建設用地適宜性的模糊綜合評判法及其在GIS軟件平臺上的實現

楊育文,敖晨霞,熊增強(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

建設用地適宜性的模糊綜合評判法及其在GIS軟件平臺上的實現

楊育文?,敖晨霞,熊增強
(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

摘 要:城鎮化和新城區建設中必須首先考慮建設用地的適宜性。適宜性評判涉及工程地質、地形、水文氣象、自然生態、人為影響5個方面的多個指標,是一個非常復雜的問題。本文詳細地介紹了分析這一問題的指標體系、多級模糊綜合評判方法以及在基于GIS技術開發平臺上的實現過程。

關鍵詞:建設用地;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和安全保障系統,其中居住的安全性和適宜性是城市建設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生。例如,2010年8月7日22時許,甘肅省舟曲縣突降強降雨,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區域被夷為平地,遇難1 481人。我國正處于城鎮化和城市大規模擴張時期,城市選址、用地適宜性評估這類關于城市安全的問題正越來越引起關注。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用地適宜性進行了分析[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行了評估[4],孫永亮等采用模糊評判法分析了建設用地的適宜性[5]。建設用地適宜性是一個非常復雜的問題,涉及工程地質、水文氣象等多個方面的因素。建設用地適宜性評判中,目前存在評定指標體系不全面、系統性差、評判過程較主觀、缺乏基礎數據和科學依據等等[1]。用地適宜性評判分析不能直接在GIS環境下進行,不利于在實際工程中應用,也是存在的問題之一。本文依據國家標準[6],建立全面系統的建設用地評判體系,提出了新的模糊綜合評判方法,介紹了在基于GIS的開發平臺上實現評判功能的詳細過程。

2　評價體系的建立

建設用地適宜性評定中,選擇科學合理的指標體系是評定的基礎,對保證用地評定結論的科學性起著關鍵性的作用。《城鄉用地評定標準》(CJJ132-2009) 第4．1．2條款中規定了一套完整通用的建設用地評定指標體系。該指標體系分特殊指標和基本指標兩種,其中包括主導指標、必須采用的指標、應采用的指標和宜采用的指標4種類型,可根據濱海、平原、高原、丘陵山地地形地貌特征選擇。其中,一級指標有36個,二級指標包括工程地質、地形、水文氣象、自然生態、人為影響5個,三級指標有特殊指標和基本指標兩個,綜合考慮這兩個指標的分析結果,就可以確定建設用地適宜性等級。

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

3　模糊綜合評判方法

3．1評判目標集

根據《城鄉用地評定標準》(CJJ 132 -2009)第3．0．2條款規定,城鄉用地評定區必須劃分評定單元,單元劃分必須以:①現狀建成區用地、評定區界線;②地貌單元、工程地質單元分區及水系界線;③洪水淹沒線,強震區、活動性斷裂、不良地質現象的影響范圍界線;④各類保護區、控制區范圍界線。根據《城鄉用地評定標準》(CJJ132-2009)第3．0．3條款規定,評定單元建設用地適宜性等級類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ這4個等級,分別對應適宜建設用地、可建設用地、不宜建設用地、不可建設用地,由此確定模糊綜合評判目標集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,如前述建設用地等級;

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

(3)確定評判指標集X ={X1,X2,…,Xn},是一個n維向量;

(4)確定每一指標標準分度值c

其中第二行至n行元素值與對應的第一行元素分度值相同;

(5)隸屬函數的確定

根據某一參評指標的實際分值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,其中線性函數最簡單。例如,uij可由下列線性函數確定(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)建立模糊關系矩陣

由式(1)～式(3),確定所有指標的隸屬度,由此建立模糊關系矩陣R:

(7)確定權重集W

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

(8)評判結果

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

以上是模糊綜合評判的基本步驟,適合于絕大多數模糊綜合評判方法。

建設用地適宜性評價指標眾多,各指標之間存在著明顯的層次關系。同一類指標可歸納成一個評判子集(如工程地質),另一類可組成另一子集(如地形)。這種情況下,就要進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。

按指標的屬性,將評判指標體系X劃分為k個子系統,記作Y1,Y2,……,Yk,對任一評判子集Yi,應滿足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,同樣,根據前面介紹的步驟(7),確定X=(Y1,Y2,…Yk)指標的權重向量W。然后按第(8)步,進行模糊運算,就可以得到二級評判結果。重復這一過程,就可以確定多級模糊綜合評判結果。

下面分別介紹基本指標、特殊指標組成的兩個子系統的模糊評判過程。

3．3基本指標的評判

根據《城鄉用地評定標準》(CJJ132-2009)規范中附錄F,基本指標適宜性評價分成4個等級,評價目標集V={不適宜,適宜性差,較適宜,適宜}(見該規范附錄F基本指標定量標準),其分度值向量C={1,3,6,10}。其中,權重采用該規范中第50頁表2中推薦的值。

二級指標包含5個評判子系統:①工程地質;②地形;③水文氣象;④自然生態;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。分度值標準向量C=(1,3,6,10),對任一參評指標的實際值xi,其隸屬度由以下線性隸屬函數確定:

(1)工程地質

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

權重向量W1采用《城鄉用地評定標準》(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進行模糊運算,得到工程地質評判向量B1。

對有些需要插值確定分位值的指標,須進行插值運算。例如,對“地下水位埋深”指標,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。同理,對任一參評指標實際值xi,由式(4)～式(7),可確定隸屬度,由此確定模糊關系矩陣R2,是一3×4維矩陣。

參評指標權重向量采用《城鄉用地評定標準》(CJJ132- 2009)中第50頁表2中推薦的值,W2= (0．25,0．15,0．6),由W2與R2進行模糊運算,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。同理,對任一xi,由式(4)～式(7),確定隸屬度,由此確定模糊關系矩陣R3,是一4×4維方陣。

參評指標權重向量采用《城鄉用地評定標準》(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進行模糊運算得到B3,是評判水文氣象對適宜性影響的向量。

(4)自然生態

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

權重向量W4采用《城鄉用地評定標準》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W4= (0．35,0．2, 0．45),由W4與R4進行模糊運算,得到用于評判自然生態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,由式(4)～式(7),得到模糊關系矩陣R5,是一2×4維方陣。

權重向量W5采用《城鄉用地評定標準》(CJJ132-2009)中第50頁表2中推薦的值,W5=(0．45,0．55), 由W5與R5進行模糊運算,得到評判向量B5。

3．3．2 二級評判

由以上5個平行的子系統得到的評判向量Bi(i=1,2,…,5),可得到基本指標的二級評判矩陣R(2)。由下式決定:

工程地質、地形、水文氣象、自然生態、人為影響這5個二級指標,它們的權重采用《城鄉用地評定標準》(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)進行模糊運算,可得用于基本指標評判用地適宜性的向量BB(2),對應的評價集向量V={不適宜,適宜性差,較適宜,適宜},按照最大隸屬度原則,確定由基本指標得到的用地適宜性評估結論。

3．4特殊指標評判

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

若某一指標在實際用地中不存在或對用地沒有影響,則設定為“無影響”級,分度值設為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。分度標準向量C=(10,5,2,0),對任一參評指標的實際值xi隸屬度,由以下線性隸屬函數確定:

(1)工程地質

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

在工程地質9個指標中,它們之間的相對重要性是不同的,由層次分析法確定權重。首先由專家經驗確定對比定量關系,如表1所示。

工程地質的調查表 表1

由表1,得到比較矩陣。由AHP法計算確定權重,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,CR = 0．0316〈10%,W1值符合要求。由W1與R1進行模糊運算,得到工程地質評判向量B1。

(2)地形

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

地形的調查表 表2

由表2,得到比較矩陣。根據AHP法,計算確定權重,W2= (0．62,0．31,0．07)。一致性率檢驗,CR = 0．08〈10%,W2值符合一致性率檢驗要求。由W2與R2進行模糊運算,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。同理,對任一參評指標實際值xi,由式(8)～式(11),可確定隸屬度,由此確定模糊關系矩陣R3,是一3×4維矩陣。

3個指標之間的相對重要性存在差異,首先由專家經驗確定對比定量關系,如表3所示。

水文氣象的調查表 表3

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

(4)自然生態

自然生態僅有一個評判指標,據公式(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,同樣由(8)～式(11),隸屬度得到模糊關系矩陣R5,是一2×4維方陣。權重向量W5由專家經驗確定,W5=(0．5,0．5),由R5與W5運算,得到評判向量B5。

3．4．2 二級評判

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

5個影響因素,包括工程地質、地形、水文氣象、自然生態、人為影響,它們的權重采用《城鄉用地評定標準》(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)進行模糊運算,可得用于特殊指標評判影響性的向量SB(2),同樣按照最大隸屬度原則,對應評價目標向量V=(嚴重影響,較重影響,一般影響,無影響),確定根據特殊指標的影響程度等級。

3．5確定建設用地等級

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

綜合評定用地單元等級 表4

4　軟件開發

MapGIS K9是基于GIS技術開發的商用軟件,利用動態鏈接庫(插件)實現二次開發功能。TDE插件可以直接添加到系統中,獨立完成功能擴展,不影響系統中的其他功能。

本文介紹的建設用地適宜性模糊綜合評判方法, 在Microsoft Visual Studio開發平臺上用一個CFuzzyDecision類實現全部功能。將該類與MapGIS K9 TDE開發平臺一個插件結合起來,就能實現它們的交互作用。模糊綜合評判中需要的數據,從Access、SQLServer或是從Oracle數據庫中獲取,通過對數據記錄集(CAdo-RecordSet)的操作實現。圖元信息則是針對MapGIS數據對象的操作,通過獲取隊形得到查詢的圖元信息。本軟件中,數據和圖元信息的獲取,在消息響應函數OnNotifyMessage ( long nMsgID, WPARAM wParam, LPARAM lParam)中實現。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,計算機自動獲取該區域中的數據和信息,然后采用文中方法確定建設用地等級和類別如圖2所示。

圖2　MapGIS軟件平臺上的建設用地模糊綜合評判結論

5　結　論

場地穩定、工程適宜性好、無需工程措施、無人為影響是理想的建設用地。建設用地必須選擇地質條件較好的地段,避開泥石流、強發育的巖溶暗河等地質災害易發區。本文介紹的建設用地適宜性評價方法,綜合考慮了地質條件、地質環境、工程建設中可能誘發的工程問題,并在軟件平臺上實現了模糊綜合評判。在城區擴建和新城區選址中,應用文中介紹的方法,有助于規避或減少自然災害和工程活動中引發的工程事故。文中模糊綜合評判方法與基于GIS技術相結合,為建設用地等級評定提供了一個實用、有效的分析工具。

參考文獻

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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

文獻標識碼: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、深基坑、樁基工程理論研究以及城市地質、巖土工程信息技術開發。

基金項目:武漢市國土資源和規劃局武漢城市地質調查科研專項(2012查02)