基于GIS的矿区地面塌陷危险性评价研究

本文以多金属矿区为研究背景，结合地质地形数据等相关 资 料 ，通 过 对 中 、高 分 辨 率 影 像 的 灾 害 解 译 和 野 外 调 查 取 得 了 研究区的地质灾害信息和分布情况，并建立了灾害评价模型和 指标体系，对研究研究区地面塌陷地质灾害进行了危险性评 价，得出以下结论。 ４．１ 地面塌陷的发生常伴有地裂缝，诱发崩滑，形成灾害链。通 过对研究区的遥感解译和野外调查，研究区共有地面塌陷 ３８ 处，面积已达 １６５．７５ 万平米，影响对象主要为居民地、林地、耕 地、矿坑，区内地面塌陷主要有岩溶塌陷和采空塌陷两种。 ４．２ 依据层次分析获得评价因子的权重，并对评价指标进行量 化取值，根据综合评价模型，运用 ＡＲＣＧＩＳ 空间分析功能，最终 得到研究区地面塌陷地质灾害的危险性评价结果，其中极危险 区、较危险区、一般危险区、稳定区的面积分别占研究区总面积 的 ３％、３％、３３％、６１％，评价结果与实际情况较为吻合。 参考文献： ［１］ 马寅生，张业成，张春山，等．地质灾害风险评价的理论与方法［Ｊ］．地 质力学学报，２００４，１０（１）：８￣１７． ［２］ 蒋小珍．基于 ＧＩＳ 技术的全国地面塌陷灾害危险性评价［Ｊ］．地球学 报，２００３，２４（５）：４６９￣４７４． ［３］ 王广成，闫旭骞．矿区生态系统健康评价理论及其实证研究［Ｍ］．北 京：经济科学出版社，２００６． ［４］ 蔡鹤生，周家国，唐朝晖．地质环境质量评价中的专家—层次分析定 权法［Ｊ］．地球科学，１９９８，２３（３）：２９９￣３０２． ［５］ 罗娟，陈守余．矿山环境质量评价指标体系及层次分析法评价［Ｊ］．安 全与环境工程，２００５，１２（１）：９￣１２． ［６］ 毛伟，如黑艳．基于 ＧＩＳ 与 ＡＨＰ 的金坪子滑坡危险性评价研究［Ｊ］．地 球与环境，２０１１，３９（３）：３９９￣４０４． 作 者 简 介 ：毛 伟（１９８４￣），回 ，工 程 师 ，主 要 从 事 地 质 灾 害 调 查 、评 估 及 ＧＩＳ 技术在地质灾害中的应用研究工作。
（Ａｗ）ｉ 为向量 Ａｗ的第 ｉ 个元素。
２．２ 地面塌陷评价指标权值计算
（７） （８）
２．２．１ 依据研究区地质灾害危险性评价体系中各指标的重要程
度，对已确定的评价因子进行两两比较，参考专家打分，确定它
们之间的相对重要性，进而运用层次分析法建立的判断矩阵和
求得的地面塌陷各级指标权值分配表见表 ２ 和表 ３。
３．新疆交通职业技术学院 乌鲁木齐 ８３００１１） 摘要：本文以 RS 和 GIS 为技术手段，通过遥感影像目视解译 和野外验证对研究区地面塌陷地质灾害点进行统计。在此基础 上 ，结 合 研 究 区 的 地 质 背 景 和 收 集 到 的 相 关 资 料 ，分 析 了 研 究 区地面塌陷地质灾害的发生机理，选取合理的地面塌陷危险性 评价指标因子，基于层次分析方法建立了地质灾害危险性评价 的 指 标 体 系 ，对 研 究 区 进 行 了 危 险 性 评 价 ，取 得 了 较 好 的 评 价 结果。 关键词：GIS；层次分析法；地质灾害；地面塌陷；危险性评价 中图分类号：Ｐ６９４ 文献标识码：Ａ
０．１５２
示各评价指标的权重，Ｉｉ 代表第 ｉ 个指标的量化分值。 ３．３ 地面塌陷危险性评价结果
从 公 式（９）看 以 看 到 ，危 险 性 指 数 其 实 就 是 将 多 种 评 价 因 子的叠加分析。叠加分析是 ＧＩＳ 技术的强大功能之一，它可以 将不同专题图层的属性数据叠加，产生综合结果。本文利用 ＡＲＣＧＩＳ 软件栅格数据的叠加分析工具栅格计算器，依据前面 求得的每个评价指标的权重和量化取值，计算出每个单元的综 合指数，得出研究区危险性分区结果见图 １。
研究区地处幕阜山脉北侧的边缘丘陵地带，地形以丘陵、
山地、平原为主，南部以山地为主，中部以丘陵、湖泊为主，北部
地形比较复杂，由山地、湖泊、丘陵组成，一般海拔高度为
１５￣６００ｍ 之 间 ， 在 丘 陵 龙 岗 地 形 地 带 ， 一 般 海 拔 高 度 为
４０￣２６０ｍ。山坡较陡，切割较深，地形复杂，植被发育。研究区位
层次结构，其中矿业开采活动，灾害点密度，地层岩性作为综合
评价的指标，定为一级因子；矿业开采活动中的开采规模、开采
方式、开采上限、开采深度、矿山企业的经济类型等为二级指标。
２．１．２ 构造判断矩阵。针对该矿区地质灾害影响因素的相对重
要性，经过多个专家多年的经验判断，对评价指标进行打分。基
于两两分值比较赋值，重要程度不同，赋予的值也不相同，详细
ｎ
Σ ＤＬ ＝ Ｗｉ ×Ｉｉ ｉ＝１
（９）
其中 ＤＬ 值越大，危险性越大，ＤＬ 值与危险性成正比。Ｗｉ 表
表 １ 随机一致性指标值
ｎ２
ＩＲ
０
３４５６７ ０．５２ ０．８９ １．１２ １．２５ １．３５
表 ２ 地面塌陷的判断矩阵及权值分配
地面塌陷
矿业开采活动 灾害点密度 地层岩性
矿 业 开 灾 害 点 地层岩性 Ｗ 采活动 密度
图 １ 地面塌陷危险性评价结果图
地 面 塌 陷 危 险 性 评 价 结 果 中 极 危 险 区 、较 危 险 区 、一 般 危 险区 、 稳 定 区 的 面 积 分 别 占 研 究 区 总 面 积 的 ３％ ，３％ ，３３％ ， ６１％。从图可以看到：高危险区主要分布在铁山区西部大片、金 山店镇南部和泽林镇东北部。较危险区主要分布铁山区东南部 大部分区域、还地桥镇东部和铜山口镇大部分区域。一般危险 区面积，占总面积的 ３３％，主要分布在矿区周边区域。稳定区面 积，占总面积的 ６１％，多分布在离矿区远的地方。 ４ 结论
素，ｕ１，ｕ２…，ｕｎ 关于其上层次某要素 Ｕｉ 的重要程度排序，即权 重 Ｗｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）。根据矩阵理论，Ｗｉ 是其判断矩阵最大非零特 征根对应的特征向量分量。可采用方根法或积法计算矩阵的特
征向量。
计算的具体过程如下：
ｎ
仪 ＇
ｉ／ｎ
ｗ ｉ ＝（ ａｉｊ） ，ｉ＝１，２，…ｎ
ｊ＝１
ｎ
Σ ｗ＇＝
Ground collapse; Hazard assessment
地质灾害危险性区划所反应的是某一地区地质灾害危险 性的相对程度，通常以危险性指数来衡量地质灾害的危险性。 ＧＩＳ 技术可以把控制地质灾害活动的各方面要素转化成量化 对比的指数，根据它们对地质灾害的控制方式和作用程度，建 立核算地质灾害危险性指数的数学模型，根据各单元危险性指 数 分 布 特 点 ，结 合 自 然 地 理 和 控 制 条 件 ，划 分 单 类 地 质 灾 害 或 综合地质灾害危险区及亚区，显示危险程度的分布与组合关 系，为进一步进行地质灾害风险评估提供理论基础［１，２］。本文采 用层次分析方法确定每种灾害类型的评价指标的权重，对各种 评价指标量化取值，最终计算危险性指数进行矿区地面塌陷危 险程度的区划。 １ 研究区概况
＇
ｗｉ
ｉ＝１
ｗｉ＝ｗ＇ ｉ ／ｗ＇
２．１．４ 判断矩阵的一致性检验。
（２） （３） （４）
计算一致性指标 ＩＣ：
ＲＣ＝ＩＣ／ＩＲ
（５）
式中 ＲＣ 为一致性比率。当 ＲＣ＜０．１ 时，认为不一致程度在
容许范围之内；而
ＩＣ＝（λｍａｘ－ｎ）／（ｎ－１）
（６）
式中 λｍａｘ 为一致性矩阵的最大特征根，ｎ 为成对比较的因
子的个数；ＩＲ 为随机一致性指标，其值由表 １ 确定。
毛伟等 基于 ＧＩＳ 的矿区地面塌陷危险性评价研究
·５３·
Σ λｍａｘ＝
１ ｎ
ｎ ｉ＝１
（Ａｗ）ｉ ｗｉ
ａΣ
Σ １１
…
ａ１ｎ
Σ
Ａｗ＝
Σ Σ
…
Σ
ａ … ａ ΣΣ
Σ ｎ１
ｎｎ
ｗ Σ Σ
Σ
ΣΣ １ Σ
ΣΣ
Σ
… Σ Σ
Σ
ΣΣ
Σ
Hale Waihona Puke Baidu
ΣΣ
Σ
ｗ ΣΣ ΣΣ
ΣΣ
Σ Σ ｎ１ Σ
相互间重要程度构成判断矩阵，通过计算判断矩阵的特征值与
特 征 向 量 ，确 定 该 层 次 指 标 对 其 上 层 要 素 的 贡 献 率 ，然 后 通 过
层次递接技术，求得基层指标对总体目标的贡献率 。 ［３－５］
２．１ 层次分析法赋权的基本步骤［６］
２．１．１ 构建评价体系的层次结构。依据研究目的，本文定位二级
１
３／２
５
０．５６５
２／３
１
７／５
０．２８３
１／５
５／７
１
０．１５２
表 ３ 矿业开采活动的判断矩阵及权值分配
开采 开采 开采 开采 矿山经 Ｗ 规模 方式 上限 深度 济类型
开采规模
１２１２
开采方式
１／２ １ １／２ ３／５
开采上限
１２１１
开采深度
１／２ １ ５／３ １
矿山经济类型 １／５ １／４ １／５ １／４
５ ０．２９０ ４ ０．１４４ ５ ０．２６５ ４ ０．２５９ １ ０．０４２
表 ４ 评价因子权重分配表
具体指标
权值分配
开采状况
开采规模 开采方式 开采上限 开采深度 矿山经济类型
０．２９０ ０．１４４ ０．２６５ ０．２５９ ０．０４２
灾害发生情况 灾害点密度 １
地理环境
地层岩性
１
因子权重 ０．１６４ ０．０８１ ０．１５１ ０．１４６ ０．０２７ ０．２８３
２．２．２ 因子权重的确定。根据表 ２ 和表 ３ 建立的矩阵数据，可得
地面塌陷评价因子的权重分配表见表 ４。
２．２．３ 权重指标一致性检验。对地面塌陷指标层进行一致性检
验，ＩＣ＝０．０３，ＲＣ＝０．０２＜０．１，满足一致性检验。对矿业开采指标层进 行一致性检验，ＩＣ＝－０．００５６，ＲＣ＝ －０．００４０＜０．１，通过一致性检验。 ３ 评价模型及评价结果
·５２·
国土与自然资源研究
ＴＥＲＲＩＴＯＲＹ ＆ ＮＡＴＵＲＡＬ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＳＴＵＤＹ
２０１４ Ｎｏ．３
文章编号：１００３－７８５３（２０１４）０３－００５２－０２
基于 ＧＩＳ 的矿区地面塌陷 危险性评价研究
毛 伟 1，陈海莉 2， 如黑艳·木合买尔 3，贺 强 1
（１．新疆地质环境监测院 乌鲁木齐 ８３００００； ２．青海省基础地理信息中心 西宁 ８１０００１；
Research on the Hazard Assessment for Ground Collapse in Mining Area
Based on GIS
MAO Wei et al (Xinjiang Institute of Geo-Environment Monitoring,
Urumqi 830000, China) Abstract: Based on RS and GIS techniques, this article makes statistics on geological disasters areas in study area through Visual interpretation of remote sensing image and field verification. On this basis, geological background of the study area is combined with the collected relevant information to analyze the occurrence mechanism of geological disasters happened in ground subsidence area. Reasonable hazard assessment factors are selected. Geologi－ cal hazard assessment index system is created based on analytic hierarchy process, which leads to a risk assessment on the study area and achieves good results. Key words: GIS; Analytic hierarchy process; Geological hazard;
３．１ 评价因素的量化取值
根据危险性评价原则和相关文献，将地面塌陷危险性等级
划 分 为 Ⅰ（最 危 险）、Ⅱ（较 危 险）、Ⅲ（危 险 性 较 轻）、Ⅳ（稳 定）
四级，地面塌陷评价因素的量化取值如表 ５。
３．２ 地面塌陷危险性评价模型
危险性评价采用危险性指数作为评价模型，对各评价因子
进行综合分析。具体公式如下：
信息如表。将层次结构模型每两个元素间的相互比较的重要度
构成矩阵 Ａ：
Ｆ１１ Ｆ１２ … Ｆ１ｍ
Ａ＝ Ｆ２１ Ｆ２２ … Ｆ２ｍ Ｆ３１ Ｆ３２ … Ｆ３ｍ
（１）
Ｆ４１ Ｆ４２ … Ｆ４ｍ
其中，Ｆｉｊ 表示 Ｆｉ 对 Ｆｊ 的相对重要性数值，运用 １￣９ 标度法 来进行判断。
２．１．３ 计算要素权重向量。在判断矩阵基础上，就可计算一组要
于扬子地台褶皱带的鄂东南褶皱束内，受长江中下游燕山期构
造岩浆活动区控制，是长江中下游成矿带的一部分。该区成矿
地质作用是下扬子地台褶皱带和相邻构造单元壳幔以及深断
裂在长期复杂的地质演变过程中所产生的。
前期通过 ＧＩＳ 手段对研究区的遥感影像进行目视解译和
野外验证，最后确定研究区有 ３８ 处采空塌陷区，塌陷总面积已
达 １６５．７５ 万平米。研究区内采空塌陷区大部分由铁矿、铜矿、
煤矿的长期地下开采引起的，另一部分是由于岩溶地区花岗
岩、水泥用灰岩、石灰岩露天开采形成临空面所引起。
２ 基于层次分析法评价因子权重计算
根据层次分析法基本原理将要识别的复杂问题分解成若
干层次，然后由相关专家对每一层次上的各指标通过两两比较