基于GIS的区域滑坡危险性预测方法与初步应用

岩石力学与工程学报 21(10)：1507～1514

2002年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2002

第21卷 第10期

基于GIS的区域滑坡危险性

＊

预测方法与初步应用

单新建1 叶 洪1 李焯芬2 陈国光1

2

(1中国地震局地质研究所，中国地震局构造物理开放实研室，北京 100029) (香港大学土木工程系 香港)

摘要 在GIS平台上，将多元空间信息统计分析方法与非线性统计预测方法相结合，在充分考虑滑坡与各环境因子之间的统计相关性和位置相关性的基础上，研究了滑坡与环境因子之间定量关系的表示方法，建立了单因子分析、多因子分析、整组性分析和多元空间信息的非线性预测模型。在理论基础上，选取香港大屿山岛中部作为试验研究区，利用环境因子进行区域滑坡危险性预测。经实际资料检验表明，该模型可获取较高的预测精度，具有极大的应用潜力。

关键词 GIS，区域滑坡，非线性预测模型

分类号 P 642.22，P 208 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)10-1507-08

的重要性；文[11]研究了降雨渗透引起的浅层崩塌的

1 引 言

随着经济的发展，人们对土地的需求越来越大，已开始在靠近边坡的地区开发和利用土地资源。这

就要求不仅仅对单体滑坡稳定性进行有效的监测和评价，而且需要对区域滑坡危险性进行有效的预测，为土地资源的开发与利用提供科学的决策依据。单体滑坡的稳定性评价和滑坡预报研究已取得了较为深入的研究成果[1～8]，但在向区域滑坡稳定性评价推广时会遇到许多困难。

滑坡的孕育和发生受各种因素的影响，从因素类型上可分为内在因素和外在因素。内在因素有岩性、地形地貌、岩体结构、地应力等；外在因素有地表水、地下水、降雨以及人类活动等。内在、外在因素的相互作用，造成滑坡发生机制十分复杂，形成滑坡稳定性评价难，区域滑坡稳定性评价更难的局面。近年来，一些学者开始定量地研究一些单个环境因子与区域滑坡的关系。如文[9]分析不同类型坡积物及下伏岩性与自然滑坡的相关性；文[10]统计了风化层与滑坡的关系，得出风化对滑坡影响

2001年4月4日收到初稿，2001年6月4日收到修改稿。 ? 国家自然科学基金资助项目(49802027)。

关系；文[12]对热带地区的植被与斜坡稳定性关系进行了研究，得出植被根系的生长，将使植被透水性增加，降低土壤强度；文[13]对高程和降雨量的关系进行了研究，得出降雨量与高程有一定的关系；文[14]利用GIS数据库中的1 500个滑坡研究了浅层滑坡频度与地形的关系，结果显示陡峭地形与滑坡具有很好的统计相关性；文[15]以坡度为权重，计算了2 000多个滑坡与12个因子的百分比，最后确立了地质/土壤和坡度是影响滑坡稳定性的主要原因。这些成果为定量分析区域滑坡与环境因子的关系以及区域滑坡预测模型的建立提供了良好的研究基础。

香港由于其固有的地形、气候特点及近二、三十年来城市化的高度发展，目前已成为世界上遭受滑坡威胁最严重的地区之一。每年雨季滑坡均给香港带来巨大经济损失，并经常危及人身安全。滑坡灾害的防治在香港特区政府减轻自然灾害的工作中占有十分重要的地位。本文主要对区域滑坡非线性预测方法进行详细研究，提出加权相似综合系数预测模型，并在GIS平台上实现预测系统。在此基础

作者 单新建 简介：男，36岁，博士后，1999年于中国地震局地质研究所获博士学位，现为中国地震局地质研究所副研究员，主要从事遥感与GIS集成技术和地质环境灾害评价等研究工作。

? 1508 ? 岩石力学与工程学报 2002年

上，选择了天然斜坡滑坡比较发育的香港大屿山岛中部地区为试验研究区，定量分析了香港地区滑坡形成与各种环境因子的关系，对研究区天然滑坡危险区进行了预测。

γ=∑Oi (3)

i=1

m

因子x内的单位面积滑坡面积：

σ=∑sj∑Oi (4)

j=1

i=1

n

m

2 定量因子分析模型

定量因子分析是关于如何从多因子中选取最佳预测因子集的解决方案。在GIS环境因子数据库中，事先选取的环境因子是以多而全为原则。在这些因子中，有些因子和滑坡有较好的对应关系，也有一些无对应关系的因子，往往由于这些因子的存在而削弱了有较好对应关系的关键因子。因此，必须建立定量因子分析模型，对各个环境因子进行科学分析，从中剔除那些关系不好的因子。定量因子分析模型包括单因子定量分析模型、多因子定量分析模型和整组性检验分析，具体流程见图1。

由式(1)～(4)可见，单因子定量分析是将每个环境因子作为一个整体，突出了滑坡与各个环境因子的关系。空间目标的包含与非包含关系是由GIS的空间叠加与拓扑分析功能实现的。通过单因子定量分析，由4个方面反映出滑坡与各个环境因子的关系，同时可直接剔除一些相关性较差的因子。 2.2 多因子定量分析模型

在多因子定量分析中，所涉及到的定量关系参数(Nx，Sx，γ，σ)与单因子定量分析中的有着不同的内涵。多因子定量分析的关系参数所表示的是一个因子中不同空间目标与滑坡的关系，该参数更能反映出滑坡在空间分布上的差异，刻画出滑坡分布的空间相关性。

多因子定量分析采用了逐步筛选综合系数方法，该方法能兼顾距离系数法和相似系数法的优点。设有n个滑坡样本，yi(i=1， L，n)为第i个滑坡的属性值(如滑坡面积)，xim(m=1， 2， L，p)为第i个滑坡经空间叠加所对应的第m个因子中某个空间目标的关系参数，则有对应关系yi=(xi1，xi2， L，xip)。综合系数定义为

1? βij=rij??

??

?

? (5)

dij+kσ??dij

图1 定量因子分析流程图

Fig.1 Flow chart of quantitative factor analysis

2.1 单因子定量分析模型

滑坡是否与环境因子有关？关系怎样？历史滑坡和现代滑坡是否和环境因子存在一致的相关性？这些问题是本文预测的基础。笔者选取各环境因子所包含的滑坡次数、滑坡面积、单位面积滑坡次数和单位面积滑坡面积(滑坡面积与因子目标面积比值)4个参数作为描述滑坡与环境因子的关系参数。 设因子x含有m个空间目标，Oi为第i个空间目标面积(i=1， 2， L，m)；包含于该因子的滑坡次数为n个，Sj为第j个滑坡面积(j=1， 2， L，n)，则4个关系参数表示为下面的公式。

因子x包含的滑坡次数：

Nx=n (1)

因子x包含的滑坡面积：

Sx=∑sj (2)

j=1n

式中：βij为相似综合系数；rij为相似系数；dij为距离系数；σ=(σi+σj)/2，为样本i和样本j的

1/2

?1p2?σj= 平均标准差，其中σi=?∑(xim?i)?，m=1n??1p1p?1p2??(x)==xk为∑jm∑imj∑xjm；ji??m=1m=m=11npp??

正实数。

1/2

在筛选因子之前，引入一个因子评价指标S，用它衡量在剔除或增加一个因子时样本的相似拟合值与因变量实测值的拟合效果。S定义为

?i)2∑(yi?)2 (6) S=1?∑(yi?y

i=1

i=1

n

n

?i是把第i个样本yi与式中：yi是样本i的实测值，y

所有其他样本(j=1， 2， ...，n，且j≠i)按综合系数

比较，选出βij最大的那一样本所具有的因变量值，即认为是yi的拟合值；为因变量的平均值。

多因子逐步筛选综合系数法有2种方式：(1) 可变样本集。先从环境因子中选取一部分因子，进行

因子x内的单位面积滑坡次数：

第21卷 第10期 单新建等. 基于GIS的区域滑坡危险性预测方法与初步应用 ? 1509 ?

剔除和增加因子检验。(2) 不变样本集。选取所有环境因子，对每个因子进行暂时剔除检验，检验后，再把此样本放回因子中，继续检验其他因子。 2.3 整组性检验

对样本因子子集进行整组性预测检验，即按不同因子子集(如岩土类型子集、地貌类型子集、侵蚀子集等)的部分组合方式，进行预测精度检验。使最后选定出的因子集具有最佳预测效果，构成最佳预测因子集。

合系数进行由大到小排序，然后选取前k1(k1＜＜n)个较大的综合系数及其对应的已知对象，按综合系数大，则贡献大的原则对已知对象yj(j=1， 2， L，k1)

?n+1。加权的目进行加权平均，最后得到预测对象y

的是保持综合系数与预测对象之间的稳定关系，消

弱可能出现的突跳样本影响。k1一般取值为2～3。

4 研究区GIS环境数据库的建立

香港大屿山岛中部研究区的范围为：东经

3 非线性预测模型基本原理

根据最佳预测因子集，可构建出已知滑坡标准样本集和预测样本集，在此基础上，便可开展非线性预测模型研究。非线性预测模型已有许多学者进行了研究，并取得了一些进展[16～18]。本文在前人的基础上，提出了滑坡加权相似综合系数非线性预测模型。

设已知滑坡样本为n个，最佳预测因子集为p个，待预测样本为m个。则已知滑坡标准样本集为

y1=(x1， ...，x1，p)?1，x1，2，

?

y2=(x2， ...，x2，p)?1，x2，2，

? (7)

???????yn=(xn， ...，xn，p)?1，xn，2，?

预测样本集为

?n+1=(xn+1，y，xn+1， ...，xn+1，p)?12，

??n+2=(xn+2，y ...，xn+2，p)?1，xn+2，2，

? (8)

......??n+m=(xn+m，y ...，xn+m，p)?1，xn+m，2，?

式中：yi(1≤i≤n)为已知样本对象，xij(1≤i≤n+m，

?n+i(1≤i≤m)。 1≤j≤p)为因子，预测对象为y

相似预测方法认为预测对象和预测因子存在复

杂的非线性关系，很难用多元分析法建立较为有效的数学模型。相似预测法的基本思路是把预测样本与已知样本逐一进行相似性比较，按相似因子产生相似结果的原则，找出和预测样本最为相似的已知样本，则已知样本的对象即为要预测的对象。相似预测法是按事物发展本身规律进行的，如果已知样本记录越多，预测效果就越好，是一种较为有效的非线性预测方法。这里仅以预测样本中的第一个样本来说明加权相似综合系数预测模型的基本思路。按公式(5)定义的综合系数βij作为基本相似比较系数，找出与预测样本最相似的已知样本。为使预测

?n+1更为合理，笔者提出加权概念，即先对综对象y

113.931 340°～114.005 099°，纬度22.247 540°～ 22.302 658°。根据以往滑坡稳定性评估的经验，在研究区收集了岩土性质、地形、地质构造、环境因素、土地利用、历史滑坡等资料，所选资料比例尺均在1∶5 000至1∶20 000之间。通过数字化，在MapInfo平台上建立了GIS环境数据库，数据库主

要因子代码见表1。资料类别如下：

(1) 岩土性质：岩土类型子库(分26种不同岩性的因子)、地貌类型子库(分14种因子)、侵蚀分布子库(分6种因子)。

(2) 地形库：地形等高线子库、坡度子库(按5°步长分段)、坡向子库。

(3) 地质构造：断层分布子库(分20，40和60 m三个尺度的缓冲区因子)、线性构造分布子库(分20，40，60 m三个尺度的缓冲区因子)。

(4) 环境因素：年均降雨量子库(4个级别因子)、水系分布子库(分为干流、一级支流、二级支流和三级支流4个级别，分别对应20，40和60 m三个尺度的缓冲区因子)。

(5) 土地利用：植被类型子库(分9种因子)。

(6) 滑坡数据库：历史滑坡(661个)分布图、现代滑坡(577个)分布图。现代滑坡指在1945～1994年之间发生的滑坡；历史滑坡是指1945以前发生的滑坡[19]。

由于篇幅所限，这里仅给出研究区岩土类型分布图(图2)、数字高程模型与滑坡叠加分布图(图3)。

5 研究区因子定量分析与因子筛选

5.1 单因子定量分析结果

根据所建立的GIS模块计算和提取滑坡与各环境因子的关系参数。同时为便于比较分析，将历史滑坡和现代滑坡单独与各个环境因子进行分析比较。

? 1510 ? 岩石力学与工程学报 2002年

表1 主要因子类代码表 Table 1 Code table of main factors

分类

描述 选定因子

填土： 填泥和废物 冲积物：粉砂、砂和砾石 河口湾沉积 ：淤泥和砂 海滩沉积：砂 * 后滩沉积：砂 坡积、洪积物：基质为粉砂的砂、砾

Qd* *

石、中砾和漂砾

Qpa 阶地冲积物：粉砂、砂和砾石

坡积、洪积物：基质为粉砂的砂、砾

Qpd *

石、中砾和漂砾

具氧化带和有机质的粘土、粉砂、砂

QCK

和砾石

JLT 未分：细火山灰玻屑凝灰岩和熔岩 *

大东山段：火山砾至火山灰晶屑凝灰

Jsp *

岩 t 未分的凝灰岩和沉凝灰岩 * tt 凝灰岩和沉凝灰岩 * rh 流纹质熔岩 * e 条纹斑杂岩石 * s 砂岩 sl 粉砂岩 * gf 细粒花岗岩，＜2 mm * gfm 中细粒花岗岩 * gm 中粒花岗岩，2～6 mm *

* sqf 细粒石英正长岩，＜2 mm

b 辉绿岩 l 黄斑岩 0rf 长石斑岩 * Ap 细晶岩 p 伟晶岩 R2600 年均降雨量2 600 mm * R2400 年均降雨量2 400 mm * R2200 年均降雨量2 200 mm * R2000 年均降雨量2 000 mm * R1800 年均降雨量1 800 mm Ele 高程(DEM) * Collu* 崩积物 * Collu-W 陆上径流和洪水崩积物 * Floodpla 陆上径流和洪水漫滩 * Ins-Collu 以崩积地形为主的一般不稳定地带 * Ins-Insit 以原地地形为主的一般不稳定地带 * Slope30d 坡角大于30°的原地地形 *

受开挖和填土扰动坡角大于30°的地

DisTe *

形

Ins-DisTe 受扰动的不稳定地形 Erosion 受中度或强烈冲沟侵蚀地带 Lit-Zon 潮间地带 * Wcp 波蚀平台 OT 无明确定义地带 Brdleaf 混和阔叶林地 * Cultivat 耕地 Grass 草地 * Nov-DisTe 无植被扰动地体 * Nov-NatTe 无植被自然地体 * Rock 无植被岩石露头 * Shrubg50 灌木林地(＞50%覆盖) * Shrubl50 灌木林地(＜50%覆盖) * Ins-H 总体不稳定(残留) * Ins-R 总体不稳定(现代) * Gully 冲沟侵蚀 * NoEro 无可见侵蚀 * Sheet 片侵蚀 * Buf40-1 断层40 m缓冲区 Buf40-2 1级支流40 m缓冲区 Buf40-3 2级支流40 m缓冲区 Buf40-4 3级支流40 m缓冲区 Buf40z 水系40 m缓冲区 * LinBuf40 线性构造40 m缓冲区 *

* Slope 坡度 代码

f Qa* Qi Qb Qrb

表土沉积

图2 岩土类型分布图 Fig.2 Lithological distribution map

现代滑坡

0 800 m

火山岩

沉积岩 主要侵入 火成岩

次要侵入 火成岩 (脉岩) 1953～1985年 年均降雨

量 高程

图3 数字高程模型与滑坡叠加图

历史滑坡

Fig.3 Stacking chart of DEM and slides

地貌

通过单因子定量分析，得到滑坡与各个环境因

子的统计相关性，直接剔除了一些相关性较差的因子。图4为滑坡与岩土类型关系图，图5为滑坡与地形高度关系图。

图4 滑坡与岩土类型关系图

Fig.4 Relationship between landslide rock kinds

植被

侵蚀

水系

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图5 滑坡与地形高度关系图

Fig.5 Relationship between landslides and terrain

过分析，可以得出对滑坡敏感的地貌类型为：以原生地形为主的不稳定地带(Ins-Insit)、以崩积层为主的不稳定地带(Ins-Collu)、坡角大于30°的原地地形(Slope30d)、陆上径流和周期洪水崩积物(Collu)。 (3) 滑坡与侵蚀的关系

分析滑坡与侵蚀的关系图，可以得出历史滑坡与现代滑坡的空间分布较为接近，滑坡敏感地带为：冲沟侵蚀(Gully)区、现代不稳定区(Ins-R)、片侵蚀区(Sheet)等。在残留不稳定区(Ins-H)中，历史滑坡的密度较大。

(4) 滑坡与植被分布的关系

在研究区历史滑坡和现代滑坡与植被类型有着一致的相关性。其中滑坡在覆盖面积大于50%的灌木林(Shrubg50)和覆盖面积小于50%的灌木林(Shrubl50)植被类型上密度较大。但与历史滑坡相比，在该植被类型上，现代滑坡密度有变小趋势。从单因子分析结果可以看出滑坡敏感地带为：覆盖面积大于50%的灌木林(Shrubg50)、覆盖面积小于50%的灌木林(Shrubl50)和草地(Grass)。出露岩石(Rock)由于自身面积很小，发生在该区的滑坡次数也不多，但密度很大。同时也注意到植被覆盖越茂密，越为滑坡敏感区。这和温带地区的认识有一定的差异，这可能是由于热带与温带在土壤类型、地下水、降雨量等方面不同所造成的差异。

(5) 滑坡与降雨量的关系

降雨是触发天然地形滑坡的最重要的因素。虽然没有收集到研究区雨量的变化资料，但从1953～1985年年均降雨量分布的单因子分析结果可以看出滑坡与降雨量存在一定的关系。历史滑坡与现代滑坡同降雨量有着一致的分布规律。滑坡敏感区依次为年均降雨量为2 600，2 400，2 200和2 000 mm所覆盖的区域。同时注意到在年降雨量为2 000 mm的区域，滑坡敏感度相对较高。通过对降雨图层、滑坡分布图层和坡度图层进行叠加分析，发现该区的位置正好包含了研究区主要的南坡和北坡，该地区水系十分发育，滑坡密度相对较高。

(6) 滑坡与水系的关系

为分析水系与滑坡关系，根据水系特征把水系分为4个级别(干流、一级支流、二级支流和三级支流)，并分别创建了不同尺度的水系缓冲区(20，40和60 m)，然后统计滑坡与缓冲区的空间关系。结果表明离水系越近，滑坡密度越大，越为滑坡敏感区；一级支流和二级支流为主要滑坡敏感区。

(7) 滑坡与线性构造关系

(1) 滑坡与岩土类型关系

滑坡与下伏岩性有着密切的关系，下伏岩性是决定滑坡稳定性的重要内在因素。从图4可看出历史滑坡、现代滑坡与下伏岩土类型有着一致的变化形态，说明两者的空间分布较为相似，除现代滑坡在粉砂岩(sl)上发生比例较大突跳外，现代滑坡的活动水平基本都比历史滑坡低。可以得出对滑坡敏感的岩性类型为：凝灰岩和沉凝灰岩(tt)、火山灰玻屑凝灰岩和熔岩(jlt，jltd)、流纹质熔岩(rh)、晶屑凝灰岩(t)、流纹质熔岩(rh)、粉砂岩(sl)、砾石质坡屑堆积物(qd)。

为了进一步分析滑坡与岩石类别的关系，按表土沉积、沉积岩、喷出岩、主侵入岩、次侵入岩统计了研究区1 238个滑坡的分配情况，结果显示喷出岩面积占整个研究区陆地面积的34%，但却包含了滑坡总面积的67%；从滑坡发生次数来看，有64%的滑坡次数发生于该岩层上，这也说明了研究区滑坡的下伏岩性以喷出岩为主；其次和表土沉积、沉积岩有关。

(2) 滑坡与地貌关系

地表物质在风化、侵蚀、搬运和沉积过程之间的变化都能造成地貌组合的变化。这种地貌演化过程变化可能增加斜坡的不稳定性，成为滑坡的触发机制。从滑坡与地貌关系来看，历史滑坡与现代滑坡的变化形态基本一致。但也可以看出历史滑坡和现代滑坡的差别。历史滑坡在以崩积层为主的不稳定地带(Ins-Collu)、陆上径流和周期洪水崩积物(Collu)等地带密度较大，这可能是一部分崩积物本身就是由历史滑坡造成的原因；而现代滑坡较多地发生在以原生地形为主的不稳定地带(Ins-Insit)、坡角大于30°的原地地形(Slope30d)等原生地形上。通