河西走廊明长城遗址片状剥离发育程度评价方法

本发明涉及土遗址病害发育程度的，尤其涉及一种河西走廊明长城遗址片状剥离发育程度评价方法，基于夯土遗址片状剥离形态特征、土体内在因素与自然环境因素对夯土遗址片状剥离病害进行综合性评价并进行科学性预测，研究土遗址病害发育程度对于土遗址的影响与保护。

背景技术：

1、土遗址在文化传承、历史探索、科学研究等领域具有重要作用，遗存我国西北干旱区的古代土遗址按照所处环境分为露天土遗址和室内土遗址，由于露天土遗址受自然环境影响更为严重，因此对于露天土遗址的保护尤为重要。在露天夯土遗址的众多病害中，片状剥离是最普遍的病害之一，墙体由于干湿循环的急剧变化引起干缩，在表面形成龟裂，使得表层的土体与墙体形成一软弱面，在风力与其他各种作用的影响下逐渐剥离，在其形成初期对于土遗址抵抗风化起到一定的保护作用，但在后期快速剥落加速了土遗址的损坏，所以对于其发育程度的评价与预测具有较大的意义。

2、片状剥离是一种多因素耦合作用产生的病害，其影响因素与形成机制较为复杂，目前对于其病害发育的影响因素和形成机制稍有成果，但鲜有针对片状剥离病害的评价与预测，尤其是在土体内在因素与自然环境因素的影响下，对于片状剥离形态特征的科学性定量评价、预测预警体系。

3、申请号为202210744243.0的发明专利提出了一种夯土遗址裂隙病害发育程度评价及预测方法，步骤为：选取与裂隙病害发育直接相关的因素建立评价指标体系；利用模糊层次分析法根据评价指标体系计算主观权重，利用多变量不安定指数法计算第一客观权重、利用改良熵值法计算第二客观权重，通过等权重加权平均处理得到综合权重；利用topsis逼近理想解法和综合权重评价裂隙病害发育等级；构建bp神经网络预测模型，将评价指标的数据作为输入数据、评价结果作为输出数据对多个西北干旱区域夯土遗址裂隙病害未来发育趋势进行预测。上述发明基于自然环境特征对夯土遗址裂隙病害发育进行评价、预测，提出高精度预测裂隙病害发展趋势方法，提高裂隙病害治理的有效性、可控性。但是，上述发明中基于模糊层次法的一致性检验缺乏科学依据，且topsis逼近理想解法对于数据的敏感性强，若存在异常值或缺失值对于决策结果会产生很大影响，且其由于假定各指标是线性的对于片状剥离发育程度这种非线性问题的效果会大打折扣；同时对于bp神经网络的结构需要根据实际问题进行选择，而网络结构的合适与否直接影响到预测结果的准确性，对于结构的选择至今尚无一种统一而完整的理论指导，一般只能由经验选定。

技术实现思路

1、针对现有片状剥离病害发育程度评价及预测方法存在不能综合考虑影响因素与形成机制，预测准确性较低的技术问题，本发明提出一种河西走廊明长城遗址片状剥离发育程度评价方法，通过综合性评价确定目前部分土遗址的病害发育情况，再以此评价标准与预测模型，得到其他土遗址的片状剥离病害的发育情况，一定程度上提高了土遗址保护的及时性与有效性。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种河西走廊明长城遗址片状剥离发育程度评价方法，其步骤如下：

3、步骤一：选取与干旱区土遗址片状剥离病害有关的评价指标建立评价指标体系；

4、步骤二：根据评价指标体系通过决策实验室分析法计算各评价指标的主观权重，根据各评价指标的实际数据通过独立权系数法确定评价指标的第一客观权重，利用反熵权法确定各评价指标的第二客观权重，对主观权重、第一客观权重和第二客观权重进行算数平均，得到组合权重；

5、步骤三：通过组合权重对各干旱区各评价指标的数值的归一化矩阵进行权重调整，得到综合赋权矩阵；

6、步骤四：根据步骤三所得的综合赋权矩阵通过秩和比综合评价法对各干旱区进行分类与评价；

7、步骤五：通过岭回归模型对干旱区的土遗址片状剥离病害进行预测，并与步骤四中的评价结果进行对比。

8、优选地，所述评价指标包括：片状剥离形态特征、土体内在因素与自然环境因素，所述片状剥离形态特征包括：壳层剥离厚度、粉层剥离厚度、剥离面积；土体内在因素包括：比表面积、崩解速度、液性指数、孔隙率、易溶盐总量；自然环境因素包括：降水量、蒸发量、年均气温日较差、干燥度；

9、所述比表面积为正向指标，所述壳层剥离厚度、粉层剥离厚度、剥离面积、崩解速度、液性指数、孔隙率、易溶盐总量、降水量、蒸发量、年均气温日较差、干燥度均为负向指标。

10、优选地，所述决策实验室分析法计算主观权重的方法为：

11、1)量化评价指标体系中评价指标之间的相互关系，得到直接影响矩阵o；

12、2)归一化直接影响矩阵o，得到规范直接影响矩阵n；

13、3)由规范直接影响矩阵n计算综合影响矩阵t＝n(i-n)-1；其中，i为单位矩阵，(i-n)-1为矩阵(i-n)的逆矩阵；

14、4)由综合影响矩阵t得到第j个评价指标的中心度mj＝dj+cj，其中，影响度被影响度tji1为综合影响矩阵t中第j行、第i1列的元素值，ti1j为综合影响矩阵t中第i1行、第j列的元素值，n为评价指标的数量；

15、5)将中心度mj进行归一化后得到第j个评价指标的主观权重w1。

16、优选地，所述通过独立权系数法确定第一客观权重的方法为：

17、1)确定干旱区的各评价指标的数值并构建原始的数值矩阵；

18、2)根据原始的数值矩阵计算各评价指标与其他评价指标的复相关系数；

19、3)对复相关系数的倒数进行归一化处理，得到各评价指标的第一客观权重。

20、优选地，所述直接影响矩阵o的对角线上的值用0来表示，直接影响矩阵o中其他元素值的值通过采用5级标度确定两个评价指标的关系强弱；

21、所述归一化的方法为极差标准化法；

22、所述复相关系数为

23、

24、其中，y表示原始的数值矩阵中一评价指标数值，表示数值y所在评价指标下所有值的平均值，表示数值y的回归值；

25、所述回归值是以同一评价指标下其他所有值为自变量进行线性回归得到。

26、优选地，所述利用反熵权法确定各评价指标的第二客观权重的实现方法为：

27、1)确定干旱区的各评价指标的数值并构建原始的数值矩阵；

28、2)对数值矩阵的元素值进行归一化处理，得到归一化矩阵；

29、3)计算第j个评价指标下第i个样本占评价指标的比重；

30、4)根据比重计算第j个评价指标的反熵值hj；

31、5)根据反熵值hj计算第j个评价指标的第二客观权重w3。

32、优选地，第i个样本占第j个评价指标中所有样本值的比重为

33、其中，nij表示归一化矩阵中第j个评价指标的第i干旱区的样本值，m为干旱区数量。

34、所述第j个评价指标的反熵值为

35、第j个评价指标的第二客观权重n为评价指标的数量；

36、所述组合权重

37、所述步骤三中进行权重调整的方法为：每个干旱区的每个评价指标的数值乘以组合权重。

38、优选地，所述秩和比综合评价法的实现方法为：

39、1)将干旱区按照顺序依次编序号；

40、2)根据序号通过整次秩和比法编出每个评价指标下各干旱区的秩，列出秩矩阵；根据秩矩阵计算得到赋权后的秩和比wrsr值；

41、3)列出秩和比wrsr值的分布表格情况与各组频数f，计算各干旱区的累计频数σf和累计频率，将累积频率转换为概率单位得到probit值；

42、4)以probit值作为自变量，以wrsr值为因变量，进行简单线性回归，拟合所对应的wrsr估计值回归方程；

43、5)根据拟合的wrsr估计值作为特征值进行排序，对各干旱区进行分档等级。

44、优选地，所述整次秩和比法列出秩矩阵的方法为：根据每个评价指标按其指标值的大小进行排序，其中正向指标从小到大编秩，负向指标指标从大到小编秩，同一评价指标数据相同者编平均秩，得到秩矩阵ra＝(rij)m×n；

45、所述秩和比wrsr值的计算公式为：

46、

47、其中，wrsri为第i个干旱区的秩和比，rij是第i个干旱区的第j个评价指标的秩，wj表示第j个评价指标的权重；

48、根据累计频率查询百分数与概率单位对照表，将评价秩数的百分数形式即评价秩数/n*100％转换为概率单位；

49、分档时4档分档，按照wrsr估计值分为4个等级，位于[-∞，0.2392)为发育程度低，[0.2392,0.4794)为发育程度中等，[0.4794,0.7196)为发育程度高，[0.7196,+∞)为发育程度极高。

50、优选地，所述岭回归模型进行预测的实现方法为：

51、(1)通过spss软件构建岭回归模型，得出岭回归模型下对剥离特征的预测值；对壳层厚度、粉层厚度以及剥离面积分别构建岭回归模型得到回归模型系数，将其他非形态特征因素分别乘以回归模型系数获得预测值；

52、(2)将干旱区的各评价指标的数值构建的原始的数值矩阵中的剥离形态特征的真实值用预测值代替，再通过秩和比评价法得出新的评价结果为预测结果；

53、(3)分析比较预测结果与真实结果：使用spss软件通过配对样本t检验进行岭回归模型拟合度检验。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果：选取与片状剥离病害相关的因素建立基本的评价指标体系；利用决策实验室分析法对各评价指标进行主观权重的赋权，同时考虑多个因素，并将这些因素以及它们之间的关系量化，从而反应出不同因素之间的相对重要性和程度，同时通过图表和图形的形式将数据和结果进行可视化展示，可视化分析能更直观地表示因素之间的相互关系。本发明利用各实际数值通过独立权系数法确定第一客观权重，根据各评价指标与其他指标之间的共线性强弱来确定指标权重，避免了主观因素的影响，保证了权重确定的客观性并且得出的结果具有清晰的可解释性，能够明确地看出每个指标的贡献程度和相对独立性，有助于指导决策和评估指标的重要性。本发明利用反熵权法确定第二客观权重，能够避免因指标间高度相关而产生的权重冲突且在计算权重时考虑了各评价指标之间的相关性，因此能够有效地抗噪声干扰；平均主观权重与各客观权重得到组合权重，通过采用组合权重一方面减少由于主观判断造成主观因素的误差，另一方面提高客观权重的稳定性，避免单一权重的直接影响，提高权重的可靠度；在组合权重的基础上通过秩和比综合评价法rsr对各地区进行分类与评价，以非参数法为基础对评价指标的选择无特殊要求，适用于各种评价对象，由于计算时使用的数值是秩次，可以消除异常值的干扰；构建岭回归模型，通过输入相关的指标参数对片状剥离病害发育程度进行预测，对于未展现出片状剥离形态特征或特征不明显的土遗址采用该预测方法有利于对土遗址进行及时保护。本发明通过采用各种赋权方法计算出综合权重，提高了秩和比综合评价法对各地区片状剥离发育程度进行分类评价的准确度。