基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評價中的應用

梁師俊

基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評價中的應用

梁師俊

（浙江建設職業技術學院城市建設工程系，浙江 杭州 311231）

針對城市用地抗震適宜性評價的特點，分析了城市用地抗震適宜性的影響因素和評定準則，并采用三標度矩陣，利用層次分析法確定了各影響因子的權重，將城市用地抗震適宜性、評價因子、評定準則相結合建立物元模型，利用可拓理論，通過關聯函數給出各評價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典域和節域的建立方法，確定了各評價等級的標準，最后劃分研究區域的城市用地抗震適宜性分區，在GIS的支持下，根據空間聚類分析，給出了區劃圖。評價結果能夠為城市用地選擇提供決策參考。

城市用地;抗震;適宜性;可拓理論

0 引言

我國作為世界上地震災害最嚴重的國家之一，面臨強烈的地震災害威脅，而城市系統進行抗震減災的前提就是要識別土地這一特殊的承載體潛在的地震災害風險。城市用地抗震適宜性是建設用地這一承災體所面臨的地震災害風險大小的體現，是綜合場地類型、場地條件、地面穩定性、地震危險性等因素分析得到的城市用地地震災害預防的適宜性情況［1］。因此，進行城市用地抗震適宜性評價成為減少地震損失的一種有效手段［1］。

我國現行《城市抗震防災規劃標準》（GB50413－2007）規定：城市用地抗震防災類型分區應結合工作區地質地貌、成因環境和典型勘察鉆孔資料進行［2］，是一種定性的評價方法。城市用地抗震適宜性定量評價較困難，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不易選取，因此，有必要探討一種定量、科學、客觀的評價方法。在傳統評價方法中，特爾斐法、主成分分析法、層次分析法、多因素綜合評價法等無法消除指標選取中出現的重疊或矛盾關系，并且這些方法多基于點，影響評價的準確性和客觀性［3］。可拓評價方法是用形式化的模型事物拓展可能性的規律與方法的理論［4］，優勢明顯，很多學者已將該理論應用于巖土邊坡穩定性評價［5］、建筑物損害評價［6］、地下水水質評價［7］、礦區土地破壞程度評價［8］等;加之GIS技術具備強大的空間分析和數據管理功能，可以綜合分析抗震適宜性各影響指標之間的統計關系，因此基于GIS技術平臺的可拓理論為城市用地抗震適宜性評價提供了一個較好的解決方案。

1 評價指標體系的建立

1.1 評價指標的確定

城市用地抗震適宜性評價指標的選取應綜合分析影響建筑場地抗震性能的因素。根據《城市抗震防災規劃標準》（GB50413－2007）和《建筑抗震設計規范》（GB50011－2010），選取4個一級評價指標：地震破壞效應、場地抗震場地類別、地質災害影響、地形地貌，相應的二級指標8個。

1.2 評價準則的確定

根據《城市抗震防災規劃標準》（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，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，場地地震破壞因素未能明確，若要進行開發，需查明用地危險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”級中，為了工程應用更方便合理，將“不適宜”拆分為“較不適宜”和“不適宜”兩級。城市用地抗震適宜性評價指標和評價準則如表1所示。

表1 評價指標體系Table 1 Evaluation index system

1.3 各評價因子權重的確定

城市用地抗震適宜性評價指標各影響因素之間既相互影響、相互作用，又相互獨立，關系極為復雜，需要一種方法對各影響因素予以排序和綜合。層次分析法（AHP）可將各種有關因素層次化，并逐層比較多種關聯因素，為分析、決策、預測或控制事物的發展提供可比較的定量依據;特別是采用三標度的最優傳遞矩陣的改進層次分析法具有良好的判斷傳遞性和標度值的合理性［9－12］。本文經專家咨詢，確定各因素的重要程度，按三標度法列出各層各因素的判斷矩陣（表2～表5）。表中標度1表示一個因子比另一個因子重要，標度0表示兩個因子同樣重要，標度－1表示一個因子不如另一個因子重要。

表2 評價指標的判斷矩陣Table 2 Judgement matrix of evaluation indexes

表3 地震破壞效應評價因子的判斷矩陣Table 3 Judgement matrix of evaluation indexes of seismic damage effect

表4 場地情況評價因子的判斷矩陣Table 4 Judgement matrix of evaluation indexes of site situation effect

表5 地形地貌評價指標的判斷矩陣Table 5 Judgement matrix of evaluation indexes of landform effect

根據以上計算結果，得出各指標權重如下：

2 可拓模型的建立

根據可拓評價方法的基本原理［13，14］，按如下步驟建立城市用地抗震適宜性評價的可拓模型。

2.1 經典域與節域的確定

從表1可以看出，各評價指標的計量單位不同，而且取值范圍變幅較大，須按以下原則對數據進行標準化處理。

（1）定性指標需要定量化。定性指標為適宜時的量化值為100，不適宜時為0，較適宜和較不適宜按線性插值確定，即較適宜時量化值為75，較不適宜為50。如評價指標場地斷裂的評價準則為適宜（75～100）、較適宜（50～75）、較不適宜（25～50）、不適宜（0～25）。

（2）各指標的歸一化無量綱處理。有的評價指標數值越小評價等級越高（如砂土液化），有的指標則是數值越大評價等級越高（如場地斷裂類別），故根據式（1）對各評價指標進行歸一化無量綱處理［15］，由表1得到經典域R1、R2、R3、R4和節域Rc。

式中：x為評價指標值，xmax、xmin分別為評價指標取值范圍的最大值、最小值，x′為評價指標歸一化無量綱后的評價值［8］。

2.2 關聯函數與關聯度的確定

事物多指標綜合評價可用事物關于某些量值的符合程度（即關聯度）表達，關聯度由關聯函數計算得到。城市用地抗震適宜性評價的關聯函數如下：

式中：j＝1，2，3，4，為城市用地抗震適宜性分類數;i＝1，2，…，8，為城市用地抗震適宜性評價因子數;νi為待評物元第i個評價因子的值;νoji為評價因子i的第j類經典域＜aji，bji＞;｜νoji｜＝｜aji－bji｜為經典域的距離;ρ（νi，νoji）、ρ（νi，νpi）分別為評價因子值與經典域、節域的距離，計算公式如下：

確定了關聯函數后，可以計算各待評物元屬于各評價等級的關聯度Kj（P），公式如下：

式中：Kj（P）為待評物元P屬于j評價等級的關聯度;λi為評價因子i的權重;Kj（νi）為評價因子i的第j類別的關聯函數值。

2.3 待評物元模型的建立及評價等級確定

把需要評價的對象用物元的方式表達為：

其中：P表示待評物元，νi為P關于評價因子Ci無量綱歸一化后的指標值。

建立待評物元模型后，根據式（2）～式（5），計算待評物元P關于各評價等級的關聯度;若Kj0＝maxKj（P0），則待評物元的評價等級為第j級。

3 基于GIS的可拓理論在城市用地抗震適宜性評價中的應用

選用ArcGIS軟件，以杭州市江南區為研究區（面積為112 km2），建立表1所示8個特征指標定量化和歸一化后的空間數據庫，編制特征指標空間數字圖層，應用GIS處理模塊將特征指標空間數字圖層作1 km×1 km解析度的柵格化處理，把8個特征指標數值賦給每個柵格單元，這些數值在柵格單元中均勻分布。

對每個柵格單元，獲取單元特征指標值，建立柵格單元的待評物元，根據城市用地抗震適宜性可拓經典域R1、R2、R3、R4和節域Rc，按式（2）～式（5）計算柵格單元的城市用地抗震適宜性等級。如35號柵格單元的評價因子數據為：砂土液化等級為中級，液化指數為13. 4;軟土震陷等級為輕微，軟土震陷量為3.7 mm;沒有全新活動斷裂，場地斷裂類別為Ⅳ;場地較穩定，抗震類別為Ⅱ類場地;沒有崩塌、滑坡、泥石流活動，地形坡度為12.3°，地貌類型為平原。

根據上述評價因子數據，經過無量綱歸一化處理后待評物元模型為：

根據式（2）～式（4）計算關聯函數值（表6）。

表6 城市用地抗震適宜性各等級的關聯函數值Table 6 Correlation function values of indexes′ranks in seismic suitability of urban land

根據式（5）計算該區域關于抗震適宜、較適宜、較不適宜、不適宜4個等級的關聯度，分別為0.297、－0.346、－1.285、－2.058。因為Kj0＝maxKj（p0）＝0.297，故該區域城市用地抗震適宜性等級為適宜。

應用GIS技術，將抗震適宜性等級賦予每個柵格單元，然后將每個柵格作為一個樣本進行統計分析和處理，突出了GIS分析工具應用的簡潔性和區域評價的精確性，但劃分的柵格單元不能充分反映地形、行政區劃、流域等因子的邊界條件，而使區劃偏于理想化，政府部門和流域管理機構在防災減災決策時不便應用。因此對城市用地抗震適宜性等級柵格單元區劃結果進一步整合，將不同抗震適宜性等級柵格單元邊界作適當調整，使之盡量與行政（流域）區劃邊界、地形地貌邊界重合。整合后的研究區城市用地抗震適宜性區劃在ArcGIS中成圖（圖1）。

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

4 結論

城市用地抗震適宜性評價涉及場地地震破壞效應、場地穩定性與場地類型、地質災害危險性、地形地貌等影響因素，其中既有定量指標又有定性指標，既相互影響、相互作用，又相互獨立，關系極為復雜。應用可拓法評價城市用地抗震適宜性，將定性指標定量化，減少了人為因素的影響，克服了評價中的主觀片面性，能客觀反映城市用地抗震適宜性。

在評價過程中，根據規范要求，選取了影響指標和相應的影響因子，利用三標度的改進層次分析法確定了各影響因子的權重;考慮地形、行政區劃、流域等影響，在GIS的支持下，由計算機處理顯示可拓評價結果，避免了人為失誤。基于GIS的可拓理論應用于城市用地抗震適宜性評價，其結果科學合理，可供決策部門參考。

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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

住房和城鄉建設部科學技術項目（2001－K3－35）

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