GIS综合评价模型在地质灾害详细调查中的应用

李再兴,丁丽,徐伟,杨杨

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州　450006)



GIS综合评价模型在地质灾害详细调查中的应用

李再兴,丁丽,徐伟,杨杨

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州450006)

摘要：以河南省登封市地质灾害调查为例，在分析地质环境条件的基础上，总结地质灾害发育特征，确定易发性分区评价指标，并运用GIS综合评价模型分析计算，得出的分区结果与实际吻合较好。通过对GIS综合评价模型的研究，可为大区域内地质灾害易发性评价提供参考。

关键词：综合评价模型；地质灾害；易发性分区

河南省自2010年开展地质灾害详查以来，已经有30多个县市开展了此项工作。地质灾害易发性分区是地质灾害详查工作中的一个重要的环节，对一个县市地质灾害易发性程度评价与分区正确与否，关系到国土部门的防灾决策、城市发展等相关规划的制定，影响较大。

目前地质灾害易发性分区的技术方法与模型[1]较多，大致为推理模型[2-3]、统计模型[4-5]，以及确定性模型方法。其中，确定性模型往往局限于小流域内的地质灾害易发性评价[6]，但随着计算机技术的快速发展，确定性方法也越来越多地被应用于地质灾害稳定性评价方面的研究[1]，再借助GIS强大的空间数据管理和空间分析功能，逐渐拓展到研究大区域内地质灾害易发性状况。霍艾迪[1]提出了一个基于数字高程模型(DEM)的黄土残塬区地质灾害易发性评价划分方法，可以实现大范围自然边坡地质灾害有效、定量评价。本方法采用一个基于GIS的水文分析模型来自动完成易发性评价单元的划分，简便易行。其中，定量计算过程需考虑易发性评价指标及其权重的选取，分析统计各指标对评价单元的贡献值，进而对大区域易发性分区。此过程本文概括为GIS综合评价模型。

本文以登封市1∶5万地质灾害详查为例，探讨为GIS综合评价模型在大区域丘陵山区地质灾害易发性分区中的应用。

1GIS综合评价模型

GIS综合评价模型对地质灾害易发性分区评价的主要思路是通过GIS软件按照一定的原则处理分析一定尺度范围内影响地质灾害发生的各种指标数据的分值和，比较和值的大小来划分地质灾害易发区间。

模型计算公式为：

(1)

式中,F为地质灾害易发程度贡献分值；Fi为评价因子i单项贡献分值；Wi为评价因子权重。

2研究区背景

登封市位于河南省中西部，南部和北部为中低山地貌，中部为侵蚀岗地及堆积河谷地貌。海拔高度在228～1 512 m之间，最高处为嵩山玉寨山1 512.4 m。境内有大小河流15条，最大河流为发源于西部和北部山区的颍河，长57 km，自西向东流入禹县境内。调查区属华北地层区豫西分区的嵩箕小区，除志留、泥盆及侏罗系缺失外，自太古界至新生界均有出露。

调查区经过多期次构造运动(如嵩阳运动、中岳运动等)，不同期次、不同方向的构造叠加与改造，致使区内构造形态异常复杂，有南北向构造、东西向构造、北西向构造和北东向构造，对登封市的地质灾害影响较大。登封市境内不仅地质历史独特，还有闻名世界的嵩山地质公园，而且文化历史底蕴丰厚，嵩山古建筑群的独特价值在中华文明乃至人类文明发展史上具有不可替代的价值。在此区进行地质灾害详细调查，意义重大。

登封市地质灾害较发育，经野外实地调查发现，已经造成财产损失或人员伤亡的地质灾害点共194个，通过资料收集和实地调查确认各类地质灾害隐患点289个，其中一部分为已经发生有可能再次复活、危及人身或财产安全的灾害点194个；一部分为以往未造成任何损失或人员伤亡的(不良地质现象点)，但未来有可能危及人身或财产安全的灾害点共95个。主要的隐患类型有崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷四大类，分布于调查区南、北丘陵山区、东部开矿集中区以及中部冲沟发育地带，降雨以及人类活动对其影响较大。

调查区地质灾害隐患以滑坡及崩塌为主，占灾害隐患点总数的84.08%，多为中小型地质灾害，分布于调查区北部、南部中低山区以及中部黄土状土冲沟两侧。

3应用研究

3.1评价指标的建立

地质灾害易发程度区划侧重的是滑坡、崩塌等地质灾害和自然地质现象(指未造成任何损失的崩塌、滑坡等)发育的数量多少及其活跃程度，评价指标包括已有地质灾害群体统计和地质灾害形成条件两大类[7]。已有地质灾害群体评价指标本次是考虑地质灾害发生的数量，即采用本次实地调查的灾点资料作为样本来计算单元内地质灾害的点密度。

地质灾害形成条件诸多，包括地形地貌、地质构造、沟谷坡向、坡度、坡高，坡体工程地质性质、水文地质条件、植被发育情况等。本次地质灾害易发性评价选取坡度、坡高、坡型、岩土结构、植被指数、降雨指标及人类工程活动等7项主要因素作为评价易发性指标。

3.2评价指标权重的确定

在地质灾害形成条件分析的基础上，结合前人研究成果，采用专家打分法确定了调查区地质灾害易发程度区划中各个指标的权重(表1)。

表1　地质灾害评价指标权重分配

3.3评价指标的量化

评价指标确定以后，就需要考虑各指标的取值以及数据处理问题。取值依据指标的性质有所区别：对于定量指标，如斜坡的坡度、坡高、降雨量等，取其原始观测值，并作适当的数值处理即可；对于定性指标，如坡型、岩土体等，需要建立一个评价指标的分级划分标准，根据各项指标对不同级别的相对贡献来取值[7]。数据来源于1∶5 万比例尺调查区数字地形图和地质灾害详细调查数据。各种灾害数据利用GIS归一化处理后将其进行网格化，然后叠加计算总贡献值。

3.3.1灾点密度

计算评价单元内已有地质灾害点的点密度，是为了客观反映不同地段灾害的易发程度，统计样本包含实际调查的全部已有灾害点和不良地质现象点。

3.3.2坡度指标

利用GIS从DEM数据中分别提取调查区的坡度信息，然后进行归一化。据黄陵报告[7]和实地调查数据，本分区将40°以上斜坡的易发程度定义为1， 10°以下斜坡易发程度定义为0°； 10°～40°之间的斜坡的易发程度，按照不同坡度区间滑坡和崩塌自然地质现象发生的概率，进行0～1之间的线性归一化处理。

3.3.3坡高指标

利用GIS从DEM数据中分别提取调查区的坡高信息，然后进行归一化。本次将90 m以上斜坡的易发程度定义为1，而将0～90 m之间斜坡的易发程度进行0～1之间的线性归一化处理。

3.3.4坡型指标

参考黄陵报告[7]，利用ArcGIS平台从DEM数据中分别提取调查区的地表曲率信息，然后进行斜坡坡型的归一化。当曲率<0时，坡面为凹型或阶梯型，易发程度最低；当曲率>0时，坡面为直线形和凸型，易发程度较高。坡型指标是按照地表的曲率的大小进行0～1之间的线性归一化处理。

3.3.5岩土体结构指标

本次按照调查区不同岩土体结构、类型及其发生地质灾害概率，分析岩土体结构对滑坡、崩塌易发程度的影响进行0～1之间归一化处理。

3.3.6植被指数指标

采用调查区的2001年时相的ETM遥感数据，利用归一化植被指数公式计算植被指数。即(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR为近红外波段的反射值，R为红光波段的反射值。在统计分析前将该数据重新采样成25 m×25 m的栅格单元。

3.3.7降雨指标

根据调查区的降雨特性，以暴雨等值线图为基准，将降雨对地质灾害危险程度的影响进行0～1之间归一化插值处理。

3.3.8人类工程活动指标

本次人类工程活动的量化是以公路、铁路和中小村镇建设范围为基准线，向两边做缓冲区，再经栅格化和归一化处理。

3.4计算单元的剖分

本次研究针对调查区1∶5万比例尺DEM，利用GIS以幼年期沟谷中的三级支流坳沟、冲沟，采用水文解析的方法将冲沟划分为1 667个单元，通过GIS软件的栅格矢量转换功能，得到斜坡面域。将其与02C遥感数据进行叠加，得出单元之间的土地特征差异性明显，单元内部的易发性评价指标参数特征相似。

3.5易发性分区

首先计算各评价单元评价指标的归一化值，其坡度、坡高、坡型、岩土结构、植被指数、降雨指标和人类工程活动归一化值及对应权重，权重值见表1。然后根据公式(1)计算该评价单元地质灾害贡献值。

本次采用突变点法确定易发程度分区界线值，将区域划分为低易发、中易发和高易发3个不同等级的区域(图1)。其对应的贡献值区间分别为14～33、33～40、40～74。

图1　地质灾害易发区与灾害隐患点分布对比图

4结论与讨论

4.1结论

(1) 将调查区详细调查结果根据其经纬度与定量评价结果进行空间叠加分析，分析结果如图1所示。从图可以看出，实测地质灾害隐患点绝大多数都分布在中、高区域。由此可见，实际调查结果与定量分析所得结果吻合较好。故采用GIS综合评价模型在大区域丘陵山区进行地质灾害易发性分区是可行的。

(2) 采用GIS综合评价模型，要全面分析调查区地质环境条件、地质灾害发育特征，才能保证评价指标选择的合理性和基础参数的准确性。

(3) 采用模型进行归一化计算时，对于评价指标中定性指标，分级划分标准需结合实际，如岩土体指标结合岩土体结构、类型及发生灾害的频率来划分，较为合理。

(4) 当实际调查灾害点数量较多，可不采用遥感解译中未核查的灾害点来作为计算灾害密度的样本数，以便灾害密度指标更为可靠。

4.2讨论

(1) 评价指标的权重大小影响着贡献值的大小，进而影响易发性分区，其应结合调查区实际，采用合理的取值方法。

(2) 野外调查为本次评价模型提供基础数据，故在野外调查期间，要准确记录地质灾害点各类参数，如坡型、坡高、坡度等，总结地质灾害发生规律，为易发性分区奠定基础。

(3) 本文参与灾点密度计算的不良地质现象点为具有地质灾害隐患的点，建议不具有地质灾害隐患的点亦可以参与灾点密度计算，作为易发性分区的样本点，旨在分析调查区易发性程度。

(4) 人类工程活动对滑坡、崩塌的形成发育的影响是极为复杂的，如何定量化反映是个难题[7]。本次选取了贯穿或覆盖全区的公路、铁路、山区的中小村镇建设为代表性的人类活动进行量化，效果较好。

参考文献

[1]霍艾迪，张骏,等.地质灾害易发性评价单元划分方法——以陕西省黄陵县为例[J].吉林大学学报(地球科学版),2011,41(2):523-535．

[2]Anbalagan R. Landslide hazard eval- uation and zonation mapping in mountainous terrain[J].Engineering Geology ,1992,32(4):269-277.

[3]Ramos Scharron C,MachDonald L．Measurement and prediction of sediment pro duction from unpaved roads,St John,US Virgin Islands [J].Earth Surface Processes and Landforms,2005,30(10):1283-1304.

[4]Carrara A,Cardinali M,Detti R,et al.．GIS techniques and statistical models in evaluating landslide hazard [J].Earth Surf Processes Landforms,1991,16(5):427-445.

[5]Wang S,Unwin D.Modelling landslide distribution on loess soils in China:an investigation[J].Int J GeogrInf Syst,1992,6(5):391-405.

[6]李军,周成虎.基于栅格GIS滑坡风险评价方法中格网大小选取分析[J].遥感学报,2003,7(2):86-92.

[7]张骏,卢玉东,成玉祥，等.陕西省延安市黄陵县地质灾害详细调查报告[R].西安:中国地质调查局西安地质调查中心,长安大学工程设计研究院.2010.

APPLICATION OF GIS COMPREHENSIVE EVALUATION MODEL IN DETAILED INVESTIGATION OF GEOLOGICAL HZARDS

LI Zai-xing,DING Li,XU Wei,YANG Yang

(Institute Of Surveying Mapping and Geoinformation of Henan,Zhengzhou450006,China)

Abstract:A case study of Investigation of Geological Hzards of Dengfeng county of Henan province,base on the analysis of geological environment conditions, summarizes the development features of geological disasters,determines the evaluation indicators, using GIS comprehensive evaluation model to analyze and calculate,and thus the reasonable prone degree partition map are obtained.The results of the reseach provide some certain referential for geo-hazard susceptibility in large area,by studying GIS comprehensive evaluation model.

Key words：comprehensive evaluation model； geological hazards； zonation of susceptibility

作者简介：李再兴(1981-)，男，汉族，安徽安庆人，硕士，河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院工程师，从事工程地质、水文地质与环境地质的勘测与研究工作。E-mail:95233784@qq.com

中图分类号：X43

文献标识码：A

收稿日期：2015-10-16改回日期：2015-12-20

文章编号：1006-4362(2016)01-0070-04

项目来源：河南省2013年度1∶5万地质灾害调查项目(执行项目编号：19)