賴增偉,李宗文,陳成偉

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交通設(shè)計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

公路的地質(zhì)災(zāi)害多種多樣,諸如滑坡、崩塌這樣的常見危險事件已嚴重威脅人民生命和國家財產(chǎn)安全。近年來,由于我國在偏遠山區(qū)、中西部地區(qū)加快公路的建設(shè),因此會經(jīng)常突發(fā)一些地質(zhì)災(zāi)害事件。這些突發(fā)情況會導(dǎo)致工程受到破壞,并嚴重影響當?shù)氐陌l(fā)展和自然環(huán)境。類似公路建設(shè)這樣的大工程,在其整個生命周期中,對其周邊地質(zhì)情況進行一系列的危害風險評估是十分有必要的,同時也有助于國家應(yīng)急管理部防災(zāi)減災(zāi)工作的具體落實。

廣西位于我國的西南邊陲,其地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,環(huán)境脆弱。受氣象因素影響,一些滑坡、周圍地質(zhì)松動造成的崩塌、雨水造成的泥石流,還有一些巖溶破壞和膨脹土等意外的地質(zhì)風險災(zāi)害的發(fā)生,對交通的正常運行和施工建設(shè)造成了嚴重影響[1-2]。根據(jù)2018年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,在廣西總面積的96.65%屬于易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域[3],其中高、中易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域達到了42.3%。根據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2019-02-20,全廣西境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點登記的數(shù)量達10 704處,其中,容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的村落有5 742個,受到災(zāi)害威脅的潛在對象主要是住在易發(fā)點附近的居民以及附近的工礦企業(yè)、學(xué)校等。

針對地質(zhì)災(zāi)害方面的危害測評當前還是以實際資料搜查和相關(guān)人員實地環(huán)境勘察為主要手段,然而,如滑坡、泥石流、山體崩塌這樣的災(zāi)害,其形成的機理因素較多,搜尋相應(yīng)的有效資料和指標量是十分棘手的。所以,這類手段只能對單獨的施工工況點或某一部分區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進行危害性指標評估。而建設(shè)公路是線性形式的交通工程,不僅里程數(shù)長,而且地勢元素和環(huán)境有差別。對此,經(jīng)常通過遙感數(shù)據(jù)來傳遞信息,用于輔助傳統(tǒng)的實地勘察的手段。目前,高分遙感技術(shù)是一種前沿技術(shù),能夠全面準確地對所觀察地區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測。此外,利用高分遙感的數(shù)據(jù)來解釋和判斷地質(zhì)信息,有助于對災(zāi)害進行潛在識別和定性分析。然而,這方面的定量化分析方法還很欠缺,對于較大區(qū)域以及不同種類的災(zāi)害識別與定量分析是遠遠不夠的。

結(jié)合上述分析,本文通過高分遙感圖像數(shù)據(jù),對諸如山體滑坡、崩塌等公路地質(zhì)災(zāi)害進行潛在識別和定性分析,同時進行關(guān)鍵信息的摘取和量化計算,構(gòu)建合理的災(zāi)害風險評估模型,并以某公路建設(shè)工程為例,評估該工程區(qū)域內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的可能性。

1 高分遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是一種新興的勘測技術(shù),是指可以通過超遠距離感知目標反射或自身輻射的紅外線、電磁波,并且可以對一些特定的目標進行觀測和識別的技術(shù)。如航空攝影就是一種非常典型的通過遠距離拍攝和感知目標的技術(shù),即屬于遙感技術(shù)的一種。在遙感技術(shù)的整個發(fā)展歷程中,航空航天技術(shù)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用,特別是越來越多的衛(wèi)星發(fā)射升空,推動了遙感技術(shù)的快速發(fā)展,使遙感技術(shù)逐漸豐富起來。遙感系統(tǒng)核心的部件就是遙感器。遙感器的種類有很多,如成像用的光譜儀、電視攝像機、用于合成的孔徑雷達、普通的照相機以及多光譜掃描儀等器件[4]。傳輸設(shè)備的主要功能是將遙感信息從衛(wèi)星等遠距離平臺傳送至地面站,而常見的信息處理設(shè)備有數(shù)字圖像處理機、彩色合成儀等。

因為高分遙感的數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星獲取的高清圖像數(shù)據(jù),所以其來源稀缺且很有價值。其獨特的優(yōu)勢在自然資源的勘測調(diào)查、大規(guī)模農(nóng)業(yè)的耕種管理以及規(guī)范化的城市管理,甚至在軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用[5]。在自然環(huán)境的勘察調(diào)查中,由高分遙感獲取的數(shù)據(jù)可以支撐國有山地土地的合理利用調(diào)查、礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)、大氣環(huán)境污染的監(jiān)測排查、突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害和應(yīng)急管理調(diào)查等。

2 基于高分遙感技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風險評估模型構(gòu)建方法

基于高分遙感技術(shù)的評估原理為:利用高分遙感的三維圖像信息數(shù)據(jù),構(gòu)建所要觀測地域內(nèi)高精度和高密度的數(shù)字地面模型(DEM),在此基礎(chǔ)上,選取與災(zāi)害相關(guān)的分析因子來進行量化分析;根據(jù)形成的數(shù)字正射影像(DOM),解釋并采集地質(zhì)遙感信息數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)探究災(zāi)害的形成機理、存在的區(qū)域特征;通過篩選的評價因子來解析地質(zhì)災(zāi)害危害性的隨機森林模型,達到危害性評估的目的。整套評估原理流程如圖1所示。

圖1 評估原理流程圖

2.1 確定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子

發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害不是單一因素所能決定的,其本身是眾多內(nèi)在的地質(zhì)因素和外部自然環(huán)境因素的合成效應(yīng)。諸如山體滑坡與崩塌等這類公路地質(zhì)災(zāi)害,因其周邊的地形地貌較為復(fù)雜,因此導(dǎo)致災(zāi)害的原因多種多樣。如何選取準確的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子,是公路地質(zhì)危險評估的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過對公路地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)因素及外部因素進行研究,結(jié)合遙感數(shù)據(jù)光譜和空間特征,建立致災(zāi)因子的遙感定量表達方法,實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害影響因素的遙感定量表示及定量分析。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)有研究成果,選擇地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件、地表覆被、大氣降雨等因素作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性關(guān)鍵控制因子,具體如圖2所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害影響因子構(gòu)成示意圖

具體的選取流程為:

(1)利用高分遙感影像提取表征水文信息的水系距離和濕度指數(shù)因子,以及表征地表覆蓋信息的植被指數(shù)和土地利用信息,對多種指數(shù)進行統(tǒng)計分析,選擇最佳的表征土壤濕度等的遙感指數(shù)。

(2)利用所研究區(qū)域的重要數(shù)據(jù),如地質(zhì)圖的數(shù)據(jù),提取出有效信息,特別是跟地質(zhì)有關(guān)的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的有用信息。

(3)通過有用的DEM數(shù)據(jù),提取有價值的地形特征信息,如坡度、坡度方向以及斜坡形態(tài)結(jié)構(gòu)等信息。

2.2 評估因子的尺度轉(zhuǎn)化

評估因子通過在空間、時態(tài)、語義、尺度、關(guān)系的變換,可以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的時空基準統(tǒng)一。同時地質(zhì)災(zāi)害評價因子數(shù)據(jù)類型、取值范圍和量綱的不一致,會降低模型訓(xùn)練的速度。所以,通過極差標準化的方法,對所選取的連續(xù)型評價因子,先進行歸一化處理。而一些離散型的評價因子,要根據(jù)解析出來的滑坡柵格單元中的各因子屬性,分析出其所占的比例,然后再利用極差標準化方法對各因子屬性的權(quán)值進行歸一化處理,將歸一化的影響因子進行柵格化,通過尺度轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一像素大小的柵格數(shù)據(jù)。尺度轉(zhuǎn)化流程如圖3所示。

圖3 尺度轉(zhuǎn)化流程圖

2.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估模型構(gòu)建

2.3.1 評估模型原理

本文基于獲取的地質(zhì)災(zāi)害影響因子數(shù)據(jù),采用隨機森林模型(Random Forest,RF),選擇相同數(shù)量的兩組樣本數(shù)據(jù),一組為已經(jīng)發(fā)生過地質(zhì)災(zāi)害,另一組為未發(fā)生過地質(zhì)災(zāi)害,構(gòu)建研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性風險評估模型,并利用新的樣本數(shù)據(jù)對模型進行優(yōu)化。結(jié)合實時氣象信息,生成研究區(qū)的災(zāi)害易發(fā)性風險評估結(jié)果圖,再結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),確定地質(zhì)災(zāi)害的高風險區(qū)域。

隨機森林算法是由決策樹算法發(fā)展而來的,兩者密不可分。隨機森林算法的原則為:依照bootstrap重復(fù)采樣策略,在不同組別的樣本數(shù)據(jù)中,隨機并集中選擇子樣本;重復(fù)該操作得到樣本集,利用該樣本集單獨生成決策樹;決策樹組成森林即可對樣本進行預(yù)測和分類;分析決策樹的結(jié)果,就可知道樣本的不同類別(見圖4)。

圖4 隨機森林算法示意圖

如圖4所示,RF的內(nèi)在原理是對決策樹的算法進行完善,利用各自單獨的樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生的決策樹,分析推理出分類或回歸的模型。另外,RF還有一個優(yōu)勢,就是也適用于不平衡的樣本集合,同樣能針對大量的數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測。目前CART模型是隨機森林中決策樹常用的算法模型,模型建立過程中,采用的分裂屬性為基尼指數(shù)(Gini Index),其定義為:

(1)

式中:T——N個類別的樣本集合;

pi——類別j的頻率。

如果把集合T劃分為T1(樣本數(shù)N1)子集和T2(樣本數(shù)N2)子集,劃分后的集合用Gini可表示為:

Ginisplit(T)=N1/NGini(T1)+N2/NGini(T2)

(2)

在整個決策樹構(gòu)造中,選取樣本集合劃分的分裂屬性的規(guī)則是:選擇具有最小Ginisplit值的屬性。分裂值確定的前提必須是每個屬性變量都進行運算。

2.3.2 RF模型的易發(fā)性預(yù)測評估

本文對廣西境內(nèi)某公路區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境進行易發(fā)性預(yù)測評估。選用RF模型和Matlab仿真平臺,通過bootstrap法從原本的訓(xùn)練樣本集合里,有放回地抽取500個新的樣本數(shù)據(jù)集,由此得到500棵決策樹,其他沒有選中的樣本數(shù)據(jù)就形成了500個袋外數(shù)據(jù)。而每一棵樹的節(jié)點由4個特征值構(gòu)成,這些值是從12個分裂屬性集合中抽取獲得的。通過這些節(jié)點的參數(shù)值,再代入RF模型函數(shù)里,即可求解出已訓(xùn)練的模型。對該模型進行測試驗證,通過測試的集合數(shù)據(jù)可以得到實際分類結(jié)果與預(yù)測分類結(jié)果,如圖5所示。根據(jù)預(yù)測結(jié)果,縱坐標表示為災(zāi)害點的分類器數(shù)量,橫坐標為非災(zāi)害點的分類器數(shù)量。

圖5 預(yù)測模型精度示意圖

結(jié)果表明,56個樣本數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了3個預(yù)測錯誤,說明該易發(fā)性預(yù)測模型的精度為94.6%。同時也證明了基于RF的方法適用于廣西地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害評價分析,并能夠展示出有效的預(yù)測能力。

3 地質(zhì)災(zāi)害危險定級

在對公路工程地質(zhì)災(zāi)害完成危險性評估工作后,需要對其開展定級工作,以便能夠根據(jù)其級別完善應(yīng)急處置方案。在此過程中,要始終遵循我國自然資源部出臺的《縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》文件內(nèi)容,而且還需要對地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的損失進行預(yù)測分析。有關(guān)分級細則見表1。

表1 地質(zhì)災(zāi)害分級評價表

根據(jù)表1可以將公路工程地質(zhì)災(zāi)害分為極度危險、高度危險、較穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)4個等級。相關(guān)人員需要以立體衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),利用測量評估法等地質(zhì)遙感解譯方法,對項目的地質(zhì)構(gòu)造信息、地形的地貌信息、滑坡現(xiàn)象以及其他不正常的地質(zhì)地貌信息進行數(shù)據(jù)采集,分析其災(zāi)害分布規(guī)律以及區(qū)域地質(zhì)環(huán)境,以便能夠確定其災(zāi)害等級,及時采取針對性的預(yù)防對策。廣西某公路工程項目存在以下幾點規(guī)律:

(1)在本項目所選區(qū)域中,存在部分疏松堆積物覆蓋底層,類似山體滑坡和崩塌的災(zāi)害危險,很有可能出現(xiàn)在泥盆系地層的被覆蓋區(qū)域,所以,像這種類型的地方發(fā)生地質(zhì)性災(zāi)害的概率不是很高。

(2)在公路工程的生態(tài)景觀區(qū)域,因為植被覆蓋、茂密生長等關(guān)系,有關(guān)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害等發(fā)生概率極小。

(3)由坡度、坡向、坡長因子所導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害,在本項目當中主要表現(xiàn)在坡度為35°～52°、坡向為165°～195°、坡長為10～50 m時,易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

總體來看,本公路工程項目中處于穩(wěn)定區(qū)的項目面積占總面積的65.2%,較為穩(wěn)定的區(qū)域占總面積的14.6%,而高風險的區(qū)域占總面積的18.2%,極度風險的區(qū)域占總面積的2%。

4 防治措施

4.1 加強遙感技術(shù)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的全面監(jiān)測

要對公路工程地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)防,需要合理借助遙感技術(shù)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進行全面監(jiān)測,將遙感技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)信息及時上傳給相關(guān)數(shù)據(jù)庫,對有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害體的危險性及涉及范圍進行分析。如實時監(jiān)測的動態(tài)過程中及時發(fā)現(xiàn)了動態(tài)險情變化,必須在第一時間將其情況反饋給相關(guān)職能部門,并采取科學(xué)合理的治理對策,提高公路工程地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置效率。

4.2 加強地質(zhì)災(zāi)害的防治宣傳工作

針對公路工程地質(zhì)災(zāi)害防治工作,除了相關(guān)部門的監(jiān)測工作之外,還需要人民群眾的大力支持,促使人們從思想上重視山體、綠植的保護工作,意識到亂采濫挖對環(huán)境造成的嚴重影響?；诖?有關(guān)部門要做好地質(zhì)災(zāi)害防治宣傳工作,通過印發(fā)防治宣傳手冊及深入基層定期開展宣傳工作等方式,提高人們對地質(zhì)災(zāi)害的警惕性,以便在日常生活中一旦發(fā)現(xiàn)異常情況能夠及時上報并撤離,為保障自身生命財產(chǎn)安全及工程的安全打下堅實的基礎(chǔ)。

4.3 結(jié)合實際有效開展地質(zhì)災(zāi)害治理工作

在該公路工程中,極度危險區(qū)域占總面積的2%,針對這2%的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū),有關(guān)工作人員要認識到其地質(zhì)安全隱患,結(jié)合實際情況,合理有序地開展地質(zhì)方面的治理工作,消除該公路工程項目中的地質(zhì)災(zāi)害體,避免因相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害造成生命財產(chǎn)安全問題。處于該公路工程陡坡下的居民區(qū)要盡快撤離,對于筑路建房等建設(shè)活動也要定期開展勘探工作,相關(guān)施工一定要遠離危巖體,防患于未然方可避免地質(zhì)災(zāi)害。

4.4 合理設(shè)置公路工程避險設(shè)施

針對公路工程中易發(fā)生泥石流、滑坡等災(zāi)害的區(qū)域要合理設(shè)置警示牌,提醒通行車輛及行人在此區(qū)域內(nèi)要快速通過不宜逗留。針對不穩(wěn)定的邊坡區(qū)域,要及時設(shè)置警示帶,禁止任何車輛及行人在此區(qū)域逗留休息。相關(guān)部門要做好巡檢工作,實時掌握危巖體的變化,以便有效避免安全事故發(fā)生。

5 結(jié)語

綜上所述,結(jié)合當前我國公路工程運行情況,在公路工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大的今天,有關(guān)工程涉及的地質(zhì)環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜。在此情況下,相關(guān)人員需要對公路工程區(qū)域極易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測評估,確定其危險等級,及時采取科學(xué)合理的防治措施,如加強遙感技術(shù)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的全面監(jiān)測、結(jié)合實況有效開展地質(zhì)災(zāi)害治理工作、加強地質(zhì)災(zāi)害的防治宣傳工作等,才能將安全事故扼殺在源頭,確保公路工程安全穩(wěn)定運行,保障人民的生命財產(chǎn)安全。