王蘭化，張 鶯

（天津市地質調查研究院，天津 300191）

層次分析－熵值定權法在城市建設用地適宜性評價中的應用

王蘭化，張 鶯

（天津市地質調查研究院，天津 300191）

在前人評價經(jīng)驗的基礎上，采用層次分析－熵值定權法和模糊綜合評價法進行了建設用地適宜性評價，該定權方法所采用的三標度法在一定程度上解決了傳統(tǒng)九標度法難以通過的一致性檢驗問題，且便于把握打分尺度，可操作性強；建設用地評價要素及因子的變異程度對指標的權重有很大的影響，引入熵值的概念能更合理地確定評價指標的權重。文中以天津中心城市為例，采用正方形網(wǎng)格剖分法將中心城市評價區(qū)域分成4 612個評價單元，對全區(qū)建設用地適宜性進行了評價，并針對現(xiàn)有城市總體規(guī)劃進行了建設用地適宜性后評估。

層次分析；熵值定權；模糊質量指數(shù)；隸屬度；天津

1 引言

自上世紀90年代中期以來，國內很多學者針對城市建設用地適宜性進行了地質環(huán)境評價方面的研究，石有維[1]、吳恒[2]、戴福初[3]、李相然[4]等學者進一步針對城市不同功能區(qū)地質適宜性評價做了各自的研究。趙濤[5]等（2000）根據(jù)城市居住用地的評價特點，采用遞階模糊評價模型對城市居住用地進行適宜性評價；梁艷平[6]等（2001）采用模糊數(shù)學的方法并結合GIS技術，探索了在不同條件下，不同用地的定量評價。

自上世紀八十年代后期，中國地質大學（武漢）周愛國[7]教授等在三峽地區(qū)開展了擬建新城址地質環(huán)境質量評價工作，又先后在武漢、鄂州、黃石、九江等眾多城市進行了城市用地地質環(huán)境質量評價，周愛國、蔡鶴生教授在其編著的《地質環(huán)境質量評價理論與應用》[8]（1998）一書中對城市地質環(huán)境質量評價的基本概念、基本原理和常用評價方法進行了詳細的論述，并提出了一整套評價方法，結合實例建立了相應的指標體系，介紹了一些可行的創(chuàng)新性的評價數(shù)學模型[9]，對定權方法也進行了深入的研究。2004～2006年在“東部地區(qū)主要城市地質環(huán)境評價方法”專題研究中對多種評價模型進行了實例比較，使城市地質環(huán)境評價方法得到了進一步的完善，為城市環(huán)境地質工作提供了更為科學有效的方法指導。

本次研究采用了層次分析－熵值定權法[10]對天津中心城市進行了建設用地適宜性評價，即采用三標度層次分析法求權重，并對其進行評價指標數(shù)據(jù)熵值修正得出最終的權重。該定權方法所采用的三標度法在一定程度上解決了傳統(tǒng)九標度法難以通過一致性檢驗的問題，且便于把握打分尺度，可操作性強，能夠滿足地質環(huán)境評價定性判斷方面的精度要求；另外，建設用地評價要素及因子的變異程度對指標的權重有很大的影響，引入熵值的概念來度量這種變異程度，能更合理地確定評價指標的權重。

2 評價原理和方法

2.1 評價指標體系

根據(jù)天津中心城市的用地現(xiàn)狀、開發(fā)目標、開發(fā)性質及資源環(huán)境現(xiàn)狀，選擇了四大類要素，即地質環(huán)境條件、水文氣象、自然生態(tài)、人為影響作為本次評價的一級評價指標。進一步根據(jù)一級指標的主要影響因素，選擇區(qū)域地殼穩(wěn)定性、天然地基、軟土地基、第Ⅰ樁基層、第Ⅱ樁基層、砂土液化、地下水腐蝕性、地面沉降、水系水域、地表水水質、植被多樣性、生物景觀多樣性、景觀價值、土地使用強度、工程設施強度共15個指標作為第二層次評價因子（表1）。

表1 城鎮(zhèn)建設用地適宜性評價指標體 系及其因子等級劃分表Table 1 Index system and evaluation grade on the urban construction land suitability

2.2 層次分析－熵值定權法

2.2.1 三標度層次分析法求初步權重

設有m個對象，n個評價指標，各指標值為xij，則1≤i≤m，1≤j≤n。

⑴建立層次結構

把問題進行分解組合，建立遞階層次結構。

⑵構造判斷矩陣

用三標度法對同一層指標進行兩兩比較后，建立比較矩陣M=(mij)n×n，即當甲乙兩因素比較時，若甲比乙重要，則用“2”表示；若甲與乙同等重要時，則用“1”表示；若甲沒有乙重要，則用“0”表示。并計算出各指標的重要性排序指數(shù)，將比較矩陣轉化為判斷矩陣C（可以用極差法或極比法）。這個轉化是保序的，并沒有改變結果中權系數(shù)的大小排列順序。其中

且有Mjj=1,即元素自身比較重要性相等。

①極差法構造判斷矩陣

由變換f(ri,rj)=cij=cb(ri-rj)/R，所得的矩陣 C=(cij)n×n為一致性判斷矩陣，其中cb為一常量,是按某種標準預先給定的極差元素對的相對重要程度(一般在實踐應用中常取cb=9)；R=rmax-rmin，稱為極差，式

②極比法構造判斷矩陣

④一致性檢驗

按（0，1，2）三標度法能夠比較容易地構建出完全判斷矩陣，順利地進行求權計算。

經(jīng)過專家咨詢、協(xié)商，得出如下層次分析定權打分表(表2)。

2.2.2 評價指標數(shù)據(jù)熵值修正

(1)指標數(shù)據(jù)的預處理

采用均值法消除原始指標數(shù)據(jù)的量綱和數(shù)量級影響，

表2 城鎮(zhèn)建設用地三標度層次分析專家打分表Table 2 Expert score of the"three scales"method AHP on the uban construction land

（2）求評價指標j的熵值ej

（3）計算指標j的偏差指數(shù)gj

對于給定的指標j，xij的差異性越小，則ej越大；當xij全部相等時,ej=emax=1,此時指標j幾乎無作用；當各待評的指標值相差越大時,ej越小,該項指標對于評價對象比較所起的作用越大。定義偏差指數(shù)向量為G=(g1，g2，…，gn)，其中

計算得到中心城市建設用地評價指標性狀的熵值及偏差指數(shù)（表3）。

（4）初步權重的修正

用偏差指數(shù)gj對上面求出的權重進行修正：

式中：λ為熵值修正系數(shù)，0≤λ≤1，它表征著定權過程中考慮地質環(huán)境變異特征相對于主觀經(jīng)驗判斷的重要程度。地質環(huán)境特征越復雜，λ取值越大，地質環(huán)境特征越簡單，λ取值越小。因中心城市處于海積、沖積平原和濱海平原，地勢平坦，本次λ取值為0.1。

2.3 評價單元劃分

本次評價采用正方形網(wǎng)格單元劃分法將中心城市評價區(qū)域分成4 612個評價單元，評價單元大小為1 000×1 000 m。

2.4 數(shù)學模型

本文采用模糊綜合評判法進行城市建設用地適宜性評價。

（1）確定評價集和因子集

設某評價單元中的評價指標（評價因子）集合為

U1，U2，U3，…，Um為參與評價的m個環(huán)境因子的性狀數(shù)據(jù)。

評價標準集合為

表3 城鎮(zhèn)建設用地評價指標熵值及偏差指數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Evaluation index entropy and deviation index of the urban construction land

表4 城鎮(zhèn)建設用地適宜性評價指標權重表Table 4 Evaluation index weights of the urban construction land suitability

V1，V2，V3，…，Vn為 Ui相應的評價標準的集合。

U代表綜合評判所涉及的因素集合，即參與評價所選定的因素；V代表最終評語所組成的集合。

取U上的模糊子集B，通過模糊關系矩陣R，則有如下模糊變換：

式中，A為U中諸多因素Ui按其對事物影響的程度，分別賦予不同權重所組成的模糊子集A＝（a1，a2，…，ai）；R為總的單因子判別矩陣。模糊向量B＝（B1，B2，…，Bm）即為最終綜合加的結果。

各評價單元評價指標數(shù)據(jù)R依據(jù)單元所在分區(qū)的特征值來確定，對具有定量化分級指標的評價因子（如地面沉降）則采用等值線插值獲得各評價單元的數(shù)據(jù)。

（2）評價因子分級標準的確定

各指標的級別劃分大都是一個區(qū)間值，通過一定方法確定各相鄰類別之間的界限值，或稱代表值。分級代表值是確定環(huán)境因子性狀數(shù)據(jù)的隸屬度的基礎。有了分級代表值后，可以根據(jù)實際環(huán)境因子的性狀數(shù)據(jù)來計算其隸屬度。

指標的級別劃分有時候也采用特征值的辦法，每一級預先給定一個數(shù)值作為該級標準的代表值，相當于直接給出了評價標準分級代表值。本次評價主要采用此方法進行，即依據(jù)5類分區(qū)按照適宜性級別（適宜性由好到差）分別對應賦值1、2、3、4、5。

（3）隸屬函數(shù)的確定

本文選擇梯形分布的隸屬函數(shù)來構建模糊矩陣。假定某個環(huán)境因子的實測性狀數(shù)據(jù)為x：

式中，μ1(x)，μ2(x)，…，μm+1(x)分別為環(huán)境因子x對一級、二級、…、m+1級環(huán)境質量標準e的隸屬度。

計算每個評價因子對各個環(huán)境質量級別的隸屬度，并構造隸屬矩陣R。

(4)確定權系數(shù)

系數(shù)ai表示單因素ui在所有因素中所起的作用大小的度量，即可以視ai為第i種評價因子在環(huán)境質量評價諸因子中的權重系數(shù)，可以從前述的方法中確定。

(5)矩陣合成

其中A為U中諸多因素Ui按其對事物影響的程度，分別賦予不同權重所組成的模糊子集A＝（a1，a2，…，ai）；R為總的單因子判別矩陣；模糊向量B＝（B1，B2，…，Bm）即為最終綜合加的結果。

采用歸一加權平均模型M3(?,⊕)算子，其計算公式為：

在計算出bj(j＝1，2，…，n)的值后，就可以根據(jù)模糊質量指數(shù)bj的大小來進行環(huán)境質量評價。

2.5 評價結果等級劃分

依據(jù)模糊質量指數(shù)bj計算結果，可將建設用地適宜性（城市地質環(huán)境質量）等級分為5級（表5）。

3 評價結果與分析

依據(jù)上述評價指標與方法對中心城市進行建設用地適宜性評價，并基于MAPGIS平臺繪成評價分區(qū)圖（圖1）。

(1)建設用地較適宜區(qū)

城鎮(zhèn)建設用地較適宜的區(qū)域主要分布于中心城市的西部，包括中心城區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)和津南區(qū)、東麗區(qū)的部分地區(qū)，大港的西部及中南部地區(qū)以及塘沽的部分地區(qū)。分布面積為1 457.33 km2，占評價區(qū)總面積的33.84%。

上述地區(qū)區(qū)域地殼穩(wěn)定性位于較穩(wěn)定區(qū)或次較穩(wěn)定區(qū)；處于天然地基較適宜區(qū)，一般可滿足中低層民用建筑及輕型工業(yè)構筑物對地基強度和變形的要求；不存在砂土液化現(xiàn)象；一般無軟土分布或軟土厚度較?。坏冖?、Ⅱ樁基可滿足建筑物強度和變形要求；地下水腐蝕性主要為弱－中等腐蝕區(qū)；地面沉降速率一般小于30 mm/a；人文和自然景觀較低；滿足建設用地的要求。

表5 建設用地適宜性（城市地質環(huán)境質量）分級表Table 5 Classification of the urban construction land suitability（ the quality of urban geologic environment）

（2）建設用地基本適宜區(qū)

中心城市建設用地基本適宜的區(qū)域分布最廣，分布面積約為2 034.16 km2，占評價區(qū)總面積的47.24%。

上述區(qū)域均存在著一定的地質環(huán)境問題，地面沉降覆蓋整個區(qū)域，部分地區(qū)沉降速率超過50 mm/a；受海河斷裂、滄東斷裂、天津北斷裂的影響，斷裂所在區(qū)域內區(qū)域地殼穩(wěn)定性較差；部分地區(qū)存在軟土和砂土液化現(xiàn)象；地下水腐蝕性主要為中等－強腐蝕區(qū)；人文和自然景觀一般；基本適宜建設用地的要求。

（3）建設用地適宜性較差、不適宜區(qū)

建設用地不適宜區(qū)主要分布在北大港水庫濕地保護區(qū)、黃港一庫、黃港二庫、北塘水庫、營城水庫、東麗湖、鴨淀水庫及中心城區(qū)重要的歷史文化保護區(qū)，區(qū)域總面積為535.21 km2,占總面積的12.43%；城鎮(zhèn)建設用地不適宜區(qū)處于景觀價值較高的國家自然、人文保護區(qū)范圍，不適宜開發(fā)建設；這些區(qū)域均不適宜建設用地。

建設用地適宜性較差的區(qū)主要分布于漢沽區(qū)北部、東麗區(qū)（開發(fā)區(qū)西區(qū)組團西部地區(qū)及空港物流園區(qū)組團東部地區(qū)）、葛沽組團及海河下游工業(yè)區(qū)組團部分地區(qū)，區(qū)域總面積為279.30 km2,占總面積的6.49%，這些區(qū)域需要投入較多的資金采取相應的整治措施后才能作為建設用地。

漢沽區(qū)北部、東麗區(qū)（開發(fā)區(qū)西區(qū)組團西部地區(qū)及空港物流園區(qū)組團東部地區(qū)）區(qū)域地殼穩(wěn)定性位于較不穩(wěn)定區(qū)，區(qū)內的漢沽斷裂是現(xiàn)今仍有活動的斷裂；葛沽組團及海河下游工業(yè)區(qū)組團部分地區(qū)位于次較不穩(wěn)定區(qū)；上述建設用地適宜性較差區(qū)處于天然地基缺失或地基條件較差；在漢沽區(qū)存在砂土液化現(xiàn)象；軟土地基條件較差；第Ⅰ、Ⅱ樁基可滿足建筑物強度和變形要求，但需采用切合實際的基礎類型和施工工藝；地下水腐蝕性主要為中等－強腐蝕區(qū)；地面沉降速率一般大于20 mm/a，在葛沽組團及海河下游工業(yè)區(qū)組團部分地區(qū)地下水開采量大，超采嚴重，地面沉降速率較大。

4 針對現(xiàn)有城市規(guī)劃的建設用地適宜性后評估

依據(jù)天津市城市總體規(guī)劃（2005～2020）[12]中心城市用地規(guī)劃進行評估。

中心城市建設用地主要以中心城區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)為主副中心，構筑雙中心組團式布局結構，將建設用地適宜性評價結果與中心城市用地規(guī)劃對比（圖1），可看出總體規(guī)劃整體上比較合理，不協(xié)調之處主要體現(xiàn)在漢沽新城北部、東麗區(qū)（開發(fā)區(qū)西區(qū)組團西部地區(qū)及空港物流園區(qū)組團東部地區(qū)）、葛沽組團及海河下游工業(yè)區(qū)組團部分地區(qū)的建設用地處于適宜性較差的區(qū)，這些區(qū)域存在著區(qū)域地殼穩(wěn)定性較差、地面沉降、砂土液化等環(huán)境地質問題，如要保留建設用地需提高抗震設防烈度，必須采取相應的工程措施。

圖1 天津中心城市城鎮(zhèn)建設用地適宜性評價圖Fig.1 Suitability evaluation map of urban construction land of central city

[1]石有維.城市建設用地適宜性評價－以鞍山市為例[J].中國土地科學,1993,7(5):28-32.

[2]吳恒.城市用地的影響因素分析及其評價系統(tǒng)[J].地理研究，1995，14（4）：69-77.

[3]戴福初,李軍,張曉暉.城市建設用地與地質環(huán)境協(xié)調性評價的GIS方法及其應用[J].地球科學，2000，25（2）：209-214.

[4]李相然,劉大忠,曹振斌,時向東.煙臺市區(qū)土地利用的環(huán)境工程地質研究[J].地理學與國土研究，2001，17（3）：49-53.

[5]趙濤,鄭新奇,鄧祥征.城市土地利用優(yōu)化配置分析應用—以濟南市為例，地球信息科學[J].2004，6（2）：53-57.

[6]梁艷平,劉興權,劉越,譚春華.基于GIS的城市總體規(guī)劃用地適宜性評價探討，地質與勘探[J].2001，37（3）：64-67.

[7]蔡鶴生,唐朝暉,周愛國.三峽水利樞紐庫區(qū)巫山縣城新址地質環(huán)境質量預斷評價，工程地質學報[J].1998，（3）：78-83.

[8]周愛國,蔡鶴生.地質環(huán)境質量評價理論與應用[M].武漢：中國地質大學出版社，1998.

[9]蔡鶴生,唐朝暉,周愛國.地質環(huán)境質量綜合評價中的敏感因子模型[J].地質科技情報，1998，17(2):71-75.

[10]周愛國等,城市不同功能目的的地質環(huán)境評價方法研究[M]，武漢：中國地質大學（武漢），2007.

[11]石建省等，黃河下游懸河穩(wěn)定性評價與災害預警[A].生態(tài)環(huán)境地質調查論文集[C]/中國地質調查局，北京：地質出版社，2003，12，210-219.

[12]天津市城市總體規(guī)劃（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

國家國土資源大調查項目：天津城市地質調查（1212010511104）

王蘭化（1963－），碩士學位，教授級高工，主要從事水文地質環(huán)境地質調查研究工作，E-mail：hjdzs@126.com。