GIS技术在滑坡灾害空间分异特征研究中的应用

(西安科技大学地质与环境学院 陕西 西安 710054)

吴起县是陕西省的石油大县，石油的采掘及相关工程建设日益频繁，大量的人类工程活动导致滑坡灾害频繁。而滑坡灾害制约着地区的发展，影响投资环境。本文以“陕西省延安市吴起县地质灾害详细调查”项目为依托，对研究区内滑坡灾害分布进行了实地调查，发现区内滑坡灾害的分布具有一定的不均衡性和群集性，滑坡高发区域往往是人类工程活动频繁的地段。文章以吴起县1980-2010年发生的119起滑坡灾害的空间分异特征进行分析研究[1-2]。

一、研究方法

以吴起县164个行政村为研究单元，进行实地调查统计，建立空间数据库，利用ARCGIS9.2提供的ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis，探索性空间数据分析)工具，对各单元滑坡发育数量的空间分异特征进行了分析。通过利用Geoda095i提供的空间自相关分析工具揭示不同单元间滑坡发育空间聚集特征与时间的关系，展现空间数据特征，探测数据空间关系模式，辨别异常点或区域(聚集中心或热点区域)并且发现空间异质性特征。GIS空间分析方法具有较强的科学可视化，直观性，有助于深入研究空间分异现象。

二、空间分异特征(不均衡性)

(一)区域差异

利用ARCGIS9.2提供的自然断点工具(Natural breaks)，将吴起县各研究单元以滑坡密度划分为4个等级，即低密度区(<0.05处/km2，共131个村)，较低密度区(0.05—0.19处/km2，共27个村)，较高密度区(0.19—0.47处/km2，共5个村)和高密度区(0.47—10.4处/km2，仅1个村)。由图1可以看出，吴起县滑坡灾害分布差异性显著，高密度以及较高密度区面积很小，但滑坡灾害数量占比大，高达38%；低密度区以及较低密度区面积很大，然而滑坡灾害数量相对占比小。

图1 吴起县滑坡灾害密度差异分布

(二)宏观差异

本文采用ARCGIS9.2中的趋势分析工具(Trend analysis)，选取研究区各单元滑坡数量为兴趣属性并建立三维透视图(图2)。图中每条黑色竖线表示不同单元的滑坡数量，绿色与蓝色的点分别表示各数值在xz平面和yz平面上的投影，由这些投影点可以获得一条最佳拟合曲线。分析结果表明，滑坡灾害的发育程度与区内经济发展强弱基本一致，吴起县中部地区滑坡灾害相对发育的趋势，恰好中部地区为县城所在地。

图2 滑坡灾害三维空间分异

三、空间聚集特征(群集性)

(一)全局空间自相关

常用的自相关分析方法有Moran’s I和Geary’C两种指数。本文采用Moran’s I指数，Moran’s I统计量取值范围介于-1～1，当I(d)>0时代表空间正相关，表示邻接单元之间具有相似性；当I(d)<0时代表空间负相关，表示邻接单元之间具有差异性；当I(d)趋于0时则表示邻接单元不相关或相关性较弱。利用ARCGIS9.2中的全局空间自相关分析工具(Spatial autocorrelation)，对1980至2010年吴起县滑坡灾害(累计)的全局空间自相关变化趋势进行分析，其中空间关系设定为多边形一阶邻接关系(Polygon contiguity：First order)[3]。

图3 1980-2010年吴起县滑坡灾害Moran’s I指数

根据分析结果(图3)可以看出，吴起县滑坡灾害只有1980年表现出较弱的负相关性(80年为统计元年且当年滑坡较不发育)，其余各年都表现为正相关。总体来看，吴起县滑坡灾害的正相关性呈现出强—弱—强的变化规律，1980-1984年Moran’s I指数先上升后下降，说明起初吴起县形成了一个滑坡聚集中心，随后各单元滑坡灾害的发育较为分散，Moran’s I指数下降；1985-1989年，Moran’s I指数的变化，说明了该段时间内，滑坡灾害在空间上逐渐呈现出聚集趋势；1990-2003年，Moran’s I指数相对较低，空间差异程度减弱，说明滑坡灾害在该时间段内分散发育，随机性较强，形成多个分散的聚集中心；2004-2010年，Moran’s I指数不断增加，滑坡灾害聚集特征显著，差异性增强，多个聚集中心呈现出一体化趋势。

(二)局部空间自相关

全局空间自相关只能反映研究区整体的空间聚集程度，不能确定具体聚集区域，而局部空间自相关Moran’s I指数则解决了此问题[4]。本文利用Geoda095i提供的局部空间自相关分析工具(Univariate LISA)，以10年为一研究时段，分别对1980、1990、2000、2010年的吴起县滑坡灾害的局部自相关变化趋势进行分析，建立并调用一阶邻接空间权重文件(Contiguity weight:First order),生成Moran散点图和LISA聚集地图。

1.Moran散点图(Moran scatter plot)

图4 吴起县滑坡灾害Moran散点图

由图4可以看出，由于1980年为统计元年，绝大多数单元散点落入第四象限(散点重叠)，县内各单元滑坡灾害多处于不发育均衡状态；1981-1990年期间，这种均衡状态逐渐改变，落入二、三象限的单元逐渐增多，局部区域差异性增大。落入第一象限的单元开始出现，说明滑坡灾害高发地区与高发地区相邻的空间聚集现象增强；1990-2000年期间，各单元散点出现收敛趋势(趋于重叠)，说明该段时间各单元滑坡灾害发育较为均衡，这种均衡不仅体现为空间分布均衡而且数值上也趋于均衡；2000-2010年期间，各单元散点离散性增强，说明该时段内滑坡灾害发育的区域差异性增强，落入第一象限的单元较之前明显增多，局部区域滑坡灾害聚集现象显著。

2.LISA聚集地图(LISA Cluster map)

图5 吴起县滑坡灾害LISA聚集图

LISA聚集地图(图5)可以清晰的看出研究区的滑坡灾害的聚集特征及演化趋势。1980年滑坡灾害最先发育在吴起镇中部宗圪堵村，并与邻接各村表现出显著的局部“HL”差异，其他各村滑坡灾害均不发育，全县以LL区域为主，差异性小；1981-1990年，在吴起镇宗圪堵和杨青村形成滑坡灾害局部“HH”聚集，与其邻接的中杨青、西沟塔、榆树沟、张坪、王台、侯岔、宗湾子村在局部表现出与热点地区的差异(LH)，其他如陈岔、周湾、圪栏沟、吴仓堡、铁边城、吴岔、中台、杨城子、韩台、白沟等村滑坡少量发育，并与其周边地区表现出“HL”差异；1991-2000年期间，吴起县中部的滑坡聚集中心范围有所减少，滑坡灾害主要聚集在吴起镇王台、张坪和杨青村，“HL”及“LH”区域在空间上的分布趋于均衡；2000-2010年期间，滑坡灾害主要聚集于吴起镇中西部地区的刘河湾、宗湾子、宗圪堵、刘渠子、中杨青、杨青村，形成显著的“HH”聚集，其他局部地区如薛岔、五谷城、黄涧、五金涧、齐石湾、黄岔、杨庙台村表现出与邻接地区的显著的“HL”差异。

四、结语

吴起县的滑坡灾害空间分异特征明显，在县城区域滑坡灾害相对发育，频繁的人类的工程活动促进滑坡的发育。因此对于研究区内的滑坡灾害防治，要按滑坡发育程度划分区域，对于不同的区域采取相应的防治措施，为研究区域的滑坡地质灾害防治提供决策参考。