基于GIS城镇土地利用防灾适宜性评价方法分析1

第 30 卷增刊 2 岩 土 力 学 Vol.30 Supp.2 2009 年 12 月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2009 收稿日期：2009-07-18 第一作者简介：程雨，女，1980 年生，研究生，主要从事工程防灾减灾工程及防护工程方向的研究。E-mail: chengyuqq@sina.com 文章编号：1000－7598 (2009) 增刊 2－0505－04 基于 GIS 城镇土地利用防灾适宜性评价方法分析 程 雨，朱庆杰，党旭光，刘 峰 （河北理工大学 建筑工程学院，唐山 063009） 摘 要：城镇土地利用规划及城市建设应重视土地的防灾适宜性评价，由于地质灾害对人类的生命和财产造成了严重的危害， 所以要从防灾的角度进行城镇土地利用适宜性评价。开发基于 GIS 城镇建设用地防灾适宜性评价方法，借助 IDRISI 软件， 通过对比分析 GIS-OWA 与布尔决策和权重线性叠加（WLC）等多准则评价方法在决策策略上的区别，计算了唐山市地质灾 害影响下的土地利用适宜度。 关 键 词：GIS；城镇建设用地；适宜性评价；防灾；OWA；唐山 中图分类号：TU 443 文献标识码：A Analysis of method of urban land-use suitability evaluation for disaster prevention based on GIS CHENG Yu, ZHU Qing-jie, DANG Xu-guang, LIU Feng （College of Civil Engineering and Architecture, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China) Abstract : For the urban land-use planning and urban development, we should pay attention to the disaster prevention of land suitability evaluation. As a result of geological disasters in the existence of human life and property caused serious harm, so from the perspective of disaster prevention the urban land-use suitability evaluation should be made. Development of urban land-use suitability evaluation methods based on GIS for disaster prevention,using IDRISI software, through comparative analysis with the GIS-OWA and Boolean of decision-making and weight linear combination (WLC) and so on multi-criteria evaluation method in the distinction between strategic decision-making, the land-use suitability under the influence of geological disasters in Tangshan City has been calculated. Key words: GIS; urban land-use; suitability evaluation; disaster prevention; OWA; Tangshan 1 前 言 自然灾害对人类生活和社会发展的危害，古往 今来，断续不绝。地质灾害是自然灾害的主要灾种。 如地震、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉陷等。由 于这部分地质环境的存在对人类的生命和财产造成 了严重的危害，在过去制定各级规划时，很少考虑 规划区域所处的地质环境情况。一些建设项目实施 时才发现地质环境间题，不得不修改规划和更改规 划的选址。所以要从防灾的角度进行城镇土地利用 适宜性评价更好地为城市工程建设及城市规划决策 服务。 GIS 支持下的土地防灾适宜性是用户通过 GIS 系统对相关地理对象（图层）交互地输入、显示、 分析以及结果输出的过程，空间分析和推理是问题 的核心，辅助决策是最终目的。基于 GIS 的土地适 宜性评价技术在诸多方面的应用，以及其他相关技 术（如网络和人工智能技术）的发展，导致新的土 地防灾适宜性评价方法不断涌现。 2 城镇土地利用防灾适宜性评价 影响城镇土地利用的灾害主要有滑坡、地震场 地破坏、洪水灾害等，对城镇规划建设关键是如何 利用已有的各灾种评价结果进行综合评定，指导城 镇的建设用地选择。 2.1 城镇土地利用防灾适宜性评价目的 土地利用防灾适宜评价是对土地各构成系统 认识的基础上，以土地安全合理利用为目标。根据 岩 土 力 学 2009 年 特定的目的或针对一定的土地用途来对土地的属性 进行质量或潜力监别，并阐明所评定的土地适宜性 及适宜程度的过程。土地利用防灾适宜性评价是城 镇土地利用中对各类用地的灾害影响、防灾措施和 适宜性建设要求进行评价的统称，其主要技术路线 是依据影响城镇建设的主要灾害对场地危害性的影 响程度，针对城镇各类用地对建设条件的要求，进 行适宜性分类评价。 2.2 城镇土地利用防灾适宜性影响因素 城镇所在自然地理区域的不同，灾害环境也存 在差异。在不同的地理区域进行城镇土地利用适宜 评价时，应因地而异，选取对当地工程建设用地影 响较大的灾害影响因素作为主要评价项目，在下面 的分析中，把灾害影响的类型称为因素 ，把因素的 影响程度分级称为因子。要考虑的主要灾害影响 有：①地震引起的场地破坏影响主要有：地震液化、 震陷、地面断裂以及滑坡、崩塌等由地震引起的地 震地质灾害，一般通称为地震破坏效应。②影响城 镇规划建设的地质灾害主要有：滑坡、崩塌、地面 塌陷、地裂缝、地面沉降等。③洪水灾害的影响主 要包括洪水淹没危险性、溢洪区和泄洪区影响等。 ④对城镇土地利用有影响的还有场地类别的划分。 3 GIS 支持下土地利用防灾适宜性评 价方法分析 基于 GIS 的多准则评价可分为两大类，一类是 基于逻辑交集（AND）和并集（OR）运算的布尔 （BOOLEAN）决策，另一类是基于连续变量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化的权重组合决策，包括传统的权重线性组合 （WLC）决策和最近发展起来的次序权重平均 （OWA）决策[1–2]。经典的权重线性组合决策方法 可视为布尔 AND 和 OR 决策的平均，即介于最大 风险和最小风险中间的平均决策。OWA 方法则是 一种可以根据决策策略选择决策风险大小的决策， 因此可以把布尔决策和WLC决策视为OWA决策的 特殊情况。 3.1 布尔运算的决策支持分析 对影响因子进行布尔标准化布尔聚合的逻辑性 要求所有准则（包括影响因子和限制条件）必须进 行标准化以具有相同的数值范围 0 或 1。采用布尔 方法，各个准则之间不能进行补偿。该方法只有交 集（AND）和并集（OR）运算，前者的实质是评 价对象须满足所有的准则，这样得到的结果为最小 值，在风险方面是最保守的。后者的实质是评价对 象只要满足其中一个准则就可以了，此运算得到的 结果为最大值，但具有相当大的风险。 3.2 权重线性组合法 WLC 决策支持分析 权重线性组合法 WLC 法不仅可以保留影响因 子的可变性，而且可以使影响因子之间彼此权衡。 与布尔方法相比，WLC 法是一个取平均的方法，它 将分析置于 AND 操作（最小值）和 OR 操作（最 大值）之间。对于连续类型的准则（factors），最常 用的是 WLC 法，每一个影响因子都被赋以权重， 然后与相应的标准分相乘，最后将所得结果求和即 生成适宜性地图[3]，公式为： ci i jS w x=∑ ∏ （1） 式中：S为适宜性；wi为影响因子 i 的权重；xi为影 响因子i 的标准分值；cj为限制条件 j 的标准分值； 3.3 有序权重平均法（OWA）法决策支持分析 有序权重平均法（OWA）法根据决策策略选择 决策风险大小的决策[4]，因此可以把布尔决策和 WLC决策视为OWA决策的特殊情况对于任一地理 空间位置（或屏幕像元）i，按评价指标的大小排序 得到各指标的属性值 zij，第 j 种指标的次序权重为 vj，则 OWA 决策表达式[5]可写为 1 1 n j j i ijn j j jj u v OWA z u v= = ⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎝ ⎠ ∑ ∑ （2） 式中： ju 为准则权重， ju ∈[0，1]，j = 1，2…n， 并且 1 n j j u =∑ ； jv 为有序权重， jv ∈[0，1]，j = 1， 2…n，并且 1 n j j v =∑ ；Zij为属性值； 3.4 OWA 决策策略与次序权重计算 式（2）中次序权重vj 的确定方法中，比较典型 的方法是按指标的重要等级wk来确定[8]，此时次序 权重可定义为 1 1 1 j j j k k k k v w w α α− = = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠∑ ∑ （3） 式中：α 为算子系数，取决于决策风险的大小，从 0 到 ∞ 之间变化。 kw 可依据指标数值大小来确定指 标重要等级，则 kw 进一步表示为 1 1 , ( 1,2, , ) ( 1) k k k ll n rw k n n r= − += =− +∑ " （4） 式中： kr 为依据指标数值大小对重要性（等级）进 行取值，最大取 1，次大取 2，最小取 n；α为算子 系数，取决于决策风险的大小，从 0 到∞之间变化。 在 OWA 决策表达式中，令式（2）的 vi = 1， 506 增刊 程 雨等：基于 GIS 城镇土地利用防灾适宜性评价方法分析 vj = 0，则为布尔的 OR 决策情况（表 1 中的第 1 种 情况），代表了决策风险最大的情况；令式（2）的 vn=1，vj = 0，则为布尔决策的 AND 决策情况（表 1 中的第 5 种情况），代表了决策风险最小的情况；而 令 vj = 1/n，则为 WLC 决策（表 1 中第 3 种情况）， 即平均风险的决策情况。从表中可以可出，布尔决 策和WLC决策均可以视为OWA决策的一种特殊情 况，代表特定风险的决策，因此应用 OWA 决策来 进行地理空间的多准则评价，是选择合适决策风险 并得到准确评价结果的关键。可以通过一个简单例 子来说明，比如空间一点有 3 种评价指标，A、B 和 C 表示不同影响因子。其属性值为：A= 90，B= 86，C=120，则排列次序为 C > A > B。不同情况的 计算结果见表 2。 表1 决策方法比较 Table 1 Comparison between different decision-making methods 序号 量化分析 OWA 权重 决策方法 α 1 至少一种指标符合 v1=1, vj=0 OWA（OR,MAX） α →0 2 一些指标符合 OWA 算子计算 OWA α =0.5 3 平均情况 vj=1/n OWA（WLC） α =1 4 多数指标符合 OWA 算子计算 OWA α =2 5 所有指标符合 vn=1, vj=0 OWA（AND,MIN） α →∞ 表 2 不同方法的计算结果 Table 2 Calculating results of different decision- making methods 次序权重 v1 v2 v3 计算公式 计算 结果 对应方法 1.0 0.0 0.0 1.0×120+0.0×90+0.0×86 120 OWA（OR,MAX） 0.7 0.2 0.1 0.7×120+0.2×90+0.1×86 110.6 OWA 0.34 0.42 0.24 0.34×120+0.42×90+0.24×86 99.24 OWA（WLC） 0.1 0.2 0.7 0.1×120+0.2×90+0.7×86 90.2 OWA 0.0 0.0 1.0 0.0×120+0.0×90+1.0×86 86.0 OWA（AND,MIN） 4 实 例 河北省唐山市地形总的特点是北高南低，地势 从北向南倾斜下降直达渤海之滨。在市区范围内， 北部为低山丘陵地区，南部为海滨平原区。唐山市 在其发展过程中遭受了多次自然灾害，其中最严重 的是1976 年7月28日发生的 7.8 级唐山大地震，其 次是岩溶塌陷、采空塌陷、矿井塌陷及由此引起的 地面沉降[6-7]。 4.1 评价分析 借助 IDRISI 软件分别采用布尔叠加法（BI 法）、权重线性组合法（WLC法）和有序权重平均 法（OWA法），对唐山市建设用地防灾适宜性，选 定 4 种影响因子：采空区稳定性、岩溶塌陷稳定性、 地震烈度和场地抗震性能。 4.1.1 布尔叠加法（BI法） 将各影响因子的栅格图像进行重新分类，转化为 只有 1 和 0 值的布尔类型栅格图像，将所得图像运 用 MCE 模块中的 BI 法或直接利用图像计算器 （Image Calculator）进行运算，得到的碎片状布尔 图像即为唐山市的适宜开发场地，使用该方法所得 的适宜性图像是离散的，只有绝对适宜和不适宜两 种类型的值，如图 1（a）所示。 4.1.2 权重线性组合法（WLC法） （1）各因子图像标准化 由于不同灾害因子的量纲不同，需要对每个灾 害因子进行标准化。灾害因子对场地安全的影响是 非常复杂的，数据标准化采用模s糊量化的方法。 （2）建立影响因子重要性判断矩阵（或比较矩 阵） 从防灾的角度考虑，建立 4 种影响因子的比较 矩阵。一般采用1～9及其倒数的标度方法，比较因 素间的重要性，可得到相对权值矩阵及其一致性比 率。如果一致性比率小于0.10，说明比较矩阵具有 满意的一致性，否则，需对比较矩阵作适当修正。 （3）生成适宜性图像 确定了影响因子权值矩阵之后，就可以运用 MCE模块进行图像聚合，得到多准则评价适宜性图 像。该方法的原理就是将每一个标准化的图像与其 权值相乘，即图像的每个栅格单元与权值相乘，再 把所得结果求和，然后还要与各约束因子相乘，以 去除不适宜的区域。这样就可得到所需的适宜性评 价图像，从而进行相应的决策分析。 4.1.3 有序权重平均法（OWA法） OWA法与WLC法在使用和运行方面有许多相 似之处。OWA法的对话框只是多了一项权重设置 称为有序权重（order weights），控制权重因子的聚 合方式。事实上，WLC法只是OWA法的一种特殊情 况。有序权重不同于因子权重，并不适用于任何具 体的因子，而是要在因子分值的基础上，对所有的 像元进行等级排序，然后再应用有序权重。 4.2 对比评价结果 以上针对唐山市的具体情况，从防灾角度考 虑，确定影响土地利用的主要因素为采空区稳定 性、岩溶塌陷稳定性、地震烈度和场地抗震性能的 等 4 个因子，分别采用 BI 法、WLC 法和 OWA 法 进行决策评价，得到 3 种评价结果，如图 1 所示。 从决策策略上考虑，布尔决策是一种极型决策，不 考虑各指标间的补偿或者替代，图像是离散的。权 507 岩 土 力 学 2009 年 重线性组合决策是平均风险的决策，各指标间依据 准则权重完全补偿，适宜度是连续变化的，而 OWA 方法则是一种动态选择决策风险的方法，可得到最 大和最小风险间任意补偿程度的结果。 (a) BI法 (b) BI法 (c) OWA法 图 1 3 种评价结果 Fig.1 Three types of evaluation results 5 结 语 本文主要介绍基于GIS城镇土地利用防灾适宜 评价方法的计算分析，以及该方法在唐山市场地适 宜性价中的实际应用，表明了该方法在适宜性评价 领域的有效性和实用性。城镇土地利用防灾适宜性 评价是城市建设的一项基础工作，城市规划工程师 必须从在城市可持续发展的高度。从防灾角度参与 城市规划，进行城镇土地利用防灾适宜性评价工 作，使城市土地资源开发能使经济、社会、环境得 到协调方展。在城镇土地利用决策过程中，科学的 决策方法和手段显得尤为重要。 参 考 文 献 [1] 刘贵利. 城乡结合部建设用地适宜性评价初探[J]. 地 理研究，2000，19(1): 80－85. 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