shí)際吻合較好。通過對GIS綜合評價(jià)模型的研究，可為大區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：綜合評價(jià)模型；地質(zhì)災(zāi)害；易發(fā)性分區(qū)

河南省自2010年開展地質(zhì)災(zāi)害詳查以來，已經(jīng)有30多個(gè)縣市開展了此項(xiàng)工作。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害詳查工作中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，對一個(gè)縣市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度評價(jià)與分區(qū)正確與否，關(guān)系到國土部門的防災(zāi)決策、城市發(fā)展等相關(guān)規(guī)劃的制定，影響較大。

目前地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的技術(shù)方法與模型[1]較多，大致為推理模型[2-3]、統(tǒng)計(jì)模型[4-5]，以及確定性模型方法。其中，確定性模型往往局限于小流域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)[6]，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，確定性方法也越來越多地被應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性評價(jià)方面的研究[1]，再借助GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，逐漸拓展到研究大區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性狀況。霍艾迪[1]提出了一個(gè)基于數(shù)字高程模型(DEM)的黃土殘塬區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)劃分方法，可以實(shí)現(xiàn)大范圍自然邊坡地質(zhì)災(zāi)害有效、定量評價(jià)。本方法采用一個(gè)基于GIS的水文分析模型來自動(dòng)完成易發(fā)性評價(jià)單元的劃分，簡便易行。其中，定量計(jì)算過程需考慮易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重的選取，分析統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)對評價(jià)單元的貢獻(xiàn)值，進(jìn)而對大區(qū)域易發(fā)性分區(qū)。此過程本文概括為GIS綜合評價(jià)模型。

本文以登封市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳查為例，探討為GIS綜合評價(jià)模型在大區(qū)域丘陵山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)中的應(yīng)用。

1GIS綜合評價(jià)模型

GIS綜合評價(jià)模型對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)的主要思路是通過GIS軟件按照一定的原則處理分析一定尺度范圍內(nèi)影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)的分值和，比較和值的大小來劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)間。

模型計(jì)算公式為：

(1)

式中,F為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度貢獻(xiàn)分值；Fi為評價(jià)因子i單項(xiàng)貢獻(xiàn)分值；Wi為評價(jià)因子權(quán)重。

2研究區(qū)背景

登封市位于河南省中西部，南部和北部為中低山地貌，中部為侵蝕崗地及堆積河谷地貌。海拔高度在228～1 512 m之間，最高處為嵩山玉寨山1 512.4 m。境內(nèi)有大小河流15條，最大河流為發(fā)源于西部和北部山區(qū)的潁河，長57 km，自西向東流入禹縣境內(nèi)。調(diào)查區(qū)屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)的嵩箕小區(qū)，除志留、泥盆及侏羅系缺失外，自太古界至新生界均有出露。

調(diào)查區(qū)經(jīng)過多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(如嵩陽運(yùn)動(dòng)、中岳運(yùn)動(dòng)等)，不同期次、不同方向的構(gòu)造疊加與改造，致使區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)異常復(fù)雜，有南北向構(gòu)造、東西向構(gòu)造、北西向構(gòu)造和北東向構(gòu)造，對登封市的地質(zhì)災(zāi)害影響較大。登封市境內(nèi)不僅地質(zhì)歷史獨(dú)特，還有聞名世界的嵩山地質(zhì)公園，而且文化歷史底蘊(yùn)豐厚，嵩山古建筑群的獨(dú)特價(jià)值在中華文明乃至人類文明發(fā)展史上具有不可替代的價(jià)值。在此區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，意義重大。

登封市地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，經(jīng)野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)造成財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共194個(gè)，通過資料收集和實(shí)地調(diào)查確認(rèn)各類地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)289個(gè)，其中一部分為已經(jīng)發(fā)生有可能再次復(fù)活、危及人身或財(cái)產(chǎn)安全的災(zāi)害點(diǎn)194個(gè)；一部分為以往未造成任何損失或人員傷亡的(不良地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn))，但未來有可能危及人身或財(cái)產(chǎn)安全的災(zāi)害點(diǎn)共95個(gè)。主要的隱患類型有崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷四大類，分布于調(diào)查區(qū)南、北丘陵山區(qū)、東部開礦集中區(qū)以及中部沖溝發(fā)育地帶，降雨以及人類活動(dòng)對其影響較大。

調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患以滑坡及崩塌為主，占災(zāi)害隱患點(diǎn)總數(shù)的84.08%，多為中小型地質(zhì)災(zāi)害，分布于調(diào)查區(qū)北部、南部中低山區(qū)以及中部黃土狀土沖溝兩側(cè)。

3應(yīng)用研究

3.1評價(jià)指標(biāo)的建立

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃側(cè)重的是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害和自然地質(zhì)現(xiàn)象(指未造成任何損失的崩塌、滑坡等)發(fā)育的數(shù)量多少及其活躍程度，評價(jià)指標(biāo)包括已有地質(zhì)災(zāi)害群體統(tǒng)計(jì)和地質(zhì)災(zāi)害形成條件兩大類[7]。已有地質(zhì)災(zāi)害群體評價(jià)指標(biāo)本次是考慮地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量，即采用本次實(shí)地調(diào)查的災(zāi)點(diǎn)資料作為樣本來計(jì)算單元內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的點(diǎn)密度。

地質(zhì)災(zāi)害形成條件諸多，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、溝谷坡向、坡度、坡高，坡體工程地質(zhì)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、植被發(fā)育情況等。本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)選取坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨指標(biāo)及人類工程活動(dòng)等7項(xiàng)主要因素作為評價(jià)易發(fā)性指標(biāo)。

3.2評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在地質(zhì)災(zāi)害形成條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，采用專家打分法確定了調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

表1　地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配

3.3評價(jià)指標(biāo)的量化

評價(jià)指標(biāo)確定以后，就需要考慮各指標(biāo)的取值以及數(shù)據(jù)處理問題。取值依據(jù)指標(biāo)的性質(zhì)有所區(qū)別：對于定量指標(biāo)，如斜坡的坡度、坡高、降雨量等，取其原始觀測值，并作適當(dāng)?shù)臄?shù)值處理即可；對于定性指標(biāo)，如坡型、巖土體等，需要建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)的分級劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)對不同級別的相對貢獻(xiàn)來取值[7]。數(shù)據(jù)來源于1∶5 萬比例尺調(diào)查區(qū)數(shù)字地形圖和地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)。各種災(zāi)害數(shù)據(jù)利用GIS歸一化處理后將其進(jìn)行網(wǎng)格化，然后疊加計(jì)算總貢獻(xiàn)值。

3.3.1災(zāi)點(diǎn)密度

計(jì)算評價(jià)單元內(nèi)已有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的點(diǎn)密度，是為了客觀反映不同地段災(zāi)害的易發(fā)程度，統(tǒng)計(jì)樣本包含實(shí)際調(diào)查的全部已有災(zāi)害點(diǎn)和不良地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)。

3.3.2坡度指標(biāo)

利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的坡度信息，然后進(jìn)行歸一化。據(jù)黃陵報(bào)告[7]和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，本分區(qū)將40°以上斜坡的易發(fā)程度定義為1， 10°以下斜坡易發(fā)程度定義為0°； 10°～40°之間的斜坡的易發(fā)程度，按照不同坡度區(qū)間滑坡和崩塌自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的概率，進(jìn)行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.3坡高指標(biāo)

利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的坡高信息，然后進(jìn)行歸一化。本次將90 m以上斜坡的易發(fā)程度定義為1，而將0～90 m之間斜坡的易發(fā)程度進(jìn)行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.4坡型指標(biāo)

參考黃陵報(bào)告[7]，利用ArcGIS平臺(tái)從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的地表曲率信息，然后進(jìn)行斜坡坡型的歸一化。當(dāng)曲率<0時(shí)，坡面為凹型或階梯型，易發(fā)程度最低；當(dāng)曲率>0時(shí)，坡面為直線形和凸型，易發(fā)程度較高。坡型指標(biāo)是按照地表的曲率的大小進(jìn)行0～1之間的線性歸一化處理。

3.3.5巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)

本次按照調(diào)查區(qū)不同巖土體結(jié)構(gòu)、類型及其發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率，分析巖土體結(jié)構(gòu)對滑坡、崩塌易發(fā)程度的影響進(jìn)行0～1之間歸一化處理。

3.3.6植被指數(shù)指標(biāo)

采用調(diào)查區(qū)的2001年時(shí)相的ETM遙感數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)公式計(jì)算植被指數(shù)。即(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。在統(tǒng)計(jì)分析前將該數(shù)據(jù)重新采樣成25 m×25 m的柵格單元。

3.3.7降雨指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查區(qū)的降雨特性，以暴雨等值線圖為基準(zhǔn)，將降雨對地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度的影響進(jìn)行0～1之間歸一化插值處理。

3.3.8人類工程活動(dòng)指標(biāo)

本次人類工程活動(dòng)的量化是以公路、鐵路和中小村鎮(zhèn)建設(shè)范圍為基準(zhǔn)線，向兩邊做緩沖區(qū)，再經(jīng)柵格化和歸一化處理。

3.4計(jì)算單元的剖分

本次研究針對調(diào)查區(qū)1∶5萬比例尺DEM，利用GIS以幼年期溝谷中的三級支流坳溝、沖溝，采用水文解析的方法將沖溝劃分為1 667個(gè)單元，通過GIS軟件的柵格矢量轉(zhuǎn)換功能，得到斜坡面域。將其與02C遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得出單元之間的土地特征差異性明顯，單元內(nèi)部的易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)參數(shù)特征相似。

3.5易發(fā)性分區(qū)

首先計(jì)算各評價(jià)單元評價(jià)指標(biāo)的歸一化值，其坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨指標(biāo)和人類工程活動(dòng)歸一化值及對應(yīng)權(quán)重，權(quán)重值見表1。然后根據(jù)公式(1)計(jì)算該評價(jià)單元地質(zhì)災(zāi)害貢獻(xiàn)值。

本次采用突變點(diǎn)法確定易發(fā)程度分區(qū)界線值，將區(qū)域劃分為低易發(fā)、中易發(fā)和高易發(fā)3個(gè)不同等級的區(qū)域(圖1)。其對應(yīng)的貢獻(xiàn)值區(qū)間分別為14～33、33～40、40～74。

圖1　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)與災(zāi)害隱患點(diǎn)分布對比圖

4結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

(1) 將調(diào)查區(qū)詳細(xì)調(diào)查結(jié)果根據(jù)其經(jīng)緯度與定量評價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析，分析結(jié)果如圖1所示。從圖可以看出，實(shí)測地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)絕大多數(shù)都分布在中、高區(qū)域。由此可見，實(shí)際調(diào)查結(jié)果與定量分析所得結(jié)果吻合較好。故采用GIS綜合評價(jià)模型在大區(qū)域丘陵山區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)是可行的。

(2) 采用GIS綜合評價(jià)模型，要全面分析調(diào)查區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，才能保證評價(jià)指標(biāo)選擇的合理性和基礎(chǔ)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(3) 采用模型進(jìn)行歸一化計(jì)算時(shí)，對于評價(jià)指標(biāo)中定性指標(biāo)，分級劃分標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合實(shí)際，如巖土體指標(biāo)結(jié)合巖土體結(jié)構(gòu)、類型及發(fā)生災(zāi)害的頻率來劃分，較為合理。

(4) 當(dāng)實(shí)際調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量較多，可不采用遙感解譯中未核查的災(zāi)害點(diǎn)來作為計(jì)算災(zāi)害密度的樣本數(shù)，以便災(zāi)害密度指標(biāo)更為可靠。

4.2討論

(1) 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小影響著貢獻(xiàn)值的大小，進(jìn)而影響易發(fā)性分區(qū)，其應(yīng)結(jié)合調(diào)查區(qū)實(shí)際，采用合理的取值方法。

(2) 野外調(diào)查為本次評價(jià)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，故在野外調(diào)查期間，要準(zhǔn)確記錄地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)各類參數(shù)，如坡型、坡高、坡度等，總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，為易發(fā)性分區(qū)奠定基礎(chǔ)。

(3) 本文參與災(zāi)點(diǎn)密度計(jì)算的不良地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)為具有地質(zhì)災(zāi)害隱患的點(diǎn)，建議不具有地質(zhì)災(zāi)害隱患的點(diǎn)亦可以參與災(zāi)點(diǎn)密度計(jì)算，作為易發(fā)性分區(qū)的樣本點(diǎn)，旨在分析調(diào)查區(qū)易發(fā)性程度。

(4) 人類工程活動(dòng)對滑坡、崩塌的形成發(fā)育的影響是極為復(fù)雜的，如何定量化反映是個(gè)難題[7]。本次選取了貫穿或覆蓋全區(qū)的公路、鐵路、山區(qū)的中小村鎮(zhèn)建設(shè)為代表性的人類活動(dòng)進(jìn)行量化，效果較好。

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APPLICATION OF GIS COMPREHENSIVE EVALUATION MODEL IN DETAILED INVESTIGATION OF GEOLOGICAL HZARDS

LI Zai-xing,DING Li,XU Wei,YANG Yang

(Institute Of Surveying Mapping and Geoinformation of Henan,Zhengzhou450006,China)

Abstract:A case study of Investigation of Geological Hzards of Dengfeng county of Henan province,base on the analysis of geological environment conditions, summarizes the development features of geological disasters,determines the evaluation indicators, using GIS comprehensive evaluation model to analyze and calculate,and thus the reasonable prone degree partition map are obtained.The results of the reseach provide some certain referential for geo-hazard susceptibility in large area,by studying GIS comprehensive evaluation model.

Key words：comprehensive evaluation model； geological hazards； zonation of susceptibility

作者簡介：李再興(1981-)，男，漢族，安徽安慶人，碩士，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院工程師，從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的勘測與研究工作。E-mail:95233784@qq.com

中圖分類號：X43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-10-16改回日期：2015-12-20

文章編號：1006-4362(2016)01-0070-04

項(xiàng)目來源：河南省2013年度1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目(執(zhí)行項(xiàng)目編號：19)