基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价.pdf

武汉工程大学学报第45卷第45卷第4期2023年8月文章编号：1674-2869（2023）04-0456-06武汉工程大学学报Journal of Wuhan Institute of TechnologyVol.45 No.4Aug.2023收稿日期：2022-06-02基金项目：国家自然科学基金（52278369）作者简介：蔡永辉，硕士研究生。E-mail：*通讯作者：王章琼，博士，副教授。E-mail：wzqcug 引文格式：蔡永辉，王章琼，周意，等.基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价 J.武汉工程大学学报，2023，45（4）：456-461.基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价蔡永辉，王章琼*，周意，徐晓雅，赵歧林武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074摘要：区域滑坡易发性评价是滑坡灾害防治工作的一个重要环节，针对传统层次分析法在滑坡易发性评价中存在权重赋值依据不明确的缺陷，提出以熵值作为赋值依据的改进层次分析法。以贵州省赫章县 80个滑坡点为例，选取高程、坡度、坡向、曲率、植被系数（NDVI）、岩性、距道路距离、距房屋距离、距断层距离作为滑坡影响因子；以熵值作为赋值依据，采用层次分析法求得滑坡影响因子的权重；对影响因子进行分级赋值，并确定滑坡易发性分级标准；在此基础上，构建起滑坡易发性评价体系，并利用 GIS 软件进行研究区滑坡易发性区划。结果表明：采用改进层次分析法计算时，46 个滑坡位于高易发区（占样本总数的57.5%），13个滑坡位于低易发区（占样本总数的 16.25%），相比传统层次分析法计算结果，分别高 15%和低11.25%。因此，改进层次分析法具有更高的准确率。关键词：滑坡；熵值；层次分析法；易发性评价中图分类号：P642.22文献标识码：ADOI：10.19843/ki.CN42-1779/TQ.202206002Evaluation of Landslide Susceptibility Based on IAHP Entropy MethodCAI Yonghui，WANG Zhangqiong*，ZHOU Yi，XU Xiaoya，ZHAO QilinSchool of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，ChinaAbstract：Evaluation of regional landslide susceptibility is an important part of landslide disaster preventionand control.Aiming at the defect that the weight assignment basis of the traditional analytic hierarchy processis not clear in the evaluation of landslide susceptibility，an improved analytic hierarchy process based onentropy was proposed.Taking 80 landslide points in Hezhang County，Guizhou Province of China as studycases，the elevation，slope，slope direction，curvature，vegetation coefficient，lithology，distance fromroad，house and fault were selected as the landslide influence factors.The entropy values were used as thebasis for assignment，and the weights of landslide influence factors were obtained by analytic hierarchyprocess.Then，the influence factors were assigned to different levels，and the classification standard oflandslide susceptibility was determined.On this basis，the evaluation system of landslide susceptibility wasestablished，and the landslide susceptibility zoning of the study area was carried out by using GIS software.The results show that when using the improved analytic hierarchy process，46 landslides are located in highsusceptibility area（accounts for 57.5%of the total samples），and 13 landslides are located in lowsusceptibility area（accounts for 16.25%of the total samples），which are 15%higher and 11.25%lowerrespectively compared with that of the traditional analytic hierarchy process.Therefore，the improved analytichierarchy process has higher accuracy.Keywords：landslide；entropy；analytic hierarchy process；susceptibility assessment第4期滑坡灾害作为我国严重的地质灾害之一，破坏力巨大，对人民群众的生命财产安全构成极大威胁。我国西南山区滑坡灾害频繁发生，单体滑坡预测研究所需的人力物力不可估量1-2。因此，针对特定区域的滑坡空间预测问题，区域易发性评价方法比传统单体滑坡预测方法更具可行性。区域滑坡灾害易发性评价方法主要有：定性分析3-4、定量分析5-6和半定性半定量分析7-8方法。传统的定性分析方法主观性强，分析结果不精确9-10；而定量分析方法需要对所有数据进行量化处理，这就导致该方法的评价结果也会是一个量化值，不仅推理思路不清晰，数据的量化难度也很大。考虑到半定性半定量的分析方法不仅有客观数据作为支撑，且针对量化数据的定性分析过程思路明确。因此，该方法在区域滑坡易发性评价中获得广泛应用。层次分析法11-13作为半定性半定量分析方法的一种，因其逻辑严谨、推理过程简单易懂，被广泛使用，但在滑坡易发性评价中，该方法影响因子的权重赋值依据不明确14，需要对原始数据进行处理，获得一个客观且可信度高的赋值依据，而熵值15-16作为反应一个系统不稳定性、无序性的客观标准，其数值越大，体系越混乱，对目标的影响越小。熵值能很好地反映各影响因子对滑坡体系的贡献程度，本文引入熵值概念来对各影响因子进行量化分析，并以此作为赋值依据，建立层次分析模型。利用地理信息系统（geographic information system，GIS）软件的空间分析功能直观地展示赫章县滑坡易发性评价的研究结果。1层次分析-熵值法1.1熵值法的基本原理熵值是体系内无序程度的一个度量指标。针对某个影响因子，可以用熵值表示该因子在体系内的离散程度，表现为熵值越小，因子的变异程度越大，所包含的信息量越多，在综合评价体系中的贡献程度越大；反之，则因子的变异程度越小，所包含的信息量越小，在综合评价体系中的贡献程度越小。通过对选取滑坡点的影响因子进行统计分析，将影响因子的实测值转化成反映贡献程度的熵值，计算步骤如下：（1）首先，为方便不同量纲的影响因子能够进行对比分析，需要对所选取的滑坡点中各影响因子实测值进行标准化处理，计算公式为：正向指标：Xij=aij-min anjmax anj-min anj（1）负向指标：Xij=max anj-aijmax anj-min anj（2）aij影响因子实测值；n任意常数。假设有 n处滑坡，影响因子有 m 个，则数据标准化后的矩阵为：R=X11.X1mX21.Xn1Xi2.Xnm（3）（2）熵值计算：熵值计算前，需要计算影响因子在滑坡点中的样本值占该体系的比重。计算公式为：Pij=Xiji=1nXij（4）根据各滑坡点中的样本值占该体系的比重来计算各影响因子熵值，计算公式为：ej=-1ln ni=1npijlnpij（5）1.2层次分析法层次分析法是由美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于 20世纪 70年代初提出，是将与决策有关的目标分成目标层、准则层、方案层的多层次解决方案。通过专家赋值的方法构建判断矩阵，并最终求得各影响因子的权重。传统的层次分析法采用的是九标度比例尺，赋值方法主要依靠专家主观判断。本文以熵值为客观依据，采用三标度比例尺，构建判断矩阵，可以减少传统九标度比例尺带来的主观模糊性影响。三标度比例尺如表1所示。表1三标度比例尺Tab.1Three scales因素i比因素j不太重要同等重要较强重要量化值012将影响因子的熵值作为层次分析法的赋值依据，构建判断矩阵，最终求得影响因子的权重，并通过一致性比率判断结果是否合理。层次分析-熵值法的计算步骤如下：（1）建立比较矩阵。求出各个因子的熵值，判断影响因子的重要程度，构建比较矩阵，比较矩阵：蔡永辉，等：基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价457武汉工程大学学报第45卷Cij=C11C12.C1mC21.C2m.Cm1.Cmm（7）（2）建立重要性排序系数 Rij。重要性排序系数公式为：Ri=j=1mCij（8）（3）建立判断矩阵 Dij。由重要性排序系数建立判断矩阵Dij，公式如下：Dij=Ri-RjRmax-Rmin(Em-1)+1()Ri Rj（9）Dij=Rj-RiRmax-Rmin()Em-1+1-1()Ri Rj（10）Em=RmaxRmin（11）（4）计算权重并进行一致性检验。CI值代表判断矩阵的一致性标准，CI值越小说明判断矩阵的一致性越好。计算 CR（判断矩阵的一致性比例），当 CR人类工程活动地形地貌。以此作为评判依据，采用三标度比例尺构建比较矩阵。各影响因子的重要性排序指数为：9，5，15，2，7，12，12，17，2。根据式（9）、式（10）、式（11），构建判断矩阵。458第4期131492225251592131165227292917524611525525212152292521512716162170127215721272716725292256721127652922567211276572172672721172292521502716162171计算权重并进行一致性检验，影响因子权重见表3。准则层的权重也按上式计算，地质条件、地形地貌、人类工程活动权重分别为 0.64，0.10，0.26。对各影响因子进行赋值分析，赋值区间为 05，赋值越高，该影响因子对滑坡影响越大。岩性按照灾害点中各岩性成分所占比例进行分级赋值，赋值标准见表4。各影响因子根据表4赋值区间进行分区赋值，分区赋值结果见图 3。利用 GIS 软件将赋值后的影响因子图层进行叠加分析（两种模型采用相同的危险区分级标准），得到赫章县滑坡危险性指数分布图，利用自然间断点法将其划分为高危险区（1.51.9）、较高危险区（1.92.5）、中等危险区（2.52.9）、较低危险（2.93.4）、低危险区（3.44.6），滑坡危险性区划见图 4。通过统计各危险区内灾害点数目来对模型进行精度评价，模型评价结果对比见图5。由图 4、图 5 可知，高危险区与较高危险区的滑坡发生概率明显高于其他区域，故将其统称为高易发区；低危险区与较低危险区的滑坡数量相对较少，滑坡发生概率低，故将其统称为低易发区。将低易发区与高易发区的滑坡数量作为两种表3影响因子权重Tab.3Influence factor weights影响因子权重高程0.109坡度0.03坡向0.22曲率0.018NDVI0.055距道路距离0.12距房屋距离0.12岩性0.31距断层距离0.018表4赋值区间Tab.4Assignment intervals赋值距断层距离/m距房屋距离/m距道路距离/m岩性/%坡向/（）NDVI/%高程/m坡度/（）曲率/%12 0002 0002 0000.004（022.5）（337.5360）8.910.61 2051 68709.821 5002 0001 5002 0001 5002 0000.0040.01522.5112.58.18.91 6871 9009.816.0-1.4-0.631 0001 5001 0001 5001 0001 5000.0150.034112.5202.57.38.11 9002 07316.024.5-0.6-0.345001 0005001 0005001 0000.0340.112202.5292.56.57.32 0732 25124.534.0-0.30.450500050005000.1120.254292.5337.54.86.52 2512 84334.078.10.460.4表2熵值Tab.2Entropy values影响因子熵值高程0.81坡度0.90坡向0.67曲率0.93NDVI0.87距道路距离0.75距房屋距离0.75岩性0.46距断层距离0.93图2AHP模型Fig.2AHP model滑坡易发性评价地质条件地形地貌人类工程活动岩性距断层距离归一化植被系数坡向坡度高程曲率距道路距离距房屋距离蔡永辉，等：基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价459武汉工程大学学报第45卷方法准确率的评价标准。改进的层次分析法评价结果表明，46个滑坡位于高易发区，占样本总数的 57.5%，比传统层次分析法多15%；13个滑坡位于低易发区，占样本总数的 16.25%，比传统层次分析法少 11.25%。因此，改进层次分析法计算结果准确率高于传统层图3影响因子图层：（a）NDVI归一化植被系数，（b）距断层距离，（c）高程，（d）岩性，（e）距道路距离，（f）坡向，（g）坡度，（h）距房屋距离，（i）曲率Fig.3Impactor factor layer：（a）NDVI normalized vegetation coefficient，（b）distance from fault，（c）elevation，（d）lithologic，（e）distance from road，（f）slope direction，（g）slope，（h）distance from house，（i）curvatureabcdefghiab图4赫章县滑坡危险性区划图：（a）EW-AHP模型，（b）AHP模型Fig.4Landslide-prone areas in Hezhang County：（a）EW-AHP model，（b）AHP model赫章县滑坡危险性区划图滑坡灾害点0 5 1020 km0 5 1020 km低危险区较低危险区中等危险区较高危险区高危险区赫章县滑坡危险性区划图滑坡灾害点低危险区较低危险区中等危险区较高危险区高危险区NDV I123450 5 1020 km0 5 1020 km0 5 1020 km距断层距离12345高程12345岩性1234512345距道路距离坡向123450 5 1020 km0 5 1020 km0 5 1020 km坡度1234554321距房屋距离曲率123450 5 1020 km0 5 1020 km0 5 1020 km注：EW（熵权，entropy weight）；AHP（层次分析法，analytic hierarchy process）460第4期次分析法。图5模型评价结果对比图Fig.5Comparison of model evaluation results低危险区EW-AHPAHP302520151050灾害点/个较低危险区中等危险区较高危险区高危险区2811142124242818103结论本文以熵值作为赋值依据，采用改进的层次分析法对赫章县进行滑坡易发评价分析，结论如下：（1）使用熵值法计算各影响因子熵值，得到各影响因子的贡献程度为：岩性坡向距道路距离=距房屋距离高程NDVI坡度曲率=距断层距离。（2）采用改进层次分析法和传统层次分析法分别进行滑坡易发性评价，结果表明，前者的准确率高于后者。参考文献1 熊小辉，汪长林，白永健，等.基于不同耦合模型的县域滑坡易发性评价对比分析以四川普格县为例J.中国地质灾害与防治学报，2022，33（4）：114-124.2 薛永安，王玉洁，朱婧聪，等.县域国土空间斜坡地质灾害敏感性评价研究 J.自然灾害学报，2022，31（4）：219-230.3 张明，王章琼，白俊龙，等.基于 ArcGIS的“三高”地区高速公路泥石流危险性评价J.中国地质灾害与防治学报，2020，31（2）：24-32.4 张明，王章琼，白俊龙.武汉市建筑垃圾处理厂的选址适宜性评价 J.武汉工程大学学报，2020，42（4）：451-455.5 庞添，宋会访，彭玉玲，等.基于ArcGIS的枝江市城乡建设用地适宜性评价及其发展趋势预测 J.武汉工程大学学报，2020，42（1）：85-90.6 崔传峰，王俊豪，崔志超，等.基于灰色可拓模型的洮河下游泥石流易发性评价 J.中国地质灾害与防治学报，2019，30（6）：40-48.7 牛全福，陆铭，李月锋，等.基于灰色关联与粗糙依赖度的甘肃兰州市区泥石流危险性评价 J.中国地质灾害与防治学报，2019，30（5）：48-56.8 刘瑞，李露瑶，杨鑫，等.基于因子强关联分析方法的滑坡易发性评价 J.地球与环境，2021，49（2）：198-206.9 杨强，王高峰，丁伟翠，等.多种组合模型的区域滑坡易发性及精度评价 J.自然灾害学报，2021，30（2）：36-51.10 孙德亮，马祥龙，唐小娅，等.基于不同因子分级的滑坡易发性区划对比以万州区为例 J.重庆师范大学学报（自然科学版），2021，38（5）：43-54.11 方然可，刘艳辉，黄志全.基于机器学习的区域滑坡危险性评价方法综述 J.中国地质灾害与防治学报，2021，32（4）：1-8.12 胡致远，罗文强，晏鄂川，等.基于改进层次分析法的英山县地质灾害易发性评价 J.安全与环境工程，2018，25（4）：28-32，40.13 许嘉慧，孙德亮，王月，等.基于GIS与改进层次分析法的奉节县滑坡易发性区划 J.重庆师范大学学报（自然科学版），2020，37（2）：2，36-44，142.14 连志鹏，徐勇，付圣，等.采用多模型融合方法评价滑坡灾害易发性：以湖北省五峰县为例 J.地质科技通报，2020，39（3）：178-186.15 陈绪钰，李明辉，王德伟，等.基于 GIS和信息量法的四川峨眉山市地质灾害易发性定量评价 J.沉积与特提斯地质，2019，39（4）：100-112.16 朱新婷，吴彩燕，谭秋焰，等.基于熵权法的滑坡危险性评价以贵州省晴隆县为例 J.桂林理工大学学报，2022，42（1）：100-108.本文编辑：张瑞蔡永辉，等：基于IAHP-熵值法的滑坡易发性评价461