基于相关性分析法因子选取的信息量模型滑坡易发性评价

陈君 于浩洋 张童康 王娜

（1 新疆地质矿产勘查开发局第三地质大队 新疆库尔勒 841000 2 中国煤炭地质总局航测遥感局 陕西西安 710100）

0 引言

滑坡作为我国最常见的地质灾害，也是对国民造成伤害最大的自然灾害之一［1-2］。由于河流及其各支流的长期侵蚀，新疆特克斯县形成了河谷深切的复杂地形。特克斯县海拔高差达4 075 m，境内自然地质背景环境特殊，地质构造复杂，新构造运动活跃，河谷强烈侵蚀切割，各种滑坡、崩塌等斜坡地质灾害普遍发育［3］。尤其是近年来人类工程活动加剧，滑坡灾害的发生越来越多，新疆特克斯县人民的生命财产安全受到很大威胁。因此，进行滑坡易发性评价工作，科学分析滑坡的易发性，对特克斯县滑坡灾害的预防和减轻具有重要意义。

合理评价地质灾害易发性十分重要，近年来许多专家学者对此进行了大量研究。2016 年，张俊等［4］依据各指标条件下滑坡累计发生频率曲线斜率的变化，分别运用信息量模型和逻辑回归模型建立各自的滑坡易发性评价体系，对三峡库区万州区滑坡灾害易发性进行了评价。2017 年，戴岚欣等［5］采用逻辑回归模型，利用地震、地形和地质3 大因素（8 个因子）对九寨沟地震引起的地质灾害易发性进行了快速评价和分区，经统计校验证明该模型的准确率达0.851，经验证模型精度较高。2018 年，黄发明等［6］提出基于聚类分析和SVM 的滑坡易发性评价模型，所提出的SOM-SVM 模型用于三峡库区万州区滑坡易发性评价，并将得到的易发性结果与随机选取非滑坡的单独SVM 模型结果做对比。结果显示SOM-SVM 模型具有比单独SVM 模型更高的成功率和预测率。2020 年，张玘恺等［7］通过地理信息系统（GIS）技术，采用信息量（I）、确定性系数（CF）、逻辑回归（LR）、逻辑回归–信息量（LR-I）和逻辑回归–确定性系数（LR-CF）耦合模型的快速评估方法，对九寨沟县范围内滑坡灾害易发性评价，并对5 种模型进行比较研究。同年，林荣福等［8］基于参数优化的随机森林模型计算出客观权重，将客观权重赋予各评价因子，对各评价因子信息量加权叠加。最后基于自然间断点法将得到的综合信息量图进行滑坡易发性划分。徐胜华［9］利用IOE 模型计算SVM 的调节因子，并通过PSO 算法迭代求解SVM 最优解，根据SVM 二分类得到的隶属度来区分滑坡灾害易发性。田乃满等［10］以福建省南平市蔡源流域为研究区，以四川省绵阳市北川县为验证区，从预测精度、稳定性和数据量敏感性3 个方面深入对比BP 人工神经网络模型和CART 决策树模型在滑坡易发性分析中的效果。2022 年，李信等［11］采用信息量模型和信息量-逻辑回归模型对以海南岛五指山市地质灾害易发性进行评价研究。这些研究都只是停留在研究地质灾害易发性评价模型上，却忽视了对其评价因子的独立性选取。本文首先基于ArcGIS 空间分析功能对初始因子的独立性进行分析，选取相对独立的评价因子构建信息量模型法，对新疆特克斯县滑坡易发性进行评价。

1 研究区概况

特克斯县行政区范围归属伊犁哈萨克自治州管辖，地处天山北麓西部特克斯昭苏盆地东端。地理坐标：东经81°19′00″～82°37′30″，北纬42°22′30″～43°25′30″。西接昭苏县，南邻拜城县，东南与和静县毗连，东面与东北面和巩留县接壤，西北是察布查尔锡伯族自治县，东西宽109 km，南北长116 km，全县总面积8 352 km2。特克斯县城东距自治区首府乌鲁木齐市827 km，北距伊宁市119 km，有省道S220 与伊宁市相连，与巩留县、昭苏县均有公路相通，特克斯县境内主要公路有：北部连接巩留县、西侧连接昭苏县的省道S220，吾尔塔米斯村至托斯曼萨依县道X770、S220 至齐勒乌泽克镇县道768、城区至喀拉托海镇县道765、县城区至阔克铁热克乡766 县道、阿克塔木至乔拉克铁热克镇767 县道、另还有289 乡道、288 乡道、287 乡道、272 乡道、282 乡道、276 乡道、城162 乡道等乡村道路组成交通网络，交通较为便利。

2 研究方法

对比各种常用的地质灾害易发性评价方法，发现信息量法是目前发展较为成熟的方法。因此，特克斯县的地质灾害易发性评价采用信息量法进行。信息量模型通过将研究区内滑坡点和滑坡影响因子，根据各影响因子对滑坡的影响程度，对每个分区的信息量进行计算［12］。信息量模型作为定量反演地质灾害易发性的一个重要模型，具有操作简单、稳定性高、结果精准的优点，在滑坡易发性评价中得到了广泛运用。通过把反映区域稳定性因素的影响实测值换算成信息量值作为易发性区划的量化指标，对滑坡易发性程度进行划分，见式（1）。

式中：I 为评价单元总的信息量值，体现了单元破坏的可能性；n 为因子数；H 为地质灾害数；S 为已知总单元数；N 为破坏的单元总数；Si为指标xi 的单元个数；Ni为指标xi的破坏单元数。

当I 越大，越有利于发生变形破坏，表明地质灾害发生的概率越大［13-14］。

2.1 评价单元

地质灾害发育的严重程度受诸多因素的影响，在局部区域表现出明显的差异性和复杂性。因此，地灾易发性评价首先需要考虑的是确定评价单元。目前，国内外的评价单元区划方法包括规则栅格单元、子流域单元、自然斜坡或地貌单元、行政单元等。对比分析上述方法，结合特克斯县的实际情况，对一般调查区的滑坡和崩塌地灾易发性评价，选取规则栅格单元作为评价单元。具体而言，用ArcGIS 软件将全区进行栅格化，栅格尺寸为25 m×25 m，全区共分为13 112 275 个栅格单元，如图1 所示。

图1 栅格单元

2.2 滑坡点的分布

在特克斯县地质灾害中，滑坡是区内发育最多的，发育有167 处。主要发育于齐勒乌泽克镇、乔拉克铁热克镇、喀拉托海镇、喀拉达拉镇琼库什台。齐勒乌泽镇发育64 处滑坡，占滑坡总数的38.3%；乔拉克铁热克镇39 处，占滑坡总数的23.4%；喀拉托海镇和喀拉达拉镇，均为19 处，各占滑坡总数11.4%。具体分布情况如图2 所示。

图2 滑坡点的分布

2.3 评价因子的选取

指标体系的构建是地灾易发性评价的重要步骤。对于滑坡易发性评价，常用的指标有6 个。

（1）地形：高程、坡度、沟壑密度、地势起伏度等。

（2）地貌：地貌单元、微地貌形态、总体地势等。

（3）地层岩性：岩性特征、岩层厚度、岩石成因类型等。

（4）地质构造：断层、褶皱、节理裂隙等。

（5）地震：烈度、动峰值加速度、历史地震活动情况等。

（6）工程地质：区域地壳稳定性，基岩埋深，主要持力层岩性、承载力、岩土体工程地质分区等。

显然，由于某些因素包含的参数很难取得，不可能包含所有的地质环境因素评价滑坡易发性。因此，基于特克斯县收集到的资料，选择高程、坡度、坡向、工程地质岩组、距水系距离、距断层距离和距道路距离7 个影响因子作为评价因子。由于这些评价因子并非绝对相互独立，彼此之间存在一定的相关性。如果不经过处理，各评价因子之间的影响可能会叠加权重，导致评价结果错误或者不准确。为了保证评价因子的相互独立性，对上述评价因子进行二次筛选。具体来说，采用ArcGIS 空间分析工具对上述7 个评价因子进行相关性分析，计算相关性系数（如表1），衡量各评价因子的相关程度。R 的取值范围为［-1，1］，约接近1，表示两两指标的相关性越高。

表1 |R|表征相关程度表

表2 给出了各评价因子的相关性系数矩阵。可见，高程、距道路距离和坡度之间具有较高的相关性。其中，高程与距道路距离相关性最高，可删除距道路距离这一评价因子。

表2 初步选取评价因子相关性矩阵

2.4 评价因子信息量计算

统计滑坡地灾点的数量，根据信息量方法，计算获得滑坡各评价因子的信息量，如表3 所示。可见，信息量中最大的评价因子分级是工程岩组中的层状软弱-较软弱且以泥岩为主的碎屑岩岩组。最小的信息量评价因子分级是工程岩组中的块状、层状较坚硬-较软弱以砂岩为主碎屑岩岩组。

表3 滑坡易发性评价因子信息量值

3 评价结果

应用ArcGIS 软件计算每个栅格图层的信息量，获得滑坡易发性指数。全区的滑坡易发性指数在-8.76 到5.90 之间。根据《地质灾害风险调查评价技术要求》，易发性可分为“非易发区”“低易发区”“中易发区”和“高易发区”。其中，“非易发区”一般情况下默认为不会发生地灾的区域。

基于滑坡易发性指数，按“低易发区”（-8.76～＜0）、“中易发区”（0～＜3）和“高易发区”（3～5.9）的标准划分，利用自然间断法对特克斯县的滑坡易发性进行分区，如图3 所示。可见，全区滑坡高易发区和中易发区主要分布于特克斯县中部和西北部地区。其中，齐勒乌泽克乡的高易发区和中易发区占比最高。

图3 特克斯县滑坡易发性评价结果

表4 给出了滑坡易发性的分区统计结果。可见，特克斯县的滑坡高易发区面积为330 km2，占比为3.9%；中易发区面积为1 257 km2，占比为15%；低易发区面积为6 648 km2，占比为79.7%；非易发区面积为118 km2，占比为1.4%。

表4 特克斯县滑坡易发性统计表

根据特克斯县滑坡易发性评价结果，可知：特克斯县地质灾害高和中易发区主要分布于北部沿河流地区。其中，齐勒乌泽克乡的高易发区最多。南部地区由于多为坚硬-较坚硬的中厚层状碳酸盐岩组，岩土性质较好，因此大多数地区为低易发区。

4 结论

本文通过相关性分析法结合信息量模型法对新疆特克斯县的地质灾害易发性进行了评价，得到了以下结论：

（1）通过相关性分析法对初始选取的高程、坡度、坡向、工程地质岩组、距水系距离、距断层距离和距道路距离7 个影响因子进行分析，发现高程与距道路距离相关性最高，删除距道路距离后最终选取了高程、坡度、坡向、工程地质岩组、距水系距离、距断层距离6 个评价因子作为评价指标。

（2）计算上述6 个因子的信息量并代入信息量模型，将新疆特克斯的滑坡易发性分为高、中、低、非4 个易发区，其中滑坡高易发区占地面积约330 km2，占3.9%；中易发区面积约1 257 km2，占15.0%；低易发区面积约6 648 km2，占79.7%；非易发区面积约118 km2，占1.4%。与实地调查结果相符，该分区结果可为新疆特克斯县滑坡灾害防治提供依据。