基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

梁師俊

基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

梁師俊

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)工程系，浙江 杭州 311231）

針對(duì)城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，分析了城市用地抗震適宜性的影響因素和評(píng)定準(zhǔn)則，并采用三標(biāo)度矩陣，利用層次分析法確定了各影響因子的權(quán)重，將城市用地抗震適宜性、評(píng)價(jià)因子、評(píng)定準(zhǔn)則相結(jié)合建立物元模型，利用可拓理論，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)給出各評(píng)價(jià)因子在城市用地抗震適宜性中的量化值，介紹了城市用地抗震適宜性可拓理論的經(jīng)典域和節(jié)域的建立方法，確定了各評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，最后劃分研究區(qū)域的城市用地抗震適宜性分區(qū)，在GIS的支持下，根據(jù)空間聚類分析，給出了區(qū)劃圖。評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)槌鞘杏玫剡x擇提供決策參考。

城市用地;抗震;適宜性;可拓理論

0 引言

我國(guó)作為世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，面臨強(qiáng)烈的地震災(zāi)害威脅，而城市系統(tǒng)進(jìn)行抗震減災(zāi)的前提就是要識(shí)別土地這一特殊的承載體潛在的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。城市用地抗震適宜性是建設(shè)用地這一承災(zāi)體所面臨的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小的體現(xiàn)，是綜合場(chǎng)地類型、場(chǎng)地條件、地面穩(wěn)定性、地震危險(xiǎn)性等因素分析得到的城市用地地震災(zāi)害預(yù)防的適宜性情況［1］。因此，進(jìn)行城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)成為減少地震損失的一種有效手段［1］。

我國(guó)現(xiàn)行《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB50413－2007）規(guī)定：城市用地抗震防災(zāi)類型分區(qū)應(yīng)結(jié)合工作區(qū)地質(zhì)地貌、成因環(huán)境和典型勘察鉆孔資料進(jìn)行［2］，是一種定性的評(píng)價(jià)方法。城市用地抗震適宜性定量評(píng)價(jià)較困難，主要原因在于城市用地抗震適宜性的空間分布極不均勻，很難用某種準(zhǔn)確的量化方法描述;另一方面，表征城市用地抗震適宜性的定量指標(biāo)不易選取，因此，有必要探討一種定量、科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)方法。在傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法中，特爾斐法、主成分分析法、層次分析法、多因素綜合評(píng)價(jià)法等無(wú)法消除指標(biāo)選取中出現(xiàn)的重疊或矛盾關(guān)系，并且這些方法多基于點(diǎn)，影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和客觀性［3］?？赏卦u(píng)價(jià)方法是用形式化的模型事物拓展可能性的規(guī)律與方法的理論［4］，優(yōu)勢(shì)明顯，很多學(xué)者已將該理論應(yīng)用于巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［5］、建筑物損害評(píng)價(jià)［6］、地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)［7］、礦區(qū)土地破壞程度評(píng)價(jià)［8］等;加之GIS技術(shù)具備強(qiáng)大的空間分析和數(shù)據(jù)管理功能，可以綜合分析抗震適宜性各影響指標(biāo)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，因此基于GIS技術(shù)平臺(tái)的可拓理論為城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)提供了一個(gè)較好的解決方案。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)綜合分析影響建筑場(chǎng)地抗震性能的因素。根據(jù)《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB50413－2007）和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010），選取4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)：地震破壞效應(yīng)、場(chǎng)地抗震場(chǎng)地類別、地質(zhì)災(zāi)害影響、地形地貌，相應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)8個(gè)。

1.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的確定

根據(jù)《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB50413－2007），城市用地抗震適宜性分為適宜、較適宜、有條件適宜、不適宜4級(jí)，其中的“有條件適宜”主要是指潛在的不適宜用地，但由于某些條件限制，場(chǎng)地地震破壞因素未能明確，若要進(jìn)行開發(fā)，需查明用地危險(xiǎn)程度和消除限制性因素［2］。因此，將“有條件適宜”劃分至“不適宜”級(jí)中，為了工程應(yīng)用更方便合理，將“不適宜”拆分為“較不適宜”和“不適宜”兩級(jí)。城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system

1.3 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)各影響因素之間既相互影響、相互作用，又相互獨(dú)立，關(guān)系極為復(fù)雜，需要一種方法對(duì)各影響因素予以排序和綜合。層次分析法（AHP）可將各種有關(guān)因素層次化，并逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，為分析、決策、預(yù)測(cè)或控制事物的發(fā)展提供可比較的定量依據(jù);特別是采用三標(biāo)度的最優(yōu)傳遞矩陣的改進(jìn)層次分析法具有良好的判斷傳遞性和標(biāo)度值的合理性［9－12］。本文經(jīng)專家咨詢，確定各因素的重要程度，按三標(biāo)度法列出各層各因素的判斷矩陣（表2～表5）。表中標(biāo)度1表示一個(gè)因子比另一個(gè)因子重要，標(biāo)度0表示兩個(gè)因子同樣重要，標(biāo)度－1表示一個(gè)因子不如另一個(gè)因子重要。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣Table 2 Judgement matrix of evaluation indexes

表3 地震破壞效應(yīng)評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣Table 3 Judgement matrix of evaluation indexes of seismic damage effect

表4 場(chǎng)地情況評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣Table 4 Judgement matrix of evaluation indexes of site situation effect

表5 地形地貌評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣Table 5 Judgement matrix of evaluation indexes of landform effect

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得出各指標(biāo)權(quán)重如下：

2 可拓模型的建立

根據(jù)可拓評(píng)價(jià)方法的基本原理［13，14］，按如下步驟建立城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)的可拓模型。

2.1 經(jīng)典域與節(jié)域的確定

從表1可以看出，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)量單位不同，而且取值范圍變幅較大，須按以下原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（1）定性指標(biāo)需要定量化。定性指標(biāo)為適宜時(shí)的量化值為100，不適宜時(shí)為0，較適宜和較不適宜按線性插值確定，即較適宜時(shí)量化值為75，較不適宜為50。如評(píng)價(jià)指標(biāo)場(chǎng)地?cái)嗔训脑u(píng)價(jià)準(zhǔn)則為適宜（75～100）、較適宜（50～75）、較不適宜（25～50）、不適宜（0～25）。

（2）各指標(biāo)的歸一化無(wú)量綱處理。有的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值越小評(píng)價(jià)等級(jí)越高（如砂土液化），有的指標(biāo)則是數(shù)值越大評(píng)價(jià)等級(jí)越高（如場(chǎng)地?cái)嗔杨悇e），故根據(jù)式（1）對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化無(wú)量綱處理［15］，由表1得到經(jīng)典域R1、R2、R3、R4和節(jié)域Rc。

式中：x為評(píng)價(jià)指標(biāo)值，xmax、xmin分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)取值范圍的最大值、最小值，x′為評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化無(wú)量綱后的評(píng)價(jià)值［8］。

2.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)與關(guān)聯(lián)度的確定

事物多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)可用事物關(guān)于某些量值的符合程度（即關(guān)聯(lián)度）表達(dá)，關(guān)聯(lián)度由關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算得到。城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

式中：j＝1，2，3，4，為城市用地抗震適宜性分類數(shù);i＝1，2，…，8，為城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)因子數(shù);νi為待評(píng)物元第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的值;νoji為評(píng)價(jià)因子i的第j類經(jīng)典域＜aji，bji＞;｜νoji｜＝｜aji－bji｜為經(jīng)典域的距離;ρ（νi，νoji）、ρ（νi，νpi）分別為評(píng)價(jià)因子值與經(jīng)典域、節(jié)域的距離，計(jì)算公式如下：

確定了關(guān)聯(lián)函數(shù)后，可以計(jì)算各待評(píng)物元屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj（P），公式如下：

式中：Kj（P）為待評(píng)物元P屬于j評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度;λi為評(píng)價(jià)因子i的權(quán)重;Kj（νi）為評(píng)價(jià)因子i的第j類別的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

2.3 待評(píng)物元模型的建立及評(píng)價(jià)等級(jí)確定

把需要評(píng)價(jià)的對(duì)象用物元的方式表達(dá)為：

其中：P表示待評(píng)物元，νi為P關(guān)于評(píng)價(jià)因子Ci無(wú)量綱歸一化后的指標(biāo)值。

建立待評(píng)物元模型后，根據(jù)式（2）～式（5），計(jì)算待評(píng)物元P關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度;若Kj0＝maxKj（P0），則待評(píng)物元的評(píng)價(jià)等級(jí)為第j級(jí)。

3 基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

選用ArcGIS軟件，以杭州市江南區(qū)為研究區(qū)（面積為112 km2），建立表1所示8個(gè)特征指標(biāo)定量化和歸一化后的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，編制特征指標(biāo)空間數(shù)字圖層，應(yīng)用GIS處理模塊將特征指標(biāo)空間數(shù)字圖層作1 km×1 km解析度的柵格化處理，把8個(gè)特征指標(biāo)數(shù)值賦給每個(gè)柵格單元，這些數(shù)值在柵格單元中均勻分布。

對(duì)每個(gè)柵格單元，獲取單元特征指標(biāo)值，建立柵格單元的待評(píng)物元，根據(jù)城市用地抗震適宜性可拓經(jīng)典域R1、R2、R3、R4和節(jié)域Rc，按式（2）～式（5）計(jì)算柵格單元的城市用地抗震適宜性等級(jí)。如35號(hào)柵格單元的評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)為：砂土液化等級(jí)為中級(jí)，液化指數(shù)為13. 4;軟土震陷等級(jí)為輕微，軟土震陷量為3.7 mm;沒有全新活動(dòng)斷裂，場(chǎng)地?cái)嗔杨悇e為Ⅳ;場(chǎng)地較穩(wěn)定，抗震類別為Ⅱ類場(chǎng)地;沒有崩塌、滑坡、泥石流活動(dòng)，地形坡度為12.3°，地貌類型為平原。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)，經(jīng)過無(wú)量綱歸一化處理后待評(píng)物元模型為：

根據(jù)式（2）～式（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)值（表6）。

表6 城市用地抗震適宜性各等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值Table 6 Correlation function values of indexes′ranks in seismic suitability of urban land

根據(jù)式（5）計(jì)算該區(qū)域關(guān)于抗震適宜、較適宜、較不適宜、不適宜4個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，分別為0.297、－0.346、－1.285、－2.058。因?yàn)镵j0＝maxKj（p0）＝0.297，故該區(qū)域城市用地抗震適宜性等級(jí)為適宜。

應(yīng)用GIS技術(shù)，將抗震適宜性等級(jí)賦予每個(gè)柵格單元，然后將每個(gè)柵格作為一個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，突出了GIS分析工具應(yīng)用的簡(jiǎn)潔性和區(qū)域評(píng)價(jià)的精確性，但劃分的柵格單元不能充分反映地形、行政區(qū)劃、流域等因子的邊界條件，而使區(qū)劃偏于理想化，政府部門和流域管理機(jī)構(gòu)在防災(zāi)減災(zāi)決策時(shí)不便應(yīng)用。因此對(duì)城市用地抗震適宜性等級(jí)柵格單元區(qū)劃結(jié)果進(jìn)一步整合，將不同抗震適宜性等級(jí)柵格單元邊界作適當(dāng)調(diào)整，使之盡量與行政（流域）區(qū)劃邊界、地形地貌邊界重合。整合后的研究區(qū)城市用地抗震適宜性區(qū)劃在ArcGIS中成圖（圖1）。

圖1 適宜性分區(qū)Fig.1 The urban land suitability zoning

4 結(jié)論

城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)涉及場(chǎng)地地震破壞效應(yīng)、場(chǎng)地穩(wěn)定性與場(chǎng)地類型、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、地形地貌等影響因素，其中既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)，既相互影響、相互作用，又相互獨(dú)立，關(guān)系極為復(fù)雜。應(yīng)用可拓法評(píng)價(jià)城市用地抗震適宜性，將定性指標(biāo)定量化，減少了人為因素的影響，克服了評(píng)價(jià)中的主觀片面性，能客觀反映城市用地抗震適宜性。

在評(píng)價(jià)過程中，根據(jù)規(guī)范要求，選取了影響指標(biāo)和相應(yīng)的影響因子，利用三標(biāo)度的改進(jìn)層次分析法確定了各影響因子的權(quán)重;考慮地形、行政區(qū)劃、流域等影響，在GIS的支持下，由計(jì)算機(jī)處理顯示可拓評(píng)價(jià)結(jié)果，避免了人為失誤。基于GIS的可拓理論應(yīng)用于城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)，其結(jié)果科學(xué)合理，可供決策部門參考。

［1］辛峻峰.城市用地抗震適宜性評(píng)價(jià)方法研究［D］.中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京，2007.

［3］關(guān)濤，余萬(wàn)軍，慎勇楊.基于可拓評(píng)價(jià)方法的土地開發(fā)整理項(xiàng)目立項(xiàng)決策研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，3（21）：71－74.

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［5］林孝松，陳洪凱，許江，等.山區(qū)公路高切坡巖土安全評(píng)價(jià)分析［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（3）：66－71.

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［8］金洪波，張世文，黃元仿.可拓理論在礦區(qū)土地破壞程度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2010，31（9）：2704－2710.

［9］THOMAS L S.The Analytic Hierarchy Process［M］.New York：McGraw Hill Inc，1980.

［10］王磊.層次分析法的應(yīng)用［J］.科技信息（科學(xué)教研），2007（25）：149－153.

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［12］張衛(wèi)中，陳從新，張敬東.改進(jìn)的AHP及其在地災(zāi)易發(fā)程度分區(qū)中的實(shí)踐［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（2）：85－90.

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Application of Extension Theory to Evaluating Seismic Suitability of Urban Land

LIANG Shi－jun
（DepartmentofMetropolitanConstructionEngineering，ZhejiangCollegeofConstruction，Hangzhou311231，China）

In view of the variety and complexity of the factors influencing seismic suitability，the parameters reflecting the seismic suitability are taken into account for evaluation，and the quantitative values in each influence factors are described.By constructing the three-mark（－1，0，1）matrix and using the Analytic Hierarchy Process（AHP），the weights of influence factors are determined.After that，based on the extension theory and matter element，an extension evaluation method for the seismic suitability of urban land is proposed.In the method，the evaluation types and the influence factors on seismic suitability are used to set up the classical domain and joint domain matter elements.A simple evaluation model of the seismic suitability of urban land is established by applying the extension theory and correlation function of matter elements.The evaluation results of the seismic suitability of urban land are obtained based on the classified analysis.Finally，the seismic suitability zoning of urban land in designated area is implemented，and the zoning mapped by spatial clustering technique on GIS platform.The evaluation results of the designated area show that the proposed method is scientific and reasonable，and can give a better guidance for practice use.

urban land;seismic;suitability;extension theory

P208

A

1672－0504（2011）06－0074－04

2011－06- 03;

2011－09－27

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2001－K3－35）

梁師俊（1976－），男，講師，主要從事巖土工程方面的教學(xué)與研究。E－mail：liangshijun＠21cn.com