信息量模型法地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)應(yīng)用
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摘要：文章以孕災(zāi)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)選取評價指標(biāo)，采用信息量模型法對全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進行易發(fā)性評價。在易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上，采用歷史月累計降雨量（大于5年）開展地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合評價，分別評估人員和基礎(chǔ)設(shè)施易損性，設(shè)定權(quán)重綜合確定承載體易損性；將危險性和易損性評價結(jié)果疊加運算，利用ArcGIS軟件的自然間斷點分級方法，根據(jù)單元信息量累積頻度分布曲線特征，將本區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為極高、高、中、低四個等級，形成風(fēng)險評價與區(qū)劃結(jié)果。為支撐國土空間規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃及重大工程選址等相關(guān)工作提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：GIS；信息量模型法；自然間斷點分級法
地質(zhì)災(zāi)害包括地裂縫、地面沉降、崩塌、滑坡、地震、火山、泥石流等，是指人為或者自然因素的作用下形成的對人類的生命和財產(chǎn)、環(huán)境造成損失和破壞的地質(zhì)作用現(xiàn)象。我國是地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的國家之一，每年的地質(zhì)災(zāi)害都威脅著人民的生命和財產(chǎn)安全，也制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展，基于GIS中信息量模型法和自然間斷點分級法對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險性分區(qū)進行評價和分析不僅符合黃土高原地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點的實際情況，對模型參數(shù)也有很好的擬合。
1GIS的概念
GIS是一種新型的技術(shù)，它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。它可以按照空間位置或地理坐標(biāo)對空間數(shù)據(jù)進行處理、研究空間的實體、對數(shù)據(jù)進行有效的管理。GIS是一門信息產(chǎn)業(yè)，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。世界上GIS軟件就有四百多種，它們風(fēng)格不同，大小也不一樣。在國外有ARCGIS、MGE、GENAMAP；國內(nèi)有CITYSTAR、MAPGIS和Geostar等。
2GIS在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然有很多GIS軟件，但是大體上分為在GIS的基礎(chǔ)上，應(yīng)用函數(shù)庫二次開發(fā)出特有的地理信息系統(tǒng)軟件；應(yīng)用GIS系統(tǒng)來處理用戶數(shù)據(jù)這兩種情況?，F(xiàn)今已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)施管理、資源管理、城市和區(qū)域的規(guī)劃、教育、石油和天然氣自動制圖等方面。目前GIS已經(jīng)成功應(yīng)用在政府管理、資源保護、環(huán)境保護、城市規(guī)劃建設(shè)等很多領(lǐng)域。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，GIS在測繪、交通運輸、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，GIS的應(yīng)用主要包括綜合分析評價與模擬預(yù)測；在地理空間數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用；建立專題信息系統(tǒng)和區(qū)域信息系統(tǒng)；在地圖制圖中的應(yīng)用等。
3GIS信息量模型法在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價中的應(yīng)用
3.1地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法確定
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量評價方法較多，主要模型有信息量模型、專家系統(tǒng)模型、灰色系統(tǒng)模型、非線性模型及模式識別模型等?？紤]到各模型的可行性、數(shù)據(jù)的易獲取性，本次沁源縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價采用信息量模型法。信息量模型反映了一定地質(zhì)環(huán)境下最易致災(zāi)因素及其細分區(qū)間的組合；具體是通過特定評價單元內(nèi)某種因素作用下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率相比較實現(xiàn)的。對應(yīng)某種因素特定狀態(tài)下的地質(zhì)災(zāi)害信息量公式可表示為：式中：I——對應(yīng)因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）下地質(zhì)災(zāi)Aj→B害B發(fā)生的信息量；N——對應(yīng)因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）下地質(zhì)災(zāi)害分布的j單元數(shù)；N——調(diào)查區(qū)已知有地質(zhì)災(zāi)害分布的單元總數(shù)；S——因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）分布的單元數(shù)；S為調(diào)j查區(qū)單元總數(shù)。當(dāng)I>0時，反映了對應(yīng)因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）下地Aj→B質(zhì)災(zāi)害發(fā)生傾向的信息量較大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性較大，或者說利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；當(dāng)I<0時，表明因素Aj→BA、j狀態(tài)（或區(qū)間）條件下，不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；當(dāng)I=0時，表明因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）不提供有關(guān)地質(zhì)災(zāi)Aj→B害發(fā)生與否的任何信息，即因素A、j狀態(tài)（或區(qū)間）可以剔除掉，排除其作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測因子。
3.2評價單元及評價指標(biāo)選取
本次該縣一般調(diào)查區(qū)采用10m×10m大小的柵格單元進行，經(jīng)統(tǒng)計共劃分為254.9萬個評價單元。本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價側(cè)重的是崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的數(shù)量多少及其活躍程度。評價指標(biāo)體系主要為地質(zhì)災(zāi)害形成條件，包括地質(zhì)環(huán)境條件（地貌、坡度、坡高、工程地質(zhì)巖組、河流、植被）和地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素（人類工程活動）兩大類。
3.3各單因素評價指標(biāo)信息量的確定
本次信息量模型中求出每一因子圖層中各類型地質(zhì)災(zāi)害的分布密度。為統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害在每種因素的各個類別中的分布情況，需要利用空間分析功能來實現(xiàn)，在ArcGIS平臺下計算各因子圖層各類別的信息量值。利用空間分析模塊中的區(qū)域統(tǒng)計功能，將地質(zhì)災(zāi)害點文件導(dǎo)入各單因素柵格文件后，得到在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)目，用以上計算結(jié)果及已獲調(diào)查數(shù)據(jù)，得到地質(zhì)災(zāi)害信息量值，最終得到各評價指標(biāo)的信息量表，見表1。
4信息量指標(biāo)權(quán)重分配
根據(jù)各單因素信息量計算結(jié)果，將各種狀態(tài)的信息量值按大小排序，較前的狀態(tài)分別為：1）在距離道路30-60m區(qū)間內(nèi)；2）坡高>30m；3）坡度>60°；4）距離居民地<10m區(qū)間內(nèi)；5）距離河流在100-200m范圍內(nèi)；6）植被指數(shù)0-0.4（覆蓋率低）；7）粘性土巖土體類型；8）梁峁?fàn)铧S土丘陵類型；9）坡型>0.5（權(quán)重分配見表2）。上述單因素分布區(qū)間屬本次一般調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的區(qū)域，這些因素對崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的形成發(fā)育起決定性的作用，是地質(zhì)災(zāi)害形成的主要控制條件。
5應(yīng)用自然間斷點分級法評價易發(fā)分區(qū)
利用GIS柵格計算功能對各評價因子進行柵格疊加運算，得到各評價單元信息權(quán)值結(jié)果，數(shù)值越大反映各因素對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻越大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性就越大。經(jīng)過ArcGIS軟件計算得到本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價信息量值區(qū)間為[-0.5937，1.7608]，并根據(jù)信息量值結(jié)果，利用ArcGIS軟件的自然間斷點分級方法，根據(jù)單元信息量累積頻度分布曲線特征和曲線明顯分布的拐點，將本區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為極高、高、中、低四個等級。其中極高易發(fā)區(qū)信息量值區(qū)間為[1.7608，0.2154]，高易發(fā)區(qū)信息量值區(qū)間為[0.2154，0.0255]，中易發(fā)區(qū)信息量值區(qū)間為[0.0255，-0.2330]，低易發(fā)區(qū)信息量值區(qū)間為[-0.2330，-0.5937]。
5.1地質(zhì)災(zāi)害危險性評價
本次一般調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價是在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價基礎(chǔ)上，采用歷史月累計降雨量（大于5年）進行評價。本次調(diào)查收集沁源縣近40年（1980—2019年）歷史逐月降雨量數(shù)據(jù)，按照克里金插值法生產(chǎn)降雨量等值線。同時考慮到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和降雨影響的重要性不同，本次按照專家打分法確定了調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和降雨影響指標(biāo)的權(quán)重，分別給予權(quán)重值為0.8和0.2，利用GIS柵格計算功能對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和降雨量兩個評價因子進行歸一化處理，之后柵格疊加運算，得到危險性歸一化結(jié)果，數(shù)值越大反映地質(zhì)災(zāi)害危險性越大。利用ArcGIS軟件的自然間斷點分級方法，根據(jù)單元信息量累積頻度分布曲線特征，最終將危險性評價結(jié)果分為四級：極高危險性、高危險性、中危險性和低危險性。
5.2地質(zhì)災(zāi)害易損性評價
易損性是指承災(zāi)體可能遭受地質(zhì)災(zāi)害破壞的嚴(yán)重程度。易損性評價流程主要包括三部分：1）評價因子的確定；2）易損性評價權(quán)重的確定；3）在完成易損性評價因子量化的前提上，利用ArcGIS軟件疊加各評價指標(biāo)得出評價單元易損性最終值，再將值進行重分類即等級劃分，完成沁源縣地質(zhì)災(zāi)害易損性劃分。將承災(zāi)體易損性分為建筑物易損性、人員易損性、交通設(shè)施易損性三大類，分別評價各自易損性，而后將不同類型承災(zāi)體易損性按照一定的權(quán)重疊加，獲得綜合易損性評價圖。本次評價因子的權(quán)重采用專家打分法，確定人員、建筑物、交通設(shè)施的權(quán)重值分別為0.6、0.3、0.1。將不同類型承災(zāi)體易損性進行疊加，獲得綜合易損性評價圖，并采用自然斷點法將易損性分為四級：極高易損性、高易損性、中易損性、低易損性。
5.3地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價
地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險是指在一定區(qū)域和時期內(nèi)，各類承災(zāi)體因地質(zhì)災(zāi)害而造成的損失的可能性。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價即對發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性及預(yù)計造成的人身安全和財產(chǎn)損失財進行的定量化的分析與評價。本次一般調(diào)查區(qū)風(fēng)險評價是以10×10m柵格單元為表達形式的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價?？紤]到承災(zāi)體本身對災(zāi)害的抵御能力和相同結(jié)構(gòu)的承災(zāi)體在不同危險區(qū)的危險程度，充分結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害危險性評價及易損性評價模型，共同建立地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險評價體系，地質(zhì)災(zāi)害的危險性和易損性評價結(jié)果疊加運算采用矩陣分析方法得到了研究區(qū)各評價單元的風(fēng)險性值，為保證計算在同一尺度空間，地質(zhì)災(zāi)害危險性和易損性評價指標(biāo)均應(yīng)當(dāng)是歸一化處理后的數(shù)值。風(fēng)險性采用矩陣計算公式如下：R=H×V式中，R——地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，H——區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性值，V——區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易損性值。根據(jù)上述得到的危險性評價和易損性評價結(jié)果得出區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性值，根據(jù)自然斷點法將風(fēng)險性值分為四級，分別為極高風(fēng)險、高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險。對風(fēng)險性信息量圖進行概化和部分手動調(diào)整后，將整個沁源縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性分為極高風(fēng)險區(qū)、高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)4個大區(qū)，并結(jié)合承災(zāi)體種類及其分布的區(qū)域，進一步分為9個亞區(qū)，其中極高風(fēng)險區(qū)1個，高風(fēng)險亞區(qū)2個，中風(fēng)險亞區(qū)4個，低風(fēng)險亞區(qū)2個。
5.4成果數(shù)據(jù)庫建設(shè)
GIS軟件在柵格矢量轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生許多假的面集和許多面積很小或不協(xié)調(diào)面集單元，再次通過GIS的消除、融合功能，消除不合理因素，最終得到評價單元面數(shù)據(jù)集，并建立空間數(shù)據(jù)庫。
6結(jié)語
利用GIS強大的分析能力和空間信息管理能力，在地質(zhì)災(zāi)害的研究中給予了強大的研究方法和解決方案，它不僅能夠快速管理各種外動力因素，還能有效地應(yīng)對影響地質(zhì)災(zāi)害的各種內(nèi)在因素。但信息量模型還有待進一步研究并在實踐中完善，例如影響因素的確定、影響因子的確定、臨界值的確定。其中，專家的實地調(diào)查和經(jīng)驗尤為重要，調(diào)查和經(jīng)驗是任何技術(shù)和模型所無法替代的，如何將專家意見和模型相結(jié)合有待繼續(xù)研究。
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作者:何濤 單位:山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊