2021地理设计组一等奖：基于Arcpy与综合指标法的地质灾害风险评价——以临安清凉峰为例

小组编号：B77（一等奖）
作品名称：基于Arcpy与综合指标法的地质灾害风险评价——以临安清凉峰为例
作者单位：浙江农林大学环境与资源学院
小组成员：王琛，裴文杰，王恒哲，张静怡
指导老师：陈永刚

作品视频

作品简介

1 设计思想

1.1  作品背景

随着我国社会经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，自然灾害防治成了保护人民生命财产安全的一项重要工作，其中地质灾害防治具有重要的地位。目前，浙江省“除险安居”三年行动已宣告全面完成，地质灾害防治工作进入了新时期，一批批已知地质灾害隐患点虽已基本得到消除，但那些突发性、偶然性较强的潜在地质灾害隐患点仍然在一定程度上对人民群众的生命财产造成了巨大的威胁。传统的地质灾害风险评价往往存在隐患识别难度大、精细化管理不足等问题，而基于Arcpy与综合指标法结合空间信息技术的地质灾害风险评价不但能够快捷、全局地反应分析区域地质灾害易发情况以及预测在不同工况下的灾害风险范围，更能够实现调查成果的信息化与精细化管理，在有利于人们前瞻性地避免生命经济损失的同时，也保证了数据的科学管理，评价结果的高效生成，因此开展基于Arcpy与综合指标法的地质灾害风险评价具有重要意义与社会价值。

1.2  研究区域介绍

作品以地处浙江省杭州市临安区西部的清凉峰镇为评价区域，区域内总人口约为27万人，地形以低山丘陵为主，其中境内最高峰为清凉峰，海拔可达1748米，属于国家自然保护区。在气象方面，由于受到亚热带季风气候以及特殊地形的影响，区域内大明山一带成为春季暴雨、梅汛期暴雨和强对流暴雨中心，这也使得每年的5-9月成了该区域地质灾害的高发期。在短时强降水的作用下，地质灾害一旦爆发，将严重威胁到境内清凉峰自然保护区、大明山风景区以及村镇居民的日常生活与财产安全，因此开展关于清凉峰的地质灾害风险评价是必要的。

2 功能方法

2.1  地质灾害风险评价

2.1.1  易发性评价

易发性是指一定区域内孕灾地质条件所控制的地质灾害发生的可能性。本项目使用综合指标法进行地质灾害的易发性评价分析，评价公式为

其中为第i个评价单元易发性综合指数，为第i个评价单元第j类指标权重，为第i个评价单元第j类指标赋值。根据《浙江省县（市、区）地质灾害风险普查与乡镇（街道）地质灾害风险调查评价工作方案》，并结合相关学术文献与实地考察，本次易发性评价选取了坡度、坡向、坡形、高差、与沟谷间距离、与构造间距离、岩性与岩土结构、5至9月平均降水、植被覆盖度共九个评价指标，按规范与专家建议设置权重与指标赋值最小评价单元采用根据水文分析法得到的斜坡单元，通过一系列GIS空间分析工具对指标数据进行赋值打分，利用分区统计与字段计算器计算各评价单元易发性情况， 将易发性评价结果划分为极高易发、高易发、中易发和低易发四个等级。采用历史灾害统计验证法对结果进行检验，通过GeoScene可视化表达生成清凉峰地质灾害易发性评价结果图。

2.1.2  危险性评价

危险性是指在某种诱发因素作用下，在一定地区某一时间段发生特定规模和类型地质灾害的可能性。本项目在易发性评价结果的基础上，增加了降雨工况作为地质灾害的诱发因素，以危险性指数法为评价方法并按照危险性划分等级表，编制不同工况下的地质灾害危险性评价图。危险性指数法计算公式为

其中为第i个评价单元危险性指数，和分别表示第i个评价单元易发性指数和综合指数法计算易发性所能求得的最大值，这里为5；而是根据极值降雨假设的方法估算得到的斜坡单元失稳概率，计算公式为

L为不同降水工况下的降水量，为根据历年研究区日降水量数据的统计与分析得出24 小时最大降雨量。利用GeoScene对危险性评级结果进行加权叠加分析、可视化表达和空间分析最后得出不同工况下的清凉峰地质灾害危险性评价结果图。

2.1.3  易损性评价

易损性指地质灾害以一定的强度发生而对承灾体可能造成破坏的严重程度。本次评价以人口密度和土地利用类型作为易损性评价指标，利用栅格计算器的条件函数将原始栅格数据中空值部分进行填充，避免分区统计出现错误，利用监督分类、栅格重分类、去小斑获得研究区土地利用类型，以综合指标法作为评价方法。考虑到评价区域丰富的森林旅游资源，地质灾害对森林的破坏也会对当地经济造成巨大损失，因此森林也作为指标分类的一员。根据研究区人口密度大小情况、土地利用类型分布情况对人口密度和土地利用类型进行分级，利用层次分析法求出各指标权重，最后通过计算分级和可视化得到清凉峰地质灾害易损性评价结果。

2.1.4  风险性评价

风险性是指在一定区域和时期内，各类承灾体因地质灾害而遭受损失的可能性和严重程度，包括人员伤亡、经济损失和环境破坏等。本项目采用矩阵分析方法对地质灾害的危险性和易损性评价结果进行叠加运算，根据《地质灾害风险调查评价技术要求（试行）（1：50 000）》中的地质灾害风险等级划分建议表（见文档末尾附表）对风险性评价结果进行分级，最终得到与不同降水工况下地质灾害危险性相对应的清凉峰地质灾害风险性评价结果。

图2.1 易发性评价结果

图2.2 危险性评价结果

图2.3 易损性评价结果

图2.4 风险性评价结果

2.2  评价结果讨论与分析

经讨论分析，易发性方面，评价区域地质灾害极高易发区面积为0.91㎞²，占研究区总面积的3.1%，主要分布在西南方，该地植被盖度较低、以山地为主地形复杂，同时离地质构造线和河流沟谷较近，因此易发程度较高。高易发区占比最大，占总面积的87.4%。中易发区呈块状散落，大多都为地势相对较低的地方。南部地势低平，地质结构稳定，有零星低易发区分布。危险性方面，在大雨和暴雨工况下失稳概率较低，评价区域总体危险性程度较低。随着降水工况的递增，研究区西南方、西北方、东部边界的河谷地区危险性程度呈上升趋势。其中重点分析特大暴雨工况下的结果可以发现西南方地形地貌复杂，易发程度较高，危险性程度也相对较高。易损性方面，评价区域极高易损区面积为57.2㎞²，占总面积的19.7%，大致以条带状蔓延在城镇和道路附近，这些地区人口密度高同时人造用地面积大，因此易损程度较高。研究区有着十分丰富的森林旅游资源，因此研究区总体以高易损性为主。风险性方面，由于失稳概率过小导致大雨和暴雨工况下清凉峰风险程度分区一致，除去西部地区有小块的低风险地区，其余全为中风险区域。大暴雨工况下，清凉峰中部汇水面积较大的河谷地区转变为高风险地区。随着降水量的增加，特大暴雨工况下，研究区域的风险等级进一步升高。对特大暴雨工况下的东南部极高风险地区进行分析，该地多居民点分布，人口密度集中，发生灾害时易损程度高，当降水量达到阈值斜坡失稳概率升高，该地呈极高风险。从行政区划上来看风门口、阳家塘、姜家、石坎头、翁家村、石长城村、马啸村、鹄山村及其周边区域地质灾害风险度较高，并且这些地区分布在杭瑞高速、侯龙线、吉浙线附近，发生地质灾害将造成人员伤亡和经济损失、阻碍交通路况。在这些区域排除隐患点、完善相关应急机制和防灾治灾体系显得格外重要。浙江清凉峰保护区作为国家级自然保护区，森林旅游资源丰富，频繁的地质灾害会对当地居民生命财产与社会经济发展成果造成破坏。由于高差和坡度较大、降水集中等自然原因，该地受泥石流、滑坡等地质灾害威胁更大，因此需要严加防范。

图2.5 易发性重点分析

 图2.6 特大暴雨工况下危险性重点分析

图2.7 易损性重点分析

图2.8 特大暴雨工况下风险性重点分析

3 作品特点

3.1  流程化

在整个评价过程中，作为评价单元的斜坡单元的划分与易发性指标计算与分区统计工作量大且较为繁琐，因此对斜坡单元划分与易发性计算进行了地理建模。

3.2  自动化

评价的优化需要进行大量重复性的操作，这些重复性的操作较为费时，造成评价效率不高，为进一步提高工作效率，项目基于Arcpy，利用Python语言对地质灾害风险评价全流程进行建库与打包，产生了“即拿即用”的自动化效果，只要输入基础数据即可实现评价结果的一键生成，展现信息技术在地理分析应用过程中的重要作用。自动化程序搭建框架如下图所示：

图3.1 基于Arcpy的自动化地质灾害评价框架

3.3  社会价值

本作品在实践过程中参考了相关工程规范，能够为相关部门防灾减灾工作与居民灾害应急提供了一定参考，并且基于Arcpy的自动化地质灾害评价工具能够在一定程度上满足1:50000或更大比例尺地质灾害评价的行业需求，具有行业与社会价值。

4 展望意义作品利用Arcpy与综合指标法结合空间信息技术对清凉峰的地质灾害的进行分析，进一步展现了GIS强大和快捷的分析能力，以实用高效的方式通过 Python 执行地理数据分析、数据转换、数据管理。通过分析得出清凉峰不同降水工况下的潜在风险区，为相关部门防灾减灾工作提供了一定参考，从分析结果上看清凉峰受地质灾害威胁较大，当短时强降雨来临时，相关部分与地方群众应及其敲响地质灾害风险防范的警钟。 由于很多新技术和新理论依旧处于发展阶段，目前国内外对地质灾害评价的研究依然面临着各种机遇和挑战，希望未来在理论和实践的推动下能完善地质灾害评价方法和模型，逐步形成一个统一的地质灾害评价标准。考虑到目前很多地质数据的获取都需要花费大量的人力、物力和时间，未来随着对GIS和RS研究的推进以及自动化信息技术的发展，高效且自动化的地理分析技术一定能够更好服务于不同区域不同尺度的地质灾害风险评价工作，为人民的生命财产安全保驾护航。

附表：

表2.1 地质灾害风险等级划分建议表

风险性	极高危险	高危险	中危险	低危险
极高易损	极高	极高	高	中
高易损	极高	高	中	中
中易损	高	高	中	低
低易损	高	中	低	低

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