基于GIS的可拓理论在城市用地抗震适宜性评价中的应用

梁师俊

基于GIS的可拓理论在城市用地抗震适宜性评价中的应用

梁师俊

（浙江建设职业技术学院城市建设工程系，浙江 杭州 311231）

针对城市用地抗震适宜性评价的特点，分析了城市用地抗震适宜性的影响因素和评定准则，并采用三标度矩阵，利用层次分析法确定了各影响因子的权重，将城市用地抗震适宜性、评价因子、评定准则相结合建立物元模型，利用可拓理论，通过关联函数给出各评价因子在城市用地抗震适宜性中的量化值，介绍了城市用地抗震适宜性可拓理论的经典域和节域的建立方法，确定了各评价等级的标准，最后划分研究区域的城市用地抗震适宜性分区，在GIS的支持下，根据空间聚类分析，给出了区划图。评价结果能够为城市用地选择提供决策参考。

城市用地;抗震;适宜性;可拓理论

0 引言

我国作为世界上地震灾害最严重的国家之一，面临强烈的地震灾害威胁，而城市系统进行抗震减灾的前提就是要识别土地这一特殊的承载体潜在的地震灾害风险。城市用地抗震适宜性是建设用地这一承灾体所面临的地震灾害风险大小的体现，是综合场地类型、场地条件、地面稳定性、地震危险性等因素分析得到的城市用地地震灾害预防的适宜性情况［1］。因此，进行城市用地抗震适宜性评价成为减少地震损失的一种有效手段［1］。

我国现行《城市抗震防灾规划标准》（GB50413－2007）规定：城市用地抗震防灾类型分区应结合工作区地质地貌、成因环境和典型勘察钻孔资料进行［2］，是一种定性的评价方法。城市用地抗震适宜性定量评价较困难，主要原因在于城市用地抗震适宜性的空间分布极不均匀，很难用某种准确的量化方法描述;另一方面，表征城市用地抗震适宜性的定量指标不易选取，因此，有必要探讨一种定量、科学、客观的评价方法。在传统评价方法中，特尔斐法、主成分分析法、层次分析法、多因素综合评价法等无法消除指标选取中出现的重叠或矛盾关系，并且这些方法多基于点，影响评价的准确性和客观性［3］。可拓评价方法是用形式化的模型事物拓展可能性的规律与方法的理论［4］，优势明显，很多学者已将该理论应用于岩土边坡稳定性评价［5］、建筑物损害评价［6］、地下水水质评价［7］、矿区土地破坏程度评价［8］等;加之GIS技术具备强大的空间分析和数据管理功能，可以综合分析抗震适宜性各影响指标之间的统计关系，因此基于GIS技术平台的可拓理论为城市用地抗震适宜性评价提供了一个较好的解决方案。

1 评价指标体系的建立

1.1 评价指标的确定

城市用地抗震适宜性评价指标的选取应综合分析影响建筑场地抗震性能的因素。根据《城市抗震防灾规划标准》（GB50413－2007）和《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010），选取4个一级评价指标：地震破坏效应、场地抗震场地类别、地质灾害影响、地形地貌，相应的二级指标8个。

1.2 评价准则的确定

根据《城市抗震防灾规划标准》（GB50413－2007），城市用地抗震适宜性分为适宜、较适宜、有条件适宜、不适宜4级，其中的“有条件适宜”主要是指潜在的不适宜用地，但由于某些条件限制，场地地震破坏因素未能明确，若要进行开发，需查明用地危险程度和消除限制性因素［2］。因此，将“有条件适宜”划分至“不适宜”级中，为了工程应用更方便合理，将“不适宜”拆分为“较不适宜”和“不适宜”两级。城市用地抗震适宜性评价指标和评价准则如表1所示。

表1 评价指标体系Table 1 Evaluation index system

1.3 各评价因子权重的确定

城市用地抗震适宜性评价指标各影响因素之间既相互影响、相互作用，又相互独立，关系极为复杂，需要一种方法对各影响因素予以排序和综合。层次分析法（AHP）可将各种有关因素层次化，并逐层比较多种关联因素，为分析、决策、预测或控制事物的发展提供可比较的定量依据;特别是采用三标度的最优传递矩阵的改进层次分析法具有良好的判断传递性和标度值的合理性［9－12］。本文经专家咨询，确定各因素的重要程度，按三标度法列出各层各因素的判断矩阵（表2～表5）。表中标度1表示一个因子比另一个因子重要，标度0表示两个因子同样重要，标度－1表示一个因子不如另一个因子重要。

表2 评价指标的判断矩阵Table 2 Judgement matrix of evaluation indexes

表3 地震破坏效应评价因子的判断矩阵Table 3 Judgement matrix of evaluation indexes of seismic damage effect

表4 场地情况评价因子的判断矩阵Table 4 Judgement matrix of evaluation indexes of site situation effect

表5 地形地貌评价指标的判断矩阵Table 5 Judgement matrix of evaluation indexes of landform effect

根据以上计算结果，得出各指标权重如下：

2 可拓模型的建立

根据可拓评价方法的基本原理［13，14］，按如下步骤建立城市用地抗震适宜性评价的可拓模型。

2.1 经典域与节域的确定

从表1可以看出，各评价指标的计量单位不同，而且取值范围变幅较大，须按以下原则对数据进行标准化处理。

（1）定性指标需要定量化。定性指标为适宜时的量化值为100，不适宜时为0，较适宜和较不适宜按线性插值确定，即较适宜时量化值为75，较不适宜为50。如评价指标场地断裂的评价准则为适宜（75～100）、较适宜（50～75）、较不适宜（25～50）、不适宜（0～25）。

（2）各指标的归一化无量纲处理。有的评价指标数值越小评价等级越高（如砂土液化），有的指标则是数值越大评价等级越高（如场地断裂类别），故根据式（1）对各评价指标进行归一化无量纲处理［15］，由表1得到经典域R1、R2、R3、R4和节域Rc。

式中：x为评价指标值，xmax、xmin分别为评价指标取值范围的最大值、最小值，x′为评价指标归一化无量纲后的评价值［8］。

2.2 关联函数与关联度的确定

事物多指标综合评价可用事物关于某些量值的符合程度（即关联度）表达，关联度由关联函数计算得到。城市用地抗震适宜性评价的关联函数如下：

式中：j＝1，2，3，4，为城市用地抗震适宜性分类数;i＝1，2，…，8，为城市用地抗震适宜性评价因子数;νi为待评物元第i个评价因子的值;νoji为评价因子i的第j类经典域＜aji，bji＞;｜νoji｜＝｜aji－bji｜为经典域的距离;ρ（νi，νoji）、ρ（νi，νpi）分别为评价因子值与经典域、节域的距离，计算公式如下：

确定了关联函数后，可以计算各待评物元属于各评价等级的关联度Kj（P），公式如下：

式中：Kj（P）为待评物元P属于j评价等级的关联度;λi为评价因子i的权重;Kj（νi）为评价因子i的第j类别的关联函数值。

2.3 待评物元模型的建立及评价等级确定

把需要评价的对象用物元的方式表达为：

其中：P表示待评物元，νi为P关于评价因子Ci无量纲归一化后的指标值。

建立待评物元模型后，根据式（2）～式（5），计算待评物元P关于各评价等级的关联度;若Kj0＝maxKj（P0），则待评物元的评价等级为第j级。

3 基于GIS的可拓理论在城市用地抗震适宜性评价中的应用

选用ArcGIS软件，以杭州市江南区为研究区（面积为112 km2），建立表1所示8个特征指标定量化和归一化后的空间数据库，编制特征指标空间数字图层，应用GIS处理模块将特征指标空间数字图层作1 km×1 km解析度的栅格化处理，把8个特征指标数值赋给每个栅格单元，这些数值在栅格单元中均匀分布。

对每个栅格单元，获取单元特征指标值，建立栅格单元的待评物元，根据城市用地抗震适宜性可拓经典域R1、R2、R3、R4和节域Rc，按式（2）～式（5）计算栅格单元的城市用地抗震适宜性等级。如35号栅格单元的评价因子数据为：砂土液化等级为中级，液化指数为13. 4;软土震陷等级为轻微，软土震陷量为3.7 mm;没有全新活动断裂，场地断裂类别为Ⅳ;场地较稳定，抗震类别为Ⅱ类场地;没有崩塌、滑坡、泥石流活动，地形坡度为12.3°，地貌类型为平原。

根据上述评价因子数据，经过无量纲归一化处理后待评物元模型为：

根据式（2）～式（4）计算关联函数值（表6）。

表6 城市用地抗震适宜性各等级的关联函数值Table 6 Correlation function values of indexes′ranks in seismic suitability of urban land

根据式（5）计算该区域关于抗震适宜、较适宜、较不适宜、不适宜4个等级的关联度，分别为0.297、－0.346、－1.285、－2.058。因为Kj0＝maxKj（p0）＝0.297，故该区域城市用地抗震适宜性等级为适宜。

应用GIS技术，将抗震适宜性等级赋予每个栅格单元，然后将每个栅格作为一个样本进行统计分析和处理，突出了GIS分析工具应用的简洁性和区域评价的精确性，但划分的栅格单元不能充分反映地形、行政区划、流域等因子的边界条件，而使区划偏于理想化，政府部门和流域管理机构在防灾减灾决策时不便应用。因此对城市用地抗震适宜性等级栅格单元区划结果进一步整合，将不同抗震适宜性等级栅格单元边界作适当调整，使之尽量与行政（流域）区划边界、地形地貌边界重合。整合后的研究区城市用地抗震适宜性区划在ArcGIS中成图（图1）。

图1 适宜性分区Fig.1 The urban land suitability zoning

4 结论

城市用地抗震适宜性评价涉及场地地震破坏效应、场地稳定性与场地类型、地质灾害危险性、地形地貌等影响因素，其中既有定量指标又有定性指标，既相互影响、相互作用，又相互独立，关系极为复杂。应用可拓法评价城市用地抗震适宜性，将定性指标定量化，减少了人为因素的影响，克服了评价中的主观片面性，能客观反映城市用地抗震适宜性。

在评价过程中，根据规范要求，选取了影响指标和相应的影响因子，利用三标度的改进层次分析法确定了各影响因子的权重;考虑地形、行政区划、流域等影响，在GIS的支持下，由计算机处理显示可拓评价结果，避免了人为失误。基于GIS的可拓理论应用于城市用地抗震适宜性评价，其结果科学合理，可供决策部门参考。

［1］辛峻峰.城市用地抗震适宜性评价方法研究［D］.中国海洋大学，2009.

［2］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准.城市抗震防灾规划标准［S］.北京，2007.

［3］关涛，余万军，慎勇杨.基于可拓评价方法的土地开发整理项目立项决策研究［J］.农业工程学报，2005，3（21）：71－74.

［4］蔡文，杨春燕，林伟初.可拓工程方法［M］.北京：科学出版社，2000.

［5］林孝松，陈洪凯，许江，等.山区公路高切坡岩土安全评价分析［J］.土木建筑与环境工程，2009，31（3）：66－71.

［6］刘立民，刘汉龙，连传杰.建筑物采动损坏等级评定的婺源模型及其应用［J］.煤炭学报，2004，29（1）：17－21.

［7］兰双双，姜纪沂，王滨.基于物元可拓法的地下水水质评价——以梨树县平原区浅层地下水为例［J］.吉林大学学报，2009，39（4）：722－727.

［8］金洪波，张世文，黄元仿.可拓理论在矿区土地破坏程度评价中的应用［J］.岩土力学，2010，31（9）：2704－2710.

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

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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

住房和城乡建设部科学技术项目（2001－K3－35）

梁师俊（1976－），男，讲师，主要从事岩土工程方面的教学与研究。E－mail：liangshijun＠21cn.com