周小梅，武雪玲，杜清運(yùn),3,4,5，彭 瑞

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.武漢大學(xué) 地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079; 4.武漢大學(xué) 數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079; 5.武漢大學(xué) 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079; 6. 浙江省地理信息中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

滑坡在世界范圍內(nèi)都是一種嚴(yán)重的災(zāi)難，每年帶給世界各國的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元[1]?；嘛L(fēng)險管理是防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一，而災(zāi)害風(fēng)險評價是風(fēng)險管理的基礎(chǔ)和依據(jù)[2]。

滑坡災(zāi)害研究往往是多源、多類型數(shù)據(jù)的綜合研究，近年針對滑坡災(zāi)害的研究內(nèi)容主要集中在滑坡災(zāi)害風(fēng)險定量評估[3]、災(zāi)害制圖[4-5]、風(fēng)險管理[6]上，研究中也常運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)模型。如沈玲玲等[7]以多因素為因子圖層，運(yùn)用信息量模型等三種方法對滑坡易發(fā)性進(jìn)行評價；邱海軍等[8]以多因子基于三種不同模型探索區(qū)域滑坡災(zāi)害敏感性的差異性；武雪玲等[9]利用多源數(shù)據(jù)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對滑坡災(zāi)害進(jìn)行了空間預(yù)測；此外，支持向量機(jī)模型[10-11]也在滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價中得到了應(yīng)用。這些研究多利用地質(zhì)巖性、土地利用、地形地貌等相對穩(wěn)定的空間因子來綜合評價滑坡災(zāi)害風(fēng)險。

而研究顯示，滑坡災(zāi)害的月分布變化與降水量分布情況相似[12]，這說明滑坡除了受相對穩(wěn)定的空間因子的影響之外，還受到區(qū)域降水量的影響。同時，我國受季風(fēng)氣候的影響，降水量月分布變化有著較強(qiáng)的時間規(guī)律。因此，滑坡災(zāi)害的評價應(yīng)該是基于時間因素和空間因素共同影響的綜合性評價。

為了彌補(bǔ)此前研究的不足，同時反映時間和空間因素對滑坡災(zāi)害風(fēng)險的影響，本文將地學(xué)信息圖譜運(yùn)用到滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價中。地學(xué)信息圖譜是進(jìn)行“空間與過程”研究的時空復(fù)合體，可同時反映空間差異和時序變化過程[13]，常用在城市擴(kuò)張[14]、土地利用變化監(jiān)測[15]、環(huán)境動態(tài)監(jiān)測[16]、植被恢復(fù)演替[17]等時空規(guī)律明顯的研究中。自然災(zāi)害風(fēng)險信息圖譜是采用空間信息可視化技術(shù)對自然災(zāi)害風(fēng)險的評估過程和結(jié)果進(jìn)行表達(dá)的方法和手段，對自然風(fēng)險評估過程中的各類空間信息進(jìn)行提煉和概括，從而歸納出簡明的災(zāi)害風(fēng)險信息時空圖譜，發(fā)現(xiàn)其中蘊(yùn)含的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)自然災(zāi)害風(fēng)險信息的增值運(yùn)用與知識創(chuàng)新[18]，它不是簡單的地理客觀實(shí)體地圖化及地圖集合表達(dá)，是一種思維方法，是滑坡等特定的表現(xiàn)形式和方法研究的有效工具[19]。如劉彥花[20]利用地學(xué)信息圖譜理論和GIS技術(shù)，基于地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，將地質(zhì)災(zāi)害空間屬性和致災(zāi)因子在時空分布的關(guān)系用圖譜標(biāo)示，分析出了各類致災(zāi)因子對災(zāi)害的不同影響。

綜上，本文將同時考慮相對穩(wěn)定空間環(huán)境因素和隨時間變化的降水量等因素，利用地學(xué)信息圖譜理論對浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評價，建立浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險信息圖譜，更準(zhǔn)確科學(xué)地為浙江省滑坡災(zāi)害管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)浙江省位于中國東南沿海，陸地面積10.18×104km2，地形復(fù)雜，整體呈西南—東北向下降，西南地區(qū)多為海拔較高的山區(qū)，中部過渡地區(qū)為丘陵，東北部則是海拔較低的沖積平原。浙江省土石地質(zhì)種類多樣，不同性質(zhì)的斷裂分布在全省各處，省內(nèi)土地利用類型也各不相同，這些共同構(gòu)成浙江省復(fù)雜的地質(zhì)條件。氣候類型上，浙江省屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，降水有明顯的季節(jié)性變化。

本文主要采用的數(shù)據(jù)源包括：①更新于2014年12月的浙江省1 106處歷史滑坡發(fā)生點(diǎn)位置數(shù)據(jù)、全省斷裂分布數(shù)據(jù)、土石工程地質(zhì)分組數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)以及1981年1月至2014年11月全省71個觀測站的逐月降水量數(shù)據(jù)均來源于浙江省地理信息中心；②浙江省DEM數(shù)據(jù)（90×90 m）來源于STRM（http://srtm.csi.cgiar.org），該網(wǎng)站DEM數(shù)據(jù)由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量，用于分析浙江省高程、坡度、坡向。

2 滑坡災(zāi)害研究的地學(xué)信息圖譜方法

2.1 滑坡影響因素分析

1）空間環(huán)境因子

綜合文獻(xiàn)[7-8]，[21]中的研究成果，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)可獲得性，選取DEM、坡度、坡向、土石工程地質(zhì)分組、斷裂、土地利用類型等因素綜合考慮空間環(huán)境因素對滑坡災(zāi)害的影響?？臻g環(huán)境因子譜系表見表1。

表1 空間環(huán)境因子譜系表Tab.1 Spectrum table of spatial environmental factors

其中，土石工程地質(zhì)分組和土地利用類型因子譜系均利用上表中的英文字母和希臘字母代替，上表中字母僅為書寫方便，與相關(guān)學(xué)科行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)。表1中各影響因子譜系均利用ArcGIS自然斷點(diǎn)法分組。

2）降水因子

選取1981年1月至2014年11月浙江全省71個觀測站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用以研究對區(qū)域滑坡災(zāi)害的影響。從71個觀測站的逐月降水量平均值折線圖（如圖1所示）中可以看出，浙江省降水量月分布變化有著較強(qiáng)的時間規(guī)律。1～12月間，降水量有兩次高峰期，分別集中在6月和8月附近。不同時間段內(nèi)降水量強(qiáng)度不同，對滑坡風(fēng)險的影響也不同。本研究中，根據(jù)降雨量大小和集中程度的不同，將全年降水影響分為雨季（4～9月）和旱季（10～3月）進(jìn)行研究。

圖1 71個觀測站月平均降水量值變化情況（1981～2014）Fig.1 The average precipitation per month of 71 observation stations (1981-2014)

2.2 地學(xué)信息圖譜方法

按照信息圖譜應(yīng)用功能分類的方法，可以將區(qū)域滑坡災(zāi)害風(fēng)險性區(qū)劃圖譜分為：滑坡征兆圖譜、滑坡診斷圖譜和滑坡實(shí)施圖譜[22]。其中，滑坡征兆圖譜表達(dá)滑坡觸發(fā)的背景；滑坡診斷圖譜用來描述區(qū)域滑坡災(zāi)害的風(fēng)險狀態(tài)；滑坡實(shí)施圖譜則是結(jié)合經(jīng)濟(jì)政治等多內(nèi)容分析為決策者提供災(zāi)害管理決策信息。本文分析滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，針對研究區(qū)特點(diǎn)制作滑坡征兆圖譜和診斷圖譜，其中，滑坡征兆圖譜利用時間因素和空間因素的特征圖譜表達(dá)滑坡觸發(fā)的背景；滑坡診斷圖譜利用滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖譜來表達(dá)研究區(qū)滑坡災(zāi)害風(fēng)險狀態(tài)。

本文研究框架如圖2所示。

圖2 研究框架Fig.2 Research structure

本文運(yùn)用層次分析法和信息量模型，通過空間環(huán)境因子和降水量因子兩個子系統(tǒng)綜合評價浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險。信息量模型用以分析因子的信息量大小，能減少人為因素的干擾，更客觀地反映地質(zhì)災(zāi)害受地質(zhì)環(huán)境條件的影響[23]。而考慮到信息量模型只反映了因子特定類別在組合情況下對災(zāi)害發(fā)生的影響，并未充分考慮各因子對滑坡災(zāi)害發(fā)生影響程度的差異[24]，因此，采用層次分析法分析各因子信息量的權(quán)重。最后用加權(quán)的信息量模型計算各子系統(tǒng)風(fēng)險性和滑坡災(zāi)害風(fēng)險性。在分析過程中，分別將降水量因子分析得出降水特征圖譜和空間環(huán)境因子分析得出空間環(huán)境因子系列圖譜來共同表達(dá)滑坡觸發(fā)背景，構(gòu)成滑坡征兆圖譜；而最終得出的旱季、雨季滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖譜構(gòu)成滑坡診斷圖譜。

3 浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的圖譜分析

3.1 因子權(quán)重的計算

應(yīng)用層次分析法，確定各空間環(huán)境因子與降水量因子的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計算得到矩陣的最大特征根為7.219 7，進(jìn)行歸一化處理得DEM、坡度、坡向、土石工程地質(zhì)分組、與斷裂距離、土地利用類型、降水量各因子權(quán)重為[0.072 5，0.196 6，0.027 4，0.326 0，0.047 1，0.133 9，0.196 6]，一致性指標(biāo)CI=0.036 6，一致性比例值CR=0.027 7＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

3.2 滑坡征兆圖譜-空間環(huán)境特征圖譜分析

如圖3所示。

圖3 空間環(huán)境特征圖譜（圖中紅色點(diǎn)為滑坡點(diǎn)）Fig.3 Geo-informatic graphic of spatial environmental factors

圖3中，坡度、坡向、與斷裂距離等是基于DEM、斷層數(shù)據(jù)等利用ArcGIS空間分析功能得出。提取滑坡災(zāi)害點(diǎn)與各環(huán)境因素疊加，發(fā)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的分布與不同環(huán)境因素的地域性差異有一定的關(guān)系。利用該疊加關(guān)系計算每種因素對滑坡災(zāi)害作用的信息量，再利用這些信息量求和用來評價單元發(fā)生滑坡災(zāi)害的風(fēng)險性大小，信息量越大滑坡災(zāi)害的風(fēng)險性越大。

設(shè)作用于滑坡災(zāi)害的因素為Xi，由于因素很多，相應(yīng)的因素組合狀態(tài)也很多，故采用簡化的單因素信息量模型分步計算，再疊加分析，相應(yīng)的信息量模型為[25]：

式中，I為評價區(qū)某單元信息量預(yù)測值，S0i為因素Xi所占單元的面積，S0i為因素Xi單元中發(fā)生滑坡災(zāi)害的單元面積之和，A為區(qū)域總面積，A0為已發(fā)生滑坡災(zāi)害的單元面積之和。本研究中最小評價單元取90 m×90 m，上式中的面積均使用相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的評價單元個數(shù)代替，滑坡災(zāi)害的面積用滑坡災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量代替。分析得出不同因素的作用于滑坡災(zāi)害的信息量見表2。

表2 空間環(huán)境因子信息量計算結(jié)果Tab.2 Calculations of information quantity of various spatial environmental factors

根據(jù)表2中信息量計算結(jié)果結(jié)合3.1中各因子權(quán)重將圖2中各環(huán)境因素進(jìn)行疊加得出各評價單元的空間環(huán)境因子信息量總和，如圖4a所示。將空間環(huán)境因子信息量總和與浙江省縣級行政區(qū)劃疊加分析并統(tǒng)計每個縣級行政區(qū)域的平均空間環(huán)境因子信息量，歸一化后進(jìn)行分級，得出空間環(huán)境因子風(fēng)險性區(qū)劃圖，如圖4b所示。

圖4 空間環(huán)境因子風(fēng)險圖譜Fig.4 Geo-informatic graphic of spatial environmental factors risk zoning

3.3 滑坡征兆圖譜-降水特征圖譜分析

根據(jù)2.1中的分析，將全年降水時段分為旱季和雨季兩個時間段，將71個觀測站的旱季和雨季平均降水量進(jìn)行內(nèi)插，得出降水量分布圖，如圖5所示。

圖5 旱季和雨季總降水量圖譜Fig.5 Geo-informatic graphic of precipitation for dry and rainy seasons

為計算降水量對滑坡災(zāi)害影響的信息量，計算各觀測站1981～2014年平均6個月降水量總和并進(jìn)行內(nèi)插，得出平均每6個月平均降水量分布圖，并與歷史滑坡點(diǎn)進(jìn)行疊加，如圖6所示。

圖6 每6個月平均降水總量與滑坡點(diǎn)關(guān)系（圖中紅色為滑坡點(diǎn)）Fig.6 Relationship between landslide and total precipitation of 6 months

根據(jù)圖6的疊加結(jié)果計算每6個月不同降水總量的對滑坡災(zāi)害影響的信息量，結(jié)果見表3。

表3 降水量信息量計算結(jié)果Tab.3 Calculations of information quantity of precipitation

3.4 滑坡診斷圖譜-滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖譜分析

利用表3中信息量與圖5中旱季和雨季降水量分布計算得出旱季和雨季降水信息量分布圖，并與空間環(huán)境因子信息量總和（圖4a）進(jìn)行疊加，得到旱季和雨季滑坡災(zāi)害總信息量圖（圖7a），將滑坡災(zāi)害總信息量圖與浙江省縣級行政區(qū)劃疊加分析并統(tǒng)計每個縣級行政區(qū)域的平均滑坡災(zāi)害信息量，歸一化后進(jìn)行分級，得出空間環(huán)境因子風(fēng)險性區(qū)劃圖（圖7b）。

圖7 滑坡災(zāi)害危險性圖譜Fig.7 Geo-informatic graphic of landslide disaster

4 結(jié)束語

本文將地學(xué)信息圖譜引入到浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險研究當(dāng)中，同時全面綜合地考慮了空間環(huán)境因子和降水量因子，為浙江省滑坡災(zāi)害風(fēng)險管理提供參考。從最終風(fēng)險區(qū)劃圖中可以看出，從空間上來看，浙江西南部比浙江東北部的滑坡災(zāi)害風(fēng)險性更大；從時間上來看，雨季（4-9月）為全年滑坡災(zāi)害風(fēng)險相對較大時間段，相關(guān)單位應(yīng)該采取更有力措施。將地學(xué)信息圖譜運(yùn)用到滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的過程中使得滑坡災(zāi)害的影響因子與過程一目了然，增進(jìn)了人們對滑坡災(zāi)害的了解；同時，考慮空間環(huán)境因子和不同時間段降水因子的滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃能夠針對不同時間和不同空間提出更準(zhǔn)確、更科學(xué)的建議，使滑坡災(zāi)害風(fēng)險管理節(jié)約更多成本。