基于空天地一体化监测的滑坡风险动态评价研究

论文摘要

我国是一个滑坡地质灾害多发的国家,遭受经济损失和人员伤亡十分严重。科学、合理的滑坡灾害监测与预警对于防灾减灾有着重要的现实意义和研究意义。滑坡?险评价是滑坡地质灾害管理与监测的重要手段,可以为决策者提供决策支持并为公众提供灾害发生可能性的分布情况。同时,滑坡?险评价也是滑坡研究的最终目标,旨在减少滑坡灾害造成的负面影响。由于滑坡成因机制的复杂性和滑坡事件分布的广泛性,传统的监测手段无法满足滑坡监测精度和监测频率的要求。同时,也缺乏一种具有普适性的方法来识别和绘制滑坡,确定滑坡灾害,并评估滑坡的?险。论文利用空天地一体化监测的多源异构数据,从不同的视?对滑坡进行刻画与研究。空天地一体化强调监测手段的多样性,包括卫星遥感、航空遥感和地面监测等手段。涉及的数据包括光学遥感影像数据、微波遥感影像数据、无人机遥感数据、地质调查数据和岩土工程试验数据等。针对不同的研究尺度,以向家坳滑坡、三峡库区万州段和整个三峡库区为研究区,建立了三种类型的滑坡?险评价模型,构建了单体尺度和区域尺度的滑坡?险评价系统工具,这些工具有助于准备和优化滑坡?险评价的过程。论文取得的主要成果如下:(1)建立了全球滑坡目录数据(Global Landslide Catalog,GLC)、三峡库区、三峡库区万州段和三峡库区万州区库岸段的滑坡空间数据库。历史滑坡数据、基础地质资料以及滑坡因子等是滑坡?险研究的基础。以PostgreSQL数据库作为后端数据库,QGIS作为桌面端,充分利用PostgreSQL数据库与QGIS的无缝连接,实现了滑坡及滑坡因子数据库与操作者方便、快捷地互动和可视化显示。(2)对单体尺度而言,基于ArcGIS Engine和Visual Studio,开发了单体滑坡半定量?险评价模型。以向家坳滑坡为例,使用剩余推力法分析了向家坳滑坡在不同工况下的滑坡稳定性。使用蒙特卡洛模拟的方法计算了向家坳滑坡的破坏概率,得到了该滑坡在无防护措施下的滑坡?险。经过计算,向家坳滑坡在天然状态、暴雨条件下和暴雨加地震条件下的稳定性系数分别为1.26、0.98和0.73。利用蒙特卡洛模拟计算得到天然状态下向家坳滑坡的破坏概率为0.809。最终,利用单体滑坡?险半定量评价模型得到向家坳滑坡的?险概率为0.29,?险等级为中等。(3)对局部尺度而言,以三峡库区万州区库岸段为研究对象,研究了滑坡易发性评价当中的滑坡样本不均衡问题。在以往进行滑坡易发性评价的研究当中,通常将易发性计算当作一个普通的二分类问题。然而,考虑到在给定的研究区内,滑坡样本与非滑坡样本的数目往往差别较大。直接进行建模计算会造成模型泛化能力较差,表现为模型的准确率较高而召回率极低。针对该问题,论文将滑坡的易发性计算过程当作一个类别不均衡的二分类问题,建立了逻辑回归模型(Logistic Regression,LR)、GBDT模型(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)和加权GBDT模型(Weighted GBDT,加权GBDT),并使用ROC曲线(receiver operating characteristic curve)、AUC值(aera under curve)和召回率值(Recall)作为评价指标评价了三个模型的性能。研究发现,LR模型具有最小的AUC值和Recall值,分别为0.845和0.004,GBDT模型的AUC值和Recall值分别为0.976和0.426,而加权GBDT模型拥有最高的AUC值和Recall值,分别为0.977和0.845。Recall值代表滑坡样本被正确分类的比例,从Recall值可以看出,LR模型对滑坡样本的判别能力极差,而加权GBDT模型对滑坡样本的判别能力最佳。通过与实际滑坡位置的对比,也证明了加权GBDT模型拥有最好的性能。(4)对区域尺度而言,以整个三峡库区为研究对象,基于Google Earth Engine开发了滑坡?险动态评价系统。三峡库区地质构造复杂多样,水系十分发育,而且由于库水位的周期性涨落以及降雨丰沛,地质灾害发生十分频繁。国家每年投入大量的人力物力在三峡库区进行地质灾害防治工作,就是为了防灾减灾,保障库区人?的生命财产安全。然而,由于三峡库区涉及的行政区多达19个,传统的监测手段往往局限于一个城市或者地区,无法对三峡库区全区形成有效的监测与管理。本文利用Google Earth Engine云平台作为多源异构数据的承载体,以整个三峡库区作为研究区域,开发了基于大数据云平台的滑坡?险动态评价模型系统,实现了三峡库区?险的动态预测。该系统实现了基于前期降雨指数(Antecedent Rainfall Index,ARI)和经验降雨阈值两种方法的滑坡危险性预测。同时,实现了基于夜间灯光遥感数据的滑坡易损性快速评估。(5)以重庆市2014年8月31日发生的“831”暴雨诱发滑坡事件为例,分析了三峡库区2014年8月28日到2014年9月3日之间降雨量和滑坡?险的时空变化。研究发现,2014年8月30日和2014年8月31日的日最大降雨量分别达到了138mm和104mm,峰值降雨量出现在奉节县西北部、巫溪县南部、云阳县东北部和开县东部,与“831”暴雨滑坡事件发生的地点具有较好的一致性。同时,利用三峡库区滑坡危险性图,发现2014年8月31日上述地区的滑坡?险等级较高,而2014年9月1日至2014年9月3日滑坡?险等级依然较高,这主要是因为累积降雨对滑坡?险影响的滞后性。

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作者简介

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究意义

1.2 研究现状及存在问题

1.2.1 相关概念

1.2.2 研究现状

1.2.3 空天地一体化监测的概念及应用

1.2.4 滑坡灾害动态评价研究现状

1.2.5 三峡库区滑坡? 险研究现状

1.3 研究目标与研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容和技术路线

1.4 论文章节安排

第二章滑坡数据收集及数据库建设

2.1 滑坡数据收集

2.1.1 滑坡数据源

2.1.2 滑坡数据编目

2.2 滑坡数据库系统设计与开发

2.2.1 数据库系统基本框架

2.2.2 数据库建设

2.3 本章小结

第三章单体尺度下滑坡?险评价

3.1 研究区概况

3.2 单体滑坡? 险评价理论与算法

3.2.1 单体滑坡稳定性计算

3.2.2 单体滑坡破坏概率计算

3.2.3 单体滑坡? 险半定量评价

3.3 单体滑坡? 险评价系统开发

3.4 向家坳滑坡? 险评价

3.4.1 向家坳滑坡稳定性计算

3.4.2 向家坳滑坡破坏概率计算

3.4.3 向家坳滑坡? 险评价

3.5 本章小结

第四章局部尺度下滑坡易发性评价

4.1 研究区概况

4.2 地形地貌

4.2.1 地质构造

4.2.2 万县弧形构造

4.2.3 北北东向及其伴随构造

4.2.4 地层岩性

4.3 气象水文

4.4 新构造运动和地震

4.5 地质灾害

4.6 评价因子处理与分析

4.6.1 地形地貌

4.6.2 基础地质数据

4.6.3 水文条件

4.6.4 地表覆被

4.6.5 诱发因素

4.7 处理单元剖分

4.8 特征工程

4.9 算法选择

4.9.1 逻辑回归

4.9.2 GBDT

4.9.3 类别不平衡与加权GBDT

4.10 结果分析

4.11 本章小结

第五章区域尺度下滑坡?险动态评价

5.1 研究区概况

5.2 GEE云平台简介

5.2.1 平台集成数据源

5.2.2 GEE云平台特点

5.2.3 系统设计

5.2.4 系统功能介绍

5.2.5 系统界面展示

5.3 滑坡易发性计算

5.4 卫星降雨数据产品简介

5.5 基于前期降雨指数的滑坡危险性动态评价

5.5.1 前期降雨指数

5.5.2 滑坡危险性评价的决策框架

5.6 基于经验降雨阈值的滑坡危险性评价

5.7 承灾体易损性评价

5.7.1 基于夜间灯光遥感数据的建筑物易损性评价

5.7.2 基于人口分布的生命安全易损性评价

5.8 滑坡风险评估

5.8.1 风险分析

5.8.2 风险评价

5.9 重庆“831”暴雨滑坡危险性评价

5.10 本章小结

第六章结论与展望

6.1 研究成果与创新点

6.1.1 研究成果

6.1.2 创新点

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录A GEE平台集成的主要公共数据

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋英旭

导师: 朱培民

关键词: 地质灾害,监测,滑坡,动态,三峡库区

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 中国地质大学

分类号: P642.22

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000169

总页数: 138

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