基于相關性分析法因子選取的信息量模型滑坡易發性評價

陳君 于浩洋 張童康 王娜

（1 新疆地質礦產勘查開發局第三地質大隊 新疆庫爾勒 841000 2 中國煤炭地質總局航測遙感局 陜西西安 710100）

0 引言

滑坡作為我國最常見的地質災害，也是對國民造成傷害最大的自然災害之一［1-2］。由于河流及其各支流的長期侵蝕，新疆特克斯縣形成了河谷深切的復雜地形。特克斯縣海拔高差達4 075 m，境內自然地質背景環境特殊，地質構造復雜，新構造運動活躍，河谷強烈侵蝕切割，各種滑坡、崩塌等斜坡地質災害普遍發育［3］。尤其是近年來人類工程活動加劇，滑坡災害的發生越來越多，新疆特克斯縣人民的生命財產安全受到很大威脅。因此，進行滑坡易發性評價工作，科學分析滑坡的易發性，對特克斯縣滑坡災害的預防和減輕具有重要意義。

合理評價地質災害易發性十分重要，近年來許多專家學者對此進行了大量研究。2016 年，張俊等［4］依據各指標條件下滑坡累計發生頻率曲線斜率的變化，分別運用信息量模型和邏輯回歸模型建立各自的滑坡易發性評價體系，對三峽庫區萬州區滑坡災害易發性進行了評價。2017 年，戴嵐欣等［5］采用邏輯回歸模型，利用地震、地形和地質3 大因素（8 個因子）對九寨溝地震引起的地質災害易發性進行了快速評價和分區，經統計校驗證明該模型的準確率達0.851，經驗證模型精度較高。2018 年，黃發明等［6］提出基于聚類分析和SVM 的滑坡易發性評價模型，所提出的SOM-SVM 模型用于三峽庫區萬州區滑坡易發性評價，并將得到的易發性結果與隨機選取非滑坡的單獨SVM 模型結果做對比。結果顯示SOM-SVM 模型具有比單獨SVM 模型更高的成功率和預測率。2020 年，張玘愷等［7］通過地理信息系統（GIS）技術，采用信息量（I）、確定性系數（CF）、邏輯回歸（LR）、邏輯回歸–信息量（LR-I）和邏輯回歸–確定性系數（LR-CF）耦合模型的快速評估方法，對九寨溝縣范圍內滑坡災害易發性評價，并對5 種模型進行比較研究。同年，林榮福等［8］基于參數優化的隨機森林模型計算出客觀權重，將客觀權重賦予各評價因子，對各評價因子信息量加權疊加。最后基于自然間斷點法將得到的綜合信息量圖進行滑坡易發性劃分。徐勝華［9］利用IOE 模型計算SVM 的調節因子，并通過PSO 算法迭代求解SVM 最優解，根據SVM 二分類得到的隸屬度來區分滑坡災害易發性。田乃滿等［10］以福建省南平市蔡源流域為研究區，以四川省綿陽市北川縣為驗證區，從預測精度、穩定性和數據量敏感性3 個方面深入對比BP 人工神經網絡模型和CART 決策樹模型在滑坡易發性分析中的效果。2022 年，李信等［11］采用信息量模型和信息量-邏輯回歸模型對以海南島五指山市地質災害易發性進行評價研究。這些研究都只是停留在研究地質災害易發性評價模型上，卻忽視了對其評價因子的獨立性選取。本文首先基于ArcGIS 空間分析功能對初始因子的獨立性進行分析，選取相對獨立的評價因子構建信息量模型法，對新疆特克斯縣滑坡易發性進行評價。

1 研究區概況

特克斯縣行政區范圍歸屬伊犁哈薩克自治州管轄，地處天山北麓西部特克斯昭蘇盆地東端。地理坐標：東經81°19′00″～82°37′30″，北緯42°22′30″～43°25′30″。西接昭蘇縣，南鄰拜城縣，東南與和靜縣毗連，東面與東北面和鞏留縣接壤，西北是察布查爾錫伯族自治縣，東西寬109 km，南北長116 km，全縣總面積8 352 km2。特克斯縣城東距自治區首府烏魯木齊市827 km，北距伊寧市119 km，有省道S220 與伊寧市相連，與鞏留縣、昭蘇縣均有公路相通，特克斯縣境內主要公路有：北部連接鞏留縣、西側連接昭蘇縣的省道S220，吾爾塔米斯村至托斯曼薩依縣道X770、S220 至齊勒烏澤克鎮縣道768、城區至喀拉托海鎮縣道765、縣城區至闊克鐵熱克鄉766 縣道、阿克塔木至喬拉克鐵熱克鎮767 縣道、另還有289 鄉道、288 鄉道、287 鄉道、272 鄉道、282 鄉道、276 鄉道、城162 鄉道等鄉村道路組成交通網絡，交通較為便利。

2 研究方法

對比各種常用的地質災害易發性評價方法，發現信息量法是目前發展較為成熟的方法。因此，特克斯縣的地質災害易發性評價采用信息量法進行。信息量模型通過將研究區內滑坡點和滑坡影響因子，根據各影響因子對滑坡的影響程度，對每個分區的信息量進行計算［12］。信息量模型作為定量反演地質災害易發性的一個重要模型，具有操作簡單、穩定性高、結果精準的優點，在滑坡易發性評價中得到了廣泛運用。通過把反映區域穩定性因素的影響實測值換算成信息量值作為易發性區劃的量化指標，對滑坡易發性程度進行劃分，見式（1）。

式中：I 為評價單元總的信息量值，體現了單元破壞的可能性；n 為因子數；H 為地質災害數；S 為已知總單元數；N 為破壞的單元總數；Si為指標xi 的單元個數；Ni為指標xi的破壞單元數。

當I 越大，越有利于發生變形破壞，表明地質災害發生的概率越大［13-14］。

2.1 評價單元

地質災害發育的嚴重程度受諸多因素的影響，在局部區域表現出明顯的差異性和復雜性。因此，地災易發性評價首先需要考慮的是確定評價單元。目前，國內外的評價單元區劃方法包括規則柵格單元、子流域單元、自然斜坡或地貌單元、行政單元等。對比分析上述方法，結合特克斯縣的實際情況，對一般調查區的滑坡和崩塌地災易發性評價，選取規則柵格單元作為評價單元。具體而言，用ArcGIS 軟件將全區進行柵格化，柵格尺寸為25 m×25 m，全區共分為13 112 275 個柵格單元，如圖1 所示。

圖1 柵格單元

2.2 滑坡點的分布

在特克斯縣地質災害中，滑坡是區內發育最多的，發育有167 處。主要發育于齊勒烏澤克鎮、喬拉克鐵熱克鎮、喀拉托海鎮、喀拉達拉鎮瓊庫什臺。齊勒烏澤鎮發育64 處滑坡，占滑坡總數的38.3%；喬拉克鐵熱克鎮39 處，占滑坡總數的23.4%；喀拉托海鎮和喀拉達拉鎮，均為19 處，各占滑坡總數11.4%。具體分布情況如圖2 所示。

圖2 滑坡點的分布

2.3 評價因子的選取

指標體系的構建是地災易發性評價的重要步驟。對于滑坡易發性評價，常用的指標有6 個。

（1）地形：高程、坡度、溝壑密度、地勢起伏度等。

（2）地貌：地貌單元、微地貌形態、總體地勢等。

（3）地層巖性：巖性特征、巖層厚度、巖石成因類型等。

（4）地質構造：斷層、褶皺、節理裂隙等。

（5）地震：烈度、動峰值加速度、歷史地震活動情況等。

（6）工程地質：區域地殼穩定性，基巖埋深，主要持力層巖性、承載力、巖土體工程地質分區等。

顯然，由于某些因素包含的參數很難取得，不可能包含所有的地質環境因素評價滑坡易發性。因此，基于特克斯縣收集到的資料，選擇高程、坡度、坡向、工程地質巖組、距水系距離、距斷層距離和距道路距離7 個影響因子作為評價因子。由于這些評價因子并非絕對相互獨立，彼此之間存在一定的相關性。如果不經過處理，各評價因子之間的影響可能會疊加權重，導致評價結果錯誤或者不準確。為了保證評價因子的相互獨立性，對上述評價因子進行二次篩選。具體來說，采用ArcGIS 空間分析工具對上述7 個評價因子進行相關性分析，計算相關性系數（如表1），衡量各評價因子的相關程度。R 的取值范圍為［-1，1］，約接近1，表示兩兩指標的相關性越高。

表1 |R|表征相關程度表

表2 給出了各評價因子的相關性系數矩陣?？梢?，高程、距道路距離和坡度之間具有較高的相關性。其中，高程與距道路距離相關性最高，可刪除距道路距離這一評價因子。

表2 初步選取評價因子相關性矩陣

2.4 評價因子信息量計算

統計滑坡地災點的數量，根據信息量方法，計算獲得滑坡各評價因子的信息量，如表3 所示?？梢?，信息量中最大的評價因子分級是工程巖組中的層狀軟弱-較軟弱且以泥巖為主的碎屑巖巖組。最小的信息量評價因子分級是工程巖組中的塊狀、層狀較堅硬-較軟弱以砂巖為主碎屑巖巖組。

表3 滑坡易發性評價因子信息量值

3 評價結果

應用ArcGIS 軟件計算每個柵格圖層的信息量，獲得滑坡易發性指數。全區的滑坡易發性指數在-8.76 到5.90 之間。根據《地質災害風險調查評價技術要求》，易發性可分為“非易發區”“低易發區”“中易發區”和“高易發區”。其中，“非易發區”一般情況下默認為不會發生地災的區域。

基于滑坡易發性指數，按“低易發區”（-8.76～＜0）、“中易發區”（0～＜3）和“高易發區”（3～5.9）的標準劃分，利用自然間斷法對特克斯縣的滑坡易發性進行分區，如圖3 所示?？梢?，全區滑坡高易發區和中易發區主要分布于特克斯縣中部和西北部地區。其中，齊勒烏澤克鄉的高易發區和中易發區占比最高。

圖3 特克斯縣滑坡易發性評價結果

表4 給出了滑坡易發性的分區統計結果?？梢?，特克斯縣的滑坡高易發區面積為330 km2，占比為3.9%；中易發區面積為1 257 km2，占比為15%；低易發區面積為6 648 km2，占比為79.7%；非易發區面積為118 km2，占比為1.4%。

表4 特克斯縣滑坡易發性統計表

根據特克斯縣滑坡易發性評價結果，可知：特克斯縣地質災害高和中易發區主要分布于北部沿河流地區。其中，齊勒烏澤克鄉的高易發區最多。南部地區由于多為堅硬-較堅硬的中厚層狀碳酸鹽巖組，巖土性質較好，因此大多數地區為低易發區。

4 結論

本文通過相關性分析法結合信息量模型法對新疆特克斯縣的地質災害易發性進行了評價，得到了以下結論：

（1）通過相關性分析法對初始選取的高程、坡度、坡向、工程地質巖組、距水系距離、距斷層距離和距道路距離7 個影響因子進行分析，發現高程與距道路距離相關性最高，刪除距道路距離后最終選取了高程、坡度、坡向、工程地質巖組、距水系距離、距斷層距離6 個評價因子作為評價指標。

（2）計算上述6 個因子的信息量并代入信息量模型，將新疆特克斯的滑坡易發性分為高、中、低、非4 個易發區，其中滑坡高易發區占地面積約330 km2，占3.9%；中易發區面積約1 257 km2，占15.0%；低易發區面積約6 648 km2，占79.7%；非易發區面積約118 km2，占1.4%。與實地調查結果相符，該分區結果可為新疆特克斯縣滑坡災害防治提供依據。