基于遙感技術的地震移民選址研究基于RS和GIS的地震移民選址空間決策研究與實現(xiàn)

基于遙感技術的地震移民選址研究基于RS和GIS的地震移民選址空間決策研究與實現(xiàn)

近年來，世界各地地震頻繁，高震級強震給地震帶居民的生命財產造成了巨大損害。2008年，中國四川省樊川區(qū)發(fā)生了8.0級地震，嚴重破壞了多個城市，嚴重損壞了交通沿線和其他基礎設施，房屋崩塌。同時，強震后會發(fā)生大量次突然災害。崩塌和滑坡的活躍期為5-10年，泥石流的活躍期為20年。地震對生活環(huán)境和次生態(tài)破壞的嚴重威脅給地震帶的恢復和重建帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何科學合理地規(guī)劃災害后的位置？。影響地震移民選址的因素眾多,包括自然環(huán)境和人文經濟等多種制約條件,需要對震區(qū)空間與屬性等數(shù)據(jù)進行有效的綜合處理.近年來,遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的迅速發(fā)展,使得空間數(shù)據(jù)獲取能力和分析處理能力得到極大提高,RS和GIS技術已在自然災害綜合區(qū)劃及評價,移民搬遷選址,工廠及工業(yè)用地選址,以及銀行ATM網點、配電網絡、旅游度假區(qū)選址中得到應用,并取得了一定成果.本文基于汶川震后次生災害及減災對策的研究成果,利用多級分辨率遙感影像的解譯數(shù)據(jù)及研究區(qū)人文經濟數(shù)據(jù),運用GIS空間分析技術與決策科學中多指標綜合評價方法,對地質安全、地形地貌、水系分布、自然人文保護、交通運輸、城鎮(zhèn)建設、發(fā)展?jié)摿Φ戎萍s因素進行分析處理,為震區(qū)遷建選址的決策提供輔助數(shù)據(jù).1注重保護和發(fā)展原則以《汶川地震災后恢復重建條例》為指導,震區(qū)移民選址應綜合考慮城鎮(zhèn)建設的安全性、環(huán)境保護和經濟發(fā)展等制約因素,選址原則如下:1)安全性原則.根據(jù)汶川地震移民的特點,災后重建應將城市安全放在首位,應考慮各種地質災害包括次生地質災害的活躍期,對全新世活動斷裂帶附近進行工程建設避讓.2)自然人文保護原則.由于城鎮(zhèn)系統(tǒng)的復雜性及其與自然環(huán)境的相互作用,在遷建過程中,必須注意對上游生態(tài)系統(tǒng)、自然景觀、文物古跡的保護,尤其要保護上游水資源、原始森林以及生態(tài)價值較高的濕地生態(tài)系統(tǒng).同時,遷建地自然人文環(huán)境應有利于保持和發(fā)揚原居民的民族特色.3)經濟節(jié)約化原則.對現(xiàn)有的和可預期的人力、物力等資源的投入進行分析評估,因地制宜,科學統(tǒng)籌,合理規(guī)劃,避免浪費和重復建設,確保投入產出的效益最大化.4)利于發(fā)展原則.遷建應綜合考慮自然環(huán)境承載力,以及周邊城鎮(zhèn)的輻射影響,要有利于未來合理利用土地,發(fā)展與環(huán)境相適應的多種產業(yè),支持遷建城鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展.2建立評價體系本研究主要涉及遙感科學、空間分析技術以及決策科學,技術線路分為四大步驟:評價因子選擇及指標體系建立、空間數(shù)據(jù)庫建立、空間分析(遷建適宜度分區(qū))與模糊綜合評判(圖1).2.1評價指標體系的確定根據(jù)移民選址原則,綜合考慮研究區(qū)的自然人文環(huán)境特點,選擇合適的評價因子構成指標體系,進一步結合所獲取數(shù)據(jù)的精度及其時空特征,將該指標體系分成適合空間模型處理的“空間分析指標”以及適合模糊綜合評判的“綜合評價指標”.2.2遙感遙感數(shù)據(jù)處理通過遙感及野外測試等手段,獲取地質、地貌類型、山地災害(如崩塌、泥石流、滑坡分布等)數(shù)據(jù);對遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正、幾何校正等預處理,提高圖像可解譯性;解譯圖像或進行參數(shù)反演,獲取“空間分析指標”各值.2.3評價因子的確定“空間分析指標”反映了地質地貌、災害分布、水系分布等影響基本遷建適宜度的評價因子,可利用GIS提供的緩沖區(qū)與疊加分析進行遷建適宜度分區(qū)處理.空間分析模型如下:1)分析“空間分析指標”中各因子對遷建適宜度的貢獻程度或重要性,確定評價因子歸一化權重(權重的確定可采用特爾菲法、層次分析法或主成分分析法等方法).2)分析確定適宜度評價因子的量化分級評語值,對各評價因子分別建立專題圖層,對各專題圖層進行緩沖區(qū)分析并按照量化分級評語賦值.部分評價因子如坡度、高程可直接賦值.3)計算各像元適宜度評價值,形成適宜度評價圖.Ai=m∑j=1wjΤiji=1???n(1)Ai=∑j=1mwjTiji=1???n(1)式中:Ai為第i個評價像元(柵格)的適宜度評價值,wj為任一像元的第j個評價因子的權重,Tij為第i個評價像元的第j個評價因子的量化分級評語值.4)分析適宜度評價圖,選取評價值較高且面積較大的區(qū)域,得到移民候選地區(qū).2.4評判對象的評價因子集合應用決策科學中多指標綜合評價方法,建立基于模糊綜合評判法的選址分析模型,對遷建適宜度分區(qū)結果,按照“綜合評價指標”進行評判,選取最佳移民候選區(qū)域.基本思路如下:1)由“綜合評價指標”產生評判對象的評價因子集合U={U1,U2,…,Um};對于集合中個體評價因子可以進行細化,得到相應的二級評價因子.評價因子可以細分直到不能再細分為止.2)確定評語等級集合V={V1,V2,…,Vn},并量化處理.3)確定個體評價因子的權重集合W及隸屬度向量,得到模糊評判矩陣R.4)將評價因子權重集合與模糊評判矩陣進行模糊關系合成運算,得到評判結果B=W·R.5)對于多級因子評價可重復上述計算過程,由下級因子向上級因子逐步評判,得到U中所有因子綜合評判值E=B·VT.6)計算各候選地區(qū)的E值,最大值對應的地區(qū)即為最佳選擇.3移民安置計劃3.1遙感基本圖像研究區(qū)為汶川縣綿虒鎮(zhèn).汶川縣位于四川盆地西北部邊緣,居阿壩藏族羌族自治州東南部,地圖坐標在北緯30°45′～31°43′與東經102°51′～103°44′之間.汶川縣下轄6個鎮(zhèn),其中綿虒鎮(zhèn)位于汶川縣城西南,距縣城18km,鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域面積為25140hm2.該鎮(zhèn)東部與都江堰市接壤,南與銀杏鄉(xiāng)交界,西連草坡鄉(xiāng),北靠威州鎮(zhèn);其人口8606人(2007年統(tǒng)計),轄14個行政村,44個村民小組.該鎮(zhèn)地處岷江上游干旱河谷地帶,屬高山峽谷地貌,平均海拔約1400m,國道213線過其境.綿虒鎮(zhèn)在汶川地震及隨后的次生災害中受損嚴重.本研究的遙感數(shù)據(jù)來源于國土資源部航拍彩紅外圖像(圖2),拍攝時間為2008年5月18日,其空間分辨率為1m;震后TM數(shù)據(jù)用于提取植被指數(shù).3.2測定指標的分區(qū)基于選址原則,考慮研究區(qū)地質地貌、災害分布、水系分布等自然環(huán)境因素,以及城鎮(zhèn)建設所涉及的人文、經濟、未來發(fā)展等制約條件,篩選出以下指標:①地質安全,主要受二級指標“斷層”與“地質災害”分布的影響;②地形地貌,包括二級指標“地表坡度”、“高程”、“土地覆蓋”;③水系分布;④自然人文保護,包含“人文特色保護”、“生態(tài)環(huán)境保護”兩個方面;⑤交通運輸,包含二級指標“對外交通便利度”與“道路通達度”,其中“道路通達度”指城鎮(zhèn)內部的交通通達情況;⑥城鎮(zhèn)建設,指城鎮(zhèn)建設現(xiàn)狀,包含二級指標“公共基礎設施”與“建筑面積”;⑦發(fā)展?jié)摿?主要受到二級指標“工農業(yè)資源”、“旅游資源”、“城鎮(zhèn)擴建”、“周邊城鎮(zhèn)經濟輻射”的影響,其中“城鎮(zhèn)擴建”指隨經濟發(fā)展未來城鎮(zhèn)的空間可擴展性.根據(jù)各指標數(shù)據(jù)的精度及時空特征,將指標劃分成兩類:①空間分析指標(表1);②綜合評價指標(表2).權重采用特爾菲法確定,在表1中,總權重=一級指標權重×二級指標權重.3.3空間分析移民適宜面積3.3.1適宜度評判集合考慮合理評價遷建適宜度對“空間分析指標”的量化要求,設定適宜度評語集合為(適宜,較適宜,基本適宜,不適宜),量化值集為(3,2,1,0)(表3).1斷裂帶減緩距離按照中華人民共和國建設部的《建筑抗震設計規(guī)范》,結合研究區(qū)工程地質實際情況,確定對全新世活動斷裂帶的避讓距離為1000m以上的區(qū)域為適宜區(qū),500～1000m為較適宜區(qū),100～500m為基本適宜區(qū),100m以內為不適宜區(qū).2研究區(qū)的確定地震和強降雨通常引發(fā)次生地質災害,如滑坡、泥石流、崩塌、地裂縫、地面沉降等.震后次生災害將進入活躍期,崩塌、滑坡的活躍期可能持續(xù)5～10年,泥石流的活躍期將可能持續(xù)20年.這些次生災害對人居環(huán)境和設施會造成嚴重破壞,因此必須預留適當緩沖區(qū).避讓距離應視地質災害的具體規(guī)模、分布、地形條件而定,本文參考課題組前期成果,結合研究區(qū)具體災害分布情況,初步確定避讓距離為120m以上的區(qū)域為適宜區(qū),80～120m為較適宜區(qū),50～80m為基本適宜區(qū),50m以內為不適宜區(qū).3適宜區(qū)的確定根據(jù)中華人民共和國建設部《城市用地豎向規(guī)劃規(guī)范》,坡度低于5°的區(qū)域評價為適宜區(qū),5°～15°為較適宜區(qū),15°～25°為基本適宜區(qū),25°以上為不適宜區(qū).研究區(qū)高程在1197～3150m間,根據(jù)區(qū)內居住地的一般高程范圍,確定海拔在1800m以下的區(qū)域為適宜區(qū),1800～2000m為較適宜區(qū),2000～2200m為基本適宜區(qū),2200m以上為不適宜區(qū).4土地覆蓋類型量化和不確定度評價土地覆蓋包括森林、濕地、人工林地、灌草、旱地、裸地等類型,其分類特征在遙感圖像上有明顯反映.本研究利用多波段遙感圖像提取無量綱歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為土地覆蓋評價量化計算因子.基于土地覆蓋類型對遷建適宜度的影響,考慮NDVI與土地覆蓋的關系,將NDVI值小于0.20的區(qū)域作為適宜區(qū),0.20～0.30為較適宜區(qū),0.30～0.36為基本適宜區(qū),大于0.36為不適宜區(qū).5水系緩沖區(qū)設計水資源對于生物和人類的生存具有決定性意義,它包括支撐生態(tài)系統(tǒng)以及人類生活生產的各種地表水和地下水.在水系緩沖區(qū)設定中,綜合考慮研究區(qū)的地質地貌特點,以及氣候、年降雨、洪澇等因素,將水系緩沖區(qū)為50～1000m的區(qū)域評價為適宜區(qū),1000～2500m為較適宜區(qū),2500m以外為基本適宜區(qū),50m以內為不適宜區(qū).3.3.2空間背景和分區(qū)結果原始航片屬于中心投影,由于飛行姿態(tài)不穩(wěn)等原因,會造成較大的幾何畸變.本研究以汶川地區(qū)1∶10000地形圖為基礎,選擇多項式變換幾何校正模型,并以該模型進行投影變換;同時,原始影像色調對比度不大,色彩不豐富,影像分辨力和解譯力較差,研究采用線性拉伸技術對原始圖像進行影像增強處理.通過建立遙感地質解譯標志,研究區(qū)活斷層、地質災害、水系等要素信息提取結果見圖3.采用1∶50000地形圖進行數(shù)字化處理,生成不規(guī)則三角網TIN,由TIN內插轉換為規(guī)則格網DEM,利用DEM得到研究區(qū)坡度和高程.植被指數(shù)NDVI采用震后TM衛(wèi)星圖像經過輻射校正后反演獲取.對獲取的斷層、次生災害、水系、高程和坡度、植被指數(shù)等要素分別建立專題圖層,根據(jù)表3進行分級量化賦值處理和緩沖區(qū)分析,得到分析結果柵格圖層(圖4).在專題圖層分析基礎上,按照前述空間模型(1)實施疊加分析.疊加分析結果顯示像元值在[0,3]之間,采用NaturalBreaks(Jenks)進行重新分割,得到適宜度分區(qū)結果(圖5).在圖5中,適宜區(qū)約占總面積的12%,較適宜區(qū)約占72%,基本適宜區(qū)約占11%,不適宜區(qū)約占6%.適宜區(qū)主要集中在三官廟村-綿虒中學(圖5中A區(qū))、高店子村-新店(圖5中B區(qū))、三倒拐-大坪(圖5中C區(qū)).其中A區(qū)與原鎮(zhèn)中心區(qū)部分重疊.圖5顯示原鎮(zhèn)中心北西部分區(qū)域距離活斷層在1000m以內,屬于基本適宜區(qū),如果原址重建應加強房屋抗震設計.遷建適宜度分區(qū)結果反映了對選址制約因素中地質地貌、水系、災害分布等要素的綜合評價,可以輔助野外勘察部門進行實地重點考察.在此基礎上,可進一步結合人文經濟等指標進行“模糊綜合評判”.3.4級指標模糊綜合評判應用前述模糊綜合評價模型對圖5中A,B,C3個區(qū)域進行評判.設選址評語集為V={V1,V2,…,Vn}={很好,較好,一般,差}={9,7,5,3},由表2中指標U到V的模糊映射關系,根據(jù)各區(qū)域自然人文保護、交通運輸、城鎮(zhèn)建設、發(fā)展?jié)摿Φ葦?shù)據(jù)資料,計算出各區(qū)域二級指標隸屬度模糊矩陣,表4為各區(qū)域的二級指標隸屬度列表.以區(qū)域A為例,對各二級指標進行模糊綜合評判如下:BA1=W?RA1=(0.280.72)(0.60.30.10.00.40.50.10.0)=(0.4560.4440.1000.000)同理可得:BA2=W?RA2=(0.3330.4330.2340.000)BA3=W?RA3=(0.6400.3600.0000.000)BA4=W?RA4=(0.2250.4080.3100.057)計算區(qū)域A的一級指標模糊綜合評判:BA=W?RA=(0.370.180.130.32)(BA1BA2BA3BA4)Τ=(0.3840.4200.1780.018)計算區(qū)域A的綜合評判值:EA=BA·VT=7.3.同理,可得B區(qū)和C區(qū)的綜合評判值:EB=BB·VT=7.5;EC=BC·VT=6.8.B區(qū)的綜合評判值最高,A區(qū)略低于B區(qū),C區(qū)最低.故B區(qū)、A區(qū)可分別作為第一和第二候選區(qū)域,予以重點考察.4空間分析模型地震移民選址涉及對地質安全、地形地貌、自然人文保護、交通運輸、發(fā)展?jié)摿Φ榷喾N自然和人文經濟制約因素的綜合評價,需要對具有不同時空特征和精度的參數(shù)進行處理.本文基于RS和GIS