楊育文,敖晨霞,熊增強(qiáng)(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

建設(shè)用地適宜性的模糊綜合評判法及其在GIS軟件平臺上的實(shí)現(xiàn)

楊育文?,敖晨霞,熊增強(qiáng)
(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

摘 要:城鎮(zhèn)化和新城區(qū)建設(shè)中必須首先考慮建設(shè)用地的適宜性。適宜性評判涉及工程地質(zhì)、地形、水文氣象、自然生態(tài)、人為影響5個方面的多個指標(biāo),是一個非常復(fù)雜的問題。本文詳細(xì)地介紹了分析這一問題的指標(biāo)體系、多級模糊綜合評判方法以及在基于GIS技術(shù)開發(fā)平臺上的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞:建設(shè)用地;模糊綜合評判;GIS

1　前 言

城市必須擁有健全的生命支撐系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng),其中居住的安全性和適宜性是城市建設(shè)和管理者必須首先考慮的問題。但是,威脅著我國城市安全的事件時有發(fā)生。例如,2010年8月7日22時許,甘肅省舟曲縣突降強(qiáng)降雨,縣城北面的羅家峪、三眼峪泥石流下泄,造成縣城由北向南5 km長、500 m寬約250 萬km2區(qū)域被夷為平地,遇難1 481人。我國正處于城鎮(zhèn)化和城市大規(guī)模擴(kuò)張時期,城市選址、用地適宜性評估這類關(guān)于城市安全的問題正越來越引起關(guān)注。葉斌等分析了用地適宜性評價的流程[1],梁再東等對蘭州建設(shè)用地適宜性進(jìn)行了分析[2],鄧軼等提出了用地適宜性的評價體系[3],申金山等對居住用地適宜性進(jìn)行了評估[4],孫永亮等采用模糊評判法分析了建設(shè)用地的適宜性[5]。建設(shè)用地適宜性是一個非常復(fù)雜的問題,涉及工程地質(zhì)、水文氣象等多個方面的因素。建設(shè)用地適宜性評判中,目前存在評定指標(biāo)體系不全面、系統(tǒng)性差、評判過程較主觀、缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)等等[1]。用地適宜性評判分析不能直接在GIS環(huán)境下進(jìn)行,不利于在實(shí)際工程中應(yīng)用,也是存在的問題之一。本文依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[6],建立全面系統(tǒng)的建設(shè)用地評判體系,提出了新的模糊綜合評判方法,介紹了在基于GIS的開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)評判功能的詳細(xì)過程。

2　評價體系的建立

建設(shè)用地適宜性評定中,選擇科學(xué)合理的指標(biāo)體系是評定的基礎(chǔ),對保證用地評定結(jié)論的科學(xué)性起著關(guān)鍵性的作用。《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009) 第4．1．2條款中規(guī)定了一套完整通用的建設(shè)用地評定指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系分特殊指標(biāo)和基本指標(biāo)兩種,其中包括主導(dǎo)指標(biāo)、必須采用的指標(biāo)、應(yīng)采用的指標(biāo)和宜采用的指標(biāo)4種類型,可根據(jù)濱海、平原、高原、丘陵山地地形地貌特征選擇。其中,一級指標(biāo)有36個,二級指標(biāo)包括工程地質(zhì)、地形、水文氣象、自然生態(tài)、人為影響5個,三級指標(biāo)有特殊指標(biāo)和基本指標(biāo)兩個,綜合考慮這兩個指標(biāo)的分析結(jié)果,就可以確定建設(shè)用地適宜性等級。

為了使建立的模糊評判模型有廣泛的實(shí)用性,本文采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)第4．1．2條款中規(guī)定評定指標(biāo)體系。對某一特定的地區(qū),一些指標(biāo)體不存在,只需在模糊評判過程中進(jìn)行一些處理,并不影響評判結(jié)論。

3　模糊綜合評判方法

3．1評判目標(biāo)集

根據(jù)《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 132 -2009)第3．0．2條款規(guī)定,城鄉(xiāng)用地評定區(qū)必須劃分評定單元,單元劃分必須以:①現(xiàn)狀建成區(qū)用地、評定區(qū)界線;②地貌單元、工程地質(zhì)單元分區(qū)及水系界線;③洪水淹沒線,強(qiáng)震區(qū)、活動性斷裂、不良地質(zhì)現(xiàn)象的影響范圍界線;④各類保護(hù)區(qū)、控制區(qū)范圍界線。根據(jù)《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)第3．0．3條款規(guī)定,評定單元建設(shè)用地適宜性等級類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ這4個等級,分別對應(yīng)適宜建設(shè)用地、可建設(shè)用地、不宜建設(shè)用地、不可建設(shè)用地,由此確定模糊綜合評判目標(biāo)集V ={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。

3．2模糊綜合評判一般方法

對任何一個模糊綜合評判,都涉及以下8個主要步驟:

(1)確定評判目標(biāo),如前述建設(shè)用地等級;

(2)根據(jù)評判等級劃分,確定評語集V = {v1,v2, …,vm},是一個m維向量;

(3)確定評判指標(biāo)集X ={X1,X2,…,Xn},是一個n維向量;

(4)確定每一指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分度值c

其中第二行至n行元素值與對應(yīng)的第一行元素分度值相同;

(5)隸屬函數(shù)的確定

根據(jù)某一參評指標(biāo)的實(shí)際分值xi,確定其隸屬度uij(0≤uij≤1,i =1,2,…,n;j = 1,2,…,m)。uij越大,表明該指標(biāo)屬于某一等級程度越大。若uij=0,則不屬于該等級;uij=1,則完全屬于該等級。計算隸屬度uij的方法很多,其中線性函數(shù)最簡單。例如,uij可由下列線性函數(shù)確定(以列為序):

其中,i=1,2,…,n。

其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m-1。

其中,i=1,2,…,n。

(6)建立模糊關(guān)系矩陣

由式(1)～式(3),確定所有指標(biāo)的隸屬度,由此建立模糊關(guān)系矩陣R:

(7)確定權(quán)重集W

每個選定的指標(biāo)因目的不同,反映問題的程度不同,它們之間的重要性存在差異。在進(jìn)行評估之前,應(yīng)先確定指標(biāo)權(quán)重向量,W={w1,w2,…,wn},且∑wi=1。確定權(quán)重的方法很多,目前有兩種方法被廣為接受:一是根據(jù)專家意見和經(jīng)驗(yàn)綜合確定;二是AHP法(Analytic Hierarchy Process),即層次分析法。后者應(yīng)用的領(lǐng)域較廣泛,可以用來確定權(quán)重大小。

(8)評判結(jié)果

根據(jù)取小取大運(yùn)算(扎德算子,即模型M(∧, ∨)),得評判結(jié)果向量B=W×R,式中×為合成運(yùn)算,即∧或∨。也可采取相乘后相加運(yùn)算方法。然后按最大隸屬原則,根據(jù)B向量中的最大值bj(1≤j≤m),確定判定評估結(jié)果。

以上是模糊綜合評判的基本步驟,適合于絕大多數(shù)模糊綜合評判方法。

建設(shè)用地適宜性評價指標(biāo)眾多,各指標(biāo)之間存在著明顯的層次關(guān)系。同一類指標(biāo)可歸納成一個評判子集(如工程地質(zhì)),另一類可組成另一子集(如地形)。這種情況下,就要進(jìn)行多級模糊綜合評判。下面簡要說明多級模糊綜合評判方法。

按指標(biāo)的屬性,將評判指標(biāo)體系X劃分為k個子系統(tǒng),記作Y1,Y2,……,Yk,對任一評判子集Yi,應(yīng)滿足Yi=X,Yi∩Yj=φ(i≠j)。按照前面介紹的8個步驟,分別得到對應(yīng)的評判向量Bi。然后將所有Bi(i=1,2, …,k)組成一個二級評判矩陣:

將評判子集Yi作為一個指標(biāo),同樣,根據(jù)前面介紹的步驟(7),確定X=(Y1,Y2,…Yk)指標(biāo)的權(quán)重向量W。然后按第(8)步,進(jìn)行模糊運(yùn)算,就可以得到二級評判結(jié)果。重復(fù)這一過程,就可以確定多級模糊綜合評判結(jié)果。

下面分別介紹基本指標(biāo)、特殊指標(biāo)組成的兩個子系統(tǒng)的模糊評判過程。

3．3基本指標(biāo)的評判

根據(jù)《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)規(guī)范中附錄F,基本指標(biāo)適宜性評價分成4個等級,評價目標(biāo)集V={不適宜,適宜性差,較適宜,適宜}(見該規(guī)范附錄F基本指標(biāo)定量標(biāo)準(zhǔn)),其分度值向量C={1,3,6,10}。其中,權(quán)重采用該規(guī)范中第50頁表2中推薦的值。

二級指標(biāo)包含5個評判子系統(tǒng):①工程地質(zhì);②地形;③水文氣象;④自然生態(tài);⑤人為影響。以下介紹第一級模糊綜合評判過程。

3．3．1 一級評判

該級評判中包含有5個平行級評判。分度值標(biāo)準(zhǔn)向量C=(1,3,6,10),對任一參評指標(biāo)的實(shí)際值xi,其隸屬度由以下線性隸屬函數(shù)確定:

(1)工程地質(zhì)

工程地質(zhì)評判中包括6個參評一級指標(biāo),對任一參評因素的實(shí)際值xi(i = 1,2,…,6),由式(4)～式(7),分別計算xi隸屬度,建立模糊關(guān)系矩陣R1。

權(quán)重向量W1采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W1= (0．15,0．2, 0．3,0．2,0．1,0．05),由W1與R1進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到工程地質(zhì)評判向量B1。

對有些需要插值確定分位值的指標(biāo),須進(jìn)行插值運(yùn)算。例如,對“地下水位埋深”指標(biāo),若地下水埋深2 m,由圖1得到分位值4．5,然后由式(4)～式(7)確定隸屬度向量u4=(0．0,0．5,0．5,0．0)。

圖1　地下水分位值的確定

(2)地形

地形評判包括3個一級指標(biāo)。同理,對任一參評指標(biāo)實(shí)際值xi,由式(4)～式(7),可確定隸屬度,由此確定模糊關(guān)系矩陣R2,是一3×4維矩陣。

參評指標(biāo)權(quán)重向量采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132- 2009)中第50頁表2中推薦的值,W2= (0．25,0．15,0．6),由W2與R2進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到地形評判的向量B2。

(3)水文氣象

水文氣象評判共包括4個參評一級指標(biāo)。同理,對任一xi,由式(4)～式(7),確定隸屬度,由此確定模糊關(guān)系矩陣R3,是一4×4維方陣。

參評指標(biāo)權(quán)重向量采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132- 2009)中第50頁表2中推薦的值,W3= (0．06,0．55,0．25,0．14),由A3與R3進(jìn)行模糊運(yùn)算得到B3,是評判水文氣象對適宜性影響的向量。

(4)自然生態(tài)

自然生態(tài)評判共3個一級指標(biāo),與地形評判類似,由式(4)～式(7),得到3×4的隸屬度矩陣R4。

權(quán)重向量W4采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W4= (0．35,0．2, 0．45),由W4與R4進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到用于評判自然生態(tài)對用地適宜性影響的向量B4。

(5)人為影響

人為影響的評判共有兩個一級指標(biāo),由式(4)～式(7),得到模糊關(guān)系矩陣R5,是一2×4維方陣。

權(quán)重向量W5采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W5=(0．45,0．55), 由W5與R5進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到評判向量B5。

3．3．2 二級評判

由以上5個平行的子系統(tǒng)得到的評判向量Bi(i=1,2,…,5),可得到基本指標(biāo)的二級評判矩陣R(2)。由下式?jīng)Q定:

工程地質(zhì)、地形、水文氣象、自然生態(tài)、人為影響這5個二級指標(biāo),它們的權(quán)重采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W(2)= (0．3,0．2,0．24,0．18,0．08),由R(2)與W(2)進(jìn)行模糊運(yùn)算,可得用于基本指標(biāo)評判用地適宜性的向量BB(2),對應(yīng)的評價集向量V={不適宜,適宜性差,較適宜,適宜},按照最大隸屬度原則,確定由基本指標(biāo)得到的用地適宜性評估結(jié)論。

3．4特殊指標(biāo)評判

根據(jù)《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范附錄E,將特殊指標(biāo)影響評價集分成4個等級,評價目標(biāo)集向量V=(嚴(yán)重影響,較重影響,一般影響,無影響)((見該規(guī)范附錄E特殊指標(biāo)定量標(biāo)準(zhǔn))),其分度值C=(10,5,2,0)。與基本指標(biāo)類似,特殊指標(biāo)中有5個平行評判子系統(tǒng):①工程地質(zhì);②地形;③水文氣象;④自然生態(tài);⑤人為影響,但包含的第一級指標(biāo)完全不同,屬于限制性指標(biāo),而基本指標(biāo)屬于適宜性指標(biāo)。

若某一指標(biāo)在實(shí)際用地中不存在或?qū)τ玫貨]有影響,則設(shè)定為“無影響”級,分度值設(shè)為0．0。

3．4．1 一級評判

該級評判中包含有5個平行一級評判。分度標(biāo)準(zhǔn)向量C=(10,5,2,0),對任一參評指標(biāo)的實(shí)際值xi隸屬度,由以下線性隸屬函數(shù)確定:

(1)工程地質(zhì)

特殊指標(biāo)中,工程地質(zhì)共有9個一級指標(biāo),是圖1指標(biāo)體系中涉及最多一級指標(biāo)的子系統(tǒng)。對任一指標(biāo)的實(shí)際值xi,其隸屬度由式(8)～式(11)確定,由此建立模糊關(guān)系矩陣R1。

在工程地質(zhì)9個指標(biāo)中,它們之間的相對重要性是不同的,由層次分析法確定權(quán)重。首先由專家經(jīng)驗(yàn)確定對比定量關(guān)系,如表1所示。

工程地質(zhì)的調(diào)查表 表1

由表1,得到比較矩陣。由AHP法計算確定權(quán)重,W1= (0．444,0．103,0．096,0．103,0．103,0．081, 0．024,0．024,0．024)。一致性率檢驗(yàn),CR = 0．0316〈10%,W1值符合要求。由W1與R1進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到工程地質(zhì)評判向量B1。

(2)地形

地形評判包括3個指標(biāo)。同理,對任一參評指標(biāo)實(shí)際值xi,由式(8)～式(11),可確定隸屬度,由此確定模糊關(guān)系矩陣R2,是一3×4維矩陣。指標(biāo)之間的相對重要性是不同的,首先由專家經(jīng)驗(yàn)確定對比定量關(guān)系,如表2所示。

地形的調(diào)查表 表2

由表2,得到比較矩陣。根據(jù)AHP法,計算確定權(quán)重,W2= (0．62,0．31,0．07)。一致性率檢驗(yàn),CR = 0．08〈10%,W2值符合一致性率檢驗(yàn)要求。由W2與R2進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到地形評判的向量B2。

(3)水文氣象

水文氣象評判包括3個指標(biāo)。同理,對任一參評指標(biāo)實(shí)際值xi,由式(8)～式(11),可確定隸屬度,由此確定模糊關(guān)系矩陣R3,是一3×4維矩陣。

3個指標(biāo)之間的相對重要性存在差異,首先由專家經(jīng)驗(yàn)確定對比定量關(guān)系,如表3所示。

水文氣象的調(diào)查表 表3

由表3,得到比較矩陣。根據(jù)AHP法,計算確定權(quán)重,W3= (0．64,0．09,0．27)。一致性率檢驗(yàn),CR = 0．01〈10%,W3值符合要求。由W3與R3進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到地形評判的向量B3。

(4)自然生態(tài)

自然生態(tài)僅有一個評判指標(biāo),據(jù)公式(8)～式(11),得到1×4的R隸屬度矩陣R4,也就是向量B4。

(5)人為影響

人為影響的評判共有兩個指標(biāo),同樣由(8)～式(11),隸屬度得到模糊關(guān)系矩陣R5,是一2×4維方陣。權(quán)重向量W5由專家經(jīng)驗(yàn)確定,W5=(0．5,0．5),由R5與W5運(yùn)算,得到評判向量B5。

3．4．2 二級評判

綜合以上5個子系統(tǒng)評判結(jié)果,得到特殊指標(biāo)的二級評判矩陣R(2),由式(13)決定:5

5個影響因素,包括工程地質(zhì)、地形、水文氣象、自然生態(tài)、人為影響,它們的權(quán)重采用《城鄉(xiāng)用地評定標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W(2)= (0．3,0．2,0．24,0．18,0．08)。由W(2)與R(2)進(jìn)行模糊運(yùn)算,可得用于特殊指標(biāo)評判影響性的向量SB(2),同樣按照最大隸屬度原則,對應(yīng)評價目標(biāo)向量V=(嚴(yán)重影響,較重影響,一般影響,無影響),確定根據(jù)特殊指標(biāo)的影響程度等級。

3．5確定建設(shè)用地等級

對一建設(shè)用地單元,綜合考慮由以上模糊綜合評判確定的基本指標(biāo)適宜性等級、特殊指標(biāo)限制性等級,確定用地單元的等級,由此確定模糊綜合評判目標(biāo)集,如表4所示。

綜合評定用地單元等級 表4

4　軟件開發(fā)

MapGIS K9是基于GIS技術(shù)開發(fā)的商用軟件,利用動態(tài)鏈接庫(插件)實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)功能。TDE插件可以直接添加到系統(tǒng)中,獨(dú)立完成功能擴(kuò)展,不影響系統(tǒng)中的其他功能。

本文介紹的建設(shè)用地適宜性模糊綜合評判方法, 在Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺上用一個CFuzzyDecision類實(shí)現(xiàn)全部功能。將該類與MapGIS K9 TDE開發(fā)平臺一個插件結(jié)合起來,就能實(shí)現(xiàn)它們的交互作用。模糊綜合評判中需要的數(shù)據(jù),從Access、SQLServer或是從Oracle數(shù)據(jù)庫中獲取,通過對數(shù)據(jù)記錄集(CAdo-RecordSet)的操作實(shí)現(xiàn)。圖元信息則是針對MapGIS數(shù)據(jù)對象的操作,通過獲取隊(duì)形得到查詢的圖元信息。本軟件中,數(shù)據(jù)和圖元信息的獲取,在消息響應(yīng)函數(shù)OnNotifyMessage ( long nMsgID, WPARAM wParam, LPARAM lParam)中實(shí)現(xiàn)。由于篇幅所限,文中略去編程代碼。

在MapGIS K9平臺上,對任意一選定的用地單元,計算機(jī)自動獲取該區(qū)域中的數(shù)據(jù)和信息,然后采用文中方法確定建設(shè)用地等級和類別如圖2所示。

圖2　MapGIS軟件平臺上的建設(shè)用地模糊綜合評判結(jié)論

5　結(jié)　論

場地穩(wěn)定、工程適宜性好、無需工程措施、無人為影響是理想的建設(shè)用地。建設(shè)用地必須選擇地質(zhì)條件較好的地段,避開泥石流、強(qiáng)發(fā)育的巖溶暗河等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。本文介紹的建設(shè)用地適宜性評價方法,綜合考慮了地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境、工程建設(shè)中可能誘發(fā)的工程問題,并在軟件平臺上實(shí)現(xiàn)了模糊綜合評判。在城區(qū)擴(kuò)建和新城區(qū)選址中,應(yīng)用文中介紹的方法,有助于規(guī)避或減少自然災(zāi)害和工程活動中引發(fā)的工程事故。文中模糊綜合評判方法與基于GIS技術(shù)相結(jié)合,為建設(shè)用地等級評定提供了一個實(shí)用、有效的分析工具。

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Fuzzy Evaluation on Land Use Suitability and Its Implementation in GIS Software Platform

Yang Yuwen,Ao Chenxia,Xiong Zengqiang
(Wuhan Geomatic Institute,Wuhan 430022,China)

Abstract:The suitability of construction land use is the priority to consider in the urbanization and urban expansion．It is a complicated issue involving many factors in engineering geology,terrain,hydrology and meteorology,ecological environment,anthropogenic influence．This paper detailedly introduces an approach to the issue,including an index system, three-level fuzzy comprehensive evaluation and implementation of the evaluation method in GIS software．The method, presented in this paper,is reference to construction land use assessment．

Key words:land use;fuzzy comprehensive evaluation;GIS

文章編號:1672-8262(2015)04-152-06中圖分類號:P208,P642．5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期:?2015—03—25

作者簡介:楊育文(1963—),男,博士,正高職高級工程師,從事城市地質(zhì)、深基坑、樁基工程理論研究以及城市地質(zhì)、巖土工程信息技術(shù)開發(fā)。

基金項(xiàng)目:武漢市國土資源和規(guī)劃局武漢城市地質(zhì)調(diào)查科研專項(xiàng)(2012查02)