层次分析法在大庆市地质环境质量评价中的应用

孙乃泉，孙 丽，杨咏梅

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069;2.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西西安 710054;3.黑龙江省区域地质调查所，黑龙江 哈尔滨150080;4.长安大学 电子与控制工程学院 陕西 西安 710064)

城市地质环境质量评价是按一定的评价标准和方法对城市地质环境的优劣程度进行描述，包括地质环境的适宜性评价和风险性评价。在地质环境质量评价过程中，往往要选择多个环境要素和环境因子一起参与评价，且在这些评价因子综合时，需要确定它们对总体地质环境质量影响程度的大小，以及评价单元划分原则。又因地质环境质量评价是一个复杂的多信息综合分析过程，其数据量大，数据结构复杂，既有空间数据，又有属性数据，因此需要有功能强大的空间数据库管理功能才能满足要求。同时，地质环境信息具多源性，模糊性、非确定性和随机性，使信息处理和空间分析的模型十分复杂。传统的评价方法和手段，要么无能为力，要么简化而缺失大量的信息，导致成果可靠程度降低。为此有效的环境地质问题分析方法，具有重要的现实意义[1-4]。

1 自然地理及主要环境地质问题

大庆市在大地构造上位于小兴安岭—松嫩地块的中央坳陷带，晚白垩世中期后，在断(坳)陷作用下，发生不均衡沉积，堆积了巨厚的白垩系、第三系泥岩、砂岩、泥质粉砂岩及第四系松散沉积物[5]。

大庆油田的开发、建设，对大庆市及其周边地区的地质环境系统造成了严重的破坏。造成土地“三化”面积日益扩大、土壤和水质污染加剧，区域地下水位大幅度持续下降，地面变形现象逐年加剧。上述各类地质环境问题已使该地区的环境容量和承载力接近极限，环境的恶化已严重影响了当地居民正常的生产秩序和生活质量，成为制约大庆市经济和社会可持续发展的重要制约因素[6-7]。

2 层次分析法

在地质环境质量评价中，对众多的评价因子进行综合时，对各个变量具有权衡轻重作用的数值，即称为权重(权值)。由权值的概念可知，既然地质环境评价中不同评价因子间的权重是反映相对某评价观点的“重要”程度的数值，故可以理解为，求权值的过程就是一种对于不同评价因子间“重要”性程度的分析过程，属于程度分析的范畴。

但由于地质环境的复杂性、不可逆性、模糊性等，科学、合理地评定各环境因子的权值有很大难度，因此，本文选用专家打分—层次分析法来确定权重。

层次分析法为相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂问题的决策和排序提供了一种新的、简洁而实用的建模方法。运用层次分析法建模，大体上可按下面三个步骤进行:

(1)建立递阶层次结构模型;

(2)构造出各层次中的所有判断矩阵;

(3)层次单排序及一致性检验;

2.1 递阶层次结构的建立与特点

应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。在这个模型下，复杂问题被分解为元素的组成部分。这些元素又按其属性及关系形成若干层次。上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用[8-9]。这些层次可以分为三类:

(1)最高层:这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或理想结果，因此也称为目标层。

(2)中间层:这一层次中包含了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由若干个层次组成，包括所需考虑的准则、子准则，因此也称为准则层。

(3)最底层:这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，因此也称为措施层或方案层。

递阶层次结构中的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关，一般地层次数不受限制。每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过9个。这是因为支配的元素过多会给两两比较判断带来困难。

2.2 构造判断矩阵

在建立了层次分析结构后，针对上一层次某些因素，对下层次有关因素就相对重要性进行两两比较。先从最底层开始，评价因子两两进行优劣评比。全部比较结果用矩阵A=(aij)n×n表示，称A为 Z-X之间的成对比较判断矩阵(简称判断矩阵)。容易看出，若 xi与 xj对 Z的影响之比为 aij，则xj与xi对Z的影响之比应为:

关于 aij值的确定，T.L.Satty等建议引用数字 1-9及其倒数作为标度。1-9标度的含义见表1:

表1 层次分析定权法的判断矩阵标度及其含义

使用标度法时有两点要求:(1)要求进行比较的因素具有相同的数量级:(2)两个比较的因素优劣程度尽可能用定量表示。

2.3 层次单排序及一致性检验

判断矩阵A对应于最大特征值 λmax的特征向量 W，经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。

上述构造成对比较判断矩阵的办法虽能减少其它因素的干扰，较客观地反映出一对因子影响力的差别。但综合全部比较结果时，其中难免包含一定程度的非一致性。如果比较结果是前后完全一致的，则矩阵A的元素还应当满足:

需要检验构造出来的(正互反)判断矩阵 A是否严重地非一致，以便确定是否接受 A。对判断矩阵的一致性检验的步骤如下:

(1)计算一致性指标:

(2)查找相应的平均随机一致性指标 RI。对 n=1，…，9，Saaty给出了 RI的值，如表2所示。

(3)计算一致性比例CR

当CR＜0.10时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正。

表2 层次分析法的平均随机一致性指标值

3 系统运行与评价功能实现

依照层次分析法在ArcGIS Engine平台上开发大庆市地质环境评价系统，依次完成系统主界面、地图显示与操作功能、数据查询功能、图形矢量化功能、空间分析功能及输入输出等功能。

一个系统设计是否的合理，必须通过实际运行后才可以确定。首先，根据大庆市地质环境问题现状调查成果，选择对城市地质环境质量影响较大的区域稳定性、天然地基承载力、地下水防污性、土壤污染程度、土体的冻胀冻融性等五项作为评价因子。以土壤污染评价为例:在充分搜集有关土壤污染资料基础上，通过补充取样、加大样品密度，以满足本次评价精度要求。评价因子及各区域土壤污染现状见表3。

在单因子评价基础上，选择铜、铅、镉、铬、汞、硫化物、酚类及石油总烃八项单因子污染评价分区图进行叠合，得到土壤主要污染物综合污染分区图。取污染程度最高者为综合污染程度等级。对建成区内的建筑物覆盖区未作评价。土壤污染评价界面如图5.10所示。

(2)利用系统的空间分析功能中区对区的合并分析功能，对以上单要素图形分别进行区合并操作。合并后生成的面文件中的每个区，即能以评价因子的不同而相互分区，反映各个评价因子的影响，同时又能从

属性数据库中为各评价因子提供权值，可以直接用作评价单元(图1)。

表3 评价因子及各区域土壤污染现状表

图1 单因子评价界面

对于城市建筑物覆盖区未进行单因子评价的区域，在进行区合并操作时，也应以面文件形式存储，并赋值为零。

(3)在求得权重的基础上，利用系统的空间叠加分析功能，实现评价因子指标的自动提取，通过输入输出功能，将评价因子的指标输出，作为模糊综合评判模型的数据源，利用已得的权重进行模糊综合评价。最后将评价结果输入系统，与空间数据库关联，进行结果的可视化输出。

综合评价的评价单元空间叠加分析生成和综合评价如图2所示。

图2 地质环境综合评价

4 结语

层次分析法是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。应用层次分析法对大庆市地质环境进行分析研究，建立基于GIS平台的地质环境质量评价信息系统，对大庆市地质环境质量进行综合评价。评价系统在水环境和土壤环境评价方面实现地质环境监测信息的采集、处理、存储、分析一体化，提高城市环境地质工作的反应速度和应变能力。

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