基于ArcGIS的肥东县建设用地地质环境适宜性评价

迟文飞,侯晓亮,赵卫东,钱家忠

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

根据国家统计局的相关数据,截止到2016年末我国城镇化率达到了57.35%,《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》显示,我国城市化率到2020年将达到60%左右[1]。随着我国经济的飞速发展以及各个城市的发展与扩张,环境资源及土地资源已经不能满足和适应当前的发展规模。地质环境作为影响城市发展的重要因素,对城市建设起着重要影响作用[2-3]。肥东县作为全国百强县,合肥市的重要经济发展枢纽,近年来工业化、城镇化、农业现代化和绿色化发展迅速,大规模发展和不合理规划打破了肥东县地质环境原有的平衡,造成了很多地质环境问题[4],这些地质环境问题包括房屋开裂、崩塌流、滑坡等。因此,对土地资源的合理规划,充分合理有效地开发和利用有限的土地资源以及城市土地利用的可持续发展都具有重要而深远的战略意义[5]。鉴于此,本文选择合肥市肥东县为研究区,根据《肥东县空间规划(2017-2030)》中规划需求,对研究区建设用地地质环境进行了科学评价。以往的研究主要是通过层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)结合地理信息系统(geographic information system,GIS)进行评价,此次研究以ArcGIS为平台利用AHP法与G1法的线性组合确定权重并结合K-means聚类方法进行评价,使结果更加具有合理性和客观性。

1 研究区概况

肥东县,隶属于安徽省合肥市,东望南京,南滨巢湖,西融合肥,北襟蚌埠,有“吴楚要冲、包公故里”之誉。介于东经117°19′～117°52′与北纬31°34′～32°16′之间,总面积2 263 km2。研究区主要地貌类型为波状平原和低山丘陵;主要地层为上太古界片麻岩、下元古界片岩和大理岩、上侏罗系火山碎屑岩、白垩系砂砾岩及粉砂岩、下第三系泥岩和第四系松散岩类;区内有多条断裂构造并广泛分布膨胀土;区内水流分两大水系,江淮分水岭以南有南淝河、店埠河、滁河和巢湖,水流入长江,属长江水系。分水岭以北有池河,水流入淮河,为淮河水系。

2 研究内容和方法

2.1 研究内容

建设用地适宜性评价是按一定的评价标准和方法,就工作区地质环境对建设的规划和实施的适宜程度进行评定。研究的主要内容如下:

(1) 在工作区野外调查及收集资料的基础上,对地形地貌、工程地质、水文地质及地质灾害等地质条件进行分析研究。

(2) 根据工作区的地质环境特征以及资料的可收集程度选取适宜性评价的评价因子,再运用相应的方法确定各个因子的权重。

(3) 运用ArcGIS平台中的多因素综合评价模型并结合聚类分析对工作区建设用地适宜性进行评价,生成图件。

(4) 对生成的结果进行分析和建议。

具体流程如图1所示。

图1 建设用地适宜性评价技术路线

2.2 研究方法

2.2.1 数据的收集及预处理

本次研究采用的数据包括1∶10万的肥东县地质灾害易发性分区图、1∶50万的安徽省工程地质图、GDEMV2 30 m分辨率数字高程数据、钻孔资料和Landsat8遥感影像。利用ArcGIS软件采集区内的地貌类型、坡度、岩土体类型、断裂构造、地质灾害易发性、地下水埋深的数据资料。

2.2.2 评价因子的选取和评价体系的建立

评价因子的选取直接关系到适宜性评价结果的准确性和稳定性,评价指标的选取应当遵循综合性和主导性相结合、因地制宜等原则。结合工作区的地质环境特点及资料的可收集程度从地形地貌、工程地质条件、水文地质条件和地质灾害风险度4个方面共选取了7个评价因子。在ArcGIS的平台下,将工作区划分为300 m×300 m的网格作为评价单元,再利用空间分析中的重分类,计算并生成各个因素的评价结果,如图2所示。评价因子分值及分级标准[2-8]见表1所列。

图2 单因子评价分析

表1 评价因子分值及分级标准

根据工作区的地质环境特点以及每个指标对城市建设的影响程度,并通过向专家调研的调查问卷,类比了其他地区评价因子赋值办法及环境地质评价技术要求,结合相关文献和专家意见,确定量化指标,将各个评价因子的适宜性等级划分为4级,分别为适宜、较适宜、较不适宜和不适宜。采用等差赋值，将每个等级分别赋值为7、5、3、1,分值越大适宜性程度越高,反之适宜性程度越低。

2.2.3 权重的确定

2.2.3.1 AHP法

AHP法[6-8]具体步骤如下:

(1) 构造判断矩阵。分析评价对象各因素之间关系,建立递阶层次结构。通常情况下分为目标层、准则层、方案层3层。准则层根据需要可制定多个层次。根据同一层两两因子进行重要程度比较可构建m×m阶的判断矩阵;同时邀请多位专家构成专家组,对各因素之间的重要程度进行评估;最后将每个专家独立构建的判断矩阵进行综合得到最终的综合判断矩阵。

构造判断矩阵一般采用1～9级标度法,具体结果见表2所列。

表2 因子判断矩阵

(2) 根据构造的判断矩阵计算权重即最大特征向量。本文通过Excel公式计算得到各评价因子的权重。

(3) 一致性检验。CR=CI/RI,CI=(λmax-n)/(n-1)。CI为一致性指标,RI 为平均随机一致性指标,CR 为随即一致性比例。当 CR <0.1 时,判断矩阵具有满意的一致性,否则需调整矩阵,直至满足为止。

2.2.3.2 G1法

G1法[9-10]具体步骤如下:

(1) 确定序关系。从n个指标体系中选择最重要或最不重要的记作Xi,再从余下的n-1个指标中选择最重要或最不重要的记作Xi-1,以此类推最后一个指标记作Xk。

(2)专家对相邻指标Xk-1和Xk之间的重要程度之比可以使用rk=wk-1/wk(k=n,n-1,…,3,2)来表示,这样就可以根据前面的序关系,计算出各指标之间的相对重要程度。rk取值采用1.0～1.8级标度法。

AHP法通过一致性检验结果判断是否采用各个专家的结果,淡化了人为的因素;G1法省略了一致性检验的工作,完全限制于专家的意见,会因专家意见的不合理导致结果的不合理性。

因此,本次通过计算2种方法结果的算术平均值,尽可能地避免不同方法所带来的误差,通过对主观因素的均化降低了主观性,使得结果更具合理性。

计算公式如下:

Xi=0.5×G1i+0.5×AHPi

(1)

其中:Xi为综合权重;G1i为G1法算得的权重;AHPi为层次分析法算得的权重。综合权重结果见表3所列。

表3 各评价因子权重

2.2.4 构建评价模型

(1)K-means聚类。首先指定聚类为4类，然后确定K个类的初始类中心点[11-12]。统计产品与服务解决方案(statistical product and service solitions,SPSS)软件根据样本数据的实际情况,选择K个有代表性的样本数据作为初始类中心。计算所有样本数据点到K个类中心点的欧氏距离,SPSS按照K个类中心点距离最短原则,把所有样本分派到各中心点所在的类中,形成一个新的K类,完成依次迭代过程。其中欧氏距离的计算公式为:

(2)

(2) 综合评价模。利用ArcGIS的多因素综合评价模型对肥东县建设用地适宜性进行评价。评价模型如下:

(3)

其中：W为综合评价分值；xi为评价因子权重；pi为量化的分值。

采用多因素综合评价模型,利用(3)式在ArcGIS的栅格计算器中输入各评价因子的权重和对应的量化分值,计算得到肥东建设用地适宜性评价分值在3.64～6.82,然后通过K-means聚类将计算结果分为适宜、较适宜、较不适宜和不适宜4类。结果如图3所示。

图3 建设用地适宜性分区图

(3) 合理性验证。为了验证AHP与G1法线性组合方法的合理性,与AHP法的结果进行了比较,如图4所示。从图4中可以看出，2种方法的评价结果在建设用地适宜性水平的分布和尺度上是相似的,并且图4中还显示肥东县大部分区域适合建设用地的开发,符合肥东县的发展规划。因此,用AHP法和G1法的线性组合来进行建设用地适宜性评价是有效合理的。

图4 不同方法的适宜性分区面积柱状图

3 结果与分析

将适宜和较适宜区域统一划分为适宜建设区,共占研究区面积的83.55%。通过绘制柱状图可以更直观地对比各乡镇适宜建设区的面积,如图5所示。

图5 不同乡镇适宜建设面积

图5中，1～18分别为店埠镇、元疃镇、众兴乡、陈集镇、响导乡、马湖乡、古城镇、张集乡、包公镇、石塘镇、桥头集镇、长临河镇、撮镇镇、八斗镇、梁园镇、杨店乡、牌坊乡、白龙镇。

3.1 定量分析

利用ArcGIS的区域分析功能,得到肥东县各乡镇适宜性建设评价结果,见表4所列。

表4 肥东县各乡镇建设用地适宜性等级分布

由表4可知,肥东县面积2 263.61 km2,适宜的建设面积320.25 km2,占全县面积的14.5%;较适宜区的建设面积1 571.07 km2,占全县面积的69.41%;较不适宜的建设面积266.62 km2,占全县面积的11.75%;不适宜的建设面积106.07 km2,占全县面积的4.69%。适宜的区域主要分布在撮镇和长临河镇,分别占适宜区域面积的24.92%和21.12%;较适宜区域主要分布在店埠镇、古城镇、八斗镇、梁远镇和白龙镇,分别占较适宜区域面积的9.08%、8.93%、11.69%、7.83%和11.55%;较不适宜区域主要分布在包公镇和桥头集镇,分别占较不适宜区域面积的20.00%和19.01%;不适宜区域主要分布在店埠镇、包公镇、石塘镇、桥头集镇和长临河镇,分别占不适宜区域面积的13.21%、25.58%、18.65%、22.96%和18.51%。

3.2 区域分析及建议

适宜性区域主要分布在撮镇和长临河镇,该区域处在平原地带,地势平坦,坡度在0°～5°之间,无断裂构造现象,岩土体类型主要为坚硬较坚硬碳酸盐岩,地基承载力大于200 kPa,地下水埋深大于4 m,无明显的崩塌、泥石流等地质灾害发生;较适宜区主要分布在肥东县中部及北部大部分区域,该区域地势比较平坦,地下水埋深在2～4 m之间,岩土体类型以膨胀土为主,地基承载力小于200 kPa,在此区域进行工程建设时应对地基进行加固措施,无明显的地质灾害现象发生;较不适宜区主要分布在包公镇和桥头集镇一带,该区域处在低山丘陵地段,地势起伏较大,地下水埋深小于2 m,处在断裂构造附近;不适宜区主要分布在店埠镇、包公镇、石塘镇、桥头集镇和长临河镇一带,该区域处在断裂构造上,主要地貌类型为低山,地势起伏较大,地质灾害易发,常有崩塌、泥石流等地质灾害发生,地下水埋深小于4 m,在此区域进行工程建设时,应加强对地质灾害的防护措施。

4 结 论

本研究从地形地貌、工程地质条件、水文地质条件和地质灾害风险度4个方面进行评价,利用G1法、AHP并结合ArcGIS平台和K-means聚类初步评价肥东县建设用地适宜性。得出以下结论:

(1) 通过与AHP的结果进行比较发现,2种方法的评价结果在建设用地适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的线性组合进行建设用地适宜性评价是可行的。

(2) 结果表明肥东县建设用地适宜和较适宜区域共1 891.32 km2,占工作区面积的83.55%,位于主城区附近;较不适宜区域共266.22 km2,占工作区面积的11.76%;不适宜区域共106.07 km2,占工作区面积的4.69%,涉及乡镇有店埠镇、包公镇和长临河镇等。

研究成果不仅可以为肥东县的城乡建设发展提供宏观上的把握,还可以为各乡镇的发展政策提供可行性的建议。

本文在确定相关评价因子的适宜性等级的划分、分类标准、等级分别赋值等时都是依据前人的研究成果和经验,具有一定的局限性,应当与工作区的“生态红线”相结合,使结果更加具有合理性。