以GIS空间分析技术为支撑的北川地震滑坡影响因子研究

第1章绪论

1.1研究背景及意义
地震被称为百灾之首，强烈的地震不仅造成建筑物毁坏、人员伤亡等直接性的灾害，还容易引发火灾、水灾、毒气泄漏与扩散、爆炸、滑坡、泥碰、海啸等一系列次生灾害，次生灾害的损失有时甚至超过了地震直接灾害。地震次生灾害的种类很多，引发的机制也有所不同，灾害形成后的发展蔓延过程不同，造成的损失形式也不相同。次生灾害的发生类型与地震区的地质环境条件、地形地貌条件、经济条件等因素有关。在临海区域发生的地震，常引发海晡、火灾、核电站爆发等地震次生灾害，如2003年印尼地震、1923年日本关东地震、1964年新泻地震。而在山岳地区，最常见的次生灾害即是泥石流、滑坡、堰塞湖等次生山地灾害。地震滑坡是最常见的一种地震次生灾害。据资料记载，强烈地震后的山区必然会发生各种不同程度的地质灾害。
地震产生的巨大能量使得土体松动、岩块断裂、山体变形，不仅直接引发大量的崩塌和滑坡，更留下了不少潜在的地质灾害隐患点。当灾区余震发生或雨季来临时，地震形成的大量松散堆积物，为滑坡和泥石流的发生提供了物质来源，地质灾害会像鬼魅一样出没。因此，在地形条件复杂的山区，次生地质灾害是地震后面临的又一巨大灾难，不仅威胁人类的生命和财产安全，还给灾区的重建工作带来了极大的困难。
2008年5月12日，四川省发生了 MS8.0级特大地震，震源位于汶川县映秀镇，震中位于N31°,E103.4°，震源深度约为14km，最大烈度为XI度，余震达到3万多次气地震影响最为严重的四川地区具有地质条件复杂、新构造活动强烈、地形落差大、沟壑纵横、降水丰富等特点。据统计，该区域的地质灾害往年一直处于全国首位，强震作用下使得这一地区的地质灾害强度之大、数目之多、类型之复杂非常罕见。据学者初步统计，汶川地震触发了 15000多处滑坡，直接造成约2万人死亡，约占地震灾害造成8. 8万人死亡的1/4。北川地区属于极重灾区之一，地质条件极为复杂，截至2008年6月17日，已排杏的北川县地质灾害隐患点已达528个，而震后陆续出现的余震及降雨，使得数在不断的增加，构成重大的安全隐患。因此，对北川地区次生地质灾害进行研究具有非常重耍的现实意义。
随着国际社会对自然灾害的日渐重视，人们逐渐将自然灾害研究成果应用到主动的综合减灾与预防中，对灾害进行机理、特征、规律分析，并进行风险评估和管理被认为是减少灾害导致的潜在人员伤亡和经济损失最为有效和经济的方式，已经成为国际上倡导和推广的减灾防灾途径。 
传统的统计学方法并不包含空间信息，无法满足区域统计学习方法的需求，地理信息系统（GIS)技术能够基于传统的统计学习方法，从对象之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识。目前，以3S技术为支撑，结合数据挖掘、人工智能等理论对滑坡灾害进行研究已成为这个领域发展的主要趋势。本文以GIS空间分析技术为支撑，结合空间统计、空间模式以及分形理论分析北川地区地震次生滑坡灾害的空间分布模式及特征，对于全面了解灾区地质灾害发育规律、形成机制有着重要的作用，并在此基础上运用数理模型进行敏感性分析与制图，对于灾区灾后重建、居民搬迁，经济的恢复和发展有一定的 指导意义，并为研究类似区域环境条件的地震次生崩塌滑坡灾害提供一定的技术参考。

1.2国内外研究现状
1.2.1地震次生滑坡方面的研究现状地震次生地质灾害中，崩塌和滑坡往往是发生数量最多、频率越高、危害最普遍的灾害现象。近年来，国内外学者从多个方面对地震滑坡进行了深层次的研究，从己有的研究成果来看，地震次生地质灾害主要集中在以下几个方面： (一）从地质力学、动力学的角度分析滑坡形成的形成机理及特征：美国学者Keefer[5l依据地震滑坡运动的特性、内部破裂、地质环境对地震滑坡进行分类，将地震滑坡分为三大类，第一类滑坡为高度破裂或严重高度破裂；第二类滑坡主要存在分离的剪切面，此类滑坡起源于坡度中等的斜坡；III类滑坡指滑坡机理以流相为主，表面块体由内部裂缝造成破裂而成，并且由于相互分离而形成地堑，块体之间可能填充液相物质。

    1.3 研究内容和技术路线 .................18-20
        1.3.1 研究内容 .................18-19
        1.3.2 技术路线 .................19-20
    1.4 本章小结 .................20-21
第2章 研究区概况及数据准备 .................21-27
    2.1 研究区概况 .................21-25
        2.1.1 自然地理概况 .................22-25
        2.1.2 社会经济概况 .................25
    2.2 数据源 .................25
    2.3 本章小结 .................25-27
第3章 研究区滑坡影响因子分析 .................27-43
    3.1 滑坡影响因子概述 .................27-28
        3.1.1 滑坡诱发因素 .................27-28
        3.1.2 滑坡孕灾环境因子 .................28
    3.2 研究区滑坡影响因子分析 .................28-43
        3.2.1 地形因子 .................28-36
        3.2.2 岩石类型 .................36-37
        3.2.3 水系因子 .................37-38
        3.2.4 道路因子 .................38-39
        3.2.5 地震因子 .................39-40
        3.2.6 断层 .................40-43
第4章 研究区地震滑坡灾害空间分布特征分析 .................43-69
    4.1 滑坡空间分布格局分析 .................43-50
        4.1.1 空间统计学概述 .................43-44
        4.1.2 滑坡分布空间模式分析 .................44-47
        4.1.3 滑坡空间密度分布特征分析 .................47-50
    4.2 滑坡空间分形分布特征分析 .................50-66
        4.2.1 分形学理论基本原理 .................50-52
        4.2.2 滑坡与影响因子分段分维特征分析 .................52-65
        4.2.3 分维数意义讨论 .................65-66
    4.3 本章小结 .................66-69
第5章 北川地区震后滑坡敏感性分析 .................69-83
    5.1 滑坡敏感性分析原理与方法 .................69-74
        5.1.1 研究方法 .................69-73
        5.1.2 敏感性分析指标体系构建 .................73
        5.1.3 技术流程 .................73-74
    5.2 数据处理 .................74-80
        5.2.1 基于CF多元回归模型的滑坡空间预测 ............74-78
        5.2.2 基于多层感知器神经网络模型的敏感性分析 .........78-80
    5.3 结果分析与精度验证 .................80-83

结论

本文以重灾区北川县为研究区域，以GIS为技术支撑平台，在分析研究区区域环境特点的基础上，结合能收集到的数据对研究区地形地貌、岩石类型、地震烈度等滑坡影响闪子进行分析，并从空间分布模式、密度特征、分形分布特征等几个方面对研究区地震滑坡空间分布特征进行了详细分析，并采取CF多元回归和多层感知器神经网络两种方法计算滑坡敏感性指数，并通过自然断点法分级获得研究区敏感区划图。本文主要结论如下：
(1)通过数字地形分析法原理，使用不同统计单元大小提取地形起伏度，发现不同统计窗口半径内提取的数值与其对应的统计窗口半径存在对数变化关系，且数值随着窗口的变大而变大。应用变点分析法找出突变位置为窗口大小1.69km2处。
(2)通过单因子分析方法对研究区滑坡影响因素与滑坡分布的关系进行简单的分析，可以得知30° — 50°的坡度为地震滑坡易发坡度；东南、正南、西南、正东等为地震滑坡易发坡向；1000-2000m范围内的高程为地震滑坡易发高程；200-600m的山地起伏是地震滑坡易发地形起伏度；千枚岩、粉砂岩等岩石类型为地震滑坡易发岩类；水系400m范围内、道路600米范围内均为地震滑坡易发段。这些分析为后续的空间分布特征分析和敏感性评价做基础工作。
(3)通过空间统计学空间模式分析的方法，发现震前的滑坡点趋向于离散分布，而震后的滑坡灾害点呈现出集聚分布的模式，且集聚程度较明显。采用点密度作为评估地质灾害活动强度的相对指标，以区域地质灾害强度活动指标分级标准为参考，将研究区划分为较强发育区、明显发育区和较弱发育区；其中，较强发育区占总面积的7.5%,明显发育区占总面积的30%,较弱发育区占总面积的62.5%,以并分析了三个较强发育片区的滑坡分布特点。