多级模糊模式识别模型在地质环境评价中的应用.pdf

2 0 0 7 年第 8 期 西部探矿工程 8 3 多级模糊模式识别模型在地质环境评价中的应用 潘 晖 ． 湖南省地勘局 4 0 1队， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 4 摘要 地质环境质量评价 ， 特别是定量评价一直是环境地质学研 究中的难点。采用多级模糊模式识 别模型以相对隶属度、 隶属函数为基础理论 ， 相对级别特征值作为判 断依据用于地质环境质量评价， 使评价结果具有较好的分辨率， 可以直接看出各单元环境质量的优劣程度， 为环境质量评价结果提供 了更 多的信息。其结果真实可信 ， 具有通用性、 合理性和实用性。 关键词 地质环境 ； 定量评价 ； 多级模糊模 式； 质量评价 中图分类号 P 6 6 文献标识码 B文章编号 1 O 0 4 5 7 1 6 2 O 0 7 0 8 一O 0 8 3 0 3 环境 质量评价 的数 学 方法 有 多种 ， 如综 合 指数 法 、 层次分 析法 、 模糊综 合评判 法 、 灰 色系统 法 及近 年来 发展起来 的人工 神 经 网 络法 等 都 是较 为 常 用 的评价方法 ， 这些方法 各有其 优点 _ 1 ] 。环境 质 量评 价实际上是解决评价对象的多因子模式识别和排 序问题， 对于此类问题应用模糊集合理论是最常用 的方法 。模糊集 合论 中 ， 最 大隶属 度原 则被 广 泛地 用 于模糊综合评 判 、 模糊 决策 等许 多模 糊集 应用 领 域 。但有些 问题 在应用最 大 隶属 度原 则时 ， 可 能会 导致 结果失 真 。因 为最 大 隶 属 度原 则 有 时 忽 略 有 些信 息 ， 导致 判 断 失误 。经 研 究 ， 作 者发 现 由陈 守 煜提 出的多 级模 糊 模 式识 别 模 型 l 2 ] 以相 对 级 别 特 征值作为判断或识别的依据 ， 克服了最大隶属度原 则所不适用的地方， 而且 以相对隶属度 、 隶属 函数 为基础理论 ， 使隶属度 、 隶属 函数 的计算更 容易。 因此 ， 该 论文尝试采 用多级 模糊 模 式识别 模 型对 地 质 环境质量 进行评 价 。 1 模糊模式识别模型 1 ． 1 指标相对隶属度公式 设某样本需要对模糊子集 A进行识别 ， 样本的 m 个指标组成的特征向量为 X一 x 1 ， x 2 ， ⋯ ， X i ， X m 式中 X i 样本指标 i 的特征值 ， i 一1 ， 2 ， ⋯， m 如样本依据 m个指标 C 个级别的已知指标标准特 征值进行识别 ， 则有指标标准特征值矩阵 Yl 1 y 1 2 Y z l y 2 2 y m 】 y 一 y ．h 式中 y h 一 一 指标 i 级别 h的标准特征值， h 一1 ， 2 ， ⋯， c；i 一 1， 2， ⋯ ， m 。 个角点面积计算， 小于、 大于 5 个角点可参考本例的编 制方法来缩小或扩大 E XC E I 表格 ， 输入原始数据及公 式就可完成面积计算。若点数相 同， 只要更换数据 区内 的原始数据 ， 计算区就可 自动就可完成面积计算。如同 计算器程序功能一样。 2 ． 5 成果打印 单击文件菜单中的页面设置进行各项设置， 然后打 印 。 3程序 应 用 本程序适用于地形 图、 拟建场 地等面积计算 ； 也能 计算线路横断面面积， 设定各点的平距 与高差为相应的 x、 Y， 按上述的方法就可算出其面积。 4 注意事项 不管以那一点为起点 ， 顺时方向或逆时方 向前进， 最终要闭合到该起点 ， 组成闭合图形 。 取最终结果的绝对值 ， 才是所求 的面积。 5 结束语 用这种方法计算面积， 不但直观、 明了， 而且程序简 单易掌握， 是一种值得得推广的简便方法。 参考文献 E 1 3 刘玉珠， 彭先进， 等． 土木工程测量E M] ． 广州 华南理工大 学 出版社 ， 2 O O 1 ． E 2 3 吴权威， 吕琳琳． E X C E L 2 0 0 3函数与统计应用实务E M] ． 北 京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ． 一 ； 差 ～ ～ ～ 一 维普资讯 西部探矿工程 2 0 0 7 年第 8 期 通常将 从 1 ～C 级 指 标标 准 特征 值 减小 称 为 指 标递减型 ； 从 1 ～ C 级 指标 标准 特 征 值 增 加 称 为 指 标 递增型 ， 则递 减 型 指标 对 A 的相对 隶 属 度 隶 属 函数 为 f 0 X i ≤y k { Y ll x I y ；c 【 1 X i ≥y “ h级指标标准特征值对 A的相对隶属度为 f 0 y 一Y k s I y y n i h 一 -- y y k i c Y i l 【 1 y y il 递增型指标对 A的相对隶属度 隶属函数 为 f 0 X i ≥ I y k 一 -- y x l i Y U x i 【 1 X l ≤y i h级指标标准特征值 ， 对 A的相对隶属度为 』 0 y B , 一 s | I 一 { Y n y ．h y 【 1 y 。 1 ． 2 模糊模式识别模型 通过隶属函数分别把指标与指标标准特征值矩阵 变换为对 A的指标与指标标准特征值的相对隶属度矩 阵 R一 n， ／ 2 ， ⋯ ， r m 一 t S1 2 ⋯ S1 22 ⋯ S2 。 S Tl1 2 ⋯ s m c 设样本对 A的各个级别相对隶属度矩阵为 U一 u l ， u 2 ， ⋯ ， u T 一 u h 式中 u h 样本对 A 的级别 h的相对隶属度 ， hl ， 2， ⋯ ， c。 由 样本在级别区问[ a ， b ] 范围内， 故矩阵 U应满足 归一化约束条件 h ∑ u h 一1 n2a 同时应有 u h 一 0 当 h b 为了求解样本对模糊概念 A的级别 h的最优相对 隶属度 ， 建立 目标 函数 f 一 0 f a u h l 一 o I 一 求得模糊模式识别模型为 h b w i r i s _h ] ∑ m ∑ I 一 1 w ． s _k j p d h一 0 a ≤h ≤b d h ≠0 1 ． 3 相对级别特征值 设级别变量 h以对应的相对隶属度为权重， 其总和 称为相对级别特征值或相对状态特征值。 C H 一∑u h h h 1 相对级别特征值 H ㈩是一个描述状态或级别的无 量纲 数 ， 且 1 ≤ H j ≤ c 相对级别特征值由于利用了全部相对隶属度信息， 其判断结论比最大隶属度原则更符合实际情况。据此 ， 可应用相对级别特征值 H 反馈得到相应的级别， 对样 本作出归属何种级别的判定。 2 应用实例 陕西省略阳县位于陕西省汉中市的西北部， 由于该 地区地质结构复杂， 地质环境与 自然生态环境脆弱， 加 之滥砍乱挖的不合理人为作用 ， 使地质环境质量严重恶 化 ， 滑坡 、 崩塌 、 泥石流、 地面塌陷等地质灾害 问题十分 突出， 应用多级模糊模式识别模型对该地区进行了地质 环境质量综合评价。 2 ． 1 地质环境质量评价指标分级 根据野外调查 、 有关研究报告 ， 在对资料进行分析 后， 经过指标筛选优化， 选取地形坡度、 工程地质岩组、 岩土体结构类型、 地下水位、 植被发育情况、 月平均降雨 量 、 人类工程活动强度等为主要评价指标。地质环境质 量分为优、 良、 中、 差四级 ， 分别对应数值 1 、 2 、 3 、 4 ， 相应 地将评价指标也用四级来描述 ， 地质环境质量评价指标 分级标准见表 l 。 2 ． 2 层次分析法确定权重 本次模型计算中采用层次分析法来确定评价指标 的权重， 该方法可较大幅度减少主观因素的影响， 其具 体步骤如下 1 构造判断矩阵。对于 Ⅺ， C 2 ， ⋯， X 个评价指标， 由专家组运用两两 比较得判断矩阵 X； 0 一 ，● ● ● ● ● ● ● ， ，● 、 ● ●● ● ● ● ● ● ● ● 【 1 2 ● 一 至 ～ i l S ∑一 一 U 棵 维普资讯 2 0 0 7 年第 8 期 西部探矿工程 8 5 表 1 地质环境质量评价指标分级标准 评 价 指 标 手 地形坡度 3 5 。 工程地质岩组坚硬岩体 中等坚硬岩体 软弱岩体松散体 岩土体结构类型 块状 层状 碎裂 松散 地下水位 滑面附 近 植被发育情况 5 0 1 0 0 3 0 5 0 1 0 3 0 l O 月平均降雨量 4 0 0 人类工程活动强度 无 较弱 中等 强烈 2 层次分析法确定权值 。假设有一同阶正则 向量 A， 使得存在 X A一 ～ A， 则 为矩 阵 X的最大特征 值， A为对应 于 的特征 向量。解其特征方程得 A， 经正规化后 ， 其各分量即为所对应的 X - ， X z ， ⋯， X 的权 值。理论上是可以解 出的， 但如果评价指标过 多， 则 其 计算方法较为复杂， 很难解出， 故采用求和法来计算特 征向量的近似解。 ①将判断矩阵按列归一化 b 一 i , j l ， 2 ， ⋯， n ∑X k j k 一 1 ②按行求和 v ， 一 ∑b i i l ， 2 ， ⋯ ， n ’ 1 ③归一化 V ； W i一 ∑v k k一1 ④求最大特征值 一 - _ l ， 2， ⋯ ， n n 1 1 ai 通过层次分析法计算 ， 得出各指标的权重 表 2 。 表 2评价指标权重表 ． 一 地形工程地 岩土体结 地下植被发 月平均 人类工程 1 目 h ⋯ ’ 坡度质岩组构类型 水位育情况 降雨量活动强度 权重 0 ． 1 5 2 0 ． 3 4 5 0 ． 2 3 3 2 ． 3 利用模型进行地质环境质量评价 用 CB u i l d e r 6 ． 0开 发评价 模型 ， 进 行分 析计 算。 将该计算结果存入 A c c e s s 数据库， 用 MA P G I S进 行调试， 然后通过空间分析， 生成等值线， 进行分区， 就 可以得到该地区地质环境质量评价分区图。 将该地区地质环境质量评价结果与现场调查的地 质灾害点 滑坡、 崩塌、 泥石流等 作比较， 可以发现， 评 价结果为优的地区没有地质灾害点 ； 评价结果为 良的地 区 ， 地质灾害点有 8处 ； 评价结果为中的地区， 地质灾害 点有 5 0 处 ； 评 价结果 为差 的地 区， 地 质灾害点有 1 0 6 处。各区地质灾害统计见表 3 。 表 3地质灾害统计表 从表 3中可以看出， 野外调查中地质灾害较多的地 段和评价结果为中、 差的地区有较好 的对应关系， 特别 是在评价结果 为差的地区 ， 地质灾害发生最多。这说 明， 评价结果基本正确 。 3 结论 地质环境质量评价 ， 特别是定量评价一直是环境地 质学研究中的难点 。多级模糊模式识别模型以相对隶 属度 、 隶属函数为基础理论 ， 采用相对级别特征值作为 判断依据 ， 克服了模糊集合论 中最大隶属度原则所不适 用的地方。该方法用于地质环境质量评价， 使评价结果 具有较好的分辨率 ， 可以直接看出各单元环境质量的优 劣程度， 从而为环境质量评价结果提供了更多的信息。 经实践证明， 该方法结果真实可信， 具有通用性、 合理性 和实用性 。 参考文献 [ 1 ] 杨建强， 林年丰． 多目标模糊优选模型在环境质量评价中的 应用[ J ] ． 长春科技大学学报， 2 0 0 0 ， 3 0 4 3 8 1 3 8 3 ． [ 2 ] 陈守煜． 工程模糊集理论与应用[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 罗永忠， 唐小平， 祝世强． 模糊综合评判在成都市固体废弃 物处理场环境水文地质评价中的应用[ J ] ． 地质灾害与环境 保护， 2 0 0 1 ， 1 2 3 4 2 4 5 ． [ 4 ] 蔡鹤生 ， 周爱国， 唐朝辉． 地质环境质量评价中的专家一层 次分析定权法[ J ] ． 地球科学 中国地质大学学报， 1 9 9 8 ， 2 3 3 2 9 9 3 0 2 ． [ 5 ] 周爱国， 蔡鹤生． 地质环境质量评价理论与应用[ M] ． 武汉 中国地质大学出版社， 1 9 9 8 ． 维普资讯