基于AHP模型的地质灾害易发性分析

何 超， 曾 森， 刘汉湖

(1.成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室，成都 610059；2.四川省国土资源厅信息中心，成都 610072)

0 引言

社会建设有序进行的同时，地质灾害日益严重，易发性分析成为当今研究的热点。易发性分析是地质灾害灾情评估的重要组成部分，在获取灾害易发情况的基础上，对研究区地质灾害的易发程度进行划分，充分了解其空间分布规律，可为当地政府提供防灾减灾依据。目前已有多种方法可实现地质灾害易发性分析，神经网络模型、模糊综合评价法、空间信息量模型、层次分析法及基于空间数据库的空间分析方法等均广泛应用于各项灾害评估[1-4]。

参考国内、外相关研究，空间信息量模型和AHP模型在灾害易发性分析中应用相对成熟，杜军等[5]基于信息量模型对汶川次生地质灾害进行了危险性评价；杜春兰等[6]采用层次分析法和空间信息量模型两种方法进行渝北区地质灾害危险度研究，并对其结果进行了对比分析；任玉辉等[7]研究了层次分析法在校园火灾危险性分析中的应用。

综合上述，考虑到研究区地质灾害影响因素复杂繁多的特点，笔者在评价指标的可获取范围内,尽可能全面地展开了基于AHP模型的万源市地质灾害易发性分析，并在查明万源市地质灾害发育空间分布特征的基础上，提出合理的地质灾害防治建议，以确保当地居民人身财产安全，进一步维持社会经济稳定。

1 研究区概况

万源市位于四川东北边缘，幅员面积4 065 km2(图1)。地理范围介于30°39′N ～32°20′N，107°28′E～108°31′E之间，位于大巴山腹心地带，总体地势东西向高低相间，为低中山、丘陵地貌，是中国南北气候的分界线和嘉陵江、汉江的分水岭。地处川、陕、渝三省、市共7个县市交汇处，国道G210、G65线及省道S302纵横贯穿全市，是进出川的主要通道和重要门户。西南地区人类工程活动最为密集，其次为中部地区以及东北地区，区内多为软岩组、较软岩组，使得万源市多有地质灾害现象发生。

图1 万源市区域概况图Fig.1 The regional overview of Wanyuan city

2 研究方法

2.1 数据源及指标选取

本次研究的数据包括：国家基础地理信息中心提供的1∶50 000地形图和1∶200 000地质图、高分辨率对地观测系统四川数据与应用中心提供的高分一号卫星遥感影像(空间分辨率为2 m)、中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站提供的ETM影像(空间分辨率为15 m)及2016年野外调查结合遥感解译所得259处滑坡、崩塌、泥石流地质灾害点。

遵循指标选取的科学性，结合研究区实际地理情况及地质灾害易发性影响因子，笔者选取断层、岩土类型和地貌特征作为研究的地质条件，高程、地形起伏、坡度、坡向和曲率作为地形因子，道路作为人类工程活动影响因子以及水系作为河流侵蚀影响因子。其中地质条件相关因子的获取参考了1∶200 000 地质图，根据ETM影像室内解译及野外验证共同确定；利用1∶50 000地形图生成DEM[8]，进而衍生出地形起伏、坡度等地形因子；道路及水系通过高分一号高分辨率遥感影像目视解译获得。

2.2 AHP模型确定权重

作为一种相对精准快捷的权重确定方法，层次分析法旨在利用较少的定量信息将思维过程数学化，定向分解各项研究指标至不同目标层次，将复杂问题系统化，为目标因子影响程度的划分提供便捷的决策方法。

邓雪等[9]着重研究了层次分析法确定权重的四种计算方法，包括几何平均法、算术平均法、特征向量法和最小二乘法。最终得出采用最小二乘法得出的结果偏差较大，其他三种方法效果较好。其中几何平均法即数学中的方根法，其原理是对构造矩阵逐行求几何平均值，再将所得向量归一化的过程；算术平均法也叫求和法，是先对构造矩阵按列归一化，然后相加求平均值；特征向量法是在上述方法的基础上，对所得权重向量与构造矩阵的乘积进行归一化处理；最小二乘法则是用拟合方法确定权重向量，使残差平方和为最小。综合考虑以上研究成果，我们采用层次分析法中的几何平均法。

2.2.1 构造判断矩阵

表1 指标相对重要性判断规则

根据上述规则定义各指标之间相对重要性，构造如下判断矩阵A：

2.2.2 计算指标权重

计算判断矩阵各行几何平均值：

(1)

(2)

2.2.3 检验判断矩阵一致性

构造判断矩阵过程中，由于对各项指标进行重要性对比时难以做到完全一致的度量，且主观因素较强，判断结果通常存在一定误差，为提高权重确定可靠性，须对判断矩阵进行一致性检查[10]。

计算判断矩阵最大特征值：

(3)

式中：λmax为判断矩阵A的最大特征值；AW为判断矩阵与各项指标权重的乘积。根据判断矩阵RI值及一致性指标进行判断矩阵一致性检验：

(4)

式中:CR为随机一致性比率，CR<0.1时，则认为判断矩阵具有一致性，表示其判断结果误差在可控制范围内，由其所得权重符合研究标准，否则需要重新构造判断矩阵；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，对于不同数量的指标有不同取值，9阶以内判断矩阵RI值如表2所示。

表2 不同阶数判断矩阵RI值

2.3 综合评价

通过上述模型即可得到各项指标权重(表3)，为降低各项指标量纲差异的影响，我们在现有研究成果的基础上，结合研究区实际地理特征，对地质条件、地形因子相关指标及水系道路影响范围进行了分级赋值实现数据的标准化[11-13]，其值越大，则表明对地质灾害影响越大。

表3 指标权重计算结果

在ArcGIS分析功能的支持下，利用各分层指标对研究区地质灾害进行综合分析，综合评价模型如下：

Z=W1V1+W2V2+W3V3+…+WnVn

(5)

式中，Z为研究区地质灾害易发程度综合指数，数值越大则易发性越高；Wn为第n项指标权重；Vn为第n项研究指标标准化取值。

3 结果分析

3.1 易发区分类定级

通过上述综合评价模型对研究区各指标图层进行加权叠加分析,可得到区内地质灾害易发区分布结果(图2)，对其进行等级划分，以凸显易发性分布规律，从而有针对性的进行深入研究，制定科学防治计划。当前最具代表性的数据分类定级方法主要为经验判定法及自然间断点分级法，前者主要参考已有研究成果，受人为主观影响较大。我们采用自然间断点分级法实现研究区的易发性分级，该方法是在对具有相似像元值的栅格像元进行整合及分类的基础上，最大化的凸显各类别差异，是地质灾害评价类研究最常用的分级方法[3-4,14-15]。

图2 综合分析结构图Fig.2 The structure of comprehensive analysis

图3 万源市地质灾害点与易发区关系图Fig.3 The relationship between the susceptible area and geological disaster point of Wanyuan

3.2 验证分析

为确保分析结果的合理性和可靠性，笔者对万源市2016年地质灾害点与灾害易发区分级结果进行叠加分析，得到地质灾害点与易发区关系图(图3)。从表4可以看出，随着易发程度增加，研究区内灾害点密度呈现出增长趋势，其中低易发区内无灾害点发育，密度最小，表示该区域极少有地质灾害现象发生；较低易发区所占面积较大，但其灾害点数量

表4 万源市地质灾害点与易发区关系表

仅占总量的7%，平均密度为0.018 6个/km2，可见该区域内地质灾害发生概率较小；中易发区内灾害点数量明显增多，区域面积有少量变化，对应灾害点密度为0.049 8个/km2；灾害密度最大的区域为高易发区，平均0.168 7个/km2，其灾害点数量占总量的23%，区域面积仅占总面积的8.76%，是万源市地质灾害高发区；其次是较高易发区，灾害点密度为0.122 0个/km2，其易发程度仅次于高易发区。

综上所述，综合评价后的易发区分布规律符合万源市2016年地质灾害点的分布规律，AHP模型支持下的地质灾害易发性分析可较准确地预测出研究区地质灾害高发区，可为万源市地质灾害的深入研究以及具体防治规划的制定提供有力条件。

3.3 评价分析

万源市地质灾害整体易发程度较高，约60%的区域处于中易发区以上，主要集中于西部及中部地区，呈现出自东向西依次递增的趋势。

1)低易发区及较低易发区主要位于研究区东北部及中部部分地区。该区域地质灾害发生概率较小，地形地质条件相对稳定，虽然海拔高，坡度大，地貌以低中山为主，北东-北西向断层较密集，但其岩土类型主要为以灰岩、白云岩、砂岩、盐溶角砾岩为主的较硬岩组及由玄武岩、硅质岩夹灰岩、页岩组成的硬岩组，水文稀疏，人类工程活动也相对较少。在受到地形条件及断层构造限制的同时，也在岩土类型和人类活动等有利条件下减小了地面下滑变形导致的滑坡、裂缝塌陷以及道路边坡开挖导致的崩塌。

2)中易发区分散于整个研究区域，超过总面积的三分之一，其中东北部及中部地区分布最为稀疏。该区域具有海拔低，地形起伏较小，坡度较小的地形特点，低山地貌，岩土类型以较硬岩组及由浅紫色块状长石砂岩、灰绿色砂、砾岩、泥灰岩夹灰岩组成的较软岩组为主，人类干扰相对增加。地形的优势作用及岩土类型与人类工程活动等的共同影响，使该区域的地质灾害现象维持在一个相对平衡的状态。

3)较高易发区及高易发区，主要呈大斑块状分布于研究区西南部以及西北向条带状平行分布于中部地区，低山、丘陵地貌。较高的坡度和曲率以及密集的北东-北西向断层为该地区地质灾害的发育提供了有利条件；从岩土类型来看，较软岩组及由鲜红色泥岩夹粉砂岩组成的软岩组决定了该区域岩体疏松的特点；此处水文密集，河流侵蚀严重，加之人类工程活动较多，道路修建、边坡开挖、农业耕种均加大了地质灾害的形成几率，使其成为灾害防治的重点区域。

4 结论与建议

考虑到对分析结果的准确性需求，针对万源市实际地形地貌及地质特点，选取了地形、地质、人类工程活动及河流侵蚀相关的10个指标，采用目前使用相对成熟的AHP模型对万源市进行了地质灾害易发性分析，并通过自然间断点法对易发区进行了分级，结果如下：

1)为验证万源市地质灾害易发区划分的可靠性，在GIS分析功能的支持下，对研究区2016年地质灾害点与地质灾害易发区进行了叠加分析。结果表明，采用AHP模型与自然间断点法，对万源市进行地质灾害易发性分析及分级能较准确地预测出研究区地质灾害易发性。

2)从整体来看，万源市地质灾害易发程度较高，大部分区域处于中易发区以上，在地质灾害发育概率上呈现出自东向西依次递增的趋势。低易发区及较低易发区主要位于研究区东北部及中部部分地区，该区域地质灾害发生概率较小，地形地质条件相对稳定；中易发区分散于整个研究区域，超过总面积的三分之一，该区域的地质灾害现象维持在一个相对平衡的状态；较高易发区及高易发区主要呈大斑块状分布于研究区西南部以及西北向条带状平行分布于中部地区，该区域地质灾害发育概率高，地形地质条件不稳定，人为干扰力度大，是灾害防治的重点区域。

3)为确保万源市居民人身财产安全，对于地质灾害高发区，建议加强生态环境保护，尽量避免不合理的人类工程活动，从根本上降低地质灾害的发生频率；并依据研究区各现有地质灾害体的不同特点采取不同的防治措施，并制订相应的防灾规划，以最大限度减轻或避免地质灾害造成的损失和危害；详细勘察区内危害程度较大的地质灾害体，了解其基本特征，为进一步开展地质灾害工程治理提供科学依据。

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