一种基于GIS区域降雨型滑坡早期预警方法

一种基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法
技术领域
1.本发明属于滑坡监测预警技术领域，尤其涉及一种基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法。


背景技术：

2.我国是一个多山的国家，山地面积占到国土总面积的69％，山区常见的地质灾害给道路施工和运营造成了极大的威胁。滑坡是指边坡上的岩土体在自然或人为因素的影响下失去稳定，沿贯通的破坏面整体下滑的现象，它作为一种常见的地质灾害，分布广、危害大。通过一系列滑坡灾害事件的经验与教训可以看出，对滑坡灾害的早期预警，进而进行有效的灾害分析是变“被动避灾救灾”为“主动防灾治灾”，降低灾害所带来损失的主要途径。
3.现有的降雨型滑坡预警方法可分为基于经验性降雨阈值的统计预警方法、考虑下垫面因素权重的成因预警方法和基于降雨型滑坡物理力学过程的机理预警方法。其中，基于经验性的“降雨强度-降雨持时”(intensity-duration，i-d)阈值建立的统计预警方法应用最为广泛。i-d阈值曲线以平均雨强i(mm/h)作为纵坐标、滑坡事件发生时所经历的降雨历时d(h)为横坐标，通过实测数据统计绘制而成。i-d阈值曲线通常是下限曲线，当坡体实际承受的平均雨强i(mm/h)及降雨历时d(h)超过该曲线时，则发布滑坡预警信息。上述几种降雨型滑坡早期预警方法单一的通过降雨阈值、下垫面因素权重或物理力学过程的机理实现滑坡早期预警，上述方法存在以下问题：1)预测方法主要是建立在对已有滑坡区域静态影响因子分析，但滑坡是动态变化的，预测结果缺乏对滑坡动态变化结果的更新，预测结果与实际情况会产生较大偏差；2)对时间上的预测模型主要是以单个滑坡为对象，分析该滑坡位移(速率)随时间的变化曲线，以位移(速率)曲线拐点或某一位移值(速率值)作为滑坡失稳判据；3)目前对于区域滑坡时间失稳判据的研究还较少，以及对区域滑坡在时间和空间两个维度上的预测模型研究也较少：4)滑坡早期识别方法主要是根据insar监测结果对统计模型模拟结果进行精化，而忽视了对滑坡诱发因素、地质条件以及滑坡破坏机理差异性的分析，且数据的精度对评价结果的影响很大；5)对于区域滑坡定量分析方法研究还较少，主要是由于在区域范围内，地形条件、地层岩性、地貌格局等都会影响单个滑坡的发生和发展。综上所述，传统的预警方法存在较大误差，可靠性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法，以解决传统降雨型滑坡预警方法可靠性差的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.本发明涉及一种基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法，其包括以下步骤：
7.1)基于时序insar技术对区域降雨型滑坡进行动态监测，划分区域降雨型滑坡的危险性等级；
8.2)采用实验和数值模拟的方式分析不同时段累积降雨量对滑坡破坏机理的影响，
建立区域降雨预警模型，确定以降雨量为阈值的降雨预警指标；
9.3)采用gis技术将区域降雨型滑坡危险性等级和降雨预警指标相结合，建立区域降雨型滑坡预警预报系统，进而实现区域降雨型滑坡早期预警。
10.优选地，所述步骤1)的具体步骤包括：
11.1.1)采用时序insar技术对区域降雨型滑坡进行地表持续形变监测，获得在长时间序列上的地表形变位移值，根据降雨型滑坡在遥感监测结果的时空连续性特征进行滤波分析，去除地表形变位移值中非岩土体移动产生的形变值，提取出区域内的岩土体移动位移值；
12.1.2)基于岩土体移动位移值计算区域降雨型滑坡的形变速率值；
13.1.3)对区域内已知降雨型滑坡清单和滑坡影响因素在gis系统中进行遥感解译，将遥感解译结果作为滑坡影响因子，采用二元逻辑回归模型研究各影响因素对区域降雨型滑坡影响比重以及发生滑坡的可能性大小，建立区域滑坡危险性评价模型；
14.1.4)根据步骤1.2)中获得的形变速率值划分区域降雨型滑坡危险性等级。
15.优选地，所述步骤1.1)是通过在sar图像中寻找高散射特性的点作为永久散射点或相干点，从而提取出研究区域的地表形变信息的。
16.优选地，所述步骤1.2)中计算区域降雨型滑坡的形变速率值的步骤包括：
17.1.2.1)基于岩土体移动位移值获取该地区地表视线向形变速率v
los
、垂直速率值vv和水平速率值vh；
18.1.2.2)基于地表视线向形变速率v
los
、垂直速率值vv和水平速率值vh计算形变速率值v
slope
，计算公式为：
[0019][0020]
公式中，α表示沿坡面滑动位移速率方向与地面水平方向夹角。
[0021]
优选地，所述步骤1.3)采用二元逻辑回归模型研究各影响因素对区域降雨型滑坡影响比重以及发生滑坡的可能性大小的具体步骤为：
[0022]
1.3.1)将清单的降雨型滑坡作为样本，将样本随机均分为训练样本和验证样本，在训练样本时，设定滑坡发生的概率为p，不发生概率为1-p，p取值范围为(0，1)；在二元逻辑回归模型中，滑坡灾害的发生区域因变量的取值为1，滑坡灾害不发生区域因变量取值为0，采用logit变换的方式对p值的取值形式进行变换使得变换后p值的取值范围变化为(-∞，+∞)，变化形式为：
[0023]
logit p＝ln(p/(1-p))＝β0+β1x1+β2x2+
…
+βixiꢀꢀ
(2)
[0024]
式中，p为滑坡发生的概率；β0为常数项；βi为逻辑回归模型的回归系数，是xi的估计参数；xi表示自变量，即滑坡的各影响因素，计算出滑坡发生的概率p：
[0025][0026]
1.3.2)通过多次迭代，得到各影响因子的回归系数βi；
[0027]
1.3.3)将各影响因子的回归系数βi代入式(2)中，计算得到各样本单元滑坡发生概率p值，训练样本中滑坡发生概率预测值大于0.5的表示发生滑坡区域，小于0.5的表示未发生滑坡区域；
[0028]
1.3.4)将训练样本结果与验证样本进行对比，计算逻辑回归模型的预测精度，若判对率在80％以上，则表示通过检验，该预测值则为滑坡发生概率值。
[0029]
优选地，所述步骤1.1)中去除的非岩土体移动产生的形变值包括人类活动和植被生长。
[0030]
优选地，所述步骤1.4)划分区域降雨型滑坡危险性等级后，通过现场调查的方式进行验证，如若验证不正确，则返回步骤1.3)，如若验证成功，则进行下一步。
[0031]
优选地，所述步骤2)的具体步骤为：
[0032]
2.1)采用室内实验模型的方法建立不同匀质边坡模型，将最易产生滑坡的坡度设定为边坡模型的边坡坡度，在边坡模型中埋设位移计测定位移变形值，埋设孔隙水压力传感器测降雨入渗过程中坡体孔隙水压力变化，采用降雨测喷装置，在坡体下方预设海绵和透水石，通过控制降雨强度、降雨时间降雨间隔时间的方式对边坡模型进行实验，直至边坡模型出现贯通滑动面为止，记录总降雨量r 和位移值s；
[0033]
2.2)根据总降雨量r设定不同降雨强度下的总降雨量预警阈值rm；
[0034]
2.3)取失稳状态土体土样，采用直剪实验，测定稳时的内摩擦角φ和黏聚力c在不同降雨强度条件下的变化，绘制曲线拟合函数，f＝f(c,φ)，将该拟合曲线设定为失稳破坏包线fm，设定超过该范围为失稳滑动区域；
[0035]
2.4)通过位移计测土体的位移变化值，设定在不同降雨强度下的位移值s 为位移预警阈值sm；
[0036]
2.5)基于两种土质总降雨量r与不同降雨强度变化，土体内摩擦角和黏聚力c与不同降雨强度变化、和土体的位移变化值，设定基于总降雨量r、基内摩擦角和黏聚力c的拟合虚线f和位移值s三个预警阈值；
[0037]
2.6)基于区域降雨型滑坡危险性划分等级c，以降雨作为滑坡的触发机制，按照统计指标建立的按曲线关系变化的阈值：p＝f(c,r,f,s)，进而确定以降雨量为阈值的降雨预警指标。
[0038]
优选地，所述步骤2.6)中降雨预警指标分为4个预警等级，其判定准则为：
[0039]
(1)预警1：
[0040][0041]
(2)预警2：
[0042][0043]
(3)预警3：
[0044][0045]
(4)预警4：
[0046]
p＝{p∈r∩p∈f∩p∈s∩p∈c
(4|5)
。
[0047]
与现有技术相比，采用本发明涉及的技术方案存在以下有益效果：
[0048]
本发明涉及的基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法分析了不同土质条件对降雨量的响应，并采用遥感解译的方式，针对区域范围内不同土质类型、不同坡度等因素滑坡进行修正以反映其对临界降雨量的响应，以建立滑坡降雨预警定量分析方法，构建区域降雨型滑坡预警系统，最终实现在时间和空间上对区域降雨型滑坡预警的目的，保证了预警的可靠性和可行性。
附图说明
[0049]
图1为本发明涉及的基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法的流程图；
[0050]
图2为形变速率值v
slope
与地表视线向形变速率v
los
的几何关系图。
具体实施方式
[0051]
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
参照附图1所示，本发明涉及的一种基于gis区域降雨型滑坡早期预警方法，其特征在于：其包括以下步骤：
[0053]
1)基于时序insar技术对区域降雨型滑坡进行动态监测，划分区域降雨型滑坡的危险性等级，其具体步骤包括：
[0054]
1.1)采用时序insar技术对区域降雨型滑坡进行地表持续形变监测，即通过在sar图像中寻找高散射特性的点作为永久散射点或相干点，从而提取出研究区域在长时间序列上的地表形变位移值，根据降雨型滑坡在遥感监测结果的时空连续性特征进行滤波分析，去除地表形变位移值中非岩土体移动产生的形变值(包括人类活动和植被生长等)。即在时间分布上，滑坡的发生一般在降雨发生后，产生持续形变，尤其在雨季，会表现出位移的时间连续性，在雨季的前后会表现出位移值的增加，可去除在雨季前后位移不连续区域；在空间上，滑坡的发生一般都具有一定的规模，可过滤掉在监测结果中零星位移区域，进而最终提取出区域内的岩土体移动位移值；
[0055]
1.2)基于岩土体移动位移值计算区域降雨型滑坡的形变速率值，即：
[0056]
1.2.1)基于岩土体移动位移值获取该地区地表视线向形变速率v
los
、垂直速率值vv和水平速率值vh；
[0057]
1.2.2)参照附图2所示，基于地表视线向形变速率v
los
、垂直速率值vv和水平速率值vh计算形变速率值v
slope
，计算公式为：
[0058][0059]
公式中，α表示沿坡面滑动位移速率方向与地面水平方向夹角；
[0060]
1.3)对区域内已知降雨型滑坡清单和滑坡影响因素进行遥感解译，以遥感解译结果作为滑坡影响因子，采用二元逻辑回归模型研究各影响因素对区域降雨型滑坡影响比重以及发生滑坡的可能性大小，建立区域滑坡危险性评价模型，其具体步骤为：
[0061]
1.3.1)将清单的降雨型滑坡作为样本，将样本随机均分为训练样本和验证样本，在训练样本时，设定滑坡发生的概率为p，不发生概率为1-p，p取值范围为(0，1)；在二元逻辑回归模型中，滑坡灾害的发生区域因变量的取值为1，滑坡灾害不发生区域因变量取值为0，采用logit变换的方式对p值的取值形式进行变换使得变换后p值的取值范围变化为(-∞，+∞)，变化形式为：
[0062]
logit p＝ln(p/(1-p))＝β0+β1x1+β2x2+
…
+βixiꢀꢀ
(2)
[0063]
式中，p为滑坡发生的概率；β0为常数项；βi为逻辑回归模型的回归系数，是xi的估计参数；xi表示自变量，即滑坡的各影响因素，计算出滑坡发生的概率 p：
[0064][0065]
1.3.2)通过多次迭代，得到各影响因子的回归系数βi；
[0066]
1.3.3)将各影响因子的回归系数βi代入式(2)中，计算得到各样本单元滑坡发生概率p值，训练样本中滑坡发生概率预测值大于0.5的表示发生滑坡区域，小于0.5的表示未发生滑坡区域；
[0067]
1.3.4)将训练样本结果与验证样本进行对比，计算逻辑回归模型的预测精度，若判对率在80％以上，则表示通过检验，该预测值则为滑坡发生概率值；
[0068]
1.4)根据步骤1.2)中获得的形变速率值v
slope
划分区域降雨型滑坡危险性等级，
[0069]
即根据形变速率方差进行区域降雨型滑坡危险性等级的初步划分，对步骤 1.3)中获得的区域滑坡发生概率进行5个等级划分：第1类：p《0.3为极不敏感区；第2类：0.3～0.4为不敏感区；第3类：0.4～0.5为不确定区；第4类：0.5～ 0.6为敏感区；第5类：p》0.6为极敏感区。为消除步骤1.3)中获得的区域滑坡危险性评价模型结果中的因滑坡随时间变化产生消极性偏差，根据表1所示方法对区域降雨型滑坡危险性等级重分类，进而划分区域降雨型滑坡危险性等级c。
[0070]
表1滑坡敏感性动态评价混合模型计算方法
[0071][0072]
所谓的消极性偏差指的是该区域实际为滑坡位置，但滑坡敏感性评价结果显示为非敏感区域，将不会对这些区域限制使用，若在这些区域上建构筑物或其他设施会直接对
施工安全、建筑物稳定性和生命造成严重的威胁，而造成不可估量的损失。因此，这类误差的是无法接受，要极力避免的。
[0073]
划分区域降雨型滑坡危险性等级后，通过现场调查的方式进行验证，如若验证不正确，则返回步骤1.3)，如若验证成功，则进行下一步；
[0074]
上述步骤用于研究在空间上有效的区域降雨型滑坡早期动态识别。
[0075]
2)降雨是滑坡的一个重要触发机制，会直接导致土体含水量的改变，进而影响内摩擦角大小。针对单一滑坡，当滑坡滑带土体未达到残余剪切强度(即内摩擦角)之前，将会一直处于滑动状态。在大范围区域主要表现为滑坡雨季前后的变形量显著不同。在区域降雨型滑坡危险性评价等级基础上，根据降雨型滑坡在降雨前后位移值的显著变化，通过分析不同时段累积降雨量对滑坡破坏机理的影响，建立降雨预警模型，确定多阈值预警指标。因实际滑坡坡体特性难以监测，本实施例采用实验方式分析不同时段累积降雨量对滑坡破坏机理的影响，建立区域降雨预警模型，确定以降雨量为阈值的降雨预警指标，即分别通过设计室内不同匀质边坡降雨模拟实验，研究不同降雨强度对岩土体内力变化(内摩擦角、粘聚力等因素)的演化规律，以及不同降雨强度对滑坡外在表现特性(如位移、速率等因素)的演化规律，模拟边坡从初始到失稳全过程，建立降雨量与各参数的关系模型，研究以多阈值的预警指标，其具体步骤为：
[0076]
2.1)采用室内实验模型的方法建立不同均质边坡，分为砂土、黏土进行实验，具体土样试验参数见表2。建立1m3边坡模型，经统计表明，滑坡最易在边坡坡度为38
°
时产生，因此将边坡坡度设定为38
°
。在边坡中埋设位移计测定位移变形值，埋设孔隙水压力传感器测降雨入渗过程中坡体孔隙水压力变化。采用降雨测喷装置，在坡体下方预设海绵和透水石，将降雨强度i分别设定为40mm/h、 80mm/h、120mm/h、160mm/h，每次降雨1h，再间隔1h，直至在滑坡面出现贯通滑动面为止，记录总降雨量r和位移值s。
[0077]
表2试验土样的基本参数
[0078][0079]
2.2)设定不同降雨强度下的总降雨量预警阈值rm，则r》rm时不稳定。
[0080]
2.3)取失稳状态土体土样，采用直剪实验，测定两种土质土体在失稳时的内摩擦角和黏聚力c在不同降雨强度i条件下变化，绘制曲线拟合函数，将该拟合曲线设定为失稳破坏包线fm，即在包线范围内为稳定区域，超过该范围为失稳滑动区域。
[0081]
2.4)通过位移计测土体的位移变化值；设定在不同降雨强度下的位移值s为位移预警阈值sm，则s》sm时不稳定。
[0082]
2.5)基于两种土质总降雨量r与不同降雨强度变化，土体内摩擦角和黏聚力c与不同降雨强度变化、和土体的位移变化值。设定基于总降雨量r、基内摩擦角和黏聚力c的拟合虚线f和位移值s三个预警阈值。各参数阈值汇总见表3。
[0083]
表3各参数阈值汇总表
[0084][0085]
2.6)基于区域降雨型滑坡危险性划分等级c，以降雨作为滑坡的触发机制，按照统计指标建立的按曲线关系变化的阈值：p＝f(c,r,f,s)。
[0086]
其中：c为区域滑坡危险性划分等级；r为总降雨量值；f为失稳破坏包线； s为位移值。
[0087]
2.7)建立1、2、3、4四个预警等级，其判定准则如下：
[0088]
(1)预警1：
[0089][0090]
(2)预警2：
[0091][0092]
(3)预警3：
[0093][0094]
(4)预警4：
[0095]
p＝{p∈r∩p∈f∩p∈s∩p∈c
(4|5)
[0096]
3)采用gis技术将区域降雨型滑坡危险性等级和降雨预警指标相结合，建立区域降雨型滑坡预警预报系统，进而实现区域降雨型滑坡早期预警。
[0097]
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。