本文關(guān)鍵詞：基于GIS與信息量模型的汶川次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第35卷第2期

2010年3月

地球科學(xué)———中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報

EarthScience—JournalofChinaUniversityofGeosciences

Vol.35　No.2Mar.　2010

doi:10.3799/dqkx.2010.034

基于GIS與信息量模型的汶川次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

杜　軍1,楊青華2,嚴(yán)　嘉1,薛重生1

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢4300742.廣西師范大學(xué)環(huán)境資源學(xué)院,廣西桂林541004

摘要:5?12汶川大地震誘發(fā)了大量滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害,對人民群眾的生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟的發(fā)展形成了嚴(yán)

重威脅.針對次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價,選取重災(zāi)區(qū)汶川縣作為研究區(qū)域,利用遙感與地理信息技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)分析平臺,獲取了研究區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害信息,分析了研究區(qū)內(nèi)次生地質(zhì)災(zāi)害與各影響因子,包括地形地貌、地層巖性、水系、地震斷裂之間的相關(guān)性特征,并結(jié)合信息量法模型進(jìn)行次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價.高度、中度和輕度危險區(qū)的面積分別

222

為1130.196km、1739.584km、1213.219km.即斷裂帶及其附近地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)育,而遠(yuǎn)離斷裂帶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害很快衰減,;,質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)出北部和東部重、西部和南部輕的特點.,夠快速、.關(guān)鍵詞:危險評價;;;.中圖分類號::-(--07　　　　收稿日期:2009-11-15

HazardEvaluationofSecondaryGeologicalDisasterBased

onGISandInformationValueMethod

DUJun1,YANGQing2hua2,YANJia1,XUEChong2sheng1

1.FacultyofEarthSciences,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China

2.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China

Abstract:5?12Wenchuanearthquaketriggeredaseriesofsecondarylandslides,landslides,debrisflows,andothergeologicaldisasters,whichposedamajorthreattopeoplesπl(wèi)ivesandpropertyandsocio2economicdevelopment.Forriskassessmentofsecondarygeologicalhazardsinthearea,theworst2hitWenchuanCountywasselectedasthestudyarea.Remotesensingandgeographicinformationtechnologyspatialdatamanagementandspatialdataanalysisplatformhavebeenappliedtogainrelevantinformation,tomakeacorrelativeanalysisbetweensecondarygeologicaldisastersinthestudyareaandthetopography,litholo2gy,hydrology,earthquakerupture.Inaddition,informationvaluemethodhasbeenusedtoevaluatetheriskofsecondarygeo2logicaldisasters.Itisfoundthattheareaofhighrisk,moderateriskandlowriskis1130.196km2,1739.584km2,1213.219km2respectively.Thedistributionofsecondarygeologydisastertriggeredbyearthquakehasthecolonytypedistri2butioncharacteristicfeaturedwithaconcentrateddevelopmentofgeologicaldisastersinthefaultzoneandthenearbyregionsandaquickdecayandthefragmentarydistributionfartherawayformthefaultzoneareas.Analysisalsoshowsthatriskofsec2ondarygeologicaldisasterinnorthandeastareasofWenchuanisheavy,whilethatinthewestandsouthareasislight,whichiscoincidentwiththereality.Thestudyfurtherdemonstratesthatthegeographicalinformationsystemcombinedwithinforma2tionvaluemodelcanquicklyandeffectivelyevaluatethespatialdistributionandriskofsecondarygeologicaldisasters.Keywords:hazardevaluation;secondarygeologicaldisaster;Wenchuan;geographicalinformationsystem(GIS);informationvaluemethod.

基金項目:國土資源部次生地質(zhì)災(zāi)害衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)購置及綜合解譯項目(No.1212140889001).

作者簡介:杜軍(1981-),男,博士研究生,主要從事遙感與GIS地學(xué)應(yīng)用研究.E2mail:dujun_20002@yahoo.cn

　第2期　杜軍等:基于GIS與信息量模型的汶川次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

325

　　地震次生地質(zhì)災(zāi)害是指由地震活動引起的地質(zhì)災(zāi)害.地震次生地質(zhì)災(zāi)害增強了地震災(zāi)害的破壞效應(yīng),加劇了地震的損失程度.因此次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價是地震災(zāi)情評估工作的重要組成部分,在地質(zhì)災(zāi)害危險范圍預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害損失預(yù)評估和地質(zhì)災(zāi)害防治工程評價等方面發(fā)揮著重要的作用(劉鳳民等,2006).汶川地震發(fā)生以后,國內(nèi)學(xué)者對震后次生地質(zhì)災(zāi)害的特征和分布規(guī)律做了相關(guān)的研究,王濤等(2008)通過野外和遙感數(shù)據(jù)調(diào)查對汶川地震斷裂活動與次生地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性進(jìn)行了定性分析,張永雙等(2008)在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上,對四川汶川強震次生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了較全面地研究,較深入地探討了次生地質(zhì)災(zāi)害的類型和次生地質(zhì)災(zāi)害的主要特征.韓金良等(2009)對汶川地震次生地質(zhì)災(zāi)害的基本特征、分布規(guī)律和主要影響因素進(jìn)行了初步總結(jié),步探討.

斷和評價,故稱之為專家評價法(AleottiandChowdhury,1999).該方法評價結(jié)果精度取決于野外調(diào)查的詳細(xì)程度和專家的知識與經(jīng)驗,評價中運用的隱含規(guī)則使結(jié)果分析與更新困難,而且不同調(diào)查者與專家得出的結(jié)果無法進(jìn)行比較.GIS的運用使原先計算復(fù)雜,甚至無法考慮的因子能夠引入地質(zhì)災(zāi)害的危險性研究,眾多的數(shù)學(xué)模型,如多元統(tǒng)計分析、數(shù)理統(tǒng)計、概率理論等在滑坡危險性研究中開始被使用,大大提高了滑坡危險性研究的水平.如Carrara(1983)將多元統(tǒng)計分析預(yù)測方法引用到區(qū)域滑坡空間預(yù)測中,Carraraetal.(1991)將GIS結(jié)合統(tǒng)計模型用于滑坡災(zāi)害的評價,使用逐步回歸方法分析了地形因素對單個滑坡的影響.多元分析方法具有很嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理,自然必須在滿足其苛刻的應(yīng)用條件(即各因素之間不相關(guān)、因素與目標(biāo)線性強相關(guān))的前提下才能得出較好的結(jié)果.但是,在實際評價過程中,往往己知樣本的取得己經(jīng)是非常困難的一件事,更為糟糕的是形成的己知樣本常常通不過假設(shè)檢驗.因此這種方法在適用性上要差一些,其應(yīng)用也受到一定的限制;Grecoetal.(2007)將Logistic回歸模型運用到大規(guī)模運動的風(fēng)險評估,得出結(jié)果的可靠性較高;LinandTung(2003)利用信息量法分析了由于Chi2Chi地震造成的潛在滑坡危險性,發(fā)現(xiàn)信息量模型具有較高的客觀性,實施簡便.

本文結(jié)合汶川縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃項目,探討了GIS技術(shù)與信息量法相結(jié)合的評價方法及其在汶川縣地質(zhì)災(zāi)害危險性評估中的具體實施過程.利用遙感與地理信息技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)分析平臺,提取次生地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因子,并對其與次生地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性進(jìn)行了定量化評述,然后運用信息量模型,針對現(xiàn)有的次生地質(zhì)災(zāi)害,對以后再發(fā)生次生災(zāi)害的潛在危險性進(jìn)行預(yù)測和定位.

1　次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的信息量

模型

次生地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象(Y)xi的影響,.在各種不,,總會存在,“最佳因素組合”,而不是停留在單個因素上.信息預(yù)測的觀點認(rèn)為,次生地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生與否與預(yù)測過程中所獲取的信息的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān),是用信息量來衡量的(殷坤龍,2004).信息量法是以已知災(zāi)害區(qū)的影響因素為依據(jù),推算出標(biāo)志危險性的信息量,建立評價預(yù)測模型,并依照類比原則外推到相鄰地區(qū),從而對整個地區(qū)的危險性做出評價.

假設(shè)次生地質(zhì)災(zāi)害(L)受多種因素影響,即L=f(x1,x2,…,xn),

I(L,x1,x2,…,xn)=ln,(1)

P(L)

式中:I(L,x1,x2,…,xn)為因素組合x1x2…xn對次生地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量;P(L,x1,x2…,xn)為因素x1,x2,…,xn組合條件下次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率;P(L)為次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率.模型建立過程如下:

(1)單獨計算各因素xi對次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生事件(L)提供的信息量I(L,xi),在實際計算中可運用頻率來進(jìn)行條件概率的估算,即:

I(L,xi)=ln

,Si/S

(2)

式中:S為研究區(qū)評價單元總數(shù);N為研究區(qū)含有次生地質(zhì)災(zāi)害分布的單元總數(shù);Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因素xi的單元數(shù);Ni為分布在因素xi內(nèi)特定類別內(nèi)的次生地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù).

(2)計算單個評價單元內(nèi)總的信息量:

326

地球科學(xué)———中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報第35卷

Ij=

j=1

6

n

I(L,xi)=

j=1

6

n

ln

,Si/S

(3)

式中:Ij為評價單元總的信息量值;n為參評因子數(shù).

(3)用總的信息量Ij作為該單元影響次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的綜合指標(biāo),其值越大表明越有利于次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,該單元的次生地質(zhì)災(zāi)害危險性也越高;最后對最終的全部單元的信息量值劃分類別,分成不同的危險等級.

在使用基于GIS的信息量法開展地質(zhì)災(zāi)害危險性評估時,利用GIS技術(shù)提取出各評價因子圖層;在完成各評價因子圖層提取后,需要將因子圖層和地質(zhì)災(zāi)害分布圖進(jìn)行柵格化,并進(jìn)行柵格單元的劃分,然后進(jìn)行柵格圖層的運算.各評價因子圖層在完成與地質(zhì)災(zāi)害分布圖的柵格乘運算后可得到地質(zhì)災(zāi)害在各評價因子圖層中的分布密度,圖.最后,,,完成區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評估.

圖1　研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害與坡度關(guān)系

Fig.1

Relationbetweensecondarygeologicaldisasterdis2tributionand

slope

2　次生地質(zhì)災(zāi)害影響因子提取與分析

強烈地震導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害不僅取決于地震本

身,而且也與邊坡所處的地質(zhì)背景、坡體結(jié)構(gòu)類型、物質(zhì)組合、地形地貌條件、水文地質(zhì)條件等各種因素密切相關(guān),不同地區(qū)的地震誘發(fā)的滑坡特點也不相同(孫崇紹和蔡紅衛(wèi),1997).次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育受控于很多因素,如地形、地層巖性(易滑動地層)、地質(zhì)構(gòu)造(特殊構(gòu)造部位、斷層破碎帶等)、河谷切割密度(區(qū)域內(nèi)線性溝谷分布)等,深入研究每一個主控因素與次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育之間的關(guān)系,對深入研究區(qū)域次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和分布規(guī)律是有幫助的.2.1　地形地貌因子提取與分析

本研究利用覆蓋研究區(qū)1∶50000DEM數(shù)據(jù)中提取研究區(qū)的坡度、坡向及高程信息,通過在ArcGIS中對次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)與各環(huán)境因素進(jìn)行空間分析,總結(jié)出了研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害事件與以上各背景因子之間的關(guān)系特征.

2.1.1　坡度　研究區(qū)坡度圖層是利用DEM在ArcGIS3D中生成.為了能表示出次生地質(zhì)災(zāi)害與

Fig.2

圖2　研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害與坡向關(guān)系

Relationbetweensecondarygeologicaldisasterdistri2butionandaspect

態(tài)看(圖1),次生地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)育區(qū)域的坡度在

30°～50°.整個研究區(qū)內(nèi)共有次生地質(zhì)災(zāi)害點974個,計算得出坡度30°～50°的次生地質(zhì)災(zāi)害點729個,占次生地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的74.85%,0°～30°區(qū)間的次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)為114個,坡度大于50°的次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)為131個.2.1.2　坡向　在ArcGIS中,利用3×3的窗口進(jìn)行掃描,獲取研究區(qū)的坡向圖層,并進(jìn)行統(tǒng)計分析.從圖2中可看出,研究區(qū)內(nèi)449個次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在坡面正東、東南和東北方向,占到所有災(zāi)害的46.1%.從遙感影像的解譯中也能發(fā)現(xiàn),岷江河兩岸

汶川縣城以南,坡向朝東-東南側(cè)的山體破壞嚴(yán)重,次生地質(zhì)災(zāi)害多呈群狀分布,而西側(cè)次生地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模相對較小,表明不同坡向的邊坡對地震響應(yīng)存在差異.

2.2　巖性類因子

坡度的關(guān)系特征,把坡度按5°間隔分為14個類別,

然后與次生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行疊加統(tǒng)計.

從坡度曲線形

斜坡的地層巖性是發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基

　第2期　杜軍等:基于GIS與信息量模型的汶川次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

表1　研究區(qū)地層與次生地質(zhì)災(zāi)害分布統(tǒng)計

Table1

Statisticofstrataandsecondarygeologicaldisasters災(zāi)害數(shù)量災(zāi)害密度

1391239388868571

715036252519

0.252.040.580.550.200.231.280.300.423.611.155.000.13

327

代碼

SM3Pt2HST2-3zg2zP2wPt2γT1bDwPt1KT3zhZ1γZ2g2dZn2dPt2sl

面積(km2)占總面積比例(%)

555.960.4161.2158.8421.3372.455.5238.3117.910.021.75.0144.6

13.601.483.943.8910.319.111.365.832.880.240.530.123.54

代碼ξP

Pt1vZ1m2shD2-3hD1-2p2gwP12wC2P1xg2sZ1sC1mj2zCc2slD3sPt1NPt2σ

面積(km2)占總面積比例(%)

471.584.9404.5287.57.5184.82.763.35.686.442.622.0101.7

11.532.089.907.030.184.520.07

1.550.142.111.040.542.49

災(zāi)害數(shù)量災(zāi)害密度

15111110843100000

0.030.130.030.031.070.021.110.0200000

礎(chǔ),在一定震級下,地層的巖性不同會導(dǎo)致它的最大加速度和震動幅值各不相同,害的難易程度也就不同.

巖類).從表1,d(、砂質(zhì)頁巖、白云巖)與1γ(早震旦世普通花崗巖)巖層面積雖小,次生地質(zhì)災(zāi)害密度卻很大.此外,還有SM3(志留紀(jì)綠色絹云母板巖)、Pt2HS(元古代灰綠-紫紅色變基性-中酸性火山巖、碎屑巖)與T2-3zg2z三個巖層總面積僅占整個區(qū)域面積的19.02%,卻分布有355個次生地質(zhì)災(zāi)害,占次生地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的36.45%.表明研究區(qū)巖性變化大,巖體工程地質(zhì)特性空間變化復(fù)雜,以第四系松散地層及強風(fēng)化巖漿巖為代表的軟弱巖土體分布廣泛,其抗剪性能差,穩(wěn)定性和抗風(fēng)化程度不高,在外力作用下極易發(fā)生滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害,為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了基本條件,地層巖性對地質(zhì)災(zāi)害的分布起著重要的控制作用.2.3　水系因子

對歷史地震次生地質(zhì)災(zāi)害資料的調(diào)查研究表明,河流兩岸往往有大型的地震次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,造成巨大危害(晏鄂川等,1998).研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,岷江為主要河流,縱貫汶川縣境西部地區(qū),長達(dá)88km,有多處支流分布,如圖3所示.絕大多數(shù)次生地質(zhì)災(zāi)害分布在距河流0～1000m的范圍內(nèi),占次生地質(zhì)災(zāi)害總面積的80.29%,而且離水系越遠(yuǎn),次生地質(zhì)災(zāi)害密度有明顯逐漸減小的趨勢.2.4　地震斷裂

區(qū)域性大斷裂往往控制次生地質(zhì)災(zāi)害密集發(fā)育并呈帶狀分布,原因在于斷層帶及其附近一定范圍

圖3　地質(zhì)災(zāi)害與距離河流遠(yuǎn)近關(guān)系

Fig.3

Relationbetweensecondarygeologicaldisastersandhydrology

圖4　研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與距斷裂帶距離的關(guān)系

Fig.4

Relationbetweensecondarygeologicaldisastersandfault

內(nèi)的巖土體容易遭到破壞,從而降低坡體的完整性,

為次生地質(zhì)災(zāi)害提供充足的物質(zhì)保障(李忠生,2003;陳曉利等,2008);從圖4可看出,研究區(qū)內(nèi)次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生密度最高的區(qū)域在斷層附近0～2.5km范圍內(nèi),共475處次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,占研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的48.77%.由此可見,本次地震所引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害很大程度上受發(fā)震斷裂和同震斷裂的控制,距離斷層較遠(yuǎn)的區(qū)域,發(fā)生次生

328

地球科學(xué)———中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報

表2　信息量計算結(jié)果

Table2

因子

分類平

北東北東東南南西南西西北

<55～1010～1515～2020～3030～200

第35

卷

地質(zhì)災(zāi)害的可能性會減小,但沿地震斷裂帶方向,其次生地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模同時也受到當(dāng)?shù)氐匦蔚孛驳纫蜃拥挠绊?因而變化不是很均勻.

Resultsofinformationvalues信息量

-0.4630-0.54620.17630.36730.1577-0.17320.0331-0.0274-0.46300.4473-0.0236-0.8965-0.4083-0.3488-0.57821.16758-0.0228-0.5350-0.5503-0.6840-1.0222

因子分類

C1mj2zC2P1xg2sCc2sl

信息量

0.0000-0.54820.0000-0.0246-1.23350.0000-0.6478-0.16520.02520.11470.00001.44460.90650.00000.2294-0.36560.15510.6308-0.0440-0.7977-0.35722.0020-0.13430.02130.89990.2926

3　致災(zāi)因子信息量的計算及危險性評價

3.1　評價因子的選取

坡

向

前面已對研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害分布的面層和次生地質(zhì)災(zāi)害各影響因子進(jìn)行了提取和相關(guān)性分析,根據(jù)分析結(jié)果,最終選取坡度、坡向、巖性、地震斷裂、河流水系作為次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的因子(圖5).在已獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,只需利用GIS軟件的柵格化功能將研究區(qū)參與評價的影響因子數(shù)據(jù)柵格化,然后采用GIS柵格空間分析方法開展次生地質(zhì)災(zāi)害空間的工作.所有因子圖層轉(zhuǎn)換成25m×25m的柵格圖層后,,的,.3.2　基于GIS的信息量模型計算

首先,利用ArcGIS的3DAnalyst模塊對等高

坡度

地層巖性

D1-2p2gwD2-3hD3sDwP12wP2wPt1KPt1N

地層巖性

Pt1vPt2HS2σ2sl

3T1b

距

河流的距離

200400600600～800800～10001000～1500>1500

地層巖性

T2-3zg2zT3zhZ1m2shZ2g2dpt2γZ1γ

距<1500斷1500～3000層

3000～8000的

距8000～15000

>15000離

注:表中距離單位為m.

　0.3712

-0.00930.1263-0.0147-1.9724

地

層巖性

Zn2dZ1s

線信息進(jìn)行預(yù)處理,生成基于柵格的DEM數(shù)據(jù).然后,從DEM數(shù)據(jù)中提取坡度與坡向地形數(shù)據(jù),生成坡度與坡向因子圖;利用遙感數(shù)據(jù)和野外調(diào)查成果,完成地質(zhì)災(zāi)害分布圖;從地質(zhì)圖中提取出地層巖性圖和地質(zhì)構(gòu)造圖,從地形圖中提取出水系圖.其次,將經(jīng)過柵格轉(zhuǎn)換的各因子圖層分別與地質(zhì)災(zāi)害分布圖進(jìn)行空間分析,通過公式(3)得到各影響因素對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生“貢獻(xiàn)”的信息量值.最后,根據(jù)次生地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子屬性量化表(表2)對各因子圖進(jìn)行重新賦值,生成各單因子對次生地質(zhì)災(zāi)害的信息量圖.

4　研究區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評估結(jié)

果及分析

圖5　基于GIS和信息量模型的次生地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

流程

Fig.5

Flowchartofsecondarygeologicaldisasterassess2mentbasedonGISandinformationvaluemodel

利用ArcGIS強大的空間分析功能,采用柵格加權(quán)疊加,對5個影響次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的單因子信息量圖利用評價模型進(jìn)行復(fù)合,通過統(tǒng)計分

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