基于ArcGIS的肥東縣建設用地地質環(huán)境適宜性評價

遲文飛,侯曉亮,趙衛(wèi)東,錢家忠

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

根據(jù)國家統(tǒng)計局的相關數(shù)據(jù),截止到2016年末我國城鎮(zhèn)化率達到了57.35%,《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》顯示,我國城市化率到2020年將達到60%左右[1]。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及各個城市的發(fā)展與擴張,環(huán)境資源及土地資源已經(jīng)不能滿足和適應當前的發(fā)展規(guī)模。地質環(huán)境作為影響城市發(fā)展的重要因素,對城市建設起著重要影響作用[2-3]。肥東縣作為全國百強縣,合肥市的重要經(jīng)濟發(fā)展樞紐,近年來工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和綠色化發(fā)展迅速,大規(guī)模發(fā)展和不合理規(guī)劃打破了肥東縣地質環(huán)境原有的平衡,造成了很多地質環(huán)境問題[4],這些地質環(huán)境問題包括房屋開裂、崩塌流、滑坡等。因此,對土地資源的合理規(guī)劃,充分合理有效地開發(fā)和利用有限的土地資源以及城市土地利用的可持續(xù)發(fā)展都具有重要而深遠的戰(zhàn)略意義[5]。鑒于此,本文選擇合肥市肥東縣為研究區(qū),根據(jù)《肥東縣空間規(guī)劃(2017-2030)》中規(guī)劃需求,對研究區(qū)建設用地地質環(huán)境進行了科學評價。以往的研究主要是通過層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)結合地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)進行評價,此次研究以ArcGIS為平臺利用AHP法與G1法的線性組合確定權重并結合K-means聚類方法進行評價,使結果更加具有合理性和客觀性。

1 研究區(qū)概況

肥東縣,隸屬于安徽省合肥市,東望南京,南濱巢湖,西融合肥,北襟蚌埠,有“吳楚要沖、包公故里”之譽。介于東經(jīng)117°19′～117°52′與北緯31°34′～32°16′之間,總面積2 263 km2。研究區(qū)主要地貌類型為波狀平原和低山丘陵;主要地層為上太古界片麻巖、下元古界片巖和大理巖、上侏羅系火山碎屑巖、白堊系砂礫巖及粉砂巖、下第三系泥巖和第四系松散巖類;區(qū)內有多條斷裂構造并廣泛分布膨脹土;區(qū)內水流分兩大水系,江淮分水嶺以南有南淝河、店埠河、滁河和巢湖,水流入長江,屬長江水系。分水嶺以北有池河,水流入淮河,為淮河水系。

2 研究內容和方法

2.1 研究內容

建設用地適宜性評價是按一定的評價標準和方法,就工作區(qū)地質環(huán)境對建設的規(guī)劃和實施的適宜程度進行評定。研究的主要內容如下:

(1) 在工作區(qū)野外調查及收集資料的基礎上,對地形地貌、工程地質、水文地質及地質災害等地質條件進行分析研究。

(2) 根據(jù)工作區(qū)的地質環(huán)境特征以及資料的可收集程度選取適宜性評價的評價因子,再運用相應的方法確定各個因子的權重。

(3) 運用ArcGIS平臺中的多因素綜合評價模型并結合聚類分析對工作區(qū)建設用地適宜性進行評價,生成圖件。

(4) 對生成的結果進行分析和建議。

具體流程如圖1所示。

圖1 建設用地適宜性評價技術路線

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)的收集及預處理

本次研究采用的數(shù)據(jù)包括1∶10萬的肥東縣地質災害易發(fā)性分區(qū)圖、1∶50萬的安徽省工程地質圖、GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、鉆孔資料和Landsat8遙感影像。利用ArcGIS軟件采集區(qū)內的地貌類型、坡度、巖土體類型、斷裂構造、地質災害易發(fā)性、地下水埋深的數(shù)據(jù)資料。

2.2.2 評價因子的選取和評價體系的建立

評價因子的選取直接關系到適宜性評價結果的準確性和穩(wěn)定性,評價指標的選取應當遵循綜合性和主導性相結合、因地制宜等原則。結合工作區(qū)的地質環(huán)境特點及資料的可收集程度從地形地貌、工程地質條件、水文地質條件和地質災害風險度4個方面共選取了7個評價因子。在ArcGIS的平臺下,將工作區(qū)劃分為300 m×300 m的網(wǎng)格作為評價單元,再利用空間分析中的重分類,計算并生成各個因素的評價結果,如圖2所示。評價因子分值及分級標準[2-8]見表1所列。

圖2 單因子評價分析

表1 評價因子分值及分級標準

根據(jù)工作區(qū)的地質環(huán)境特點以及每個指標對城市建設的影響程度,并通過向專家調研的調查問卷,類比了其他地區(qū)評價因子賦值辦法及環(huán)境地質評價技術要求,結合相關文獻和專家意見,確定量化指標,將各個評價因子的適宜性等級劃分為4級,分別為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜。采用等差賦值，將每個等級分別賦值為7、5、3、1,分值越大適宜性程度越高,反之適宜性程度越低。

2.2.3 權重的確定

2.2.3.1 AHP法

AHP法[6-8]具體步驟如下:

(1) 構造判斷矩陣。分析評價對象各因素之間關系,建立遞階層次結構。通常情況下分為目標層、準則層、方案層3層。準則層根據(jù)需要可制定多個層次。根據(jù)同一層兩兩因子進行重要程度比較可構建m×m階的判斷矩陣;同時邀請多位專家構成專家組,對各因素之間的重要程度進行評估;最后將每個專家獨立構建的判斷矩陣進行綜合得到最終的綜合判斷矩陣。

構造判斷矩陣一般采用1～9級標度法,具體結果見表2所列。

表2 因子判斷矩陣

(2) 根據(jù)構造的判斷矩陣計算權重即最大特征向量。本文通過Excel公式計算得到各評價因子的權重。

(3) 一致性檢驗。CR=CI/RI,CI=(λmax-n)/(n-1)。CI為一致性指標,RI 為平均隨機一致性指標,CR 為隨即一致性比例。當 CR <0.1 時,判斷矩陣具有滿意的一致性,否則需調整矩陣,直至滿足為止。

2.2.3.2 G1法

G1法[9-10]具體步驟如下:

(1) 確定序關系。從n個指標體系中選擇最重要或最不重要的記作Xi,再從余下的n-1個指標中選擇最重要或最不重要的記作Xi-1,以此類推最后一個指標記作Xk。

(2)專家對相鄰指標Xk-1和Xk之間的重要程度之比可以使用rk=wk-1/wk(k=n,n-1,…,3,2)來表示,這樣就可以根據(jù)前面的序關系,計算出各指標之間的相對重要程度。rk取值采用1.0～1.8級標度法。

AHP法通過一致性檢驗結果判斷是否采用各個專家的結果,淡化了人為的因素;G1法省略了一致性檢驗的工作,完全限制于專家的意見,會因專家意見的不合理導致結果的不合理性。

因此,本次通過計算2種方法結果的算術平均值,盡可能地避免不同方法所帶來的誤差,通過對主觀因素的均化降低了主觀性,使得結果更具合理性。

計算公式如下:

Xi=0.5×G1i+0.5×AHPi

(1)

其中:Xi為綜合權重;G1i為G1法算得的權重;AHPi為層次分析法算得的權重。綜合權重結果見表3所列。

表3 各評價因子權重

2.2.4 構建評價模型

(1)K-means聚類。首先指定聚類為4類，然后確定K個類的初始類中心點[11-12]。統(tǒng)計產(chǎn)品與服務解決方案(statistical product and service solitions,SPSS)軟件根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的實際情況,選擇K個有代表性的樣本數(shù)據(jù)作為初始類中心。計算所有樣本數(shù)據(jù)點到K個類中心點的歐氏距離,SPSS按照K個類中心點距離最短原則,把所有樣本分派到各中心點所在的類中,形成一個新的K類,完成依次迭代過程。其中歐氏距離的計算公式為:

(2)

(2) 綜合評價模。利用ArcGIS的多因素綜合評價模型對肥東縣建設用地適宜性進行評價。評價模型如下:

(3)

其中：W為綜合評價分值；xi為評價因子權重；pi為量化的分值。

采用多因素綜合評價模型,利用(3)式在ArcGIS的柵格計算器中輸入各評價因子的權重和對應的量化分值,計算得到肥東建設用地適宜性評價分值在3.64～6.82,然后通過K-means聚類將計算結果分為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜4類。結果如圖3所示。

圖3 建設用地適宜性分區(qū)圖

(3) 合理性驗證。為了驗證AHP與G1法線性組合方法的合理性,與AHP法的結果進行了比較,如圖4所示。從圖4中可以看出，2種方法的評價結果在建設用地適宜性水平的分布和尺度上是相似的,并且圖4中還顯示肥東縣大部分區(qū)域適合建設用地的開發(fā),符合肥東縣的發(fā)展規(guī)劃。因此,用AHP法和G1法的線性組合來進行建設用地適宜性評價是有效合理的。

圖4 不同方法的適宜性分區(qū)面積柱狀圖

3 結果與分析

將適宜和較適宜區(qū)域統(tǒng)一劃分為適宜建設區(qū),共占研究區(qū)面積的83.55%。通過繪制柱狀圖可以更直觀地對比各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜建設區(qū)的面積,如圖5所示。

圖5 不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜建設面積

圖5中，1～18分別為店埠鎮(zhèn)、元疃鎮(zhèn)、眾興鄉(xiāng)、陳集鎮(zhèn)、響導鄉(xiāng)、馬湖鄉(xiāng)、古城鎮(zhèn)、張集鄉(xiāng)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)、長臨河鎮(zhèn)、撮鎮(zhèn)鎮(zhèn)、八斗鎮(zhèn)、梁園鎮(zhèn)、楊店鄉(xiāng)、牌坊鄉(xiāng)、白龍鎮(zhèn)。

3.1 定量分析

利用ArcGIS的區(qū)域分析功能,得到肥東縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜性建設評價結果,見表4所列。

表4 肥東縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設用地適宜性等級分布

由表4可知,肥東縣面積2 263.61 km2,適宜的建設面積320.25 km2,占全縣面積的14.5%;較適宜區(qū)的建設面積1 571.07 km2,占全縣面積的69.41%;較不適宜的建設面積266.62 km2,占全縣面積的11.75%;不適宜的建設面積106.07 km2,占全縣面積的4.69%。適宜的區(qū)域主要分布在撮鎮(zhèn)和長臨河鎮(zhèn),分別占適宜區(qū)域面積的24.92%和21.12%;較適宜區(qū)域主要分布在店埠鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、八斗鎮(zhèn)、梁遠鎮(zhèn)和白龍鎮(zhèn),分別占較適宜區(qū)域面積的9.08%、8.93%、11.69%、7.83%和11.55%;較不適宜區(qū)域主要分布在包公鎮(zhèn)和橋頭集鎮(zhèn),分別占較不適宜區(qū)域面積的20.00%和19.01%;不適宜區(qū)域主要分布在店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)和長臨河鎮(zhèn),分別占不適宜區(qū)域面積的13.21%、25.58%、18.65%、22.96%和18.51%。

3.2 區(qū)域分析及建議

適宜性區(qū)域主要分布在撮鎮(zhèn)和長臨河鎮(zhèn),該區(qū)域處在平原地帶,地勢平坦,坡度在0°～5°之間,無斷裂構造現(xiàn)象,巖土體類型主要為堅硬較堅硬碳酸鹽巖,地基承載力大于200 kPa,地下水埋深大于4 m,無明顯的崩塌、泥石流等地質災害發(fā)生;較適宜區(qū)主要分布在肥東縣中部及北部大部分區(qū)域,該區(qū)域地勢比較平坦,地下水埋深在2～4 m之間,巖土體類型以膨脹土為主,地基承載力小于200 kPa,在此區(qū)域進行工程建設時應對地基進行加固措施,無明顯的地質災害現(xiàn)象發(fā)生;較不適宜區(qū)主要分布在包公鎮(zhèn)和橋頭集鎮(zhèn)一帶,該區(qū)域處在低山丘陵地段,地勢起伏較大,地下水埋深小于2 m,處在斷裂構造附近;不適宜區(qū)主要分布在店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)和長臨河鎮(zhèn)一帶,該區(qū)域處在斷裂構造上,主要地貌類型為低山,地勢起伏較大,地質災害易發(fā),常有崩塌、泥石流等地質災害發(fā)生,地下水埋深小于4 m,在此區(qū)域進行工程建設時,應加強對地質災害的防護措施。

4 結 論

本研究從地形地貌、工程地質條件、水文地質條件和地質災害風險度4個方面進行評價,利用G1法、AHP并結合ArcGIS平臺和K-means聚類初步評價肥東縣建設用地適宜性。得出以下結論:

(1) 通過與AHP的結果進行比較發(fā)現(xiàn),2種方法的評價結果在建設用地適宜性水平的分布和尺度上是相似的,因此表明利用G1法和AHP的線性組合進行建設用地適宜性評價是可行的。

(2) 結果表明肥東縣建設用地適宜和較適宜區(qū)域共1 891.32 km2,占工作區(qū)面積的83.55%,位于主城區(qū)附近;較不適宜區(qū)域共266.22 km2,占工作區(qū)面積的11.76%;不適宜區(qū)域共106.07 km2,占工作區(qū)面積的4.69%,涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)有店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)和長臨河鎮(zhèn)等。

研究成果不僅可以為肥東縣的城鄉(xiāng)建設發(fā)展提供宏觀上的把握,還可以為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展政策提供可行性的建議。

本文在確定相關評價因子的適宜性等級的劃分、分類標準、等級分別賦值等時都是依據(jù)前人的研究成果和經(jīng)驗,具有一定的局限性,應當與工作區(qū)的“生態(tài)紅線”相結合,使結果更加具有合理性。