（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis的兰州地区滑坡空间预测研究.pdf

中文摘要 中文摘要 滑坡作为一种典型的环境地质灾害，其造成的危害日益严重。但由于滑 坡发生本身的不确定性和复杂性，对于区域滑坡的空间分析预测仍然十分困 难。本文利用了g i s 空间分析和空间建模技术，定量研究了兰州地区滑坡 灾害与各种影响因子的关联关系，探索了区域滑坡的分布规律，并通过空问 建模方法剥浚区域滑坡灾害的危险性进行了空间预测。 本文首先从研究区3 0 m 分辨率数字高程模型提取坡度、坡向和曲率等地 形参数；然后利用研究区滑坡分布数据，地形参数和区域内地层岩性组合、 构造和岩层分界等地质数据，以及河流水系和代表人类活动的道路数据，在 分析滑坡与其影响因子定量关系的基础上，利用a r c g i s 与统计软件s p s s 进行 信息量法和空间逻辑回归法滑坡灾害空间建模，对研究区不同位置上滑坡发 生的可能性进行了评估，生成了潺：妓敏感性分布图，实现了滑坡空间预测的 定量化。 研究发现：( 1 ) 兰州地区滑坡分布主要受到较陡峭的地形坡度、地质条 件( 构造、地层) 的影响，暴雨频次电是重要的触发因子；( 2 ) 滑坡分布主 要在市区南北两山，滑坡分布有四个集中区域：( 3 ) 将生成的滑坡敏感佳分 布图和已经发生滑坡的位置相比较，发现两种方法的预测精度可达n 7 0 以 上。 这项工作对于区域滑坡机理的研究将有一定肩发，预测结果可为浚地区 的滑坡防治，减少滑坡灾害损失，制订土地利用政策将起到一定的指导作用。 关键词滑坡灾害地理信息系统f g i s ) 空间建模信息量逻辑回归 a b s t r a c t l a n d s l i d ei soneo ft y p i c a le n v i r o n m e n tg e o l o g i c a l h a z a r d s , w h o s eh a r m b e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s h o w e v e r , b e c a u s eo f t h eu n c e r t a i n t ya n dc o m p l e x i t y o fl a n d s l i d ei t s e l f , a n a l y s i sa n df o r e c a s to fr e g i o n a ll a n d s l i d e sa r ev e r yd i f f i c u l t t h i s s t u d ym a d et h eq u a n t i t a t i v er e s e a r c ho i ls e v e r a li n f l u e n c ef a c t o r so fl a n d s l i d eh a z a r d s i nl a n z h o ua r e ab yu s i n gg i sa n ds p a t i mm o d e l i n g ，a n dw ef o u n dd i s t r i b u t i o nr u l eo f r e g i o n a ll a n d s l i d e s ，t h e n m a d eh a z a r da s s e s s m e n to fl a n d s l i d et h r o u g hs p a t i a l m o d e l i n gi ns t u d ya r e a i nt h i ss t u d y , w eu s e3 0 md e mt o a c q u i r et h ev a l u e so fs l o p e ，a s p e c t ，a n d c u r v a t u r ee t c ，a n dt h o s et e r r a i na t t r i b u t e sa r ec o r r e l a t i v et ol a n d s l i d eh a z a r d s ，u s e g e o l o g i c a ld a t a s u c h a sr e g i o n a lc o m b i n a t i o no fs t r a t u m l i t h o l o g y ，t e c t o n i c sa n d b o u n d a r yl i n eo fl i t h o l o g ye t c ，t h ed a t ao fr i v e rn e t w o r ka n dr o a dt r a n s p o r t a t i o n r e p r e s e n t i n gh u m a na c t i v i t i e s ，w em a d eg e o g r a p h i c a la n a l y s i sb ys p a t i a la n a l y s i s ，g r i d c a l c u l a t i o n ，g r a p h i c sd i s p l a ya n do u t p u te t c ，m i du t i l i z e di n f o r m a t i o nv a l u em e t h o d a n ds p s st om a k el o g i s t i cl e g r e s s i o nm o d e l i n g ，t h e nf o r e c a s tl a n d s l i d e sp r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o ni nr e s e a r c ha r e a f r o md e mw i t h3 0 1 1 1s i z e ，w cp i c k e du pg e o m o r p h i cp a r a m e t e r ss u c ha ss l o p e ， a s p e c te t c ，u s i u gt h e s ed a t a ( d i s t r i b u t ed a t a , g e o m o r p h i cp a r a m e t e r s ) ，aq u a n t i t a t i v e r e l a t i o nb e t w e e nt h el a n d s l i d ea n dt h ee f f e c tf a c t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e d u s i n gs p s s a n da r c g i s , w eg e n e r a t et h es e n s i t i v ea r e ad i s t r i b u t em a p ( 1 ) w ef o u n dt i m ea n d s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl a n d s l i d e s a r c c l o s e l y c o r r e l a t i v et o a b r u p t t e r r a i n ， g e o m o r p h o l o g ya n ds o r l nf i c q o e u c yi nl a n z h o u ( 2 ) l a n d s l i d e sm a i n l yd i s t r i b u t ei n t h ea r e ao fn o r t h c r l la n ds u u l h e r nm o u u t a i n s ，w h i c hc o n c e n t r a c t e sa t4a r e a s ( 3 ) c o m p a r et h ed i s t r i b u t eo fl a n d s l i d e sw i t ht h es e n s i t i v ea r e a ，i tf o u n dt h a tt h ep r e d i c t e d p r e c i s i o na r e7 0 r e s p e c t i v e l y t h e s er e s u l t sw e r eh l t e n d e dt op r o v i d es c i e n t i f i cb a s e sf o rl a n d u s ep o l i c y , g e o l o g i c a lh a z a r d sp r e v e n t i o na n di t “i l lr e d u c e dt h el o s so fl a n d s l i d eh a z a r d si n l a n z h o u k e y w o r d s l m a d s l i d e sh a z a r d s ，g i s ，s p a t i a lm o d e l i n g ，i n f o r m a t i o nv a l u em e t h o d ， l o g i s t i cr e g r e s s i o n l l 原创性声明 y 7 3 ；2 0 9 8 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：盘丛：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以 将本学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，可以 采用任伺复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与陔沦文直接相关的学术论文或成果时，第一一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 黻作一：仁一名：移绎日期越妒 兰州大学理学顶i ：学位论文 1 论文选题的意义 第1 章绪论 滑坡是指人鹫岩体、岩屑或者体在自重的作用下沿着一定的斜坡面向下运动的地质现 象( c r u d e na n dv a m e s ，1 9 9 6 ) 。滑坡是地貌演变过程中的一种重要的块体运动形式，是一种 典型的重人自然地质灾害( s c h u s t e ra n dh i g h l a n d ，2 0 0 t ) ，它给人类的生产、生活构成愈来 愈严重的威胁。1 h ：界上很多国家不同程度的遭到滑坡的危害，俄罗斯、美国、日本、意大利、 瑞士、印度等都是滑坡危害比较严重的国家，全球每年人约有4 0 亿美元损失和超过1 0 0 0 人死丁滑坡灾害( m a n t o v a n ie t a i1 9 9 6 ) 。中国有人约2 3 的国士面积为山地，据统计目前我 国有2 0 个省区的3 0 0 多个市、县以及香港、台湾地区受到滑坡威胁，每年造成巨大的经济 损失莆f 人员伤亡，年经济损失在1 0 亿元以上( 中国地质环境信息网站) 。 滑坡灾害的频繁发生和滑坡舫治的巨额支出已经超出人们采取各种防治措施进行治理 的能力。同时，滑坡影响因子本身的随机性录i 不确定性以及滑坡发生物理过程的非线性，决 定了滑坡发生时间准确预报的极度困难性，尤其是很多情况下区域性滑坡预报困难很大。因 此目前滑坡研究的趋势是开发滑坡危险性的预测、预警系统以减少不必要的生命和财产损失 ( u s g e o l o g i c a ls u r e 51 9 8 2 i s c h u s t er t 9 9 5 ：c a r m r a , 1 9 9 5 。1 9 9 9 ) 。地质灾害风险评估 一即灾害的破坏效益、损失程度以及防治效筛的研究，是减轻地质灾害的核心问题，自联合 国国际减火t 年( i d n d r ) 在1 9 9 1 年把灾害灾情评估作为i d n d r 要具体实现的三项目标 中的第一项以来得到了世界各国的积极响应，使灾害研究空前发展。 g i s 支持r 的区域滑坡风险评价和预测的目的是区分不同危险性等级区域，并使用g i s 进行制幽晶示。其预测的理论依据是一样地质类比法即未来滑坡的地质环境应类似于已有 滑坡所具备的地质环境。其评价模璎一般采刚统计模型，主要是对现有滑坡的地质环境条件 和影响冈素之间的统计规律进行研究，在此基础上采用g i s 的叠置功能进行危险性分析， 这是目前国山外比较多见的分析方法。 现代化的城市需要照女r 的地质环境，而作为本文研究区中心的兰州市，地处青藏高原与 黄十高原交汇部位的黄河谷地，是一个典型的山区河谷盆地型城市，位于著名的天水一兰州 地震带上。特殊的地质构造、地貌类型、岩十性质平| i 气候条件以及起伏较大的地形高差，决 定了城市环境地质条t i ：较著。加之近年米不合理的人规模人为括动，使得滑坡、泥石流灾害 异常活跃。建国以来曾发生灾害性泥z i 流6 0 余次，滑坡2 0 余起，造成了严重的经济损失和 人员伤亡。 目前对r 兰州地区或者黄十高原地区的滑坡灾害研究主要集中在边坡稳定性或者工程 地质学、地震滑坡等角度的些具体滑坡灾害研究，利_ l _ l jg i s 的空间分析功能与空间建模 方法能够更好地研究该区域内滑坡灾害的分布规律，研究滑坡与其影响因子之间的关系，这 兰些查兰型兰堡三耋堡篁三 对于该区域内未来可能发生的滑坡空间预测有一定的指导意义。 2 文献综述 g i s 赢用于滑坡灾害研究经历了一个漫长的发展过程，g i s 强大的空间分析和空间建模 功能决定了其非常适合解决滑坡领域的很多问题特别是空间预测分析。本文从以下三个方 面总结了g i s 在滑坡分析方面的进展和现状。 2 1 滑坡空问预报的传统方法 目前滑坡研究的一般方法主要有两种( 圈1 1 ) ：工程地质学( g e o t e c h n i c a l ) 方法和地 貌学( g e o m o r p h o l o g i c a l ) 方法( h a n s e n ，t 9 8 4 ：h u n t ，1 9 8 3 ；k a r n a w a t i j a m a l ，1 9 9 6 ) 。工 程地质学方法需要详细的野外调蠢资料，冈而其区域滑坡研究成本较高，更多用于单体滑坡 研究：而地貌学定性的方法不能满足t 程需要，目前土要是将统计分析方法间接用于制作滑 坡分布预测图。这嬲种方法都认为滑坡的历史和现状是预测滑坡未来稳定状态的关键，即未 来滑坡的地质条什应类似丁己有滑坡所具备的地质条件。 圈1 - 1 滑坡分析方法 滑坡研究至今，滑坡灾害的危险性评价方法总体分为定性评价和定量评价两类。定性方 法是根据主观的经验对滑坡的变形失稳危险性进行定性描述。般利用g i s 的显示和制图 功能，以及不同幽层的叠加分析。定昔的方法则是对滑坡失稳的可能性进行数学或者算法上 的估计。定性方法主要是通过研究人员对所研究问题的经验判断，所需要的数据主要来自于 现场勘察，或者进行航片解译的结果，网此也称为专家评估法( l e r o i ，1 9 9 6 ) 。定性方法在 权值确定方面存在一定的主观性使得在这些方法的实际应用存在一定的局限性。 滑坡空间建摸实际上是影响地表过群的一个子集结果，统计方法进行自然灾害的g i s 建模的原理就是使川多个网子层进行叠加，根据以前发生的滑坡灾害事件在空间或者时间上 的特征得出其周同的环境网子灾害状态预测未来危险发生的可能性。 2 兰些尘兰翼耋堡圭兰堡耋兰 2 2 基于g i s 的滑坡研究 从g i s 产生的2 0 世纪6 0 年代中期( 1 9 6 3 加拿大r t o m l i n s o n 首先提出地理信息系统) 到2 0 世纪8 0 年代后期由于资金和基础数据的缺乏( s t o c k 和h e y w o o d 。1 9 9 4 ) ，这一时 期，g i s 戍川，滑坡稳定性研究一直处下方法探索的阶段( w a d g e ，1 9 8 8 ) 。2 0 世纪9 0 年代 以米，g i s 被广泛戍州于各种自然灾害的研究，尤其是应用于滑坡灾害空间预报和斜坡稳定 性评价。 2 2 1 国际研究现状 早期基丁：g j s 的滑坡研究突出了g i s 的制图和输出功能，计算机制图是自然灾害空间 分布的主要表现手段( v a r n e se ta 1 ，1 9 8 4 ：c r a n d e l le t a l ，1 9 8 4 ) 。1 9 8 9 年美国的f i n n e y m i c h a e l a 和b a i nn a n c yr 利川g i s 的数据处理和绘图输出等基本功能进行滑坡灾害的分布分析； 1 9 9 0 年印度的rp g u p t a 和b c j o s h i 运用g i s 对喜马拉雅山麓的r a m g a n g a c a t c h m e n t 地 区的滑坡进行了分析，使州了空间分析和面积最算功能完成了滑坡灾害危险性分区，并通过 使_ l _ l j 多源数据分析了滑坡发生的相关因素；1 9 9 0 年荷兰i t c ( i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t ef o r g e o - l n f o r m a l i o ns c i e n c ea n de a c ho b s e r v a t i o n ) 的v a nw e s t e nc j 和哥伦比亚的a i z a t e b o n i l l ajb 利 jg i s 的空闻数据库管理功能，结合数字高程模型开发了斜坡稳定性分析模 型；统计分析法最早是1 9 8 8 年由意大利著名滑坡专家a l b e r t oc a r r a r a 引入危险性评价的， 9 9 1 年，c a r r a r aa 等将g i s 结合统计模型j = i = f 于滑坡灾害的评价，使用逐步回归方法分析了 地形因素对单个滑坡的影响；1 9 9 3 年加拿大的c h u n gc f 和f a b b r ia g 等结合g i s 和统计 分析方法在蔹取地形参数的基础上，进行了滑坡灾害分区的多因素综合分析：也有人不断尝 试将滑坡稳定性模型韵l 其它模型相结合的方法。1 9 9 5 年美国的d a n i e lj m i l l e r 运用g i s 结 台力学模型评价深层滑坡灾害_ l jd e m 模型模拟出滑动面位置与形态。1 9 9 7 年加拿大的 t r e v o rj d a v i s 和c p e t e rk e l l e r 基丁g i s 的模糊分类方法及可视化技术，虚拟再现了斜坡形 态( 3 d 虚拟现实) 。2 0 0 0 年s a r ol e e 和k y u n g c i u c km i n 等人用g i s 的空间数据管理功能和 空间分析能力结合遥感数据分析了韩国y o n g i n 地区滑坡敏感性。 总的看米，甲期g i s 在滑坡中的应 ；| 主要侧重于它的制图功能( k i e n h o l z ，1 9 8 8 ； w a g n e r ，1 9 8 8 ；g u p t a 和j o s h i ，1 9 9 0 ) 。现在g i s 的应用已从数据管理、多源数据应用和绘 图输出，剑数字高程模型( d e m ) 的各种地形参数提取、g i s 虚拟现实技术的应用，并利用 统计分析、人i ：神经网络等方法进行建模分析。但这些建模方法较少考虑了滑坡及其影响因 子的空间变化，使得基丁g i s 的滑坡空间预报进展相对较慢。 2 2 2 国内研究现状 国内廊_ i jg l s 技术开展滑坡笛地质灾害研究的起步较晚，研究程度较低，目前尚未见 到较成熟的滑坡地质灾害g i s 评价羽i 预测系统，基_ j = _ g i s 的滑坡的研究主要是进行滑坡灾 害的计算机制幽稠l 滑坡的空间表达，真正应j 4 j 空间分析和空间建模的方法则较少。1 9 9 4 年 兰州人学理学碗卜学位论文 姜云、王兰生在山地城市地面岩体稳定性管理中应用了g i s 技术，对重庆市地面岩体变形 破坏进行了时空预报并制作了斜坡稳定性综台评价分区豳：2 0 0 0 年。戴福初和李军对g i s 在滑坡研究中的麻川现状作了分析，认为只有在数据获取、g i s 与滑坡专业模型的集成、g i s 与遥感的集成等方面有较人的突破z 后才能充分发挥g i s 在滑坡研究中的作用：2 0 0 2 年 朱良峰、殷坤龙等人在火害风险分析系统( r i s k a n l y ) 的基础上利用此系统对全国范围的滑 坡灾害进行了危险性分析、区域社会经济易损性分析和最终的风险评估，同时给出了全国历 史滑坡分布密度图、滑坡危险性等级分布区划图等。2 0 0 3 年，朱良峰，吴信才等人在已开 发出的基t - m a p g i s 软什平台的滑坡灾害风险分析系统基础上，对大范围区域性的滑坡灾害 进行风险评估，g i s 技术为滑坡灾害在不同模型条什f 的风险评估提供了有效的技术支持。 2 0 0 4 年周翠英等人在m a p g i s 平台基础上，针对边坡空问失稳破坏的特征，采用g i s 空 间数据分析功能，探讨了三峡库区奉节段土要滑坡的稳定状况，利用m a p g i s 系统对其进 行了边坡失稳的确定性系数( c f ) 计算，并进行滑坡因子敏感性分析，确定了各因子中对 应于滑坡发生的最不利数值区间，得出该区段滑坡发生的敏感条件为坡度和边坡所处位置高 程的结论。 近年米，利j ； = | 统计分析方法研究滑坡成为一个趋势。2 0 0 2 年，兰恒星、伍法权等人对 云南小江流域进行滑坡闪于敏感性分析，分析了该区域滑坡的变形破坏机理及分析滑坡的空 间分布规律，确定了有利丁滑坡发育的岩性、结构、坡度、高程、断裂等影响冈子。2 0 0 2 年，单新建、| _ 洪等人总结了在g i s 软 = ! ：中多元空间信息的统计分析方法，在充分考虑滑 坡与各环境冈子之间的统计相芙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，建立了单冈子分析、多闭子分析、整组性分析和多元空间信息的非线性预 测模型。 d e m 获得的再种地形参数和短历时的暴雨研究都是区域滑坡分析研究的基础：2 0 0 3 年， 兰恒星、周成虎等人结合地理信息系统支持f 的滑坡水文耦台模型研究，提出降雨及地形 特征等因素对于滑坡发生有明显的控制作用。将：i ：程中广泛采用的极限平衡方法与基于 d e m 的水文分布模型进行有效的集成，提山滑坡水文耦台模型，在g i s 中实现对滑坡快速 有效的分析、预测，升建立了滑坡稳定的综合判定标准。2 0 0 3 年，张玲，黄敬峰等人利用 滑坡灾害普赉资料和气象资料结合地理信息系统( g i s ) 雨i 降雨推算模型进行空间分析，对 浙江庆元县滑坡与降雨作相关研究后，发现庆元县滑坡的时空分布受降雨地区和降雨时间 的控制，井与一定的地质条什及人类活动有关，滑坡发生与降雨时间及暴雨、火暴雨频次吻 合或略滞斤。 综上所述目前基rg i s 的区域滑坡分析多数集中在数据的图形和属性管理以及一些 简单的统计分析上，很少在建立滑坡空问数据j 牢的基础上对滑坡的影响因子进行分析，并进 行滑坡的空间建模利预测评价。这也是国内研究落厉丁国外其它国家的一个重要方面。 4 兰些查茎竺兰塑：兰堡丝兰 2 3 研究区的滑坡研究现状 滑坡灾害是灾害孕育环境和触发冈子共同作用的结果，滑坡分布和其影响因子都与空间 位置密切的相关。兰州是我国滑坡地质灾害最为严重的省会城市之一，该区域内的滑坡和泥 石流研究t 作开展的比较甲。 1 9 9 6 年吴玮江等人根据实测现场一鼙数据进行兰州地区滑坡的类型与分布研究。并 对于兰州地区滑坡车泥行流的关联以及影响因子进行分析并从工程角度提出针对性对策。 2 0 0 3 年，畅俊杰分析了兰州地区滑坡泥j i 流的危害以及形成和触发的条件，从暴雨对滑坡 泥石流影响的角度进行兰州地区滑坡形成平i i 触发条什分析，局限于定性分析没有能够延伸到 空间和时间序列分析。2 0 0 3 ，两安地球环境所的于弧强等人分析了影响黄土高原地区黄土滑 坡的各项影响因子利j _ j 层次分析法( a h p ) 确定各影响网子的权重。在g i s 支持下，对各因 子进行分级赋值，然后进行冈于加权叠加分析完成黄十高原地震滑坡区划图。并得出黄土 地震滑坡灾害鼹严重地区一个是。r 夏南部及与其相邻的甘肃白银地区另一个是甘肃天水地 区。 目前兰州地区绝人多数的滑坡研究仍然是基于滑坡内在和外在因素的定性研究，定量研 究也限丁滑坡一i ：程地质试验参数的计算嗣i 单体滑坡稳定性评价，很少利用o l s 的空间分析 功能以及空闯建模进行滑坡危险性的区域研究。 3 研究内容和技术路线 3 1 主要的研究内容 在1 泛收集有关资料平野外考察的基础上，分析滑坡发生的内在因子和外在激发因子， 在分析滑坡机理的前提f 定繁化分析影响滑坡发生的各种参数因子，以了解兰州地区滑坡 地质灾害的发生规律和成冈：选择3 0 3 0 m 的网格作为研究单元，以a r c ( s i s 为主要平台， 进行空间数据处理并通过信息鼙模型和逻辑同归模型进行空间建模，生成兰州地区滑坡敏 感性分布幽。 3 2 研究方法和技术路线 本文选取国内典型的滑坡灾害高发城市兰州作为研究区域，对区域滑坡进行野外实地考 察，在g i s 的数据预处理基础上，利川g i s 空间分析的叠加功能、缓冲区分柝、插值技术、 地形分析等进行滑坡影响网子的定量化研究分析，确定影响滑坡分布的主要因子，并对区域 内滑坡的分布规律进行分析。在定量分析各个影响滑坡网子的基础上，在g i s 软件和统计 软件的支持f ，选j ；l j 信息煞法和逻辑同j j 法预测研究区域内的滑坡发生的可能性，并将两种 预测的结果进行分析对比得出两种情况f 的预测精度。 通过对以往的研究成果的总结年理解已经初步掌握了控制边坡稳定性的主要因素，这 些主要冈子主导着边坡稳定性的演变与发展，可以川f 面的公式表示： 兰州大学理学硕士学位论文 y = f ( x ) 1 - 1 式1 1 中，x 为边坡稳定的主控因子：y 为边坡系统的输出结果，即滑坡稳定性的区划 或者滑坡发生的概率：f 表示了主要控制因子与滑坡发生概率的函数关系。 以图1 2 流程圈以及公式l l 作为为研究的技术路线，找出滑坡发生的主控因子，采用 了信息量法和逻辑同归法进行空间建模，并对结果进行精度分析和研究对比。 图卜2 技术路线流程图 首先收集已有的数据羊资料并进行分析和整理，建立起影响兰州地区滑坡发生的各种 影响因子数据库以及滑坡分布的数据库；对各种数据进行预处理( 如从d e m 中提取各种地 形参数) ，选取合适的研究区模型单元，在这些工作的基础上，通过g i s 和统计分析的手段 建立研究区信息量法和逻辑同归空问模型，从而得到区域斜坡稳定性评价图 6 兰些奎耄圣耋竺圭兰堡篓兰 4 本项工作的目标 目标主要有： 1 资料收集和建立兰州地区的滑坡以及滑坡影响因子空间数据库： 2 对区域内影响滑坡分布的各种因子进行定量化分析，分析区域滑坡的成因和分布规 律： 3 使用地理信息系统( g i s ) 的空间分析功能和统计软件的统计建模功能，利用滑坡 分布数据和其它相关因子的数据建立滑坡空间分布信息量模型和逻辑回归模型， 并制作该区域的滑坡危险性预测分布图。 耋垫奎兰罂兰竺当茎堡篓兰 1 研究区位置和范围 第2 章研究区概况 研究医位于北纬3 5 。5 3 n 3 6 。1 5 n ，东经1 0 3 。2 9 e - 1 0 4 。0 2 e 的范围内，处于 陇西黄土高原的两北部，总面积约2 0 3 3 k m 2 主要属于兰州市管辖范围的黄河流域，在行政 区划上包括了兰州市的城芙区、七里河区、两j 捌区、安宁区、皋兰县、永登县和榆中县的部 分区域以及周边的临洮县和永靖县( 图2 - i ) 。 图2 - 1 研究区位置 兰州市作为阳北地区重要的 ：业城市和交通枢纽，又是甘肃省政治、经济、文化的中心， 2 0 0 2 年底总人e 13 0 0 万( 城市人口为1 7 0 万) 。闪其在两北地区交通枢纽的作用，公路交通 情况较为复杂。研究区 地形以黄土丘陵为主次为黄十粱峁、基岩山区和黄河阶地，本区 最高峰为甘砖人粱，海拔2 9 9 0 多米，最低处为黄诃谷地，海拔在1 5 0 0 米，阶地与干沟发育， 平均海拔一般在2 0 0 0 米左右。相对高科为1 4 4 0 水。 本厩自然环境的基本特点：黄十分布较。，基岩多沿沟出露，降水集中在7 9 三个月， 水系淘谷发育，位于青藏莉原和黄十高原的交接地带，复杂的地质构造，不良的岩土性质， 不利的地貌地形条件，典型的人陆气候，滑坡和泥石流灾害的高发，斜坡稳定性差，区域工 程地质条件极为复杂，是我国滑坡署泥= f _ i 流高发区之一。 8 兰些查兰型耋堡尘耋堡篓塞 2 自然地理 2 1 气候特征 域地处中纬度人陆内部，为温带半干早大陆性季风气候，其特点是冬季受蒙古高压控 制盛行两北风造成极地寒流南侵，气候干冷，夏季受火陆低气压控制盛行西南风，太平洋 热带气团可以抵达本区气候相对湿热为季风气候，但由于距海较远，太平洋热带气团到本 医强度减弱，大陆性增强，阅此为火陆性季风气候区。 墨3 0 熹2 0 矍1 0 逝0 一 降水景多年月际变化 二 一。目凰 234 幽2 2 兰州地区降水量季。仃分配表( 1 9 5 卜1 9 8 5 年统计资料) 夏季的东南季风是本区水气的主要来源，但到达本区已经是强弩之末了，年平均降水量 仅3 2 7 7 m m 。而累计资料显示降水的年际变化人，根据3 0 年累积资料计算，最犬年降水量 为5 4 6 7 m m ( 1 9 7 8 ) ，而最小年降水鬣为1 8 9 2 r a m ，前者为后者的2 9 倍。降水年内又很集 中，从圈2 - 2 可以看到降水主要在7 、8 、9 三个月因此本区极易发生旱涝灾害。但是滑坡 发生与降水总量之间的芙系不是很明确。 据兰州中心气象台3 0 年的统计资料本驭域年平均气温为9 1 度，最冷为一月份，月 平均气温为6 9 度，最热为七月份月平均温度2 2 2 度。气温有较高的年较差和日较差突 出的反映了本区的人陆性气候特点，地面最人冻+ 深度以一月份最高，为1 0 3 c m ，地面平均 冻结日期为1 1 月2 9 曰，解冻日期为2 月5 日。 2 2 水系特征 主干河流为流过市区的黄河，兰州地区虽有黄河过境，但由于降水少，蒸发强，地表的 组成刹i i 水份渗透，一般地表径流只有5 - 1 0 m m 。沟谷多为暂时性流水，到雨季才有常流水， 特别是暴雨和火雨的天气，而雨季一过即臼行断流。本区南部是基岩山区。植被蓄水条件好， 较大的河流常年有水流分布。 2 3 植被土壤类型 本区自然植被以荒漠草原为主由多年早生丛生的禾草、早生灌木和小半灌木组成。由 于生态环境恶劣，植被往往草群低矮、稀疏，区域内总覆盖度仅为1 5 - 2 0 。南部由于水 9 兰州大学理学硕， j 学位论文 分条件好植被茂盛。区域内土壤类型主要以灰钙十为主，其次有少量的黑垆土和灰褐土，灰 钙十主要发育在荒漠草原植被下，十层瘠薄，有机质含量少。 2 4 地形地貌 兰州地区的地形由黄十丘陵区、黄十梁区、基岩山地区和黄河河谷区四大地貌单元组成。 本区内黄土广布，基岩多沿沟出露。其中一、二级阶地分布最厂。海拔高度在1 5 1 0 m 1 5 2 5 m ， 阶地地面平坦，兰州市区主要就在这两个阶地上。二级阶地之上的三、四级两级阶地黄土覆 盖层较薄，一般在当地居民中三级阶地称为坪，称四级阶地为台。坪和台可以提水灌溉，是 兰州地区解放以j l 亓主要的农业区。五六级阶地上覆盖的黄士层较为厚，达二、三百米，由于 流水豹强烈切荆件埘，形成了黄土梁峁地形。以黄河谷底为界北部为黄土丘陵区，山体低 矮，沟宽坡缓，相对高度在2 0 0 m 以f 。 基岩山地区，分布于研究区南部，海拔相对较高，以七道粱为代表，平均海拔在 2 0 0 0 m 2 5 0 0 m ，该区以南的临洮盆地山坡较缓，坡度一般在3 0 度以下。而滑坡多分布于该 区域的砂砾岩中，v 字形沟谷较多，切割深度人，陡崖危石屡见不鲜，因此基岩滑坡多分布 于此。 黄十粱区，分布丁黄河以南与基岩山区相接的过渡地带区区域内的黄土厚度一般在 2 0 0 m 以上，黄十粱区的最人特点是落水洞发育，易引起黄土滑坡和坍塌因此区域内的滑 坡分布与黄 ：自身的条件有关。 黄河河谷区：兰州是黄河上游一系列的串球状盆地中较大的一个，分为西盆地和东盆地。 该区域由黄河的穴级阶地缀成，阶地区成二元结构，区域内滑坡少。只有在冲沟切割的部分 地方，产生一些小璀的滑坡。 黄十厅陵区：黄河河谷区以北为黄十斤陵区，本区地形以该种地貌为主，海拔高度较低 一般在2 0 0 0 m 以f ，坡度平缓，一般坡度在2 0 3 0 度之间，地f 水不发育，年降水量少， 一般滑坡不发育，经k 期耕种已改造为平整的梯状坝地。仅在沟谷切割强烈或者人工开挖处 造成一一些黄七坍塌。魁2 - 3 为研究d e m 叠加t m 全色波段匿像( t 5 m 分辨率) 后战地貌 单元平滑坡点分布陶。 o 兰些查耋登兰丝圭耋竺兰銮 幽2 - 3 研究区地貌单元雨l 滑坡分布图 从剀上滑坡的分布集中程度可以看出，南部的基岩山区和黄土粱区坡度较陡峭而且滑坡 分布较为密集，北部的黄士匠陵区坡度平缓而且滑坡的分布分散。 2 5 研究区地质构造 本区经历了加里尔、印支、燕山、喜马拉雅山等备期造山运动，构造形态十分复杂，第 三纪以来。垂直升降构造运动强烈，受到- i l ：i l 两向和北西西向区域构造控制，该区域内的滑 坡分布情况通过第四章中的滑坡分布密度图分析说明，区域内的滑坡受到构造断裂以及岩层 分界的强烈影响。 2 6 地震影响 兰州地区所在的天水一兰州地震带是我国著名的地震活动区，区域内发生过较高烈度 的地震8 次。据历史记载，兰州地区最人的地震是1 1 2 5 年7 级地震，震中烈度为9 度，兰 州大型滑坡密集带分布的方向、范嗣和老滑坡规模与这次地震的极震区方向、范围相一致。 3 社会经济环境 3 1 人口 兰州作为n 部地区重要的中心城市，随着城市化的进一步发展，其人口从5 0 年代以来 一直处丁较高的增| 王= 状态近2 2 年的年平均增长率为8 2 6 。据统计其城市人口从1 9 9 0 兰州大学理学硕士学位论文 年的2 5 0 万到2 0 0 2 年增加剑3 0 0 万。随着人口增k 。耕地减少，仅仅2 0 0 2 年一年就减少耕 地1 8 4 0 0 亩。 3 2 交通建设 经济的发展，带米大量的人地关系问题该区域内最显著的影响就是交通作为西北地 区交通枢纽的兰州，其交通发展，尤其是高速公路和铁路等基础设施建设需要开挖大量的地 表区域，这也是滑坡等地质灾害发生的一个重要影响因子。 4 研究区滑坡分布的空间格局 将研究区域划分为1 0 0 0 m 1 0 0 0 m 的网格，如图2 - 4 1 | | l 卜h 一斗斗斗一；li 10 ，f 1 一 l l f |， li 。： i f - i 、 【i _ 1 i 川f i 、。 o l i 一j ， 一 】i “ ，一， j 一 j 卡i j ：0 1 t 11 un l r f l m l 。】r j l“ 4 _ 0 1 。 f ：j - 一 ， 一一一一一 i ：- ”“ tj 一二 ， 1= i 7 rl f ， 。 r l1， r li一一- 一 j ， 1 l -1 - 。 - 1i 一i 1 ；l ；lt j + i + l 1 1】i -； 1 i1 w 睾s = 1 - l _ _ * * 幽2 - 4 研究医滑坡空间分布栅格图 计算图中单元个数和游坡频率的关系得出表从而得出全区域滑坡灾害发生的空间分布 图如幽2 - 5 。表2 一l 中，其中滑坡的个数为l l o 的个数明显。 表2 - l 以1 0 0 0 m * l o o o m 网格统计的滑坡频率与单元个数( 共有滑坡栅格3 6 6 5 4 个) 滑坡个数 l l o | j 2 02 i 3 03 i q o4 l 6 05 】- 7 0 7 卜一9 0 9 卜一i l l 2 0 l 1 1 nn n 单元个数 1 4 49 35 j3 82 63 11 61 4 4 44 7 2 兰些查耋些兰罂兰兰竺篁兰 从表2 - l 和图2 - 5 中可以看出，研究区的滑坡主要集中四个区域。分别位于兰州市区周 围的皋兰山北坡、两f 叫以南山区、黄河以北黄十匠陵滑坡区以及七里河南部山区。 图2 - 5 中，滑坡灾害集中分布在七个密度椭圆范周内，从圈上看出这些密度椭圆的轴向 为北两两和北北两向分布滑坡分布与区域内北北柏和北西西向的断裂分布大体一致。说明 地质构造尤其是断裂分界季勾造对于滑坡的分布有根重要的作用构造影噙将在第四章中应用 g i s 缓冲区进一步分析。 幽2 5 研究区滑坡空间分布密度豳 耋竺查耋竺兰丝! ：耋兰兰兰 1 工作环境 第3 章工作流程与数据预处理 1 _ 1 硬件环境 本文所用硬f l ：i b mn e t v i s t aa 6 0 ( i n t e lp e n t i u m1 1 i8 0 0 m h zc p u ，内存2 0 0 m b ，硬盘 6 0 g ) 。i b me 7 41 7 英寸彩色显示器。c o n t e xf s c 6 01 0 a 0 幅彩色扫描仪i - i p l a s e r j e t5 0 0 0 l e p e c 6 激光打印机。w i n d o w s2 0 0 0 局域网，h p n e t s e r v e rl h 6 0 0 0 服务器。 1 2 软件环境 本文所用软什系统主要有： 操作系统：m i c r o s o f t 。w i n d o w sn t 2 0 0 0 专业软件：e s r i 。a r c g i s 9 0 版，e s r 陬r e v i e w 3 3 版包含以下空间分析模块：s p a t i a l a n a l y s t ，3 da n a l y s t 和n e t w o r ka n a l y s t 。r s f f 的r i v e r t o o l s2 4 版。 统计软件：m i c r o s o f te x c e l2 0 0 3 ，s p s s1 2 0 版 2 工作流程 2 1 数据准备 以a r e g i s 为g i s 平台，在全面收集和分析大量的资料数据的基础之上，结合以前的室 内和室外研究结果，建立起该区域的基丁a r c g i sw o r k s p a e e 的空间数据库，包括了地质( 地 层年构造) 、地形、水文、交通等各种影响因子数据。主要数据简单分为滑坡因子数据( 包 括了内在因子和外在激发阅于) 和滑坡空间分布数据。 2 2 数据处理的流程 滑坡灾害的影响闲索很多，由丁受到本文收集到资料内容的限制，本文主要针对以下数 据进行分析研究，士要任务就是： 1 滑坡影响因子的信息提取 d e m 建立井臼动提取地形因子：降水数据的获取及处理降雨因子尤其是暴雨对滑坡 的影响十分重要。本文将暴雨的频次转换成年均暴雨天数来输入模型计算。 2 建立滑坡灾害的信息量模型 采_ = l 概率论的信息封法模型，将本文确定的再个分析因子的栅格图层输入a r c g i s 分 别计算每个栅格层对滑坡贡献的信息鼙，将得到的滑坡发生信息量贡献率进行累加，并得出 信息黛法滑坡敏感性分布剀。 3 建立滑坡灾害的逻辑回归模型 4 兰州大学理学硕：i ：学位论文 采 ； = | 统计分析的方法，利圳二二项逻辑回归计算出区域内各个影响因子和滑坡发生二项值 ( 历史上有滑坡灾害棚格为1 ，反之则为o ) 之问的相关系数值，通过得到的回归系数多项 式以及逻辑同归变换计算出各个单元的预测值，该值在。到l 范围内，从而得到逻辑回归法 滑坡分布的敏感性分布圈。 3 数据说明 滑坡有其特有的属性特征、方法及事什特征。滑坡空间数据库既包括其空间位置信息。 也包括其属性特征，属性特征实际上是滑坡危险性评价指标。在a r c g l s 平台上建立了g i s 滑坡数据库，对丁研究区域内数据资料的管理和充分利川，并进行滑坡评价有着及其重要的 意义。 3 1 本文中的数据源说明 本项研究；l ；l 的主要数据源有：研究区l ：5 0 ，0 0 0 地形图数字化得到的数字高程模型 ( d e m ) ；研究区影响范围内3 1 个站点的多年( 1 9 5 i 一1 9 8 5 ) 日降雨量数据和暴雨数据： 研究暖l ：5 0 0 ，0 0 0 数字化地质图数据；研究区1 ：1 0 0 ，0 0 0 交通道路网络数据( 根据2 0 0 4 年甘 肃省高速公路图集更新) ：2 0 0 0 年1 ：5 0 ，0 0 0 兰州市水文地质数据。本文部分数据来自于1 9 9 0 年由甘肃省科学院完成的兰州市滑坡泥石流抗震防灾规划报告。 本文中的所有数据都以a r c g i s 的栅格币i 久鼙结构进行存储。不同格式的数据最终转换 成同一投影