基于多源数据和多尺度分析的滑坡易发性评价方法研究

发布时间：2017-12-25 20:04

本文关键词：基于多源数据和多尺度分析的滑坡易发性评价方法研究　出处：《中国地质大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：滑坡是一种危害很大的不良自然地质现象,具有分布范围广、发生频率高和破坏性强等特点。我国是世界上受滑坡灾害影响较大的国家之一,每年都因滑坡灾害的发生给国家建设和人民的生命、财产造成重大损失。随着经济社会的快速发展,人类的工程活动对自然环境的扰动程度不断加剧,使得滑坡灾害发生的频率和强度呈现不断增长的态势。滑坡易发性评价作为一种对滑坡的空问分布和发生概率进行预测的方法,其预测结果可为滑坡灾害风险管理、城市规划以及滑坡监测工作的规划提供重要的科学依据。滑坡易发性评价方法,按所基于的理论基础不同可分为确定性方法和非确定性方法。确定性方法是利用传统的斜坡破坏力学计算模型,并结合基础空间数据对区域滑坡发生的危险性进行预测。自上世纪90年代后期以来,随着以“3S”(GPS-Global Positioning System; RS-Remote Sensing; GIS-Geographical Information System)为代表的测绘新技术的发展,为滑坡变形监测、区域性大范围滑坡调查和滑坡环境因素等相关数据与信息的获取提供了新的手段,促进了滑坡易发性评价的非确定性方法的研究与应用。另外,已有学者注意到尺度问题在滑坡易发性评价中的重要性,并开展了一些研究工作。然而,现有的滑坡易发性评价方法还存在一些需要进一步研究和探讨的问题。在研究区多源数据的收集、处理与利用方面,由于目前对用于滑坡易发行评价的多源数据的属性、特点、分类及其处理流程和要求等并不明确,在数据的收集和处理中不能进行规范化、标准化的操作,不利于对有关数据的充分、合理与正确利用,严重影响滑坡易发性评价结果的精确性和可靠性,且难以进行滑坡易发性评价结果的横向比较。滑坡易发性的确定性评价方法,主要适用于特定斜坡单元或大比例尺重点区域小范围的滑坡空间预测,难以拓展到较大空间范围进行应用。滑坡易发性的非确定性评价方法存在的问题是：(1)将不同类型滑坡的孕灾环境和诱发因素进行了概化,缺少对滑坡机理和成灾机制分析；(2)缺少对滑坡环境因素的深入研究,对最具有代表性的滑坡评价因子的选择和评价因子自身的空间相关性没有综合考虑,往往只重视了一方面的内容,顾此失彼；(3)在对预测模型的选择和运用中,对尺度问题(即模型的空间适用性)考虑不足,将全局模型和局部模型一概而论,而缺少根据研究区范围的大小对模型本身的调整。在顾及尺度问题的滑坡易发性评价研究方面,研究者还仅仅是将尺度作为一个先决条件或者要求机械地运用在滑坡易发性评价中,按照不同尺度的要求来收集和整理相关数据,并没有将不同尺度的滑坡易发性评价进行比较,也没有注意到不同尺度下滑坡易发性评价结果的差异。将尺度问题与尺度概念演变成比例尺和数据分辨率的筛选原则,割裂了尺度概念,没有将尺度问题作为一个完整的现象进行研究。这样,也就没有深入探讨滑坡易发性评价结果与不同尺度之间的内在联系。由于忽略了不同尺度、滑坡评价因子和滑坡评价模型或模型参数之间的关系,因而不可能根本性地揭示尺度概念是如何影响滑坡易发性评价结果的,未挖掘到问题的关键所在。鉴于现有滑坡易发性评价研究存在上述问题,本文结合三峡库区秭归到巴东段的滑坡易发性评价,综合应用地质学、测绘学、统计分析等多个学科领域的有关理论、技术和方法,研究基于多源数据和多尺度分析的滑坡易发性评价方法,深入探讨不同尺度、滑坡评价因子以及滑坡易发性评价模型的参数选择等对滑坡易发性评价结果的影响,实现区域尺度、局部尺度和单体尺度下的滑坡易发性评价与滑坡敏感性制图,提高滑坡易发性评价的科学性、精确性和可靠性。本文的主要研究工作及取得的研究成果如下：(1)在对滑坡易发性评价所涉及的多源数据的属性、特点、分类和应用等问题进行深入分析和研究的基础上,建立了统一的多源数据处理框架,并给出了详细的数据处理流程。采用所提出的多源数据处理方法,提取了长江三峡库区库首区秭归到巴东段的58个初始滑坡环境因子。(2)将多尺度分析引入滑坡易发性评价,深刻分析和揭示了尺度问题对滑坡易发性评价结果的影响,明确提出了区域尺度、局部尺度和单体尺度的滑坡易发性评价概念,深入探讨了不同尺度、滑坡评价因子以及滑坡易发性评价模型的参数选择等对滑坡易发性评价结果的影响。(3)提出了利用地理加权思想对滑坡研究区进行区域分割的方法,在此基础上建立了地理加权回归—粒子群算法—支持向量机滑坡易发性评价耦合模型。通过地理加权回归系数对研究区进行划分,可使不同分区之间滑坡评价因子的空间自相关性得到较好的抑制,同时使分区内部滑坡评价因子对滑坡的影响趋于一致,这在较大程度上消除了滑坡评价因子的空间自相关性对滑坡易发性评价的影响。(4)从多个角度对区域尺度与局部尺度滑坡易发性评价之间的差异进行了比较,利用特定类别精度分析、总体预测精度分析以及最常用的ROC曲线分析这三种分析方法对区域尺度与局部尺度滑坡易发性评价结果进行了比较,得到局部尺度下滑坡易发性评价的特定类别精度、总体预测精度和ROC曲线下面积三项指标分别为85.75%、87.86%和0.965,优于区域尺度下滑坡易发性评价结果(其三项指标分别为68.35%、84.44%和0.944),验证了区域分割在滑坡易发性评价中的重要意义和实际效果。(5)将滑坡易发性评价的概念扩展到单体尺度下的滑坡易发性评价,使其适合单体滑坡的实际情况,并建立了单体滑坡的滑坡易发性评价指标体系。在此基础上,利用拓扑约束识别的方法对单体滑坡易发性评价选择新的评价指标,提出了单体尺度滑坡易发性评价方法。将该方法应用于三峡库区木鱼包滑坡易发性评价,其评价结果与三峡库区地质灾害防治工作指挥部提供的木鱼包滑坡稳定性分析结果较为一致,且根据木鱼包滑坡中以累积位移量和位移速率建立的木鱼包滑坡易发性评价指标,寻找到更多的导致木鱼包滑坡上块体不稳定的滑坡评价因子组合,发现了潜在的不稳定区域,为木鱼包滑坡GPS监测点的合理布设和监测数据采集频率的合理确定提供了科学依据。(6)分别讨论了区域尺度、局部尺度和单体尺度这三种空间尺度与滑坡评价因子之间的关系,以及不同的空间尺度与滑坡易发性评价模型参数选择之间的关系。结果表明：滑坡评价因子重要性排序是一个随着空间尺度的不断变大而逐渐“平均”的过程,空间尺度问题最直接地影响了滑坡评价因子的重要性排序；而在空间尺度与滑坡易发性评价模型参数选择的分析中,随着空间尺度的变小,研究范围内的训练数据中滑坡数据与非滑坡数据的区别更加明显,对滑坡起到重要作用的滑坡评价因子或者滑坡评价因子组合更加显著,因而使模型能够在更短的时间内得到更好的滑坡空间预测结果。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.22

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