基于GIS的地质灾害易发区划分与评价研究

王万平

(陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018 )

0 引 言

随着人类活动规模和范围的扩大，滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害呈现加剧趋势，严重危害着人们的生命和财产安全，影响着经济可持续发展。为此，国土资源部中国地质调查局在“十三五”期间部署开展地质灾害详细调查。地质灾害详细调查内容涉及地质、地貌、气象、水文、人类活动等诸多领域，调查数据类型复杂，数据量极大。为了有效地存储和管理这些海量数据，提高防灾减灾工作效率，利用地理信息系统(GIS)可以有效地解决这一问题[1-5]。利用ArcGIS空间分析功能，进行地质灾害易发程度区划和评价。极大地方便了地方政府相关部门防灾减灾工作，为专业技术人员提供了一个快捷有效的数据提取、分析评价平台。易发程度区划可以为地方经济发展规划提供减灾防灾依据，保证经济可持续发展，同时也可以宣传地质灾害知识，提高公众的减灾防灾意识，有利于地质灾害群测群防网络建设。

1 评价方法

本文采用层次分析法确定各评价因子权重。层次分析法（analytical hierarchy process,AHP）的基本原理是将要评价系统的各种要素分解成目标、准则、方案等层次，在分解基础上进行定性和定量分析的决策[6]。这种方法的特点是在对决策问题的本质、影响因素及内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息把决策者的决策思维过程数学化，从而为多目标，多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简单的决策手段。

1.1 层次分析法的基本步骤

1）建立层次结构模型

在深入分析实际问题的基础上，将有关的各因素按照不同的属性自上而下分解成若干层次。同一层次的诸因素从属于上一层或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受下一层因素的作用。层次结构通常可分为目标层、准则层和方案层。

2）构造判断矩阵

从层次结构模型的方案层开始，对于从属于（或影响）上一层的每个因素的同一层诸因素进行两两比较。比较其对于准则的重要程度，并按事前规定的标度定量化，建立判断矩阵。

3）计算权向量

对每一个成对比较矩阵，利用求和法计算最大特征根及对应特征向量。

4）一致性检验：AHP要求判断矩阵具有大体的一致性，能够使计算的结果基本上合理。对矩阵进行一致性检验，计算。

式中，CR为一致性比率。当CR＜0.1时，认为矩阵具有满意的一致性；而

式中，λmax为一致性矩阵的最大特征根，n为成对比较的因子的个数；RI为随机一致性指标。

1.2 层次分析法计算权重

1.2.1 构建层次结构模型

如图1所示，建立研究区地质灾害易发性评价结构模型图，将灾害分布密度、坡度、坡型、坡高、岩土体类型、河流冲刷和人类工程活动等7个因子作为方案层，分别归属于灾害发育因素、形成因素、诱发因素准则层。

图1 易发性评价层次结构模型Fig.1 Hierarchy model for evaluation of susceptibility

1.2.2 构造判断矩阵

采用1～9标度方法分别对准则层和方案层的各个因素进行两两比较，赋以相应分值，构造判断矩阵，其中，目标层A对准则层B判断矩阵为：

准则层B对方案层C的判断矩阵为：

1.2.3 计算权向量及一致性检验

根据层次分析法权向量计算公式，可以计算出矩阵A和B的λmax和归一化的ω值：

λmax(A)=3，ω(A)=(0.567 9，0.333 9，0.098 2)，其一致性检验结果CR＝0.021 3

λmax(B2)=5.013 3，ω(B2)=(0.313 0，0.098 8，0.0988，0.313 0，0.176 5)，其一致性检验结果CR＝0.003。

方案层C对目标层A的总排序权重计算结果见表1。

表1 判断矩阵层次总排序结果表Tab.1 Judgment matrix hierarchy total sort results table

方案层C对目标层A的一致性比率CR＝0.0243＜0.1，层次总排序结果具有较满意的一致性。

2 基于GIS地质灾害易发区的评价

2.1 评价单元选择

应用GIS评价区域地质灾害易发性时，产生了多种划分模型单元的方法，总结起来主要有以下5种形式：格网单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元、边坡单元。其中，格网单元对应于GIS中的栅格数据结构，是栅格GIS中常用的一种基本单元。将整个区域按预定的大小划分为规则的多边形作为基本的模型计算和绘图单元。格网划分完之后，将所要考虑的每一个因素（地质、地形等）的赋值赋予每一个网格单元，这些值在单元中均匀分布。由于格网单元法在计算机中的实现十分快捷和方便，在评价区域地质灾害易发性时被广泛采用[7-10]。本文亦采用格网单元法确定延长县地质灾害易发区评价单元。

采用格网单元法时格网大小的确定十分重要，格网单元尺寸选取太大，则影响预测精度，选取太小，则造成计算量太大，所以，格网大小的选取应依据以下原则：格网应使单元精度能充分反映一定比例尺下地质实体的空间分布及其属性特性，满足该比例尺下地质体的实际精度；格网化时应充分考虑计算机处理能力，在保证一定格网化精度的情况下，尽可能地保证计算机运行的速度；格网化时应综合考虑各图层的精度[11-13]。

根据以上选取原则，结合研究区已发生崩塌、滑坡灾害的规模，本文采用2 km×2 km的方格精度进行格网划分，将全区离散为670个单元网格，所依据的基础图件为1:50 000的DEM图和工程地质图。然后将灾点密度、坡度指标、坡高指标、坡型指标、岩土体类型指标、河流冲刷指标和人类工程活动指标计算结果栅格化，并进行0～1之间线性归一化。各个指标归一化图如图2～图8所示。

图2 灾点密度归一化图Fig.2 Normalized plots of disaster density

图3 坡度归一化图Fig.3 Normalized slope diagram

图4 坡型归一化Fig.4 Slope normalization

图5 坡型归一化图Fig.5 Normalized slope pattern

图6 岩土体类型归一化图Fig.6 Normalized map of rock

图7 河流冲刷归一化图Fig.7 Normalization of river erosion

图8 人类工程活动归一化图Fig.8 Normalized human engineering activity

2.2 基于GIS的空间叠置分析

2.2.1 运算方法及过程

在评价指标分析和重分类基础上，可用下面的公式计算易发性评价结果：

式中,P为地质灾害易发性评价结果，xi为各评价因子的评价结果，ni为各评价因子的权重。

这一过程可以运用ArcGIS栅格计算功能实现，将各指标重分类图按照层次分析法确定的权重(见表3)进行叠加计算。可以得到研究区地质灾害易发程度评价结果图，如图9所示。

图9 各因子指标叠置分析计算结果图Fig.9 Shows the overlay analysis results of each factor

2.2.2 易发程度等级划分

合理确定易发程度分区界线值十分重要。本次评价采用ArcGIS中自然裂点法和当地自然灾害历年发生统计结果作为分级标准，将各因子评价指标叠加分析结果分为四级，分级结果如图10所示。

图10 研究区地质灾害易发程度分区图Fig.10 Geographic hazard-prone zoning map for the study area

P＝0.392 460 470～0.985 501 528时，为高易发区；P＝0.234 572 915～0.392 460 470时，为中易发区；P＝0.134 449 100～0.234 572 915时，为低易发区；P＝0.003 517 957～0.134 449 100时，为不易发区。在定量计算划分易发区的基础上，综合考虑各种因素，得到地质灾害易发程度区划图，如图11所示。

图11 研究区地质灾害易发程度区划图Fig.11 Zoning map of geological hazard prone areas in the study area

2.3 地质灾害易发区分区评价

在ArcGIS平台划分易发区的基础上，综合考虑各种因素，编制出了研究区地质灾害易发程度分区，将研究区化分为地质灾害高易发区、中易发区、低易发区和不易发区。其中，高易发区面积167.18 km2，占全研究区面积的7.06%，滑坡、崩塌、不稳定坡体点74处，地质灾害点密度0.44处/km2，包括黑家堡～郭旗高易发区(Ⅰ1)、七里村～县区高易发区(Ⅰ2)、张家滩高易发区(Ⅰ3)、交口高易发区(Ⅰ4)、雷赤～南河沟高易发区(Ⅰ5)等5个亚区；中易发区面积533.04 km2，占研究区面积的22.51%，滑坡、崩塌、不稳定坡体点100处，地质灾害点密度0.19处/km2，包括黑家堡～南河沟中易发区(Ⅱ1)、交口～刘家河中易发区(Ⅱ2)、安沟中易发区(Ⅱ3)、雷赤～南河沟中易发区(Ⅱ4)及安河中易发区(Ⅱ5)5个亚区；低易发区面积1 427.19 km2，占研究区面积的60.27%，滑坡、崩塌、不稳定坡体点85处，地质灾害点密度0.06处/km2；不易发区面积240.59 km2，占研究区面积的10.16%，包括郑庄～七里村～安沟非易发区(Ⅳ1)和罗子山～安河非易发区(Ⅳ2)，基本无地质灾害发生。

3 结束语

1）在对研究区灾害现状及形成条件、诱发因素分析的基础上，选取灾点分布密度、斜坡坡度、斜坡坡型、斜坡坡高、河流冲刷、岩土体条件、人类活动等7个因素作为研究区地质灾害易发程度评价指标。

2）在利用层次分析法计算出各评价因子的权重，ArcGIS平台下，将评价因子进行量化，得到了各个评价指标归一化图，根据各评价指标的权重，利用空间叠置分析功能将所有评价指标进行叠置计算分析，然后采用ArcGIS中自然裂点法和当地自然灾害历年发生统计结果分级标准，将计算结果分成四级，得到研究区地质灾害易发程度分级结果。

3）在易发区的基础上，综合考虑各种因素，编制出了研究区地质灾害易发程度分区，将研究区化分为地质灾害高易发区、中易发区、低易发区和不易发区。分级结果极大地方便了地方政府相关部门防灾减灾工作，为地质灾害防治提供了决策依据。