摘要隨著國土資源部全餌縣市地質災害調壘與區(qū)劃工作的全面丌展，如何根據大量的調查信息確定地質環(huán)境質量的優(yōu)劣程度越來越重要。地理信息系統(tǒng)( g i s ) 因其具有強大的數據處理功能和空間分析功能，為區(qū)域地質環(huán)境研究提供了新的研究方法。本文綜合分析了影響區(qū)域地質環(huán)境的主要控制因素，在總結前人經驗的基礎上，確定了區(qū)域地質環(huán)境質量評價的指標體系，建立了針對區(qū)域地質環(huán)境質量特點的分級標推。采用向量主成分分析泌以及兩兩比較法對各評價指標進行了篩選與優(yōu)化，并運用層次分析法確定了評價指標的權重。根據本文評價模型的特點，對于定性指標，豐要采用專家經驗法進行指標量化；對于定量指標，依據評價分級標準，采用隸屬度函數進行取值。根據區(qū)域地質環(huán)境質量評價問題的特點，本文選取模糊綜合評判和信息量法兩種簡單實用的數學方法，建立了評價模型，并對評價結果進行了對比分析。用c + + b u i l 蜘0開發(fā)了評價分析模塊；以m a p g i s 6 5 為平臺，建立空間圖形數據庫，屬性數據庫通過外掛數據庫實現(xiàn)，g i s 通過接口進行調用實現(xiàn)圖形與屬性的連接，形成空問數據庫；評價分析模塊與g i s 通過對中間數據文件的操作達到集成，從而實現(xiàn)兩者數據的轉換，迸亍空間分析。實例分析結合陜西省鳳縣調查區(qū)，分析了區(qū)域地質環(huán)境背景，選取了影響其地質環(huán)境質量的主要因素，建立了鳳縣空間圖形庫和屬性庫。運用評價系統(tǒng)對風縣地質環(huán)境質量進行評價，把鳳縣地質環(huán)境劃分為優(yōu)、良、中、差四個質量級別。結果表明該系統(tǒng)可行，評價模型合理，具有較強的實用性。關鍵詞：地質環(huán)境質量評價地理信息系統(tǒng)空間分析層次分析法模糊綜合評判信息量法a b s t r a c tst h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to fg e o l o g i c a lh a z a r ds u r v e ya n dz o n i n gi nt h en a t i o n a lc o u n t i e sa n dc i t i e s ，w h i c hs t a r t e db ym i n i s t r yo fl a n da n dr e s o u r c e ，h o wt oj u d g et h ed e g r e eo fg o o da n db a d n e s so fg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t ya c c o r d i n gt oag r e a tq u a n t i t yo fi n v e s t i g a t i n gi n f o r m a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b e c a u s eo fp o w e r f u ld a t at a c k l i n ga b i l i t ya n ds p a t i “a n a l y s i sf u n c t i o n ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g 1 s ) p r o v i d e san e ws t u d ym e t h o df o rr e g i o n a lg e o e n v i r o n m e n tr e s e a r c h t h et h e s i sh a sa n a l y z e dm a i nc o n t r o lf a c t o r si n f l u e n c i n gr e g i o n a lg e o e n v i r o n m e n ts y n t h e t i c a l l y o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gp r e d e c e s s o r s e x p e r i e n c e ，t h et h e s i sh a sd e t e r m i n e dg e o - e n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n ti n d e xs y s t e ma n de s t a b l i s h e dc l a s s i f y i n gs t a n d a r d ，w h i c ha i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t y v e c t o rp r i n c i p a lc o m l r o n e n ta n a l y s i sa n dp a i r e d c o m p a r i s o n sm e t h o dh a v eb e e na d o p t e dt os i f ta n do p t i m i z ea s s e s ；m e n ti n d e x e s h i e r a r c h ya n a l y t i cp r o c e s sh a sb e e na p p l i e dt of i n dt h ew e i g h to fa s s e s ；m e n ti n d e x e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa s s e s s m e n tm o d e l ，t h et h e s i sh a sa d o p l e dm a i n l ye x p e r t i s et oq u a n t i f yq u a l i t a t i v ei n d e x e s ，w h i l eq u a n t i t a t i v ei n d e x e sg e tt h e i rv a l u et h r o u g hf u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o no nt h eb a s i so fc l a s s i f y i n gs t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fr e g i o n a lg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n t ，t h et h e s i sh a sc h o s e nt w ok i n d so fs i m p l ea n dp r a c t i c a lm a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ta n di n f o r m a t i o nm e t h o dt oe s t a b l i s ha s s e s s m e n tm o d e l s a n d 山e l lt h et w oa s s e s s m e n tr e s u l t sh a v ea l s ob e e nc o m p a r e d ，t h ea n a l y s i sm o d u l ei sd e v e l o p e dw i t hc + + b n i l d e r 6 0s o f t w a r e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm a p g i s 6 5 ，t h es p a t i a lg r a p hd a t a b a s ei se s t a b l i s h e d b yl i n k i n go u t s i d ed a t a b a s e ，t h ep r o p e r t yd a t a b a s ei sp e r f o r m e d t h e ng 1 st r a n s f e r st h ep r o p e r t yd a t a b a s ew i t hi n t e r f a c e s oa st oa c h i e v el i n kb e t w e e ng r a p ha n dp r o p e r t y , t h u sf o r m i n gs p a t i a ld a t a b a s e b ym i d d l ed a t ad o c u m e n t s ，t h ei n t e g r a t i o ni sa c c o m p l i s h e db e t w e e nt h ea s s e s s m e n ta n a l y s i sm o d u l ea n dg i s ，t h e r e b ya c h i e v i n gt r a n s f e r r i n gd a t ao fb o t hs i d e sa n dc a r r y i a go ns p a t i a la n a l y s i s t a k i n gf e n g x i a nc i t yo fs h a n x ip r o v i n c ea se x a m p l e ，t h et h e s i sh a sa n a l y z e di t sg e o l o g ye n v i r c n m e n tb a c k g r o u n d ，c h o s e nt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t y , a n de s t a b l i s h e dt h es p a t i a lg r a p hd a t a b a s ea n dp r o p e r t yd a t a b a s eo ff e n g x i a nc i t y b a s e do nt h i ss y s t e m ，t h eg e o - e n v i r o n m e n tq u a l i t yo ff e n g x i a nc i t yh a sb e e na s s e s s e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg e o + e n v i r o n m e n tq u a l i t yc a l lb ec l a s s i f i e di n t of o u rc l a s s e s ：b e s t ，g o o d ，m o d e r a t e ，w o r s t s o ，i tf u r t h e ri n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l ea n dv e r yp r a c t i c a la n dt h a tt h ea s s e s s m e n tm o d e l sa r er a t i o n a l k e yw o r d s ：g e o e l l v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n t ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；s p a t i a la n a l y s i s ；h i e r a r c h ya n a l y t i cp r o c e s s ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ；i n f o r m a t i o nm e t h o d論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明：本人所呈交的學位論文是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除論文中已經注明引用的內容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經公開發(fā)表的成果。本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：廛碭易論文知識產權權屬聲明衫年f 月矽日本人在導師指導下所完成的論文及相關的職務作品，知識產權歸屬學校。學校享有以任何方式發(fā)表、復制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權利。本人離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關的學術論文或成果時，署名單位仍然為長安大學。( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定)稆年節(jié)只2 l e t。6 年( f 只叼e t第一章緒論1 1 課題的由來及研究意義5 3 2 5 1 5 0 1隨著人類社會的發(fā)展，人類活動的空間、規(guī)模和復雜程度都在以前所未有的速度迅速擴展，在很大程度上改變著地球表面的形貌。人類活動已經成為與自然地質作用并駕齊驅，甚至在某些方面已經超過自然地質作用的表生營力，在當今全球環(huán)境變化中起著巨大的影響作用?！叭艘坏亍标P系的失調，導致人類居住的巖石圈表層環(huán)境質量下降，地質災害頻繁發(fā)生，人類生命財產蒙受重大損失。因此，白上世紀八十年代以來，以巖石圈表層環(huán)境為主體的地質環(huán)境問題引起了各國政府的高度重視，成為環(huán)境問題研究的一個重要組成部分。在我國，由于地理和地質條件的復雜性和巨大的區(qū)域差異性，地質災害問題歷來較為嚴重，尤其是改革開放以來，伴隨著我國國民經濟的飛速發(fā)展，工程活動規(guī)模和范圍的迅速增大，地質環(huán)境的惡化速度和地質災害的發(fā)生頻率有日益加速的趨勢。據統(tǒng)計，在我國由地質災害造成的損失約占整個自然災害損失的3 0 。而這其中，崩塌、滑坡、泥石流及人類工程活動誘發(fā)的淺表生地質災害所造成的損失約占5 5 。這些災害的一次性規(guī)模雖小于地震，但其發(fā)生頻度和總的涉及范圍則遠遠高于和廣于地震，一年總的損失約2 0 0 個億。地質災害是地質環(huán)境質量低劣的表現(xiàn)，它的頻頻發(fā)生不僅反映了自然地質環(huán)境的脆弱性，而且反映了人類工程活動與地質環(huán)境之間矛盾的激化。要使人類工程經濟活動與地質環(huán)境之間保持較為協(xié)調的關系，就必須對地質環(huán)境質量現(xiàn)狀進行評價，以了解不同經濟發(fā)展過程中區(qū)域地質環(huán)境發(fā)展變化的基本態(tài)勢，為環(huán)境保護、人類工程活動、人民防災減災提供重要的依據。目前，國土資源部全國范圍內的“縣( 市) 地質災害調查與區(qū)劃”已全面展開，陜西省的地質災害調查與區(qū)劃工作已接近尾聲。陜西工程勘察研究院于2 0 0 1 年5 月在“陜西省風縣地質災害調查與區(qū)劃”項目招標中中標，受陜西省國土資源廳委托，具體承擔陜西省風縣地質災害調查與區(qū)劃項目。在工作進行中，如何充分利用調查資料對風縣地質災害按易發(fā)程度進行準確的分區(qū)，成為一個難點。國土資源部下發(fā)的縣( 市) 地質災害調查與區(qū)劃實旋細則中的方法，還是以定性為主，人為因素較多，缺乏系統(tǒng)的、科學的、全面的評價方法的理論論證。實際上，上世紀八十年代發(fā)展起來的g i s 方法在這個領域大有用武之地，我國恰恰在這方面工作非常薄弱，而國外尤其是發(fā)達國家這方面的成果及應用已較為普遍。因此，在我國地質環(huán)境質量評價領域研究推廣應用g i s 技術，對促進地質科技進步、加強地質災害的防治與地質環(huán)境的保護具有重要的理論和實際意義。1 2 國內外研究現(xiàn)狀4 1 5 兒1 5 3 5 伽5 2 1地理信息系統(tǒng)( g i s ) 是2 0 世紀6 0 年代開始迅速發(fā)展起來的地理學研究的新技術。它起源于傳統(tǒng)的地圖學，隨著計算機技術的進步而不斷發(fā)展。地理信息系統(tǒng)，是地理信息的載體，具有獲取、存儲、編輯、處理、分析和顯示、輸出地理數據的功能。國內外g 1 s 技術的發(fā)展，呈現(xiàn)出廣闊的應用前景。美國、加拿大、英國、澳大利亞等國家逐步確立了它們在這一領域的國際領先地位。我國在這方面的工作最早始于8 0 年代。國外尤其是發(fā)達國家，在g i s 應用于地質災害研究方面做了很多工作。如1 9 8 6 年美國的b r a b be a r le 在加利福尼亞s a nm a t e o 地區(qū)利用了g i s 的數據處理、數據管理、繪圖輸出等基本功能進行了地質災害研究；1 9 8 9 年美國的f i n n e ym i c h a e la 和b a i nn a n c yr 運用g 1 s 技術分析了滑坡災害；1 9 9 0 年印度的r r c u p t a 和b c j o s h i 運用g i s 的存儲、更新、網格化、空間疊加分析和面積量算等功能對喜馬拉雅山麓的r a m g a n g ac a t c h m e n t 地區(qū)進行了滑坡災害危險性分帶；1 9 9 0 年荷蘭i t c 的v a nw e s t e nc j 和哥倫比亞i g a c 的a l z a t eb o n i l l aj 1 3 利用g 1 s 空間定位及空間數據庫管理以及g i s的d e m 開發(fā)了斜坡穩(wěn)定性分析模型和山區(qū)落石滾落速率計算模型；1 9 9 1 年美國的c a m p b e l lr h 等利用g 1 s 空間分析功能對滑坡災害進行了空間預測：1 9 9 1 年意大利的c a r r a r aa 等應用g i s 空間分析技術與統(tǒng)計模型結合對滑坡災害進行了評價；1 9 9 3 年加拿大的c h u n gc e 和f a b b r ia c t 等基于g i s 的專業(yè)模型擴展模塊，對滑坡災害分區(qū)進行了多因素綜合分析；1 9 9 4 年美國的m a r i om e j i a n a v a r r o 和e l l e n e w o h l 用g i s 進行地質災害和風險評估，并進行了災害分區(qū)；1 9 9 5 年美國的d a n i e lj m i l l e r將g i s 與力學模型結合對深層滑坡災害進行了評價；1 9 9 6 年美國的m a r i om e j i a n a v a r r o 等運用g i s 及工程數學模型建立了自然災害及風險評估的決策支持系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對克羅拉多州的g l e n w o o ds p r i n g s 地區(qū)進行了評價；1 9 9 7 年加拿，大的t r e v o rj d a v i s 和c p e t e rk e l l e 基于g i s 用模糊分類方法及可視化技術真實再現(xiàn)了斜坡形態(tài)。國內應用g i s 技術開展地質環(huán)境與地質災害評價的工作起步較晚，研究程度較低。姜云、王蘭生1 9 9 4 年在山區(qū)城市地面巖體穩(wěn)定性管理與控制中應用了g i s ，以重慶市為典型研究對象，對地面巖體變形破壞進行了時空預測預報；雷明堂、蔣小珍等1 9 9 4年運用g i s 技術于巖溶塌陷評價中，利用了g i s 的距離分析、標量分析、網格疊加分析、分級分組分析等功能，完成了研究區(qū)塌陷危險性評價及分區(qū)；鄭世書、孫亞軍等1 9 9 4 年在煤礦地下開采工作面涌水預測及礦區(qū)巖溶水害預測中應用了g i s 技術：曹中初、孫蘇南等1 9 9 6 年在煤礦底板突水危險性預測中也應用了g i s 技術；成都理工大學“地質災害防治與工程地質環(huán)境保護國家專業(yè)實驗室”于1 9 9 7 年承擔的“山區(qū)流域地質環(huán)境評價與地質災害預測的g i s 系統(tǒng)”項目于1 9 9 9 年底完成了全部工作。并結合金沙江溪洛渡水電工程庫區(qū)和長江三峽工程庫區(qū)巴東一姊歸段，進行了實際預測應用，結果表明，該系統(tǒng)從理論方法和技術途徑上實現(xiàn)了基于g i s 的地質環(huán)境評價和地質災害預測，并具備了較強的評價預測功能和進一步擴展能力。我國由于受現(xiàn)有技術、人力、物力、財力的限制，研究程度還遠遠落后于發(fā)達國家。因此，需要探索出適合我國地質環(huán)境質量評價的g i s 技術路線和方法體系，因而把g i s技術應用于地質環(huán)境質量評價將具有非常廣闊的發(fā)展前景。1 3 本文的研究目標本文研究的主要目標是：選擇典型區(qū)域，在充分搜集調查資料的基礎上，建立合理的評價指標體系，開發(fā)外部評價模塊，應用g i s 技術，建立區(qū)域地質環(huán)境條件空間屬性數據庫，對區(qū)域地質環(huán)境質量進行評價和分區(qū)。1 4 研究技術路線本項工作在資料搜集、整理與分析的基礎上，進行系統(tǒng)設計，開展區(qū)域地質環(huán)境質量評價系統(tǒng)研究工作，其遵循的研究技術路線是：從實際出發(fā)一提出理論方法一建立理論體系一解釋實際問題一實際驗證理論方法體系。具體內容為：1 4 1 資料搜集：選擇研究區(qū)，通過現(xiàn)場調查和實地地質填圖，全面搜集有關的地質環(huán)境資料，并將資料進行整理、分類。1 4 2 評價指標體系的建立：根據獲得的資料及總結前人經驗，并咨詢有關專家，建立區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系及分級標準，對指標進行篩選與優(yōu)化；根據評價模型的特點，選擇合理的指標量化方法以及指標權重的確定方法。1 4 3 空間數據庫的建立：根據現(xiàn)場調查資料，針對研究區(qū)的具體情況進行g 1 s 圖層信息和屬性信息采集，建立空間信息數據庫。1 4 4 評價的理論方法研究：根據區(qū)域地質環(huán)境評價的特點，選用模糊綜合評判和信息量法兩種簡單實用的數學方法，分別對區(qū)域地質環(huán)境質量進行評價，用c + + b u i l d e r 6 0 開發(fā)g i s 擴展評價模塊。1 4 5 實例應用：結合陜西省風縣研究區(qū)，采用該系統(tǒng)對研究區(qū)進行地質環(huán)境質量評價，將兩種方法的評價結果進行對比分析，驗證系統(tǒng)的可行性及實用性。4第二章區(qū)域地質環(huán)境質量評價的g i s 系統(tǒng)設計區(qū)域地質環(huán)境評價g i s 系統(tǒng)的建立與開發(fā)是一項復雜的系統(tǒng)工程，應當從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，準確分析區(qū)域地質環(huán)境評價問題的特點，明確系統(tǒng)設計的目標，立足于整體，統(tǒng)籌全局。評價系統(tǒng)設計應遵循軟件工程的設計思想，從用戶需求、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計方案、系統(tǒng)實現(xiàn)到實際應用，形成規(guī)范的體系，突出專業(yè)性、實用性。2 1 主要研究思路區(qū)域地質環(huán)境質量是由多種因素決定的，這些因素包括地層巖性、地質構造、巖土體結構類型、地形地貌、水文地質條件、降雨、地震、人類工程活動等等。這些因素相互作用、相互影響、相互聯(lián)系，不能把它們隔離開來或按照各因素的平均狀況評價，必須考慮它們對地質環(huán)境各自的影響程度，按照一定的數學方法進行疊加組合，建立合理的評價模型。區(qū)域地質環(huán)境評價工作流程如圖2 1 。圖2 1區(qū)域地質環(huán)境質量評價工作流程52 2 系統(tǒng)設計3 3 n 5 1 2 3 32 2 1 系統(tǒng)目標本文的研究目標是：選擇典型研究區(qū)，建立區(qū)域空間數據庫( 圖形數據庫和屬性數據庫) ，開發(fā)與g i s 系統(tǒng)鏈接的區(qū)域地質環(huán)境質量評價模型并進行評價。具體內容為：建立研究區(qū)空間數據庫；建立地質環(huán)境質量評價指標體系、分級標準及量化方法；建立模糊綜合評判和信息量模型：開發(fā)相應的評價分析模塊；集成g i s 評價系統(tǒng)。2 2 2 設計原則本系統(tǒng)在設計時遵循了如下原則：( 1 ) 實用性原則：在系統(tǒng)設計時，應密切結合課題的實際需要，為用戶提供必要的數據轉換功能，保證已有的資料轉入本系統(tǒng)中。( 2 ) 規(guī)范性原則：系統(tǒng)要求數據采集標準化、規(guī)范化，從而達到數據共享的目的。在本系統(tǒng)中，空間數據庫結構及內部代碼遵循了中國地質環(huán)境監(jiān)測院編制的“縣( 市)地質災害調查與區(qū)劃”項目中的空間數據庫系統(tǒng)建設技術要求。屬性數據庫則采用了通用的m i c r o s o f tj e to l e d b 4 0 格式，它可由a c c e s s 、e x c e l 等軟件來讀寫和管理，從而使得本系統(tǒng)的所有源數據及結果可與其它相關軟件共享。2 2 3 系統(tǒng)運行環(huán)境( 1 ) 硬件硬件實現(xiàn)數據和圖形輸入、處理、輸出等功能。在本系統(tǒng)運行中，要對數據進行頻繁調用、處理、分析和輸出，因此對硬件要求比較高。主機：p e n t i u m l v 2 0 g ，內存2 5 6 m ，硬盤8 0 g 。外部設備：a o 幅面掃描儀、繪圖儀、打印機。( 2 ) 軟件操作系統(tǒng)：w i n d o w sx p 。地理信息系統(tǒng)軟件：m a p g i s 6 5 。( 3 ) 開發(fā)工具數據庫系統(tǒng)( d b m s ) ：數據庫系統(tǒng)采用m sa c c e s s ，用于評價指標體系的管理。二次開發(fā)工具：c + + b u i l d e r 6 0 ，用于評價模型的開發(fā)。2 2 4 系統(tǒng)結構設計區(qū)域地質環(huán)境評價系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：空間數據庫子系統(tǒng)、簡單空間分析子系統(tǒng)和專題分析子系統(tǒng)，系統(tǒng)結構圖如圖2 - 2 。圖2 2 區(qū)域地質環(huán)境質量評價g i s 系統(tǒng)結構圖1 空間數據庫子系統(tǒng)空間數據庫子系統(tǒng)主要包括圖形數據庫和屬性數據庫。對野外調查成果和獲取的各類專題圖件信息通過掃描矢量化輸入，再進行圖層定義、圖層編輯，就形成了圖形庫。在區(qū)域地質環(huán)境質量評價g i s 系統(tǒng)中，圖形數據庫與屬性數據庫是緊密聯(lián)系的。圖形數據庫由描述不同要素空間分布特征的點、線、面或體等以不同的屬性數據結構組成，在屬性數據庫的支持下，圖形數據不再僅僅是具有幾何意義的圖元，而是具有地理意義的空間實體；與圖形數據關聯(lián)后，屬性數據庫也不再僅僅是傳統(tǒng)意義上簡單的關系型數據庫( r d b m s ) ，其屬性數據可以記錄地理實體，如點、線、面或體，并包含了它們之間的空間相關關系。2 空間分析子系統(tǒng)g i s 系統(tǒng)具有很強的空間分析功能，這也是區(qū)別于普通計算機地圖制圖系統(tǒng)的顯著特征之一。區(qū)域地質環(huán)境質量評價系統(tǒng)中的空間分析子系統(tǒng)，對原始數據模型進行空間信息分析，發(fā)現(xiàn)新的數據，作為評價依據。區(qū)域地質環(huán)境評價主要用到空間疊加分析、數字高程分析和數字地形分析三種分析功能。( 1 ) 空問疊加分析空間疊加分析將有關主題層組成的數據層面進行疊加，產生一個新的數據層面，其結果綜合了多層要素所具有的屬性。疊加分析不僅包含空間關系的比較，還包含屬性關系的比較?？臻g疊加分析可分為信息疊加、點與多邊形疊加、線與多邊形疊加、柵格圖層疊加等。( 2 ) 數字高程分析數字高程模型( d e m ) 是對地理空間起伏連續(xù)變化的數字表示形式，用來描述空間中的第三維坐標一高程，也可以用其模擬二維表面上的連續(xù)變化數據，此時的d e m ，也可稱為數字地形模型( d t m ) 。建立數字高程的方法一般有兩種，一種是規(guī)則的高程矩陣方法，另一種是不規(guī)則三角網法( t 玳) ，由于t i n 模型能隨地形起伏變化的復雜性而改變采樣點的密度和決定采樣點的位置，因而能夠很好地表現(xiàn)地形特征如山脊、山谷、懸崖、海岸線等。因此，地質環(huán)境質量評價系統(tǒng)在進行數字高程分析時應選取t i n 模型。( 3 ) 數字地形分析數字地形分析主要是用于坡度、坡降計算。坡度和坡向是相互聯(lián)系的兩個參數。坡度反映斜坡的傾斜程度，坡向反映斜坡所面對的方向。坡度和坡向的計算通常是在d e m的數據矩陣中采用開窗連續(xù)移動搜索，以完成整幅圖的計算工作。( 4 ) 三維模型分析地形等高線圖雖然可以定量地描述地面起伏變化，但在視覺效果和信息分析上尚有欠缺。例如坡度與巖性的關系：通常情況下較陡峻的坡體，分布的巖層往往較為堅硬，而組成平緩坡體的，則是低強度或松散巖土體，這些關系在三維視圖上可以更直觀、形象、逼真地觀察到。3 專題分析子系統(tǒng)一般的地理信息系統(tǒng)包含常規(guī)的空間分析方法，如空間疊加分析、d e m 或d t m 分析等，但單一的g i s 系統(tǒng)本身并不具備評價功能。對于區(qū)域地質環(huán)境質量評價，還需要基于g i s 的空間分析模型開發(fā)出適合于地質環(huán)境質量評價的專題分析模型。專題分析子系統(tǒng)是本次系統(tǒng)開發(fā)的核心內容之一，它以m a p g i s 6 5 為平臺，以c + + b u i l d e r 6 0 為開發(fā)工具，以模糊綜合評判和信息量法為評價模型，通過集成從而與g i s 系統(tǒng)構成空間分析評價模塊。9第三章區(qū)域地質環(huán)境質量評價的指標體系地質環(huán)境是一個由眾多因素確定的復雜體系，而且各因素并不是平均地與地質環(huán)境發(fā)生相互作用。因此，為了保證區(qū)域地質環(huán)境評價的客觀性與準確性，必須建立一套相對合理和規(guī)范的評價指標體系，一方面為工程技術人員提供一套相對標準的評價因素集；另一方面可以指導地質人員有目的地按照一定的標準進行評價因素的調查。地質環(huán)境質量的確定是一個復雜的過程，它既包含有自然地質條件因素，又包含有社會屬性的人類活動因素，不僅因素之間的相互關系極為復雜，而且，因素的量化也很困難。對這樣一套具有很強不確定的因素體系，只有通過深入地分析，從繁雜的因素交錯關系中，抓住問題的實質，選出代表性的指標，建立指標體系及其量化標準，才可能實現(xiàn)定量評價。3 1 建立評價指標體系的原則1 2 1 1 5 1 2 1 1 2 3 1評價指標體系是由若干個單項評價指標組成的有機整體，它既要反映地質環(huán)境質量評價的目標和要求，又要全面、合理、科學和實用，具有較強的可推廣性。1 系統(tǒng)性區(qū)域地質環(huán)境是一個復雜的系統(tǒng)，它不但包括自然的地質環(huán)境條件因素，還包括人為的社會影響因素。有時，社會因素比自然因素更能起到決定性的作用。因此，指標體系應盡可能全面、系統(tǒng)地反映區(qū)域地質環(huán)境質量狀況，符合區(qū)域地質環(huán)境質量評價的目標內涵，避免指標之間的重疊。評價目標與指標必須有機地聯(lián)系起來組成一個層次分明的整體。2 規(guī)范性雖然地質環(huán)境條件具有顯著的區(qū)域性，但在建立評價指標體系時，應盡量考慮避免這種區(qū)域差異，做到相對規(guī)范和通用，包括術語表達、指標內涵界定和具體的描述標準等，使指標具有區(qū)域可比性和時序可比性。3 主導性組成區(qū)域地質環(huán)境的各因素，對地質環(huán)境的影響和作用不是平均的，有些因素對環(huán)境質量的優(yōu)劣程度起主導作用，有些因素則對地質環(huán)境的影響不是很大。因此，建立評價指標體系時應考慮主導性原則，剔除次要指標，提高區(qū)域地質環(huán)境質量評價工作的效j n率。4 可操作性可操作性主要是指評價指標參數在實際工作中可以比較方便地獲取，并能比較容易地用來對區(qū)域地質環(huán)境質量進行評價。實際工作中，如何把握指標體系的可操作性是難點之一，其矛盾就在于區(qū)域地質環(huán)境系統(tǒng)的復雜性。通常人們?yōu)榱俗非髤^(qū)域地質環(huán)境全面系統(tǒng)的描述，選擇了較多的評價指標，造成指標內涵的重疊和交叉，而且給實際工作帶來操作難度，對問題的解決并無好處。因此，建立區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系時，在保證評價精度的前提下，應有針對性地選擇有代表性的指標，避免指標之間的重疊和交叉。3 2 評價指標體系的建立及分級依據上述評價指標體系建立原則，從區(qū)域地質環(huán)境角度盡量全面的考慮影響地質環(huán)境的各種因素，這些因素在宏觀上可分為兩大類：基本因素和影響( 誘發(fā)) 因素。基本因素是指確定一個地區(qū)地質環(huán)境條件的基本地質因素，如地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質條件、植被發(fā)育情況等。影響( 誘發(fā)) 因素是指導致地質環(huán)境向不利方向演化甚至導致地質災害發(fā)生的各種外動力和人類活動因素，如風化、侵剝蝕、降水、地震、開挖與堆填等。區(qū)域地質環(huán)境質量評價系統(tǒng)評價指標的選擇是一個系統(tǒng)分解和逐層控制的過程，是一個多層次的遞階結構。建立區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系采用目標分析方法，即將目標分解，直到子目標能夠用定量或定性的獨立指標來衡量為止。區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系的建立采用三層結構：目標層、類指標層和基礎指標層，如圖3 一l 。本文建立的區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系及分級標準如表3 1 所示。3 3 評價指標的量化評價指標作為區(qū)域地質環(huán)境評價的地質變量，必須賦予量化的值。一般指標可分為定量指標和定性指標兩大類。定量指標，如坡度、坡高、降雨量、巖石強度等，有其自身的原始觀測、試驗值，但為了滿足數學評價模型或計算機處理的要求，必須對其原始值作適當的數值變換。定性指標，如巖組、巖體結構、人類工程活動等，沒有具體的定量值，往往只是一種程度描述。與評價模型相一致，本文根據工程地質類比法，給出評價指標在各種狀態(tài)下對區(qū)域地質環(huán)境質量等級的模糊隸屬度，實現(xiàn)對評價指標的量化。對于定量指標，依據評價指標分級標準，采用隸屬度函數進行隸屬度取值；對于定性指標，本文采用專家經驗法，直接給出隸屬度值( 在下一章詳述) 。圖3 1 區(qū)域地質環(huán)境評價指標遞階層次圖薹裂磔o漣到o螋甏箍o o器n斗 十苗敲肆娶五i i藩汁霸孺汛迫磬溯礤引引蒜阿菡巔型型 c 血呻費犍斟河河確裁n酒詈l酒母暑呂l v基富一v一沖爿ul l hou ooool l 薄u o薄0o8日u o。ooooou l五ouo丹oo丹ooo嘏、ju i啦厶u iol nooooo懿vv舞vvvv型、ju l型on厶u ioo8oo3 4 評價指標的篩選與優(yōu)化吲呲1 3 5 3應該說，表3 1 所建立的評價指標體系在現(xiàn)有基礎上是比較完整的，基本上反映了區(qū)域地質環(huán)境的特點及其影響和控制因素。但在對某一地區(qū)的地質環(huán)境進行具體評價時，參與評價的指標太多太過全面，效果不一定好：一方面，指標太多缺乏可操作性，有些指標難以在現(xiàn)場取得調查資料：另一方面，指標太多，確定其權重有一定困難。因此，實際評價時有必要對評價指標進行篩選與優(yōu)化，避免重復交叉，提高評價效率。本文采用以下兩種方法對評價指標進行篩選與優(yōu)化。1 兩兩比較法將m 個評價指標作兩兩比較，如指標b l 比指標b 2 重要，在b l 行b 2 列寫上3 ，而在b 2 行b l 列寫上1 ；若指標b 1 與指標b 2 分不出誰重要，則在b 1 行b 2 列、b 2 行b 1列都寫上2 。如此列出表來對各選定指標兩兩進行比較，構造比較矩陣。例如：有5 個指標b 1 、b 2 、b 3 、m 和b 5 ，采用兩兩比較，可以構造以下的比較矩陣：b lb 2b 3b 4b 5b l2132lb 232311b 3112l1b 423321b 5333321 11 01 496其中，“”號下面為同行左面各數的和，記為 。對九按列歸一化，得 1 - - 0 2 2 ， z - - o 2 0 ， 3 - 0 2 8 ， 4 - - - 0 1 8 ，15 - 0 1 2 ，按大，j 、j j 歹0 即 3 l 2 4 5 ，從而確定了指標的相對重要程度。2 主成分分析法主成分分析法是在保證數據信息損失最小的前提下，經過線形變換和舍棄小部分信息，獲取少數新的綜合變量，取代原始的多維變量，對區(qū)域地質環(huán)境質量進行評價分析的方法。設某個總體樣本x 有n 個特征變量，即x = ( ，z ：，) 7 ，其均值向量為u ，協(xié)方差15陣為y ，將這n 個特征變量五，x 2 ，x n 綜合成盡可能少的幾個綜合變量y ，y ：，y m ( m o ( k n ) ；( 2 ) 求出丑，丑，五對應的k 個特征向量，將其單位化，得到單位化特征向量a l ，a 2 ，a k ；( 3 ) 耿y ，= 0 1 7 x ，y ：= a 2 t x ，y 。= a k t x ，即得第一、第二、第k 個主成分，而且y l ，y 2 ，y t 互不相關；( 4 ) 以累積方差貢獻率為測度，確定主成分的個數m 。累計方差貢獻率的計算公五丑式為：專l 。通常當專l 0 8 5 時，我們就用前m 個主成分( 即綜合變量) y 。，y 2 ，乃乃j = 1j = 1代替原特征變量五，x 2 ，x n 對樣本進行分析。3 5 評價指標權重的確定2 3 3 3 4 1選定評價指標后，需進一步確定各指標的權重。由于區(qū)域地質環(huán)境系統(tǒng)的復雜性、不可逆性、模糊性，用精確的數學模型確定評價指標的權重難度很大，如果對地質環(huán)境系統(tǒng)分析不夠透徹，過分相信數學定權模型，反而使權值不盡合理，而根據專家的經驗判斷，有時其結論還比較可靠。本文采用層次分析法確定各評價指標的權重。層次分析法是美國運籌學專家匹茲堡大學教授t l s a a t y 于7 0 年代提出的層次排序法，原理簡單，有較嚴格的數學依據。它結合了專家打分法定性分析的優(yōu)點，又采用適當的數學模型進行定量分析，彌補了定性與定量的不足之處，比較適合于既具有定性指標又具有定量指標的區(qū)域地質環(huán)境評價領域。層次分析法確定指標權重的一般步驟為：( 1 ) 構造判斷矩陣設u = “，“：，) 為評價因素集，表示峨對“，的相對重要性數值( j ，j = 1 ，2 ，1 ) ，“的取值按表3 - 2 進行：表3 2 判斷矩陣標度值及其含義標度值含義1表示因素吩與相比，具有同等重要性3表示因素“與“j 相比，峨比u i 稍微重要5表示因素“。與u i 相比，“i 比“明顯重要7表示因素h i 與u i 相比，“j 比“j 強烈重要9表示因素吩與u i 相比，吩l k u ，極端重要2 ，4 ，6 ，8上述兩相鄰判斷之間的中值，表示重要性判斷之間的過渡倒數因素“f 與“，比較得判斷“f ，則因素“，與“f 比較得判斷“j f = l u 口由此得到判斷矩陣丁t =u i lu 1 2u 2 1“u mu 2( 2 ) 計算重要性排序由線性代數知識可知，判斷矩陣r 的最大特征根所對應的特征向量即為各評價因素的重要性排序，經歸一化后，就得到了各評價指標的權重分配。一般情況下，當矩陣階數較高時，可采用以下兩種近似方法求解判斷矩陣的特征向量。1 ) 求根法將判斷矩陣按行求積：w = n “，( f ，j = l ，2 ，棚) ；，= l計算w 的n 次方根w = 批；對向量諺= ( 可，可，瓦) 作歸一化處理，即：a i =iljj則向量a = ( q ，口：，棚。) 7 即為所求特征向量計算判斷矩陣的最大特征根_ 。：k = 去喜半2 ) 求和法判斷矩陣按列歸一化石= 善( f ，j = 1 2 2 ，n )t = l將歸一化后的判斷矩陣按行求和：可= 巧( f ，j = l ，2 ，n ) ；對向量面= ( 可，瓦，瓦) 7 作歸一化處理：曠當( 扛1 ，2 。) ，巧由此得到特征向量a = ( q ，n ：，) 7 ；計算判斷矩陣的最大特征根五。：k = 去喜譬( 3 ) 判斷矩陣一致性檢驗由于區(qū)域地質環(huán)境系統(tǒng)的復雜性，我們在構造判斷矩陣時，可能造成矩陣偏離一致性過大，會導致指標權重分配不合理，這就需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗使用如下公式：c i = ( 2 一- n 一。)c r = c ，式中，c 1 為矩陣的一般一致性指標；k 為矩陣的最大特征根；n 為矩陣階數；r i為矩陣的平均隨機一致性指標，由大量試驗確定( 其值見表3 - 3 ) ；c r 為矩陣隨機一致性比率。只有當c r 01 時，判斷矩陣才具有滿意的一致性。表3 3r j 取值表n1234567891 01 11 21 31 41 5r 10 o o0 o oo 5 8o 9 01 1 21 2 41 3 21 4 11 4 51 4 91 5 l1 5 41 5 61 5 81 5 9層次分析法程序設計流程見圖3 2 。n圖3 2 層次分析法求指標權重程序流程圖1 9n4 1 概述第四章區(qū)域地質環(huán)境質量評價模型區(qū)域地質環(huán)境質量是一個復雜的系統(tǒng)，由多種因素共同決定。區(qū)域地質環(huán)境質量評價屬于多變量的目標評價問題，必須綜合考慮多種因素對區(qū)域地質環(huán)境的影響，為了客觀、全面、準確地評價區(qū)域地質環(huán)境質量，必須建立合適的數學評價模型。本文第二章建立了區(qū)域地質環(huán)境質量評價指標體系的分級標準，但由于地質環(huán)境質量是地質環(huán)境各要素優(yōu)劣程度的綜合，同一指標可能同時屬于幾個質量級別，只是對各級別的隸屬程度不同而已，因此很難用經典的數學模型劃分統(tǒng)一的標準進行度量。模糊數學方法能對大量的資料進行判斷識別，從中提取對區(qū)域地質環(huán)境質量影響最大的因素，進行模糊綜合評判，從而很好地解決了地質環(huán)境質量評價這一模糊概念。根據所解決問題的特點，本文采用了模糊綜合評判方法。信息量法早期常用于地質找礦，近年來逐步引入到地質災害危險性區(qū)劃與預測領域中( 畢海良，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ：阮沈勇，黃潤秋，2 0 0 1 ；吳益平等，2 0 0 3 ：張桂榮等，2 0 0 3 ：) ，但對于直接應用信息量模型評價區(qū)域地質環(huán)境質量的研究，目前國內尚不多見。本文嘗試引入信息量模型對區(qū)域地質環(huán)境質量進行評價，作為對模糊綜合評判模型的補充。4 2 模糊綜合評判模型8 1 1 2 1 6 兒1 7 1 4 2 11 模型的建立具體步驟如下：1 ) 設因素集u = “。，“：，) 7 ，評價集y = h ，屹，v o 】，因素論域與評價論域之間的模糊關系用評判矩陣r 來表示：l2。1乇i屯2屹。lr m l0 2 j_ = ( “。，v ，) ( 0 o 蔓1 ) 表示因素“。被評為v ，的模糊隸屬度，矩陣r 中第f 行r = ( r i l , 。，) 為因素的單因素評判；2 ) 將因素權向量a 與模糊評判矩陣月進行“合成”，b = a r ( m ( ，+ ) 合成形2 0式) ，求出評價結果集b = 島，吃，吃】，( 0 b j 1 ) ；3 ) 根據單元最大隸屬度包2 髏 島) 所對應的值，確定單元地質環(huán)境質量等級為i 。2 模糊評判矩陣的確定模糊評判矩陣r 的元素由因素對評價集的各級隸屬度值組成。對于定性因素，可依據評價分級標準，采用專家經驗法，直接給出隸屬度值，見表4 1 。表4 1 部分定性因素隸屬度經驗值堅硬巖體中等堅硬巖體軟弱巖體松散體巖性組合( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )1 1i = 1pi i = 0ui = 0uu = 1ui = 0un = 0u1 = 01 1 = 0隸屬度u = ou = 0u = 01 1 i v = 0u = 1ui v - - - - - 0u = 0u = 1無輕微中等強烈人類工程活動( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )1 1t = 1ui i = 0ui = 0ui i = 11 1i = 01 1i i = ol li = 0u = 0隸屬度1 1 = 0u = 0u = 01 1 i v = 0u i n = lu 1 7 = 01 1 = 0u = 11 、2 、3 、4 為依據分級標準對定性因素的專家經驗量化取值，其它定性因素可類似考慮。對于評價區(qū)域地質環(huán)境質量的定量因素，其隸屬度函數可取為梯形函數。通常定量因素可分為兩大類：( 1 ) 遞增型：從i 級到級因素標準特征值增加；( 2 ) 遞減型：從i 級到級因素標準特征值減小。對于第( 1 ) 類因素，其隸屬度函數圖形為：圖4 1 遞增型定量因素隸屬度函數示意圖其中，墨、是、s 為因素分級閥值，與本文第二章所建立的指標分級標準對應，2 1s ：、s ：、墨為模糊考慮下各分級閥值的修正值，為隸屬度，z 為因素實測值( 原始觀測值) 。隸屬度函數表達式如下：1j s 1oj s x s 2s 2 一s 2ls 2 j s 2s 2 蔓x s筆墨。s，s品一，3i0j 品l 。羔s s ：ls 2 一。i 五10對于第( 2 ) 類因素，其隸屬度函數圖形為x s s l x s ls 莖j s 2 ( 4 - - 2 )是 x 是j s 圖4 2 遞減型定量因素隸屬度函數示意圖圖中s