一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法

1.本发明涉及土遗址病害侵蚀发育引发的土遗址赋存安全和科学保护的技术领域，尤其涉及一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，基于夯土遗址冲沟侵蚀发育的冲沟发育龄期、形态特征参数、土体内在性质和赋存环境因素对夯土遗址冲沟侵蚀发育程度进行综合评价及预测。


背景技术：

2.土遗址是赋存在岩石圈表面人类历史的重要遗存形式，是历史文化信息的重要载体和受环境改造最为直接的岩土体。尤其在我国西北地区，由于独特的气候条件使大量土遗址建筑得以赋存，如明长城遗址、尼亚遗址、米兰遗址和交河故城等。然而随着时间的延续和赋存环境的改变，使土遗址产生由病害发育到消失殆尽的量变到质变的劣化过程，对遗址赋存安全带来极大隐患，而其中遗址冲沟病害的发育所导致的遗址表面水土流失最为严重。西北地区早晚温差较大，调查遗址点所处地域的年均气温变化范围5.4～9.0℃，年平均气温相对较低。而随着气温升高，温差变大，遗址表面土体干缩性加剧，尤其遗址顶部受外界环境的影响最为敏感，易在遗址顶部形成低洼地带，为顶部汇水作用提供了便利条件，从而易于发生冲沟侵蚀。
3.因此，及时、有效地开展遗址冲沟侵蚀发育程度的评价及预测工作是土遗址科学保护领域不可或缺的重要前提。国内外对于土遗址病害的评价和预测工作鲜少报道，已有的少量研究更多的基于单方面因素展开，而遗址病害的发育是受环境因素与土体性质综合作用的结果，多方面因素联动研究的缺失降低了遗址病害侵蚀发育程度评价的准确性和预测结果的科学性。而目前，对于土遗址冲沟病害侵蚀发育程度的评价和预测工作只是初步探索阶段，尚鲜有报道。尤其是基于遗址冲沟侵蚀发育的形态特征参数、赋存遗址土体的基本性质和环境因素综合作用下的土遗址冲沟侵蚀发育程度评价和预测工作尚未开展。


技术实现要素：

4.针对目前缺少对土遗址冲沟病害发育的科学客观评价的技术问题，本发明提出一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，基于实地调查统计得到的土遗址冲沟侵蚀发育的形态特征参数，提出综合表征土遗址冲沟侵蚀发育程度的特征指标，以此特征指标作为冲沟侵蚀发育程度的真实值，用以准确评价不同地区遗址冲沟真实侵蚀发育程度，解决了后续预测模型无法进行精准量化评价的问题。同时，结合遗址土体自身性质和赋存环境构建影响因素预测评价模型，在充分考虑主客观组合权重法赋权基础上，引入可拓学理论对研究区域的冲沟病害侵蚀发育程度进行多因素评价，实现对遗址冲沟病害侵蚀发育程度的快速评价和预测，提高了遗址冲沟病害治理的有效性和可控性。同时，本发明为土遗址抢险加固工程方案的优选提供了便捷、高效和科学方法，为土遗址赋存建筑得到及时有效的保护赢得了宝贵时间。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种夯土遗址冲沟病害发
育程度评价及预测方法，其步骤如下：
6.步骤s1：选取与冲沟病害发育程度直接相关的冲沟发育指标，评价指标包括：冲沟发育龄期和形态特征参数；选取与冲沟病害侵蚀发育程度相关的影响因素指标，影响因素指标包括：遗址土体水理性质、遗址土体物理性质、遗址土体力学性质和自然环境特征；
7.步骤s2：根据冲沟发育龄期和形态特征指标参数，利用多层次频率响应分析法确定冲沟病害综合侵蚀发育度，继而确定冲沟病害发育程度的评价等级；
8.步骤s3：通过层次分析法计算各影响因素指标的主观权重，分别利用改良熵值法、critic法、优化critic法计算影响因素指标的客观权重，通过等权重加权平均处理主观权重和客观权重得到各影响因素指标的综合权重；
9.步骤s4：根据s3中求解的各影响因素指标的主观权重、客观权重以及综合权重，结合可拓学理论构建步骤s2中各影响因素指标的关联度函数，求解影响因素指标的综合关联度及级别量变特征值，根据级别量变特征值确定冲沟病害发育程度的评价等级ii；
10.步骤s5：以步骤s2中通过冲沟发育指标得到的评价等级作为真实对照指标，对比验证步骤s4中通过影响因素指标得到的评价等级ii，检验影响因素指标的预测率及预测结果的精确度；选取优化critic法计算的客观权重和主观权重通过等权重加权平均处理得到综合权重，重复步骤s4对遗址冲沟病害侵蚀发育程度进行评价和预测。
11.优选地，所述冲沟发育龄期包括幼早期、成熟型过渡期、成熟期、衰退型过渡期和衰退期；所述冲沟形态指标参数包括面蚀因子和底蚀因子；所述遗址土体水理性质包括土体崩解速率，遗址土体物理性质包括土体密度和孔隙率，遗址土体力学性质包括土体抗压强度；所述自然环境特征包括年均温度、年均降雨量、年均蒸发量。
12.优选地，利用多层次频率响应分析法(h-fra)构建多层次结构模型，通过概率图法求解多层次结构模型的各层次指标的侵蚀概率，根据侵蚀概率得到不同地区遗址的冲沟综合发育度并经归一化处理得到评分值，利用评分值实现对不同地区遗址冲沟发育程度的评价。
13.优选地，所述多层次结构模型包括基本层、决策层、理想层，理想层为冲沟综合发育度g；决策层为冲沟的发育龄期，包括幼早期b1、成熟型过渡期b2、成熟期b3、衰退型过渡期b4和衰退期b5；基本层包括面蚀因子c1和底蚀因子c2；以评价指标所拥有的最大可能侵蚀概率为原则，可得各层评价指标的侵蚀概率；
14.所述冲沟病害综合发育度度为：
[0015][0016]
其中，g表示某一地区冲沟综合发育度；l表示某一地区不同龄期冲沟发育的数量；α表示修正系数；对冲沟综合发育度g进行修正，使其取值范围在(0,1)之间；p(c
mq
)表示基本层的评价指标的侵蚀概率，c
mq
表示处于某个发育龄期的面蚀因子或底蚀因子，m＝1,2，q＝1,2,3,4,5；当m＝1时，表示此因子属于面蚀因子类，当m＝2时，表示此因子属于底蚀因子类；q＝1,2,3,4,5时，分别表示冲沟的发育处于幼早期阶段、成熟型过渡期阶段、成熟期阶段、衰退型过渡期阶段和衰退期阶段；p(bq)表示决策层的评价指标的侵蚀概率，bq表示冲沟的第q个发育龄期；
[0017]
根据求得的冲沟病害综合发育度，对其进行归一化处理，使冲沟发育程度的评分
值d分布在(0～1)之间，并根据评分值将某一地区遗址的冲沟发育程度等级划分为5个等级：d∈[0,0.10]为极低发育，d∈(0.10,0.30]为低发育区，d∈(0.30,0.60]为中等发育区，d∈(0.60,0.80]为高发育区，d∈(0.80,1.00]为极高发育区。
[0018]
优选地，所述综合权重μ为：
[0019][0020]
其中，h
2i
表示指标层的第i个影响因素指标的主观权重，w
3i
表示优化critic法求得的第i个影响因素指标的客观权重，n2表示影响因素指标的种类个数。
[0021]
优选地，利用层次分析法计算各影响因素指标的主观权重的方法为：
[0022]
1)建立层次分析的ahp模型，包括目标层、准则层、指标层，其中目标层为冲沟病害侵蚀发育程度；准则层包括遗址土体水理性质e1、遗址土体力学性质e2、遗址土体物理性质e3和自然环境特征e4；指标层包括崩解速率f1、土体抗压强度f2、土体密度f3、土体孔隙率f4、年均温度f5、年均降雨量f6、年均蒸发量f7；
[0023]
2)通过专家打分构建指标层的判断矩阵a2，计算得到指标层的影响因素指标的主观权重h
2i
和最大特征根λ2max分别为：
[0024][0025][0026]
其中，a
if
为指标层判断矩阵a2中的第i种影响因素指标相对于第f种影响因素指标的打分值，n2为判断矩阵a2的阶数即影响因素指标的种类个数。
[0027]
优选地，利用优化的critic法计算各影响因素指标的客观权重的方法为：
[0028]
1)对正向或负向的影响因素指标x
ij
进行标准化处理，得到无量纲化的影响因素指标t
ij
；
[0029]
2)计算第i个影响因素指标的数据波动性和离散性：
[0030][0031]
其中，si是第i个影响因素指标的数据波动性，ei是第i个影响因素指标的信息熵，t
ij
为标准化后的第i个影响因素指标下第j个样本，n1为研究地点的总个数，为每种标准化影响因素指标的平均值；
[0032]
3)计算数据冲突性：对影响因素指标的相关性进行计算得到相关关系矩阵，根据
相关关系矩阵计算数据冲突性为：
[0033]
4)计算数据信息量：qi＝(si+ei)
×
oi；
[0034]
5)计算第三客观权重：
[0035]
11.根据权利要求7所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述第i个影响因素指标的信息熵为：
[0036]
其中，y
ij
表示数据无量纲化后第i个影响因素指标下第j个样本占该影响因素指标的比重
[0037]
所述相关关系矩阵r＝(r
ij
)
n2
×
n2
，且指标元素
[0038]
其中，r
ij
表示相关矩阵中的指标元素；t
ij
和t
kj
为标准化后的不同的影响因素指标；和为每种标准化影响因素指标的平均值；
[0039]
根据相关关系矩阵r计算数据冲突性：
[0040]
优选地，所述步骤s4的实现方法为：
[0041]
a1.指标层和准则层的可拓评价：
[0042]
1)确定指标层或准则层的经典域：
[0043][0044]
其中，nz表示所划分的z个效果等级，z＝1,2,
…
s，s为划分效果等级的总类别个数，fg表示所属效果等级nz的指标层或准则层的影响因素评价指标，g＝1,2,
…
,n2，n2为影响因素指标的总个数，x
zg
为效果等级nz关于影响因素指标fg所规定的量值范围，《a
zg
,b
zg
》为各效果等级量值范围的标准化范围结果，a
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最小值，b
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最大值；
[0045]
2)确定指标层或准则层的节域：
[0046][0047]
其中，p表示效果等级的全体，x
pg
为p关于影响因素指标fg所规定的量值范围全体，并对量值范围取值结果进行标准化处理得到《a
pg
,b
pg
》，a
pg
为标准化范围全体取值的最小值，b
pg
为标准化范围全体取值的最大值；
[0048]
3)确定指标层或准则层的待评物元矩阵：
[0049][0050]
其中，p0表示待评标的物，即目标层是相对于准侧层的待评标的物，准则层是相对于指标层的待评标的物，xg为p0关于影响因素指标fg的量值；
[0051]
4)计算指标层或准则层单一指标的关联度：
[0052][0053]
其中，
[0054]
则最终多因素综合关联度为：
[0055]
其中，kz(p0)是多因素综合关联度，w是各结构层级不同权重求解方法下的影响因素指标权重，kz(xg)是单一影响因素指标的关联度，ρ(xg,x
zg
)是各效果评价等级经典域的中心距，ρ(xg,x
pg
)是各效果评价等级全体节域的中心距；
[0056]
5)求解指标层或准则层级别量变特征值：
[0057][0058]
其中，
[0059]
其中，j
*
为待评标的物所属分类等级各结构层的级别量变特征值；为多因素
综合关联度所属等级的归一化数值，max[kz(p0)]为多因素综合关联度所属等级的最大值，min[kz(p0)]为多因素综合关联度所属等级的最小值；
[0060]
a2.目标层的可拓评价：根据准则层求得的待评标的物的级别量变特征值即遗址冲沟发育程度的级别量变特征值进行归一化计算，同时对照已建立的冲沟发育程度评价等级分类标准，对目标层进行评价预测。
[0061]
优选地，所述预测率为：其中，nc为预测结果正确的研究地点个数，(1-nc)为预测结果错误的研究地点个数，n1为研究地点总个数。
[0062]
与现有技术相比，本发明的有益效果：基于遗址冲沟发育指标、赋存自然环境特征和土体自身内在性质对夯土遗址冲沟病害发育程度进行评价、预测，提出高预测率和高精度的评价预测方法，提高冲沟病害治理的有效性、可控性。为土遗址抢险加固工程方案的优选提供了便捷、高效和科学的方法。
[0063]
1.充分考虑了人为主观偏差、数据的波动性、冲突性和离散性问题，采用主客观权重组合方式对冲沟病害评价指标进行综合赋权。
[0064]
2.充分考虑土遗址冲沟病害侵蚀发育程度与基本发育指标间的响应关系，构建出基于发育指标来真实反应不同地区冲沟侵蚀发育程度的多层次结构模型，为后续其他评价、预测方法的使用和模型预测率、精确度检验提供了对比标准。
[0065]
3.在本发明中，基于易于获得的土体性质指标和环境因素指标得到的结合主客观综合赋权的多层次可拓学评价模型对其他干旱地区的土遗址冲沟病害同样可以进行定量评价和预测预警，为土遗址抢险加固工程方案的的优选提供了便捷、高效的科学方法。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0067]
图1为本发明的流程示意图。
[0068]
图2为本发明h-fra方法的评价层次结构模型示意图。
[0069]
图3为本发明h-fra方法的发育指标权重概率图。
[0070]
图4为本发明具体以老师兔遗址为例，计算发育指标的权重概率图。
[0071]
图5为本发明ahp方法的评价层次结构模型示意图。
[0072]
图6为本发明h-fra模型实际评分值与多层次可拓学模型预测评分值的对比图。
具体实施方式
[0073]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074]
如图1所示，一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，本实施例以夯土遗
址冲沟病害为例，首先通过冲沟病害发育龄期和形态特征参数提出冲沟综合发育度指标用以衡量各地区冲沟的真实侵蚀发育程度，其次通过土体自身基本性质试验获得土体的基本性质指标并收集研究区域自然环境因素，分析冲沟赋存地区土体的基本性质与环境因素协同响应关系，建立因素评价模型并共同定量评价及预测其病害发育程度等级，具体步骤如下：
[0075]
步骤s1：选取与冲沟病害发育程度直接相关的冲沟发育指标作为发育指标评价体系，冲沟评价指标包括：冲沟发育龄期和形态特征参数。其中冲沟发育龄期包括幼早期、成熟型过渡期、成熟期、衰退型过渡期和衰退期；冲沟形态参数包括面蚀因子和底蚀因子。
[0076]
同时选取与冲沟病害侵蚀发育程度相关的影响因素指标作为因素指标评价体系，影响因素指标包括：遗址土体水理性质、遗址土体物理性质、遗址土体力学性质和自然环境特征。其中遗址土体水理性质包括土体崩解速率、遗址土体物理性质包括土体密度和孔隙率、遗址土体力学性质包括土体抗压强度；自然环境特征包括年均温度、年均降雨量、年均蒸发量。
[0077]
本实施例中选取西北地区15处不同区域、不同朝代和不同建筑型制典型研究遗址点与评价指标数据见表1、表2、表3所示，其中表1为典型遗址点的详尽信息，表2为典型遗址点与冲沟发育指标，由于15处遗址冲沟发育数量较多，以极端干旱区的宋代城堡老师兔遗址为例进行说明；表3为典型遗址点与影响因素指标。
[0078]
表1典型遗址点的详尽信息
[0079][0080]
表2典型遗址点与冲沟发育指标
[0081]
[0082]
表3典型遗址点与冲沟因素指标
[0083][0084]
冲沟发育龄期是指冲沟在整个发育过程中所处的发育阶段，从开始发育到冲沟消亡冲沟共经历了幼早期、成熟型过渡期、成熟期、衰退型过渡期和衰退期五个阶段。随着龄期的增加，冲沟侵蚀发育程度增大。幼早期冲沟发育主要以顶部沟头侵蚀为主，墙面无明显的径流痕迹，面蚀作用和底蚀作用较弱。成熟型过渡期冲沟沟头继续发育，墙面开始出现径流，以单一的面蚀作用或底蚀作用为主，成熟期冲沟已经具有明显的冲沟形态，面蚀和底蚀作用较强烈。衰退型过渡期冲沟，以单一的面蚀作用或底蚀作用为主，一种是沿墙面方向冲沟高度发育，而沿侵蚀深度方向侵蚀较弱；另一种是沿侵蚀深度方向高度发育，甚至贯穿本体墙体，而沿墙面方向发育较弱。衰退期冲沟沿墙面方向和侵蚀深度方向基本发育完全，面蚀和底蚀作用达到最大，甚至直接导致部分遗址段落消亡。上述冲沟发育龄期是冲沟侵蚀发育程度在时间上的度量，冲沟发育越接近衰退期，说明单条冲沟发育程度越大，将一个地区所有的冲沟进行龄期分类是必要的，这样将一个地区所有处于不同发育龄期的冲沟累加，才能进一步去评价这个地区的冲沟发育程度。
[0085]
冲沟形态特征指标参数是指能反应冲沟侵蚀形态的物理量。沿遗址墙面方向侵蚀发育的形态特征参数用面蚀因子表示，面蚀因子是表征冲沟沿墙体沟长和沟宽方向的单沟侵蚀程度指标，面蚀因子越大，遗址冲沟沿墙面方向的侵蚀程度越大。沿垂直于遗址墙面方向侵蚀发育的形态特征参数用底蚀因子表示，底蚀因子是表征冲沟沿墙体沟深方向的单沟侵蚀程度指标，底蚀因子因子越大，遗址冲沟沿垂直墙面方向的侵蚀程度越大。面蚀因子和底蚀因子是基于最根本的测量指标所提出的能反应单沟侵蚀程度的形态特征无量纲参数。上述冲沟发育龄期是冲沟侵蚀发育程度在时间上的度量，冲沟发育越接近衰退期，说明单条冲沟发育程度越大，将一个地区所有的冲沟进行龄期分类是必要的，这样将一个地区所有处于不同发育龄期的冲沟累加，才能进一步去评价这个地区的冲沟发育程度。
[0086]
遗址土体水理性质是指土颗粒遇水后所发生的一系列复杂作用过程。其中，土体崩解速率是土体水理性质中最具代表性的。崩解速率是指单位时间土体在水中崩解质量的大小，单位为g/s。崩解速率越大，同等条件下遗址墙体表面水土流失越严重。遗址土体力学性质是指土体受外力作用而发生变形的性质。抗压强度是土体结构性质的典型代表，是原状土块抵抗外力使其破碎的阻力，单位是mpa。抗压强度越大，土体承受外界荷载的能力越
强，遗址土体的整体稳定性越好。遗址土体的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。其中土体密度是土体质量与体积比，单位是g/cm3；土体孔隙率是指土体结构中孔隙体积占整体土体体积比例大小，是无量纲参数。通常情况下，土体密度越大，孔隙率越小，土体结构性越好，抵抗外界破坏的能力越强，在降雨作用下越不容易使遗址墙体发生水土侵蚀。上述选取的内在性质指标是影响冲沟发育程度的最主要的内在影响因素，已有相关研究表明，西北地区众多遗址病害的侵蚀发育是受环境因素与内在性质综合作用的结果，而土体内在性质对遗址病害的发育影响更为主要，但环境因素是病害发育启动的必要因子。
[0087]
调查遗址点的年均降雨量变化范围为41～304mm，其中极端干旱区在41～90mm，干旱区在131～169mm，半干旱区在203～304mm。由于西北西北干旱区气候较为极端，降雨多以集中降雨为主，对遗址墙体冲刷比较剧烈，使得已有冲沟病害发育严重且易产生新冲沟病害。
[0088]
调查遗址点所处地域的年均蒸发量变化范围843～1312mm，由于西北干旱区域气候干燥，在集中式降雨后极度干燥气候使得蒸发量骤增，出现夯土遗址墙体中水盐运移现象，使易溶盐结晶析出造成墙体盐渍化，进一步的晶胀现象诱发墙体冲沟病害发育。
[0089]
元素为正向指标使夯土遗址具有抵御劣化的能力，例如抗压元素指标越大表明夯土遗址力学性质越好、强度越大，墙体抵御外界破坏能力越强，夯土遗址越坚固。元素为负向指标使夯土遗址劣化加剧，例如降雨指标，负向指标越大造成夯土遗址劣化越强烈。本发明选择评价指标同时存在正负向指标，较为全面的考虑到与遗址冲沟侵蚀发育程度相关的各种因素，更加符合多种因素作用下的冲沟侵蚀发育程度评价主题。但由于数据量大且单位不一致，数据表征不同属性(单位不同)的各特征之间才有可比性，在评价前需要对数据无量纲处理，数据归一化处理中正向、负向指标计算公式不一样，选择计算公式上也需要区分正负指标。
[0090]
其中，由冲沟发育指标构建的典型研究区域冲沟病害发育程度评价体系见表4所示；由冲沟因素指标构建的典型研究区域冲沟病害发育程度评价体系见表5所示，并通过经验总结归纳对各评价指标的方向性进行判别。
[0091]
表4发育指标评价结构表
[0092][0093]
表5因素指标评价结构表
[0094][0095]
步骤s2：根据冲沟发育龄期和形态特征指标参数，利用多层次频率响应分析法(h-fra)和概率图法确定冲沟病害综合侵蚀发育度，根据冲沟病害综合侵蚀发育度确定冲沟病害发育程度的评价等级。
[0096]
利用多层次频率响应分析法(h-fra)构建多层次结构模型，通过概率图法求解多层次结构模型的各层次指标的侵蚀概率，根据侵蚀概率得到不同地区遗址的冲沟综合发育度并经归一化处理得到评分值，利用评分值实现对不同地区遗址冲沟发育程度的评价。多层次频率响应分析法(h-fra)的具体实现方法为：
[0097]
1)利用多层次频率响应分析法(h-fra)构建多层次结构模型，如图2所示，多层次结构模型包括基本层、决策层、理想层。基本层包括面蚀因子c1和底蚀因子c2；；决策层为冲沟发育龄期，包括幼早期b1、成熟型过渡期b2、成熟期b3、衰退型过渡期b4和衰退期b5；理想层为冲沟综合侵蚀发育度g。
[0098]
2)通过概率图法求解多层次结构模型的各层指标的侵蚀概率。15处遗址冲沟发育指标数据的概率图如图3所示，以老师兔遗址为例进行计算，概率图如图4所示。
[0099]
由图4可知，老师兔遗址共发育冲沟11条，冲沟发育处于幼早期、成熟型过渡期和衰退型过渡期3个阶段。以评价指标所拥有的最大可能侵蚀概率为原则，基本层中处于幼早期冲沟的面蚀因子侵蚀概率p(c
11
)＝0.3，底蚀因子侵蚀概率p(c
21
)＝0.3；处于成熟型过渡期冲沟的面蚀因子侵蚀概率p(c
12
)＝0.4，底蚀因子侵蚀概率p(c
22
)＝0.4；处于衰退型过渡期冲沟的面蚀因子侵蚀概率p(c
14
)＝0.4，底蚀因子侵蚀概率p(c
24
)＝0.4。决策层中冲沟处于幼早期的侵蚀概率p(b1)＝0.3
×
0.3＝0.09；处于成熟型过渡期的侵蚀概率p(b2)＝0.3
×
0.4＝0.12；处于衰退型过渡期的侵蚀概率p(b4)＝0.7
×
0.3＝0.21。
[0100]
3)根据侵蚀概率，计算冲沟病害综合侵蚀发育度：
[0101][0102]
其中，g表示某一地区冲沟病害综合发育度；l表示某一地区不同龄期冲沟发育的数量；p(c
mq
)表示基本层的评价指标的侵蚀概率，c
mq
表示处于某个发育龄期的面蚀因子或底蚀因子，m＝1,2，q＝1,2,3,4,5；当m＝1时，表示此因子属于面蚀因子类，当m＝2时，表示此因子属于底蚀因子类；q＝1,2,3,4,5时，分别表示冲沟的发育处于幼早期阶段、成熟型过渡期阶段、成熟期阶段、衰退型过渡期阶段和衰退期阶段；p(bq)表示决策层的评价指标的侵蚀概率，bq表示冲沟的第q个发育龄期。例：b1表示冲沟处于幼早期，p(b1)表示冲沟发育阶段处于幼早期的侵蚀概率。α表示修正系数，与遗址赋存的完整程度相关，当类比不同地区遗址冲沟综合发育度时，应在同一赋存范围维度下比较，因此对冲沟综合发育度进行修正，以保证g的取值范围在(0,1)之间。所调查15处遗址以回回城赋存范围为基准进行修正，可
得不同地区修正系数α取值如下表6所示。
[0103]
表6典型遗址点修正系数α
[0104][0105]
将相关数据代入公式(1)对老师兔遗址冲沟综合发育度进行相关计算如下：g＝0.326{(0.2955
×
0.3+0.2
×
0.3)
×
0.09+(0.2402
×
0.3+0.6667
×
0.4)
×
0.12+(0.2778
×
0.3+0.1111
×
0.3)
×
0.09+(0.2482
×
0.3+0.5
×
0.4)
×
0.12+(0.186
×
0.3+0.5455
×
0.4)
×
0.12+(0.208
×
0.7+0.929
×
0.3)
×
0.21+(0.0247
×
0.3+0.0167
×
0.3)
×
0.09+(0.0316
×
0.3+0.0238
×
0.3)
×
0.09+(0.0396
×
0.3+0.0161
×
0.3)
×
0.09+(0.0415
×
0.3+0.0179
×
0.3)
×
0.09+(0.046
×
0.3+0.0268
×
0.3)
×
0.09}＝0.074
[0106]
采取上述方法，对其余14处遗址的冲沟综合发育度进行计算，最终求得15处遗址冲沟综合发育度g结果如下表7所示。
[0107]
表7典型遗址冲沟综合发育度g
[0108][0109][0110]
4)对冲沟综合发育度进行归一化处理得到评分值，利用评分值进行冲沟分级评价。
[0111][0112]
其中，d表示冲沟发育程度的评分值，g表示冲沟病害综合发育度，maxg表示不同研究地区遗址冲沟病害综合发育度的最大值，ming表示不同研究地区遗址冲沟病害综合发育度的最小值。
[0113]
根据公式(2)对遗址冲沟综合发育度指标进行归一化处理计算评分值d，使其值分布在(0,1)之间，并以此将遗址冲沟病害发育程度在(0,1)区间内划分5个评价等级，分别为极低发育区(ⅰ级)、低发育区(ⅱ级)、中等发育区(ⅲ级)、高发育区(ⅳ级)和极高发育区(
ⅴ
级)，如表8所示。当评分值d∈[0,0.10]，研究区域为极低发育区；当评分值d∈(0.10,0.30]，研究区域为低发育区；当评分值d∈(0.30,0.60]，研究区域为中等发育区；当评分值d∈(0.60,0.80]，研究区域为高发育区；当评分值d∈(0.80,1.00]，研究区域为极高发育区。从冲沟侵蚀发育指标出发，充分考虑了冲沟自身侵蚀特征与侵蚀程度的响应关系，以冲沟直接发育指标建立的评价体系得到的评价结果作为各研究地区冲沟发育程度的真实值，建立适用于夯土遗址冲沟病害发育程度评分等级体系，对夯土遗址冲沟病害治理做科学系统评估，15处研究地区遗址冲沟评价结果如表9所示。
[0114]
表8夯土遗址冲沟病害发育程度分级划分标准
[0115][0116]
表9夯土遗址冲沟病害发育程度评价结果
[0117][0118][0119]
步骤s3：根据因素指标评价体系中的遗址夯土自身性质和自然环境特征，利用层次分析法(ahp)根据评价指标构建ahp模型计算主观权重，利用改良熵值法(ewm)确定第一客观权重，利用critic法计算第二客观权重，利用优化critic法计算第三客观权重，通过主客观权重的不同组合形式，利用等权重加权平均处理得到各层次的影响因素指标的综合权重。
[0120]
1.建立层次分析结构。如图5所示。通过层次分析法(ahp)构建ahp模型包括目标层、准则层、指标层，确定主观权重。构建ahp层次结构模型，其中目标层为冲沟病害侵蚀发育程度；准则层包括遗址土体水理性质e1、遗址土体力学性质e2、遗址土体物理性质e3和自然环境特征e4；指标层包括崩解速率f1、土体抗压强度f2、土体密度f3、土体孔隙率f4、年均温度f5、年均降雨量f6、年均蒸发量f7。
[0121]
2.构造判断矩阵：将ahp模型的两两评价指标做比较判断，一个评价指标比另一个评价指标的重要程度通过定量表示，如表10所示判断矩阵的标度a
if
含义，得到判断矩阵a＝(a
if
)n×n，其中n表示矩阵的阶数，例如，准则层有e1、e2、e3、e4四个指标，矩阵的阶数n＝4，构建矩阵就是4
×
4。a
if
指元素i与元素f的重要性比较，具有以下原则：a
if
＞0；a
fi
＝1/a
if
(i≠f)；a
if
＝1(i＝f＝1,2,
…
n)。
[0122]
表10判断矩阵的标度含义
[0123][0124]
3.求解判断矩阵a的主观权重公式如下：
[0125][0126]
其中，hi为评价指标的主观权重，a
if
为判断矩阵a中的第i种评价指标相对于第f种评价指标的打分值，n为判断矩阵a的阶数。
[0127]
4.一致性检验。当一致性比例cr≤0.1时，判断矩阵通过一致性检验。公式如下：
[0128][0129]
其中，ci是一致性指标；ri是平均随机一致性指标，其取值与判断矩阵a的阶数有关，λmax是矩阵a的最大特征根。其中平均随机一致性指标ri的取值如下表11所示。
[0130]
表11ri取值范围表
[0131][0132]
通过专家打分构建准则层的判断矩阵a1，通过公式(3)和公式(4)计算评价指标的主观权重h
1i
和最大特征根λ1max，同时对判断矩阵进行一致性检验，结果见表12所示。
[0133]
表12准则层构建的判断矩阵与权重一致性检验
[0134][0135]
通过专家打分构建准则层的判断矩阵a2，通过公式(3)和公式(4)计算评价指标的主观权重h
2i
和最大特征根λ2max，同时对判断矩阵进行一致性检验，结果见表13所示。
[0136]
表13指标层构建的判断矩阵与权重一致性检验
[0137][0138]
利用改良熵值法计算第一客观权重，熵是不确定信息的一种度量，从指标离散程度角度反映对评价指标的区分程度。熵值越小离散程度越大，该评价指标在评价中影响越大，即权重也越大。计算步骤如下：
[0139]
1.数据标准化。对于正向和负向指标分别选择下式进行数据标准化计算。
[0140]
正向指标：
[0141][0142]
负向指标：
[0143][0144]
其中，t
ij
表示对于正向指标和负向指标标准化后得到的无量纲矩阵元素；x
ij
表示第i个影响因素指标的第j个样本；maxx
ij
表示第i个影响因素指标的第j个样本所在区域范围内最大值；minx
ij
表示第i个影响因素指标的第j个样本所在区域范围内最小值；0.098和0.002是经过线性变换得到的系数，目的是为了使t
ij
的值恒大于0。
[0145]
2.计算第i个影响因素指标下第j个样本占该评价指标的比重：
[0146][0147]
其中，n1表示研究区域的总个数。
[0148]
3.计算第i个影响因素指标的信息熵：
[0149][0150]
其中，y
ij
表示第i个影响因素指标下第j个样本占该影响因素指标的比重。
[0151]
4.计算第i个影响因素指标的信息效用值：
[0152]di
＝1-eiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0153]
5.计算第i个影响因素指标的第一客观权重，如表14所示，公式如下：
[0154][0155]
其中，n2表示评价指标的种类个数。
[0156]
表14熵值法确定客观权重
[0157][0158]
利用critic法计算第二客观权重，critic法在计算客观权重时能有效的考虑到数据之间的冲突性和波动性，并通过信息承载量的计算最终得到各数据的客观权重大小。用优化critic法计算第三客观权重，优化critic法在考虑到数据间冲突性和波动性的同时，引入熵值来进一步反应数据间的离散程度，使数据所反应的信息更为全面。
[0159]
critic法计算步骤如下：
[0160]
1.数据标准化处理：对于正向和负向指标分别利用公式(5)和公式(6)进行数据标准化计算，得到无量纲化的影响因素指标t
ij
。
[0161]
2.计算数据波动性：
[0162][0163]
其中，si是数据波动性指标，t
ij
为标准化后的第i个影响因素指标下第j个样本，n1为研究区域的总个数，为每种标准化影响因素指标的平均值。
[0164]
3.计算数据冲突性。在计算数据冲突性时，需要对评价指标的相关性进行计算，得到相关关系矩阵r，计算公式如下：
[0165][0166]
其中，r表示相关矩阵，r
ij
表示相关矩阵中的指标元素；t
ij
和t
kj
含义相同，为标准化后的评价指标，主要是为了两两对比区分不同类指标；和含义相同，为每种标准化评价指标的平均值，主要是为了两两对比区分不同类指标。
[0167]
而后根据相关关系矩阵计算数据冲突性公式如下：
[0168][0169]
4.计算数据信息量：
[0170]
qi＝si×
oiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0171]
5.计算第二客观权重：
[0172][0173]
遵照上述计算步骤，critic法确定第二客观权重的相关计算结果如表15所示。
[0174]
利用优化critic法计算第三客观权重。critic法存在以下可以改进和完善的地方。(1)相关系数有正有负，对于绝对值相同的相关系数其反映指标间的相关性程度大小应该是一样的，因此在反映指标之间的冲突性时用(1-|r
ij
|)代替原方法中的(1-r
ij
)更合适；(2)critic法虽然能有效考虑指标数据间的冲突性与波动性，但未考虑指标数据间的离散程度，因此引入熵值，使优化后的critic法能够充分考虑指标数据本身的三大属性。计算步骤如下：
[0175]
1.数据标准化：对于正向和负向指标分别利用公式(5)和公式(6)进行数据标准化计算，得到无量纲化的影响因素指标t
ij
；
[0176]
2.计算数据波动性和离散性。
[0177][0178]
其中，si是数据波动性指标，ei是数据的信息熵，t
ij
为标准化后的第i个影响因素指标下第j个样本，n1为研究地点的总个数，为每种标准化评价指标的平均值。
[0179]
3.计算数据冲突性。在计算数据冲突性时，需要对评价指标的相关性进行计算，得到相关关系矩阵r，计算公式如下。
[0180][0181]
其中，r表示相关矩阵，r
ij
表示相关矩阵中的指标元素；t
ij
和t
kj
含义相同，为标准化后的评价指标，主要是为了两两对比区分不同类指标；和含义相同，为每种标准化评价指标的平均值，主要是为了两两对比区分不同类指标。
[0182]
而后根据相关关系矩阵计算数据冲突性公式如下：
[0183][0184]
4.计算数据信息量：
[0185]
qi＝(si+ei)
×
oiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0186]
5.计算第三客观权重：
[0187][0188]
遵照上述计算步骤，优化critic法确定第三客观权重的相关计算结果如表15所
示。
[0189]
表15 critic法和优化critic法确定客观权重
[0190][0191][0192]
层次分析法(ahp)确定了主观权重，改良熵值法(ewm)、critic法和优化后的critic法分别确定了第一客观权重、第二客观权重和第三客观权重，但是层次分析法的专家打分主观赋权容易产生主观偏差，改良熵值法更关注于数据离散程度，critic法关注于数据的波动性和冲突性，优化后的critic法兼顾数据的离散性、波动性和冲突性。4种方法各有利弊，为了避免主观偏差、避免数据质量或者完整度的客观偏差等问题，采用主客观等权重加权平均的方法将4种方法进行组合，具体以层次分析法(ahp)与优化critic法进行组合，该方法兼顾了单独4种方法的优势，既包含主客观权重，同时又能充分体现数据的离散性、波动性和冲突性，从而得到夯土遗址冲沟病害发育程度评价指标的组合综合权重如表16所示，利用如下公式：
[0193][0194]
其中，h
2i
表示指标层的主观权重，w
3j
表示优化critic法的客观权重。
[0195]
组合权重的优点：
①
权重组合兼顾主观和客观权重的优点，避免了自身存在的缺点；
②
权重的组合方法是一种加权平均的方法避免出现权重极大或者极小赋值情况，考虑了每一个评价因子的重要性；
③
组合权重+可拓学评价方法相比较与单一权重+可拓学评价方法对冲沟病害发育实际情况更接近，评价精度更高，对后期冲沟病害保护措施有一定指导作用。
[0196]
表16确定主客观组合综合权重
[0197][0198]
从组合综合权重排序可以看出，崩解速率对冲沟病害发育的影响严重程度最高，其次为土体孔隙率和年均降雨量，而年均蒸发量影响最小。在冲沟的发育过程中，主要表现为遗址土体的水土流失，而崩解速率是反应土体流失程度的主要指标；土体孔隙率是土体
的结构性指标，孔隙率的大小反应出土体内部的土颗粒空间排列的情况，孔隙率越大，土体内部孔隙越大，当水进入到孔隙时，引发的土体内部开裂程度越大，土体破坏越严重；而降雨是诱发冲沟发育的启动条件，是重要的外界环境因素，当土体内在性质条件相近时，降雨量越大，冲刷破坏越严重。从影响因素指标的组合综合权重的大小排序结果来看，更加符合冲沟发育的实际情况，说明通过主客观赋权后的综合权重具有合理性、适宜性、代表性，可以对干旱研究区夯土遗址冲沟病害发育进行评价。
[0199]
步骤s4：利用可拓学方法，以物元理论和可拓数学作为其理论框架，分别对指标层和准则层的基本评价指标进行求解级别量变特征值来评价冲沟病害发育等级：根据步骤s3确定的组合综合权重计算各评价方案的多因素综合关联度，继而进一步通过求解各层级的级别量变特征值并对结果归一化处理以实现对多个西北干旱区域夯土遗址冲沟病害发育程度进行评价，得到冲沟病害发育等级。
[0200]
1.指标层和准则层的可拓评价。利用表3的影响因素评价和表16不同权重及组合综合权重建立可拓评价体系，共包含5个待评价方案，7个评价指标。下面以指标层的可拓评价计算为例，准则层的可拓计算方法同指标层，最终给出准则层的计算结果。
[0201]
1)确定指标层的经典域
[0202][0203]
其中，nz表示所划分的z个效果(评价)等级，z＝1,2,
…
s，s为划分效果(评价)等级的总类别个数，fg表示所属效果等级nz的指标层或准则层的影响因素评价指标，g＝1,2,
…
,n2，n2为评价指标的总个数，x
zg
为效果等级nz关于影响因素指标fg所规定的量值范围，《a
zg
,b
zg
》为各效果等级量值范围的标准化范围结果，a
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最小值，b
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最大值。
[0204]
根据实地调查的冲沟发育情况统计结果，将冲沟发育程度分为5个等级，分别为极低发育区(ⅰ级)、低发育区(ⅱ级)、中等发育区(ⅲ级)、高发育区(ⅳ级)和极高发育区(
ⅴ
级)。相应的评价指标量值范围同样划分为5个等级，如下表17所示。
[0205]
表17单因素评价指标经典域等级量值范围
[0206]
[0207][0208]
2)确定指标层的节域
[0209][0210]
其中，p表示效果等级的全体，x
pg
为p关于影响因素指标fg所规定的量值范围全体，并对量值范围取值结果进行标准化处理得到《a
pg
,b
pg
》，a
pg
为标准化范围全体取值的最小值，b
pg
为标准化范围全体取值的最大值。
[0211]
所得单因素影响因素指标节域等级量值范围如表18所示。
[0212]
表18单因素影响因素指标节域等级量值范围
[0213][0214]
3)确定指标层待评物元矩阵
[0215][0216]
其中，其中，p0表示待评标的物，即目标层是相对于准侧层的待评标的物，准则层是相对于指标层的待评标的物，xg为p0关于影响因素指标fg的量值；15处遗址指标层待评物元矩阵的量值xi标准化取值如表19所示。
[0217]
表19待评物元矩阵xi标准化取值
[0218]
[0219][0220]
4)计算指标层单一影响因素指标的关联度
[0221][0222]
其中，
[0223]
则最终多因素综合关联度为：
[0224][0225]
其中，kz(p0)是多因素综合关联度，w是各结构层级不同权重求解方法下的影响因素指标权重，kz(xg)是单一影响因素指标的关联度，n2为影响因素指标的种类个数。ρ(xg,x
zg
)是各效果评价等级经典域的中心距，ρ(xg,x
pg
)是各效果评价等级全体节域的中心距。
[0226]
研究地点以老师兔为例，方案权重选择以层次分析法与优化critic法求得的组合权重为例进行计算，在此评价方案中所得老师兔遗址多因素综合关联度计算结果如表20所示，其余地区及评价方案的计算同本例。
[0227]
表20综合关联度计算表
[0228][0229]
5)求解相对应的准则层级别量变特征值
级，d∈(0.10,0.30])、中等发育区(ⅲ级，d∈(0.30,0.60])、高发育区(ⅳ级，d∈(0.60,0.80])和极高发育区(
ⅴ
级，d∈(0.80,1.00])，实现对目标层的评价预测，其中归一化公式为：
[0239][0240]
其中，是归一化后目标层级别量变特征值，同时也是影响因素评价体系冲沟发育程度的预测值；minj
*
是目标层级别量变特征值的最小值，maxj
*
是目标层级别量变特征值的最大值。
[0241]
为了更好的比较因素指标评价模型相对于发育指标模型的准确性和精度，需对所求遗址冲沟发育程度的级别量变特征值进行归一化处理，使其值处于(0,1)之间，最终根据评价目标量变特征值的相对大小对不同地区遗址冲沟发育程度等级进行量化评价。采用ahp层次分析法和优化critic法得到的组合权重评价方案计算结果和发育指标模型计算结果如下表23所示，其余4种单权重评价方案结果如表24所示。
[0242]
表23发育指标模型及多层次组合权重可拓学模型评价结果
[0243][0244]
表24多层次单权重可拓学法评价结果
[0245][0246]
步骤s5，以步骤s2中通过冲沟发育指标得到的评价结果作为真实对照指标，对比
验证步骤s4中通过因素模型得到的预测评价结果，检验因素指标模型的预测率及预测结果的精确度，得出最优评价预测模型。
[0247]
模型预测率计算公式如下：
[0248][0249]
其中，pr为预测模型的预测率，nc为预测结果正确的研究地点个数，(1-nc)为预测结果错误的研究地点个数，n1为研究地点总个数。
[0250]
通过表23、表24的评价结果以及对模型预测率的计算可以发现：(1)ahp+可拓学评价模型、优化critic+可拓学评价模型和组合权重可拓学模型对15个地区遗址冲沟发育程度的预测仅嘉峪关明长城一处地点预报错误，发育指标给出的评价结果为嘉峪关明长城冲沟发育程度处于中等发育区，而以上3种模型预测结果为嘉峪关明长城冲沟发育程度处于高发育区，模型整体预测率达93.33％；(2)改良ewm+可拓学评价模型对15个地区遗址冲沟发育程度的预测有4处地点预报错误，分别为嘉峪关明长城、永昌明长城、玉山城和满城，预测等级分别为高发育区、高发育区、极高发育区和高发育区。而真实的发育指标的评价结果为中等发育区、中等发育区、高发育区和中等发育区，预测模型整体预测率为73.33％。(3)critic+可拓学评价模型对15个地区遗址冲沟发育程度的预测有3处地点预报错误，分别为雷墩子、嘉峪关明长城和永昌明长城，预测等级均为冲沟高发育区。而真实的发育指标的评价结果均为为中等发育区，预测模型整体预测率为80％。以上结果表明ahp+可拓学评价模型、优化critic+可拓学评价模型和组合权重可拓学模型的预测评价准确性要优于critic+可拓学评价模型和改良ewm+可拓学评价模型。但模型精度仍需进一步确认，以选出最优预测评价模型。
[0251]
为了更直观地对比15处研究地点冲沟发育指标评价结果和影响因素指标评价结果的精确差异，评价结果如图6所示。根据mse(均方误差)、rmse(均方根误差)和r2(拟合系数)对模型精度进行检验。其中mse和rmse值越大，误差越大，模型精确度越低；r2越大，预测值和真实值的拟合效果越好，模型精度越高。通过公式(33)-(35)分别对发育指标评价模型和影响因素指标评价模型的精确度进行计算，结果如表25所示。
[0252][0253]
其中，mse为均方误差，其值越大，误差越大，精度越低。n1为研究地点总个数，为因素指标评价预测模型的评分值，di为发育指标评价模型的评分值。
[0254][0255]
其中，rmse为均方根误差，其值越大，误差越大，精度越低。n1为研究地点总个数，为因素指标评价预测模型的评分值，di为发育指标评价模型的评分值。
[0256][0257]
其中，r2为拟合系数，其值越大，拟合相关程度越高，精度越高。n1为研究地点总个数，为因素指标评价预测模型的评价分值，为因素指标评价预测模型的评分值均值，di为发育指标评价模型的评分值。
[0258]
表25精确度检测结果
[0259][0260]
通过图6可以看出预测值与真实值的接近程度。从各预测评价模型的精度可以发现，组合权重+可拓学评价模型的均方误差mse和均方根误差rmse最小、拟合系数r2最大，表明组合权重+可拓学评价模型的精确度最高。综合考虑预测模型的预测率与预测精度，组合权重+可拓学评价模型为最优预测模型，对不同地区冲沟发育程度的预测准确率达93.33％。组合权重集合了主客观权重的优点，同时包含了数据的波动性、冲突性和离散性特征，使预测值和真实值之间的预测精度更高。同时，组合权重的结果表明，土体的崩解速率、孔隙率和年均降雨量对冲沟侵蚀发育程度的影响最为主要，这与实际情况和一些学者的研究结论相一致，冲沟的侵蚀发育程度是土体内在性质与外界环境综合作用的结果，其中年均降雨量指标是冲沟发育的启动条件，而土体自身的性质崩解速率、孔隙率是影响遗址水土流失程度的主要原因。因此利用主客观综合权重结合可拓学理论，从影响因素角度出发，此预测评价方法可以揭示西北干旱区夯土遗址冲沟病害发育的真实情况，找到影响病害发育主要内因和外因，从而采取相应的保护措施对遗址本体进行科学系统的保护，将该方法应用到夯土遗址冲沟病害发育评价问题中具有一定的准确性和合理性。同时，实现了仅依托因素指标对遗址冲沟病害侵蚀发育程度的快速评价和预测，为土遗址抢险加固工程方案的优选提供了便捷、高效和科学的方法，为土遗址赋存建筑得到及时有效的保护赢得了宝贵时间。
[0261]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，其步骤如下：步骤s1：选取与冲沟病害发育程度直接相关的冲沟发育指标，评价指标包括：冲沟发育龄期和形态特征参数；选取与冲沟病害侵蚀发育程度相关的影响因素指标，影响因素指标包括：遗址土体水理性质、遗址土体物理性质、遗址土体力学性质和自然环境特征；步骤s2：根据冲沟发育龄期和形态特征指标参数，利用多层次频率响应分析法确定冲沟病害综合侵蚀发育度，继而确定冲沟病害发育程度的评价等级；步骤s3：通过层次分析法计算各影响因素指标的主观权重，分别利用改良熵值法、critic法、优化critic法计算影响因素指标的客观权重，通过等权重加权平均处理主观权重和客观权重得到各影响因素指标的综合权重；步骤s4：根据s3中求解的各影响因素指标的主观权重、客观权重以及综合权重，结合可拓学理论构建步骤s2中各影响因素指标的关联度函数，求解影响因素指标的综合关联度及级别量变特征值，根据级别量变特征值确定冲沟病害发育程度的评价等级ii；步骤s5：以步骤s2中通过冲沟发育指标得到的评价等级作为真实对照指标，对比验证步骤s4中通过影响因素指标得到的评价等级ii，检验影响因素指标的预测率及预测结果的精确度；选取优化critic法计算的客观权重和主观权重通过等权重加权平均处理得到综合权重，重复步骤s4对遗址冲沟病害侵蚀发育程度进行评价和预测。2.根据权利要求1所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述冲沟发育龄期包括幼早期、成熟型过渡期、成熟期、衰退型过渡期和衰退期；所述冲沟形态指标参数包括面蚀因子和底蚀因子；所述遗址土体水理性质包括土体崩解速率，遗址土体物理性质包括土体密度和孔隙率，遗址土体力学性质包括土体抗压强度；所述自然环境特征包括年均温度、年均降雨量、年均蒸发量。3.根据权利要求2所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，利用多层次频率响应分析法构建多层次结构模型，通过概率图法求解多层次结构模型的各层次指标的侵蚀概率，根据侵蚀概率得到不同地区遗址的冲沟综合发育度并经归一化处理得到评分值，利用评分值实现对不同地区遗址冲沟发育程度的评价。4.根据权利要求3所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述多层次结构模型包括基本层、决策层、理想层，理想层为冲沟综合发育度g；决策层为冲沟的发育龄期，包括幼早期b1、成熟型过渡期b2、成熟期b3、衰退型过渡期b4和衰退期b5；基本层包括面蚀因子c1和底蚀因子c2；以评价指标所拥有的最大可能侵蚀概率为原则，可得各层评价指标的侵蚀概率；所述冲沟病害综合发育度度为：其中，g表示某一地区冲沟综合发育度；l表示某一地区不同龄期冲沟发育的数量；α表示修正系数；对冲沟综合发育度g进行修正，使其取值范围在(0,1)之间；p(c
mq
)表示基本层的评价指标的侵蚀概率，c
mq
表示处于某个发育龄期的面蚀因子或底蚀因子，m＝1,2，q＝1,2,3,4,5；当m＝1时，表示此因子属于面蚀因子类，当m＝2时，表示此因子属于底蚀因子类；q＝1,2,3,4,5时，分别表示冲沟的发育处于幼早期阶段、成熟型过渡期阶段、成熟期阶段、衰
退型过渡期阶段和衰退期阶段；p(b
q
)表示决策层的评价指标的侵蚀概率，b
q
表示冲沟的第q个发育龄期；根据求得的冲沟病害综合发育度，对其进行归一化处理，使冲沟发育程度的评分值d分布在(0～1)之间，并根据评分值将某一地区遗址的冲沟发育程度等级划分为5个等级：d∈[0,0.10]为极低发育，d∈(0.10,0.30]为低发育区，d∈(0.30,0.60]为中等发育区，d∈(0.60,0.80]为高发育区，d∈(0.80,1.00]为极高发育区。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述综合权重μ为：其中，h
2i
表示指标层的第i个影响因素指标的主观权重，w
3i
表示优化critic法求得的第i个影响因素指标的客观权重，n2表示影响因素指标的种类个数。6.根据权利要求5所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，利用层次分析法计算各影响因素指标的主观权重的方法为：1)建立层次分析的ahp模型，包括目标层、准则层、指标层，其中目标层为冲沟病害侵蚀发育程度；准则层包括遗址土体水理性质e1、遗址土体力学性质e2、遗址土体物理性质e3和自然环境特征e4；指标层包括崩解速率f1、土体抗压强度f2、土体密度f3、土体孔隙率f4、年均温度f5、年均降雨量f6、年均蒸发量f7；2)通过专家打分构建指标层的判断矩阵a2，计算得到指标层的影响因素指标的主观权重h
2i
和最大特征根λ2max分别为：和最大特征根λ2max分别为：其中，a
if
为指标层判断矩阵a2中的第i种影响因素指标相对于第f种影响因素指标的打分值，n2为判断矩阵a2的阶数即影响因素指标的种类个数。7.根据权利要求6所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，利用优化的critic法计算各影响因素指标的客观权重的方法为：1)对正向或负向的影响因素指标x
ij
进行标准化处理，得到无量纲化的影响因素指标t
ij
；2)计算第i个影响因素指标的数据波动性和离散性：
其中，s
i
是第i个影响因素指标的数据波动性，e
i
是第i个影响因素指标的信息熵，t
ij
为标准化后的第i个影响因素指标下第j个样本，n1为研究地点的总个数，为每种标准化影响因素指标的平均值；3)计算数据冲突性：对影响因素指标的相关性进行计算得到相关关系矩阵，根据相关关系矩阵计算数据冲突性为：4)计算数据信息量：q
i
＝(s
i
+e
i
)
×
o
i
；5)计算第三客观权重：8.根据权利要求7所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述第i个影响因素指标的信息熵为：其中，y
ij
表示数据无量纲化后第i个影响因素指标下第j个样本占该影响因素指标的比重所述相关关系矩阵r＝(r
ij
)
n2
×
n2
，且指标元素其中，r
ij
表示相关矩阵中的指标元素；t
ij
和t
kj
为标准化后的不同的影响因素指标；和为每种标准化影响因素指标的平均值；根据相关关系矩阵r计算数据冲突性：9.根据权利要求6-8中任意一项所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述步骤s4的实现方法为：a1.指标层和准则层的可拓评价：1)确定指标层或准则层的经典域：
其中，n
z
表示所划分的z个效果等级，z＝1,2,
…
s，s为划分效果等级的总类别个数，f
g
表示所属效果等级n
z
的指标层或准则层的影响因素评价指标，g＝1,2,
…
,n2，n2为影响因素指标的总个数，x
zg
为效果等级n
z
关于影响因素指标f
g
所规定的量值范围，<a
zg
,b
zg
>为各效果等级量值范围的标准化范围结果，a
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最小值，b
zg
为各效果等级量值标准化范围取值的最大值；2)确定指标层或准则层的节域：其中，p表示效果等级的全体，x
pg
为p关于影响因素指标f
g
所规定的量值范围全体，并对量值范围取值结果进行标准化处理得到<a
pg
,b
pg
>，a
pg
为标准化范围全体取值的最小值，b
pg
为标准化范围全体取值的最大值；3)确定指标层或准则层的待评物元矩阵：其中，p0表示待评标的物，即目标层是相对于准侧层的待评标的物，准则层是相对于指标层的待评标的物，x
g
为p0关于影响因素指标f
g
的量值；4)计算指标层或准则层单一指标的关联度：其中，则最终多因素综合关联度为：其中，k
z
(p0)是多因素综合关联度，w是各结构层级不同权重求解方法下的影响因素指
标权重，k
z
(x
g
)是单一影响因素指标的关联度，ρ(x
g
,x
zg
)是各效果评价等级经典域的中心距，ρ(x
g
,x
pg
)是各效果评价等级全体节域的中心距；5)求解指标层或准则层级别量变特征值：其中，其中，j
*
为待评标的物所属分类等级各结构层的级别量变特征值；为多因素综合关联度所属等级的归一化数值，max[k
z
(p0)]为多因素综合关联度所属等级的最大值，min[k
z
(p0)]为多因素综合关联度所属等级的最小值；a2.目标层的可拓评价：根据准则层求得的待评标的物的级别量变特征值即遗址冲沟发育程度的级别量变特征值进行归一化计算，同时对照已建立的冲沟发育程度评价等级分类标准，对目标层进行评价预测。10.根据权利要求9所述的夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，其特征在于，所述预测率为：其中，n
c
为预测结果正确的研究地点个数，(1-n
c
)为预测结果错误的研究地点个数，n1为研究地点总个数。

技术总结
本发明提出了一种夯土遗址冲沟病害发育程度评价及预测方法，选取与冲沟病害侵蚀发育程度相关的影响因素指标；利用H-FRA确定冲沟病害综合侵蚀发育度和评价等级；通过AHP计算影响因素指标的主观权重，分别利用改良熵值法、CRITIC法、优化CRITIC法计算影响因素指标的客观权重，通过等权重加权平均处理得到综合权重；结合可拓学理论构建关联度函数，求解综合关联度及级别量变特征值，根据级别量变特征值确定冲沟病害发育程度的评价等级；选取优化CRITIC法计算的客观权重和主观权重，对遗址冲沟病害侵蚀发育程度进行评价和预测。本发明实现了对遗址冲沟病害侵蚀发育程度的快速评价和预测，提高了遗址冲沟病害治理的有效性和可控性。控性。控性。


技术研发人员：崔凯 王冠众 万嘉兴 王东华 俞莉 于翔鹏
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/6