层次分析－熵值定权法在城市建设用地适宜性评价中的应用

王兰化，张 莺

（天津市地质调查研究院，天津 300191）

层次分析－熵值定权法在城市建设用地适宜性评价中的应用

王兰化，张 莺

（天津市地质调查研究院，天津 300191）

在前人评价经验的基础上，采用层次分析－熵值定权法和模糊综合评价法进行了建设用地适宜性评价，该定权方法所采用的三标度法在一定程度上解决了传统九标度法难以通过的一致性检验问题，且便于把握打分尺度，可操作性强；建设用地评价要素及因子的变异程度对指标的权重有很大的影响，引入熵值的概念能更合理地确定评价指标的权重。文中以天津中心城市为例，采用正方形网格剖分法将中心城市评价区域分成4 612个评价单元，对全区建设用地适宜性进行了评价，并针对现有城市总体规划进行了建设用地适宜性后评估。

层次分析；熵值定权；模糊质量指数；隶属度；天津

1 引言

自上世纪90年代中期以来，国内很多学者针对城市建设用地适宜性进行了地质环境评价方面的研究，石有维[1]、吴恒[2]、戴福初[3]、李相然[4]等学者进一步针对城市不同功能区地质适宜性评价做了各自的研究。赵涛[5]等（2000）根据城市居住用地的评价特点，采用递阶模糊评价模型对城市居住用地进行适宜性评价；梁艳平[6]等（2001）采用模糊数学的方法并结合GIS技术，探索了在不同条件下，不同用地的定量评价。

自上世纪八十年代后期，中国地质大学（武汉）周爱国[7]教授等在三峡地区开展了拟建新城址地质环境质量评价工作，又先后在武汉、鄂州、黄石、九江等众多城市进行了城市用地地质环境质量评价，周爱国、蔡鹤生教授在其编著的《地质环境质量评价理论与应用》[8]（1998）一书中对城市地质环境质量评价的基本概念、基本原理和常用评价方法进行了详细的论述，并提出了一整套评价方法，结合实例建立了相应的指标体系，介绍了一些可行的创新性的评价数学模型[9]，对定权方法也进行了深入的研究。2004～2006年在“东部地区主要城市地质环境评价方法”专题研究中对多种评价模型进行了实例比较，使城市地质环境评价方法得到了进一步的完善，为城市环境地质工作提供了更为科学有效的方法指导。

本次研究采用了层次分析－熵值定权法[10]对天津中心城市进行了建设用地适宜性评价，即采用三标度层次分析法求权重，并对其进行评价指标数据熵值修正得出最终的权重。该定权方法所采用的三标度法在一定程度上解决了传统九标度法难以通过一致性检验的问题，且便于把握打分尺度，可操作性强，能够满足地质环境评价定性判断方面的精度要求；另外，建设用地评价要素及因子的变异程度对指标的权重有很大的影响，引入熵值的概念来度量这种变异程度，能更合理地确定评价指标的权重。

2 评价原理和方法

2.1 评价指标体系

根据天津中心城市的用地现状、开发目标、开发性质及资源环境现状，选择了四大类要素，即地质环境条件、水文气象、自然生态、人为影响作为本次评价的一级评价指标。进一步根据一级指标的主要影响因素，选择区域地壳稳定性、天然地基、软土地基、第Ⅰ桩基层、第Ⅱ桩基层、砂土液化、地下水腐蚀性、地面沉降、水系水域、地表水水质、植被多样性、生物景观多样性、景观价值、土地使用强度、工程设施强度共15个指标作为第二层次评价因子（表1）。

表1 城镇建设用地适宜性评价指标体 系及其因子等级划分表Table 1 Index system and evaluation grade on the urban construction land suitability

2.2 层次分析－熵值定权法

2.2.1 三标度层次分析法求初步权重

设有m个对象，n个评价指标，各指标值为xij，则1≤i≤m，1≤j≤n。

⑴建立层次结构

把问题进行分解组合，建立递阶层次结构。

⑵构造判断矩阵

用三标度法对同一层指标进行两两比较后，建立比较矩阵M=(mij)n×n，即当甲乙两因素比较时，若甲比乙重要，则用“2”表示；若甲与乙同等重要时，则用“1”表示；若甲没有乙重要，则用“0”表示。并计算出各指标的重要性排序指数，将比较矩阵转化为判断矩阵C（可以用极差法或极比法）。这个转化是保序的，并没有改变结果中权系数的大小排列顺序。其中

且有Mjj=1,即元素自身比较重要性相等。

①极差法构造判断矩阵

由变换f(ri,rj)=cij=cb(ri-rj)/R，所得的矩阵 C=(cij)n×n为一致性判断矩阵，其中cb为一常量,是按某种标准预先给定的极差元素对的相对重要程度(一般在实践应用中常取cb=9)；R=rmax-rmin，称为极差，式

②极比法构造判断矩阵

④一致性检验

按（0，1，2）三标度法能够比较容易地构建出完全判断矩阵，顺利地进行求权计算。

经过专家咨询、协商，得出如下层次分析定权打分表(表2)。

2.2.2 评价指标数据熵值修正

(1)指标数据的预处理

采用均值法消除原始指标数据的量纲和数量级影响，

表2 城镇建设用地三标度层次分析专家打分表Table 2 Expert score of the"three scales"method AHP on the uban construction land

（2）求评价指标j的熵值ej

（3）计算指标j的偏差指数gj

对于给定的指标j，xij的差异性越小，则ej越大；当xij全部相等时,ej=emax=1,此时指标j几乎无作用；当各待评的指标值相差越大时,ej越小,该项指标对于评价对象比较所起的作用越大。定义偏差指数向量为G=(g1，g2，…，gn)，其中

计算得到中心城市建设用地评价指标性状的熵值及偏差指数（表3）。

（4）初步权重的修正

用偏差指数gj对上面求出的权重进行修正：

式中：λ为熵值修正系数，0≤λ≤1，它表征着定权过程中考虑地质环境变异特征相对于主观经验判断的重要程度。地质环境特征越复杂，λ取值越大，地质环境特征越简单，λ取值越小。因中心城市处于海积、冲积平原和滨海平原，地势平坦，本次λ取值为0.1。

2.3 评价单元划分

本次评价采用正方形网格单元划分法将中心城市评价区域分成4 612个评价单元，评价单元大小为1 000×1 000 m。

2.4 数学模型

本文采用模糊综合评判法进行城市建设用地适宜性评价。

（1）确定评价集和因子集

设某评价单元中的评价指标（评价因子）集合为

U1，U2，U3，…，Um为参与评价的m个环境因子的性状数据。

评价标准集合为

表3 城镇建设用地评价指标熵值及偏差指数统计表Table 3 Evaluation index entropy and deviation index of the urban construction land

表4 城镇建设用地适宜性评价指标权重表Table 4 Evaluation index weights of the urban construction land suitability

V1，V2，V3，…，Vn为 Ui相应的评价标准的集合。

U代表综合评判所涉及的因素集合，即参与评价所选定的因素；V代表最终评语所组成的集合。

取U上的模糊子集B，通过模糊关系矩阵R，则有如下模糊变换：

式中，A为U中诸多因素Ui按其对事物影响的程度，分别赋予不同权重所组成的模糊子集A＝（a1，a2，…，ai）；R为总的单因子判别矩阵。模糊向量B＝（B1，B2，…，Bm）即为最终综合加的结果。

各评价单元评价指标数据R依据单元所在分区的特征值来确定，对具有定量化分级指标的评价因子（如地面沉降）则采用等值线插值获得各评价单元的数据。

（2）评价因子分级标准的确定

各指标的级别划分大都是一个区间值，通过一定方法确定各相邻类别之间的界限值，或称代表值。分级代表值是确定环境因子性状数据的隶属度的基础。有了分级代表值后，可以根据实际环境因子的性状数据来计算其隶属度。

指标的级别划分有时候也采用特征值的办法，每一级预先给定一个数值作为该级标准的代表值，相当于直接给出了评价标准分级代表值。本次评价主要采用此方法进行，即依据5类分区按照适宜性级别（适宜性由好到差）分别对应赋值1、2、3、4、5。

（3）隶属函数的确定

本文选择梯形分布的隶属函数来构建模糊矩阵。假定某个环境因子的实测性状数据为x：

式中，μ1(x)，μ2(x)，…，μm+1(x)分别为环境因子x对一级、二级、…、m+1级环境质量标准e的隶属度。

计算每个评价因子对各个环境质量级别的隶属度，并构造隶属矩阵R。

(4)确定权系数

系数ai表示单因素ui在所有因素中所起的作用大小的度量，即可以视ai为第i种评价因子在环境质量评价诸因子中的权重系数，可以从前述的方法中确定。

(5)矩阵合成

其中A为U中诸多因素Ui按其对事物影响的程度，分别赋予不同权重所组成的模糊子集A＝（a1，a2，…，ai）；R为总的单因子判别矩阵；模糊向量B＝（B1，B2，…，Bm）即为最终综合加的结果。

采用归一加权平均模型M3(⋅,⊕)算子，其计算公式为：

在计算出bj(j＝1，2，…，n)的值后，就可以根据模糊质量指数bj的大小来进行环境质量评价。

2.5 评价结果等级划分

依据模糊质量指数bj计算结果，可将建设用地适宜性（城市地质环境质量）等级分为5级（表5）。

3 评价结果与分析

依据上述评价指标与方法对中心城市进行建设用地适宜性评价，并基于MAPGIS平台绘成评价分区图（图1）。

(1)建设用地较适宜区

城镇建设用地较适宜的区域主要分布于中心城市的西部，包括中心城区、西青区、北辰区和津南区、东丽区的部分地区，大港的西部及中南部地区以及塘沽的部分地区。分布面积为1 457.33 km2，占评价区总面积的33.84%。

上述地区区域地壳稳定性位于较稳定区或次较稳定区；处于天然地基较适宜区，一般可满足中低层民用建筑及轻型工业构筑物对地基强度和变形的要求；不存在砂土液化现象；一般无软土分布或软土厚度较薄；第Ⅰ、Ⅱ桩基可满足建筑物强度和变形要求；地下水腐蚀性主要为弱－中等腐蚀区；地面沉降速率一般小于30 mm/a；人文和自然景观较低；满足建设用地的要求。

表5 建设用地适宜性（城市地质环境质量）分级表Table 5 Classification of the urban construction land suitability（ the quality of urban geologic environment）

（2）建设用地基本适宜区

中心城市建设用地基本适宜的区域分布最广，分布面积约为2 034.16 km2，占评价区总面积的47.24%。

上述区域均存在着一定的地质环境问题，地面沉降覆盖整个区域，部分地区沉降速率超过50 mm/a；受海河断裂、沧东断裂、天津北断裂的影响，断裂所在区域内区域地壳稳定性较差；部分地区存在软土和砂土液化现象；地下水腐蚀性主要为中等－强腐蚀区；人文和自然景观一般；基本适宜建设用地的要求。

（3）建设用地适宜性较差、不适宜区

建设用地不适宜区主要分布在北大港水库湿地保护区、黄港一库、黄港二库、北塘水库、营城水库、东丽湖、鸭淀水库及中心城区重要的历史文化保护区，区域总面积为535.21 km2,占总面积的12.43%；城镇建设用地不适宜区处于景观价值较高的国家自然、人文保护区范围，不适宜开发建设；这些区域均不适宜建设用地。

建设用地适宜性较差的区主要分布于汉沽区北部、东丽区（开发区西区组团西部地区及空港物流园区组团东部地区）、葛沽组团及海河下游工业区组团部分地区，区域总面积为279.30 km2,占总面积的6.49%，这些区域需要投入较多的资金采取相应的整治措施后才能作为建设用地。

汉沽区北部、东丽区（开发区西区组团西部地区及空港物流园区组团东部地区）区域地壳稳定性位于较不稳定区，区内的汉沽断裂是现今仍有活动的断裂；葛沽组团及海河下游工业区组团部分地区位于次较不稳定区；上述建设用地适宜性较差区处于天然地基缺失或地基条件较差；在汉沽区存在砂土液化现象；软土地基条件较差；第Ⅰ、Ⅱ桩基可满足建筑物强度和变形要求，但需采用切合实际的基础类型和施工工艺；地下水腐蚀性主要为中等－强腐蚀区；地面沉降速率一般大于20 mm/a，在葛沽组团及海河下游工业区组团部分地区地下水开采量大，超采严重，地面沉降速率较大。

4 针对现有城市规划的建设用地适宜性后评估

依据天津市城市总体规划（2005～2020）[12]中心城市用地规划进行评估。

中心城市建设用地主要以中心城区和滨海新区核心区为主副中心，构筑双中心组团式布局结构，将建设用地适宜性评价结果与中心城市用地规划对比（图1），可看出总体规划整体上比较合理，不协调之处主要体现在汉沽新城北部、东丽区（开发区西区组团西部地区及空港物流园区组团东部地区）、葛沽组团及海河下游工业区组团部分地区的建设用地处于适宜性较差的区，这些区域存在着区域地壳稳定性较差、地面沉降、砂土液化等环境地质问题，如要保留建设用地需提高抗震设防烈度，必须采取相应的工程措施。

图1 天津中心城市城镇建设用地适宜性评价图Fig.1 Suitability evaluation map of urban construction land of central city

[1]石有维.城市建设用地适宜性评价－以鞍山市为例[J].中国土地科学,1993,7(5):28-32.

[2]吴恒.城市用地的影响因素分析及其评价系统[J].地理研究，1995，14（4）：69-77.

[3]戴福初,李军,张晓晖.城市建设用地与地质环境协调性评价的GIS方法及其应用[J].地球科学，2000，25（2）：209-214.

[4]李相然,刘大忠,曹振斌,时向东.烟台市区土地利用的环境工程地质研究[J].地理学与国土研究，2001，17（3）：49-53.

[5]赵涛,郑新奇,邓祥征.城市土地利用优化配置分析应用—以济南市为例，地球信息科学[J].2004，6（2）：53-57.

[6]梁艳平,刘兴权,刘越,谭春华.基于GIS的城市总体规划用地适宜性评价探讨，地质与勘探[J].2001，37（3）：64-67.

[7]蔡鹤生,唐朝晖,周爱国.三峡水利枢纽库区巫山县城新址地质环境质量预断评价，工程地质学报[J].1998，（3）：78-83.

[8]周爱国,蔡鹤生.地质环境质量评价理论与应用[M].武汉：中国地质大学出版社，1998.

[9]蔡鹤生,唐朝晖,周爱国.地质环境质量综合评价中的敏感因子模型[J].地质科技情报，1998，17(2):71-75.

[10]周爱国等,城市不同功能目的的地质环境评价方法研究[M]，武汉：中国地质大学（武汉），2007.

[11]石建省等，黄河下游悬河稳定性评价与灾害预警[A].生态环境地质调查论文集[C]/中国地质调查局，北京：地质出版社，2003，12，210-219.

[12]天津市城市总体规划（2005-2020年）[Z]，天津市人民政府，2006.

Application of the AHP and Entropy Weight Method in Evaluation on Suitability of the Urban Construction Land in Tianjin

WANG Lan-hua1，ZHANG Ying2
(Tianjin Institute of Geological Survey,Tianjin 300191,China)

On the basis of former experience,AHP(Analytical Hierarchy Process),the entropy weight method and FCE(Fuzzy Comprehensive Evaluation)are adopted to evaluate the urban construction land suitability in Tianjin city.To a certain degree,the“three scales”method involved is able to work out the nasty problem of the consistency check existing in the“nine scales”method,and is more manageable and convenient to operate.The evaluation factors of the urban construction land and the variation of the factors have a great influence on index weights,the application of the concept of conventional entropy can help to determine the weight of the each evaluation indexes more reasonably.Take the Central City of Tianjin for instance,firstly,the central city was divided into 4 612 evaluation unit according to the square gird section method,then the suitability of construction land of whole area is rated,at last we can get a construction land suitability evaluation of existing general plan of Tianjin.

Analytical Hierarchy Process(AHP);the entropy weight method;fuzzy quality index;membership grade;Tianjin

P642；X321

A

1672－4135（2011）04－0305-08

2011-08-22

国家国土资源大调查项目：天津城市地质调查（1212010511104）

王兰化（1963－），硕士学位，教授级高工，主要从事水文地质环境地质调查研究工作，E-mail：hjdzs@126.com。