一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，該方法包括如下步驟：建立工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型；獲取待評價區(qū)域內所有參評指標對應的工程地質數(shù)據；將待評價區(qū)域劃分為m個基礎評價單元；建立各個基礎評價單元的評價指標矩陣以及變權權重矩陣；根據基礎單元對應的評價指標矩陣和變權權重矩陣分別求取各個基礎評價單元的變權綜合評價值；根據各基礎評價單元的變權綜合評價值得到待評價區(qū)域內的各個基礎評價單元的工程地質環(huán)境質量等級；采用聚類法將具有相同工程地質環(huán)境質量等級的基礎評價單元進行聚類，得到工程地質環(huán)境質量綜合評價分區(qū)圖。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有評價精度高、評價結果客觀可靠等優(yōu)點。
【專利說明】
一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種工程地質環(huán)境質量評價方法，尤其是涉及一種模糊變權工程地質 環(huán)境質量評價方法。
【背景技術】
[0002] 城市是人類居住和經濟活動高度集中的地域空間，也是工程建設最主要的領域。 工程地質環(huán)境質量評價是城市總體規(guī)劃中的一項重要工作，科學合理的工程地質環(huán)境質量 評價，有利于規(guī)避地質環(huán)境中對工程建設的不利因素，合理利用土地資源，促進工程建設與 地質環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。工程地質環(huán)境質量影響因素繁雜，各因素相互間存在著一定的關聯(lián) 性，各因素的影響程度不同，而且評價因素具有指標數(shù)據模糊性和評價標準模糊性等特點， 很難用經典數(shù)學加以統(tǒng)一度量。因此，模糊數(shù)學的理論和方法在工程地質環(huán)境質量評價中 得到了最廣泛的應用。目前，工程地質環(huán)境評價多以地理信息系統(tǒng)(GIS)為平臺采用構建評 價指標體系和模糊加權評判模型對工程地質環(huán)境質量進行評價。
[0003] 對評價結果有較大影響的權重賦值方法有:客觀定權法和主觀定權法?？陀^定權 法主要有:熵值法、主成分分析法、均方差法等;主觀定權法主要有:直接打分法、專家打分 法、層次分析法、環(huán)比評分法、對比排序法等。由于工程地質環(huán)境的參評指標多為模糊概念 沒有準確數(shù)值，而客觀定權法對數(shù)據的依懶性強，對數(shù)據的對比強度、沖突性及離散性要求 較高且計算方法復雜，可參與性和通用性差。因此，客觀定權法在地質環(huán)境評價中運用較 少。主觀定權中的層次分析法具有能將復雜問題層次化，定性問題定量化的特性，因此在地 質環(huán)境評價中運用較廣泛。但是層次分析法中每個評價指標只有一個權重，權重確定后無 論參評指標值如何變化，指標權重值總是固定不變，最終得到的工程地質環(huán)境的質量評價 在精度和質量上難以有效的服務于工程建設。因此，有必要采用新的技術和方法對其進行 更加精確的定量化評價，才能為新時期土地規(guī)劃利用和工程建設提供更加精確的科學依 據。
[0004] 目前，地質環(huán)境評價的研究領域，尚無相關的評價方法來評價工程地質環(huán)境質量。 現(xiàn)有的評價方法中權重的獲取方法多采用專家打分法或層次分析法(ΑΗΡ)，如西安科技大 學的孫學陽等人的專利"一種煤礦區(qū)地質環(huán)境承載能力評價方法"（CN104881571A)、中國石 油大學（華東）的宋冬梅等人的專利"一種海岸帶的地質環(huán)境承載力計算方法" (CN104361225A)、北京科技大學的謝謨文等人的專利"一種水庫區(qū)工程地質調查的解譯與 評價方法"（CN102707332A)、同濟大學建筑設計研究院(集團）有限公司鄭濤等人發(fā)明的專 利"一種基于灰關聯(lián)一層次分析法的海綿城區(qū)潛力指數(shù)的評價方法"（CN105005690A)。此 外，地質環(huán)境評價方法中還有多目標決策分析法、人工神經網絡法、邏輯回歸等方法。以上 方法中對指標選取和綜合評價方法上研究較多，而對評價結果有較大影響的權重賦值方法 研究較少。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種模糊變權工程 地質環(huán)境質量評價方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0007] 一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，該方法包括如下步驟：
[0008] (1)建立工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型，包括總目標層、子目標層和評價指 標層，所述的總目標層為該工程地質環(huán)境質量評價的總目標，所述的子目標層為與總目標 對應的多個子目標，每個子目標包括多個參評指標，所有參評指標組成評價指標層；
[0009] (2)獲取待評價區(qū)域內工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型中的所有參評指標對 應的工程地質數(shù)據；
[0010] (3)將步驟(2)獲取的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，利用GIS軟件建立待評價區(qū)域的 空間數(shù)據庫，并將待評價區(qū)域劃分為m個基礎評價單元；
[0011] (4)根據各個基礎評價單元的工程地質數(shù)據建立各個基礎評價單元的評價指標矩 陣；
[0012] (5)分別求取各個基礎評價單元對應的變權權重矩陣；
[0013] (6)根據基礎單元對應的評價指標矩陣以及變權權重矩陣分別求取各個基礎評價 單元的變權綜合評價值；
[0014] (7)將每個基礎評價單元的變權綜合評價值分別與設定的工程地質環(huán)境質量等級 劃分值進行比較，得到待評價區(qū)域內的各個基礎評價單元的工程地質環(huán)境質量等級；
[0015] (8)采用聚類法將具有相同工程地質環(huán)境質量等級的基礎評價單元進行聚類，得 到工程地質環(huán)境質量綜合評價分區(qū)圖。
[0016] 步驟(3)包括如下步驟：
[0017] (301)將待評價區(qū)域的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，對待評價區(qū)域的各參評指標建 立單項指標數(shù)據圖層；
[0018] (302)對單項指標數(shù)據圖層進行標準化處理；
[0019] (303)對待評價區(qū)域的各單項指標數(shù)據圖層進行柵格化處理，將待評價區(qū)域劃分 為m個基礎評價單元。
[0020] 步驟(4)具體為：
[0021] 根據參評指標劃分等級標準，求取待評價區(qū)域評價指標矩陣f :
[0023] 矩陣f中的元素記為f ,為第i個基礎評價單元的評價指標矩陣，i = 1，2，…… m，m為基礎評價單元的總個數(shù)；
[0024] 具體地，第i個基礎評價單元的評價指標矩陣f i為：
[0025] X7 i= [x7 ii x7 i2 ··· X7 in],
[0026] 矩陣中的元素記作表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標 值，j = 1，2，…，η，η表示參評指標的總個數(shù)。
[0027]步驟(5)具體為：
[0028] (501)采用層次分析法分別求取各個基礎評價單元中評價指標層對于總目標層的 常權權重矩陣，常權權重矩陣中的元素為各參評指標的常權權重；
[0029] (502)構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)，分別對各個基礎評價單元的常權權重矩 陣中的各常權權重進行重新分配，進而得到各個基礎評價單元的變權權重矩陣，變權權重 矩陣中的元素為各參評指標的變權權重。
[0030] 所述的步驟(501)中求取各個基礎評價單元的常權權重矩陣具體通過下述方法求 ?。?br>[0031] (501a)對第i個基礎評價單元采用層次分析法中的1~9標度法建立子目標層對總 目標層的判斷矩陣B-A以及評價指標層對子目標層的判斷矩陣C-B，其中i = l，2,……m，m為 基礎評價單元的總個數(shù)；
[0032] (501b)根據判斷矩陣B-A和C-B求取常權權重矩陣4… ，其中常權權 重矩陣中的元素記作《I，4表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的常權權重，j = 1， 2,......η，η表示參評指標的總個數(shù)。
[0033]所述的步驟(502)具體為：
[0034] (502a)根據工程地質環(huán)境評價特點及變權理論，構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函 數(shù)S(X):
[0036] 其中，xj為狀態(tài)值，0<y<A<a<P<l，〇< c<b<a<l，y為特強懲罰水平，λ為強 懲罰水平，α為初懲罰水平，β為激勵水平，a、b和c分別為狀態(tài)值為μ、λ和α時對應的狀態(tài)變權 函數(shù)值，k為調整系數(shù)；
[0037] (502b)獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣f i，將f i中元素記作V ^表 示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，將分別作為狀態(tài)變權函數(shù)S(X)的狀 態(tài)值求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的狀態(tài)變權函數(shù)值(X)，i = 1，2，……m，m 為基礎評價單元的總個數(shù)，j = 1，2，…，η，n表示參評指標的總個數(shù)；
[0038] (502c)獲取第i個基礎評價單元的變權權重矩陣Wi = [Wil wi2…win]，其中變權 權重矩陣中的元素記作w^，Wl謙示第i個基礎評價單元第j個參評指標的變權權重，Wl適過 下式獲取：
[0040]所述的步驟(6)具體為：
[0041] (601)分別獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣X、以及變權權重矩陣I，其中 i = l,2,……m，m為基礎評價單元的總個數(shù)，維矩陣，矩陣乂^中的元素表示為 為第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，變權權重矩陣1為1*11維矩陣，該矩 陣中的第j個元素記作wu，Wl謙示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權權重，j = 1， 2,......η，η表示參評指標的總個數(shù)；
[0042] (602)求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權評價值Mij:
[0043] Mij=wij · Xij ；
[0044] (603)求取第i個基礎評價單元的變權綜合評價值Mi:
[0046] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0047] (1)本發(fā)明將待評價區(qū)域劃分為若干個基礎評價單元，分別對每個基礎評價單元 進行評價，使得評價精度尚；
[0048] (2)本發(fā)明變權評價方法彌補工程地質環(huán)境質量綜合評價中每項參評指標一旦確 定后就只有一個權重值的缺陷，無法反映各項指標內部差異性對工程地質環(huán)境質量的影 響，更無法反映權重應隨每項指標內部差異性的變化而變化的特點，進而影響到最后評價 結果的客觀性；
[0049] (3)本發(fā)明求取變權權重時建立強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)對各參評指標對應 的常權權重進行重新分配，對參評指標的"優(yōu)秀"值給予鼓勵，對參評指標"差值"進行懲罰， 對參評指標的"一般值"既不懲罰也不鼓勵，充分體現(xiàn)了各項指標內部差異性對工程地質環(huán) 境質量的整體性影響，極大的提高了工程地質環(huán)境質量評價等級的可信度和可靠度。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發(fā)明的模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法的基本流程圖；
[0051] 圖2為本實施例工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型的結構示意圖；
[0052] 圖3為強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)的示意圖。
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0054] 實施例
[0055] 如圖1所示為本發(fā)明一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法的基本流程圖，該 方法包括如下步驟：
[0056] 步驟1:建立工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型，包括總目標層、子目標層和評 價指標層，所述的總目標層為該工程地質環(huán)境質量評價的總目標，所述的子目標層為與總 目標對應的多個子目標，每個子目標包括多個參評指標，所有參評指標組成評價指標層；
[0057] 步驟2:獲取待評價區(qū)域內工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型中的所有參評指 標對應的工程地質數(shù)據；
[0058]步驟3:將步驟2獲取的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，利用GIS軟件建立待評價區(qū)域 的空間數(shù)據庫，并將待評價區(qū)域劃分為m個基礎評價單元；
[0059] 步驟4:根據各個基礎評價單元的工程地質數(shù)據建立各個基礎評價單元的評價指 標矩陣；
[0060] 步驟5:分別求取各個基礎評價單元對應的變權權重矩陣；
[0061] 步驟6:根據基礎單元對應的評價指標矩陣以及變權權重矩陣分別求取各個基礎 評價單元的變權綜合評價值；
[0062] 步驟7:將每個基礎評價單元的變權綜合評價值分別與設定的工程地質環(huán)境質量 等級劃分值進行比較，得到待評價區(qū)域內的各個基礎評價單元的工程地質環(huán)境質量等級；
[0063] 步驟8:采用聚類法將具有相同工程地質環(huán)境質量等級的基礎評價單元進行聚類， 得到工程地質環(huán)境質量綜合評價分區(qū)圖。
[0064]本實施例步驟1中總目標層記作A，選取地形地貌(Bi)、水文地質條件(B2)、巖土工 程條件(B3)、工程地質環(huán)境問題(B4)、地質災害(B5)及人類影響(B 6)六個影響工程地質環(huán)境 質量的因素作為該評價體系的子目標層(BO。而地貌單元(CO、坡度(C2)、地面標高(C 3)作 為地形地貌()的參評指標;地下水位埋深(C4)、距地表水體的距離(C5)作為水文地質條件 (B 2)的參評指標;地基持力層厚度(C6)、地基巖土體均勻性(C7)、地基承載力(C 8)作為巖土 工程條件(B3)的參評指標;黃土濕陷性(C9)、砂土液化(C 1Q)、軟土層厚度(Cn)作為工程地質 問題(B4 )的參評指標;距離活動斷層距離(Cl2 )、地質災害點（Cl3 )、地下水漏斗沉降量(Cl4) 作為不良地質作用(B5)的參評指標;人類工程活動強度(C15)作為人類活動影響(B 6)的唯一 的參評指標，形成評價區(qū)域的多層次的評價指標結構模型，如圖2所示。
[0065]接著步驟2獲取上述15個參評指標對應的工程地質數(shù)據，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。
[0066] 步驟3包括如下步驟：
[0067] (301)將待評價區(qū)域的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，對待評價區(qū)域的各參評指標建 立單項指標數(shù)據圖層，即利用GIS將原始數(shù)據中的圖件數(shù)據和測試數(shù)據，經投影轉換、信息 提取、賦值、緩沖區(qū)分析和DTM分析等處理過程，得到評價所需的單項指標數(shù)據圖層；
[0068] (302)對單項指標數(shù)據圖層進行標準化處理，從而使各單項指標數(shù)據圖層具有統(tǒng) 一的評價區(qū)域邊界，統(tǒng)一的坐標系和統(tǒng)一的投影參數(shù)；
[0069] (303)對待評價區(qū)域的各單項指標數(shù)據圖層進行柵格化處理，將待評價區(qū)域劃分 為m個基礎評價單元。
[0070] 由于各參評指標對工程地質環(huán)境質量影響的差異性和復雜性，導致各參評指標的 組合特征存在明顯的空間差異，因此工程地質環(huán)境質量評價應落實到每個細小區(qū)域內，因 此需要將研究區(qū)域分成若干個小圖元，即基礎評價單元。根據評價區(qū)域工程地質環(huán)境質量 指標的空間分布特征、評價目標精度要求及計算機系統(tǒng)對數(shù)據的處理能力，選用標準格網 對研究區(qū)進行單元劃分，把各參評指標的數(shù)據轉換成柵格數(shù)據。本發(fā)明實施例中以400mX 400m柵格格網為數(shù)據存儲及評價分析的基礎評價單元，該評價區(qū)域分成6048個基礎評價單 元，即上述m = 6048。
[0071] 步驟4具體為：
[0072] 根據參評指標劃分等級標準，求取待評價區(qū)域評價指標矩陣f :
[0074] 矩陣f中的元素記為f ,為第i個基礎評價單元的評價指標矩陣，i = 1，2，…… m，m為基礎評價單元的總個數(shù)；
[0075] 具體地，第i個基礎評價單元的評價指標矩陣f i為：
[0076] X' i= [X'il X' i2 …X' in]，
[0077] 矩陣中的元素記作表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標 值，j = 1，2，…，η，η表示參評指標的總個數(shù)。
[0078] 因參評指標的數(shù)據形式不同，各評價指標量綱各異，需對不同量綱數(shù)據進行標準 化處理。在對數(shù)據進行標準化處理前，必須先確定參評指標等級劃分標準。根據《城鄉(xiāng)規(guī)劃 工程地質勘察規(guī)范》(CJJ57 - 2012)，參考國內外工程地質環(huán)境質量評價指標等級劃分標準 再結合專家意見將參評指標劃分為幾個等級。本實施例中將參評指標從好到差劃分為:優(yōu)、 良、中、一般、差5個級別。實施例的評價區(qū)域臨近大河，河堤內的河漫灘為行洪區(qū)，在評價時 應把行洪區(qū)作為一個敏感區(qū)域來處理，每項定性指標凡是涉及到該區(qū)域的都作為評價等級 中的差級來處理。根據以上制定的參評指標劃分等級標準如表1所示。
[0079] 表1工程地質環(huán)境質量評價參評指標劃分等級標準
[0081] 工程地質環(huán)境質量評價中數(shù)據分為離散型和連續(xù)型兩大類。對于離散型的指標數(shù) 據，本實施例中把參評指標劃分的5個級別通過轉換等級賦予0~1之間值;對于連續(xù)型的指 標數(shù)據，采用極值標準法處理，獲得0~1之間的值。賦值越高，表示參評指標條件越好;賦值 越低，表示參評指標條件越差。對極性為正的數(shù)據利用（1)式，極性為負的數(shù)據利用(2)式進 行標準化處理后，得到評價指標矩陣V i:
[0082] X7 i= [x7 ii x7 i2 ··· X7 in],
[0085] X'為某項參評指標的指標值;Xi為某項參評指標的實際值;Xmin為某項參評指標的 最小值;Xmx為某項參評指標的最大值。
[0086] 步驟5具體為：
[0087] (501)采用層次分析法分別求取各個基礎評價單元中評價指標層對于總目標層的 常權權重矩陣，常權權重矩陣中的元素為各參評指標的常權權重；
[0088] (502)構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)，分別對各個基礎評價單元的常權權重矩 陣中的各常權權重進行重新分配，進而得到各個基礎評價單元的變權權重矩陣，變權權重 矩陣中的元素為各參評指標的變權權重。
[0089] 所述的步驟(501)中求取各個基礎評價單元的常權權重矩陣具體通過下述方法求 取：
[0090] (501a)對第i個基礎評價單元采用層次分析法中的1~9標度法建立子目標層對總 目標層的判斷矩陣B-A以及評價指標層對子目標層的判斷矩陣C-B，其中i = l，2,……m，m為 基礎評價單元的總個數(shù)；
[0091] (501b)根據判斷矩陣B-A和C-B求取常權權重矩陣C = … 其中常權權 重矩陣<中的元素記作表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的常權權重，j = 1,2,......η，η表示參評指標的總個數(shù)。
[0092] 具體地，采用層次分析法中的1~9標度法構造兩兩比較判斷矩陣，1~9標度法標 度含義如表2所示。根據分層結構模型，對于Β層和C層將同一層子指標分別以上一層子指標 為準則采用1~9的比率進行兩兩比較，對每一層中各項指標相對重要性給出一定的判斷， 得至IjB層對Α層的判斷矩陣[Bi-A^-A，. . .，Bq-A]和C層對Β層的判斷矩陣...， Ck_Bq]〇
[0093] 表2 1~9標度法標度含義
[0094]
[0095] 根據Β-Α和C-B判斷矩陣計算評價因子的相對權值。現(xiàn)以Β-Α層的權重計算為例說 明計算步驟，假定陽厘1^ 11為13-厶判斷矩陣，;^郎，1 = 1，2，"_，11;」=1，2，"_，11。特征向量就 是Βι，B2,…，Bn對A的權向量妒，經式（3)做歸一化處理計算求得:W= (wi， W2，…，wn)T為矩陣F的特征向量，即各參評指標的權重。
[0097]其中為矩陣F的第i行第j列的元素。而矩陣的特征值Amax:
[0099] 其中，[FW]i為矩陣F中第i行元素與對應特征向量^乘積之和，Wi為權向量W的第i 個指標的權重。
[0100] 為了降低判斷思維出現(xiàn)的不一致性偏差，要對判斷矩陣的不一致性和隨機性進行 檢驗。
[0103] 其中：CI為一致性指標;λΜΧ為最大特征根;n為矩陣階數(shù);RI為平均隨機一致性指 標;CR為隨機一致性比率。如果隨機一致性比率CR<0.10,判斷矩陣具有滿意一致性，所求 權重值比較合理，否則重新調整判斷矩陣的取值再進行兩兩比較判斷。
[0104] 本發(fā)明實施例中根據已構建的工程地質環(huán)境質量評價指標分層結構模型，對第i 個基礎評價單元采用層次分析法得到B-A判斷矩陣和C 一 B判斷矩陣如下：
[0105] B-A判斷矩陣：

[0113]最后得到C-A各參評指標的常權權重值：
[0115] 所述的步驟(502)具體為：
[0116] (502a)根據工程地質環(huán)境評價特點及變權理論，構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函 數(shù)S(X):
[0118] 其中，Xj為狀態(tài)值，0<y<A<a<P<l，〇<c<b<a<l，y為特強懲罰水平，λ為強 懲罰水平，α為初懲罰水平，β為激勵水平，a、b和c分別為狀態(tài)值為μ、λ和α時對應的狀態(tài)變權 函數(shù)值，k為調整系數(shù)；
[0119] (502b)獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣f υ將f ,中元素記作X、，V "表 示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，將分別作為狀態(tài)變權函數(shù)S(X)的狀 態(tài)值求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的狀態(tài)變權函數(shù)值(X)，i = 1，2，……m，m 為基礎評價單元的總個數(shù)，j = 1，2，…，η，n表示參評指標的總個數(shù)；
[0120] (502c)獲取第i個基礎評價單元的變權權重矩陣Wi = [Wil wi2…win]，其中變權 權重矩陣中的元素記作叫，Μ表示第i個基礎評價單元第j個參評指標的變權權重，叫通過 下式獲?。?br>[0122] 具體地，在構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)時，根據工程地質環(huán)境質量評價特點 及變權理論，構建評價區(qū)域的局部變權理論；
[0123] 設工程地質環(huán)境質量評價總目標為A，B為子目標，A = {，B2，…，Bq}，Iq = (1， 2，···，q)，任意一個仏也有多個評價指標，§_={&，&，···，&}?，F(xiàn)不妨設總目標A的狀態(tài)為X ={[X1，X2,…，Xn]T}，0<Xj<l，In= {1，2,…，n}，Xj是Bi的狀態(tài)值，根據狀態(tài)變權原理，做出 如下定義：
[0124] 定義1:稱向量:r°=(r'，嘩…，〇為一個n維常權向量，如果y/ei?，有r:G(0，l)，且
[0125] 定義 2:給定映射 ￥:[0，1]114(0，1)11，稱向量^^)^(￥必），￥2(父），"，1(父)）為一個 η維局部變權向量，如果滿足條件：
[0127] ②對￡(〇，1)，且(1<0，使得Wj (X)關于Xj在[0，α]上單調遞減，而在 [β，1]上單調遞增;如果每個W(x)關于所有變元均連續(xù)，則稱W(X)為一個連續(xù)型局部變權 向量。
[0128] 定義 3:給定映射 (X)為一個η維連續(xù)型局部狀態(tài)變權向量，如果對y/e/"，3?，0￡(〇，1)，且€[<0，滿足條件 ：
[0129] ①當0<Xj<a時，SjU)〉。" j(X)<0, ;
[0130] ②當a彡Xj彡β時，SjU)〉。" j(X)=0;
[0131] ③當β<χ」<1時，SjU)〉。；'」(Χ)>0，?5,.(Α') = +* ;
[0132] ④當S' j(X)(Xj_xk)+Sj(X)>0, j，ke In，xj<xk;
[0133] 其中變權W(X)滿足定義2的條件，當每個Sj(X)關于所有變元均連續(xù)時，稱S(X)為 局部懲罰一激勵型狀態(tài)變權向量，a為懲罰水平，β為激勵水平。
[0134] 對于工程地質環(huán)境質量整體而言，如有1~2危險指標值特別低，無論采用哪種常 權綜合評價方法，都有可能被其他指標的高值中和，使得最終評價結果偏離實際工程地質 環(huán)境情況。因此，工程地質環(huán)境質量變權評價應具有如下原則:在評價時，只要有一個指標 值特低，哪怕該指標的常權值很小，最終綜合評價值將顯著減小;但單一指標值特高卻不一 定能使最終評價值增加明顯，變權綜合評價中懲罰力度應大于激勵力度。根據工程地質環(huán) 境質量的變權綜合評價中懲罰力度應大于激勵力度的宗旨，變權綜合評價應具有如下特 點:①子目標評價m的評價值& e (〇，1)，激勵水平β靠近1，即受激勵區(qū)間(β，1)較窄，該區(qū)間 的狀態(tài)值受到強烈激勵迅速變化;②懲罰水平與激勵水平很近，即合格區(qū)[α，β]很窄，該區(qū) 間狀態(tài)值既不受到激勵也不受到懲罰;③受懲罰區(qū)間(〇，α)較寬，可分為初懲罰階段(λ，α)、 強懲罰階段(λ，μ]、特強懲罰階段(0，μ]3個階段。根據工程地質環(huán)境質量變權評價特點，可 設初懲罰階段為拋物線，強懲罰階段為直線，特強懲罰階段和激勵階段為對數(shù)曲線，且強懲 罰階段的直線與特強懲罰階段的曲線相切于點(y，a)及(x，b)，于是就有如下定理：
[0135]定理1(懲罰一激勵分段協(xié)調定理）：設狀態(tài)變權函數(shù)S(X)在初懲罰階段、強懲罰階 段、特強懲罰階段、激勵階段的變權函數(shù)分別為510)、52〇)、530)、5 4〇)，且在點（<^)、 (\，13)、化，&)、（隊(：)處光滑連續(xù)可導，如圖3所示為強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)的示意圖。 其中0<μ<λ<α<β<l，0< c<b<a<l，a、b、c為評價策略，k為調整系數(shù)，就有：
[0137]由于初懲罰階段狀態(tài)變權函數(shù)為拋物線，可令初懲罰階段狀態(tài)變權函數(shù)為 517.(又）=?。+〇1：\：;.+(22；^認分：^)，由于5辦)在(€[，(；）、0，13)、化，3)處光滑連續(xù)可導，于是有 ：
[0140] 設狀態(tài)變權函數(shù)S(X)在區(qū)間（0，1)光滑連續(xù)可導，那么：
[0142]
，SJX)是強局部懲罰一激勵型 狀態(tài)變權函數(shù)。以上構建的狀態(tài)變權函數(shù)已證明滿足定義3中公理①、②、③、④。
[0143] 根據本發(fā)明實施例中的工程地質環(huán)境特征和工程地質環(huán)境質量評價的特點，取μ = 0.2，A = 0.4，a = 0.6,3 = 0.8，a = 0.5，b = 0.3，c = 0.2，k=1.5,由（8)式可得狀態(tài)變權函 數(shù)：
[0145] 步驟6具體為：
[0146] (601)分別獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣X、以及變權權重矩陣I，其中 i = l,2,……m，m為基礎評價單元的總個數(shù)，維矩陣，矩陣乂^中的元素表示為 為第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，變權權重矩陣1為1*11維矩陣，該矩 陣中的第j個元素記作wu，Wl謙示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權權重，j = 1， 2,......η，η表示參評指標的總個數(shù)；
[0147] (602)求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權評價值Mij:
[0148] Mij=wij · Xij ；
[0149] (603)求取第i個基礎評價單元的變權綜合評價值Mi:
[0151] 本發(fā)明實施例中GIS采用以柵格點狀單元作為指標數(shù)據載體，矢量面狀單元作為 基礎評價分析單元，然后得到每個基礎價單元的變權綜合評價值Mi，i e [ 1，6048]，其值變 化范圍為(0，1)，求得變權綜合評價值域為:0.23846~0.84981。本發(fā)明實施例中采用非等 間距方法，選取0.05為中間等級劃分間距，將評價區(qū)域的工程地質環(huán)境質量劃分為5個等級 分區(qū)，從好到差依次為：>0.80(優(yōu)）、0· 75~0.80(良）、0· 70~0.75(中）、0· 65~0.70( - 般）、<0.65(差）。
[0152] 為了說明變權綜合評價的合理性，選取某一個基礎評價單元，采用本發(fā)明變權工 程地質環(huán)境質量評價方法和常權工程地質環(huán)境質量評價兩種方法計算它們的綜合評價值， 評價結果對比表如表3所示。根據制定的指標評價標準及劃分等級可以看出，該基礎評價單 元8項指標值屬于優(yōu)級，3項指標值屬于良級，2項指標值屬于一般級，2項指標值屬于差級， 該基礎評價單元的實際工程地質環(huán)境很差。在常權評價時，2項指標的差級值和2項指標的 一般級值被8項指標的優(yōu)級值中和，評價危險度降低。采用變權模型評價時，狀態(tài)變權函數(shù)S (X)對這些參評指標常權權重重新進行分配，由于懲罰力度大度激勵力度，該單元的最終綜 合評價值迅速減小，評價等級也從一般級降為差級。同理，對于某一個基礎評價單元，如果 它的15項指標值都屬于優(yōu)級，狀態(tài)變權函數(shù)S(X)會對參評指標的優(yōu)級值進行鼓勵，對它們 的常權權重也會進行重新分配，該單元的最終綜合評價值會迅速增大，它們的評價等級也 會相應增加。經過兩種方法評價結果對比分析發(fā)現(xiàn)，變權綜合評價方法對指標的"優(yōu)秀"值 給予鼓勵，對指標"差值"進行懲罰，對指標的"一般值"既不懲罰也不鼓勵，充分體現(xiàn)了各項 指標內部差異性對工程地質環(huán)境質量的整體性影響，極大的提高了工程地質環(huán)境質量評價 等級的可信度和可靠度。
[0153] 表3第i個基礎評價單元評價結果對比
【主權項】
1. 一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： (1) 建立工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型，包括總目標層、子目標層和評價指標 層，所述的總目標層為該工程地質環(huán)境質量評價的總目標，所述的子目標層為與總目標對 應的多個子目標，每個子目標包括多個參評指標，所有參評指標組成評價指標層； (2) 獲取待評價區(qū)域內工程地質環(huán)境質量評價分層結構模型中的所有參評指標對應的 工程地質數(shù)據； (3) 將步驟(2)獲取的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，利用GIS軟件建立待評價區(qū)域的空間 數(shù)據庫，并將待評價區(qū)域劃分為m個基礎評價單元； (4) 根據各個基礎評價單元的工程地質數(shù)據建立各個基礎評價單元的評價指標矩陣； (5) 分別求取各個基礎評價單元對應的變權權重矩陣； (6) 根據基礎單元對應的評價指標矩陣W及變權權重矩陣分別求取各個基礎評價單元 的變權綜合評價值； (7) 將每個基礎評價單元的變權綜合評價值分別與設定的工程地質環(huán)境質量等級劃分 值進行比較，得到待評價區(qū)域內的各個基礎評價單元的工程地質環(huán)境質量等級； (8) 采用聚類法將具有相同工程地質環(huán)境質量等級的基礎評價單元進行聚類，得到工 程地質環(huán)境質量綜合評價分區(qū)圖。2. 根據權利要求1所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，步驟 (3) 包括如下步驟： (301) 將待評價區(qū)域的工程地質數(shù)據導入GIS軟件，對待評價區(qū)域的各參評指標建立單 項指標數(shù)據圖層； (302) 對單項指標數(shù)據圖層進行標準化處理； (303) 對待評價區(qū)域的各單項指標數(shù)據圖層進行柵格化處理，將待評價區(qū)域劃分為m個 基礎評價單元。3. 根據權利要求1所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，步驟 (4) 具體為： 根據參評指標劃分等級標準，求取待評價區(qū)域評價指標矩陣χ/:矩陣公中的元素記為r 1，公1為第i個基礎評價單元的評價指標矩陣，i = 1，2，……m，m 為基礎評價單元的總個數(shù)； 具體地，第i個基礎評價單元的評價指標矩陣X/為： X' i= [X' il X' i2 …X' in]， 矩陣r 1中的元素記作χ/u表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，j =1，2，…，η，η表示參評指標的總個數(shù)。4. 根據權利要求1所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，步驟 (5) 具體為： (501) 采用層次分析法分別求取各個基礎評價單元中評價指標層對于總目標層的常權 權重矩陣，常權權重矩陣中的元素為各參評指標的常權權重； (502) 構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)，分別對各個基礎評價單元的常權權重矩陣中 的各常權權重進行重新分配，進而得到各個基礎評價單元的變權權重矩陣，變權權重矩陣 中的元素為各參評指標的變權權重。5. 根據權利要求4所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，所述 的步驟(501)中求取各個基礎評價單元的常權權重矩陣具體通過下述方法求?。?(501a)對第i個基礎評價單元采用層次分析法中的1~9標度法建立子目標層對總目標 層的判斷矩陣B-AW及評價指標層對子目標層的判斷矩陣C-B，其中i = l，2,……m，m為基礎 評價單元的總個數(shù)； (50化)根據判斷矩陣B-A和C-B求取常權權重矩陣H:" = [，，'： Mf: 誠]，其中常權權重矩 陣Wi叩的元素記作，';表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的常權權重，j = l， 2, η，η表示參評指標的總個數(shù)。6. 根據權利要求5所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，所述 的步驟(502)具體為： (502a)根據工程地質環(huán)境評價特點及變權理論，構建強懲罰-激勵型狀態(tài)變權函數(shù)S (X)：其中，Xj為狀態(tài)值，〇<y<^<a<0<l，〇<c<b<a<l，y為特強懲罰水平，λ為強懲罰水 平，α為初懲罰水平，β為激勵水平，a、b和C分別為狀態(tài)值為μ、λ和α時對應的狀態(tài)變權函數(shù) 值，k為調整系數(shù)； (502b)獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣公1，將公1中元素記作χ/ UU表示第 i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，將分別作為狀態(tài)變權函數(shù)S(X)的狀態(tài)值 求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的狀態(tài)變權函數(shù)值Sij(X)，i = l，2,……m，m為基 礎評價單元的總個數(shù)，j = 1，2，…，η，n表示參評指標的總個數(shù)； 巧02c)獲取第i個基礎評價單元的變權權重矩陣Wi=[Wil Wi2…Win],其中變權權重矩 陣中的元素記作WU，Wi康示第i個基礎評價單元第j個參評指標的變權權重，Wi姻過下式獲 ?。?.根據權利要求1所述的一種模糊變權工程地質環(huán)境質量評價方法，其特征在于，所述 的步驟(6)具體為： (601) 分別獲取第i個基礎評價單元的評價指標矩陣公1^及變權權重矩陣Wi，其中i = 1,2,……m，m為基礎評價單元的總個數(shù)，公1為l*n維矩陣，矩陣公1中的元素表示為 為第i個基礎評價單元中第j個參評指標的指標值，變權權重矩陣Wi為1*η維矩陣，該矩陣中 的第j個元素記作Wij，wij表示第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權權重，j = 1， 2,......η，η表示參評指標的總個數(shù)； (602) 求取第i個基礎評價單元中第j個參評指標的變權評價值Mij:Mij=wij ·町； (603) 求取第i個基礎評價單元的變權綜合評價值Mi:
【文檔編號】G06Q10/06GK106096847SQ201610428854
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】張英平, 唐益群, 石亞朝, 徐杰, 楊奇
【申請人】同濟大學