基于GIS系統(tǒng)的城市避難場所

趙巍，周麟，李巍

(1.河北聯(lián)合大學建筑工程學院，河北唐山 063009;2.西南交通大學，四川成都)

根據(jù)國內外的先進經(jīng)驗，一個城市的防災規(guī)劃是否到位往往取決于避難場地的配置是否合理。為了減少在災害來時的人員傷亡，在進行城市規(guī)劃時首先要考慮避難場所容納人口與區(qū)域總人口的比，即容納率。容納率達到一定標準才能保證防災減災的供求平衡。其次是避難道路與避難距離，在自然災害來臨時，受災群眾的疏散、道路的疏通和居民區(qū)到防災避難所的距離遠近對受災群眾是否能安全避難有直接影響。最后通過不同的避難場所類型確定服務半徑，從而確定避難圈的大小。對防災避難場所進行以上分析對于合理規(guī)劃城市避難場所以及制定有效應急減災對策具有重要指導意義。

1 研究區(qū)概況

選取河北省唐山市中心城區(qū)作為研究區(qū)域。唐山市位于河北省東北部，座落在華北平原北部，燕山山脈東端，地處東經(jīng)117度31分—119度19分，北緯38度55分—40度28分東臨秦皇島，南為渤海，西靠天津市，北為承德地區(qū)。唐山市地處華北平原地震帶。1978年7月28日在唐山發(fā)生了里氏7.8級地震，造成了24.2萬人死亡。在震后的重建和發(fā)展中唐山市政府突出了以下指導思想:1、控制城市規(guī)模，積極發(fā)展小城市;2、注意功能分區(qū)，選擇好建設用地;3、適當減少建筑密度，提高空地、綠地面積;4、建筑物按8度設防，加強構造措施提高抗震能力;5、做好防災規(guī)劃，防止次生災害發(fā)生，具體抗震措施。

唐山市的中心城區(qū)主要由路南區(qū)、路北區(qū)、高新技術開發(fā)區(qū)、南湖管理區(qū)幾部分組成。在進行唐山市城市避難場所規(guī)劃時主要還是以路南區(qū)、路北區(qū)為主，高新技術開發(fā)區(qū)歸并到路北區(qū)，南湖管理區(qū)歸并到路南區(qū)。根據(jù)2009年的統(tǒng)計唐山市中心城區(qū)的人口密度為764人/km2。在同等強度災害的情況下，人口密集區(qū)域面臨著應急避難需求高、可用避難空間少等困境，很大程度上增加了人員傷亡概率和經(jīng)濟損失強度。本文在避難場所容納分析時選用唐山市中心城區(qū)進行分析。

2 GIS系統(tǒng)的簡要介紹

地理信息系統(tǒng)(簡稱GIS)是計算機軟件支持下，對整個或部分地球表層空間的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析顯示和描述的技術統(tǒng)計。

由于地理信息系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在城市防災減災方面，有了比較成熟的理論。其中歐美日等發(fā)達國家最早把GIS系統(tǒng)運用到城市地震災害的研究當中。1994年的美國洛杉磯大地震和1995年的日本阪神大地震，美日兩國政府運用GIS系統(tǒng)進行應急響應決策以及災害預測和災害信息管理系統(tǒng)的建設。

ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的新一代GIS軟件，是世界上最廣泛的GIS軟件之一。ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡技術及其他多方面的計算機主流技術之后，成功推出了代表GIS最高水平的全系列GIS產(chǎn)品。本文在進行城市中心區(qū)容納率分析時會使用到ArcGIS中有關圖層屬性的添加與分析。在矢量數(shù)據(jù)的空間分析中通過網(wǎng)絡分析找到最短路徑，在對服務半徑和選址分析時要用到緩沖區(qū)的概念。

3 避難服務供求比率的研究方法

在研究避難服務供求比率要運用ArcGIS9.3軟件，利用ArcGIS9.3軟件的導入和圖層屬性添加功能，分析唐山市的中心城區(qū)的土地布局。對唐山市的土地利用進行綜合分析。具體的步驟如下:

第一，將唐山市的中心城區(qū)的土地布局圖導入ArcGIS9.3中，并對中心城區(qū)的主要公園，街心花園，廣場，體育場進行描繪。新建Geodatabase，在其子目錄下建立面要素類，將建好的面要素類添加到ArcMap里面，找出以上作為城市避難場所的用地，下拉編輯器菜單點擊開始編輯，開始描圖。

第二，在每次描圖后需打開屬性列表，選項菜單里點擊添加字段，輸入描好的區(qū)域的名稱、所屬類型。這樣就把唐山市中心城區(qū)避難用地的屬性加載進去了。這樣可以很好的觀察到整個唐山市中心城區(qū)的所有避難用地，便于統(tǒng)計和規(guī)劃。

第三，再添加面積字段，在字段下點擊右鍵，下來菜單中點擊計算幾何體，將描好的的每一個避難區(qū)域進行面積的計算，這樣唐山市中心城區(qū)每一塊避難面積都能被統(tǒng)計出來。

第四，對計算和統(tǒng)計出的結果進行分析，總結唐山市中心城區(qū)的避難用地是否夠用，為今后唐山市的城市規(guī)劃提供依據(jù)。

圖1 唐山市中心城區(qū)規(guī)劃圖導入ArcGIS

經(jīng)過上面的分析過程可以得到2020年唐山市中心城區(qū)所有主要公園、街心公園、公共綠地的用地面積。根據(jù)國內外的相關規(guī)定和經(jīng)驗，臨時避難所的人均面積應為1～2 m2，固定避難所的人均面積應為2～3 m2。用避難用地總面積除以人均面積可以得到避難場所可容納的的人數(shù)。由上面的方法統(tǒng)計可得下表:

表1 唐山市中心城區(qū)主要防災公園統(tǒng)計

由上表可以分析得到唐山市中心城區(qū)的主要公園一共可以容納人口1392870人，根據(jù)《唐山市總體規(guī)劃》唐山市中心城區(qū)的人口可達296萬。根據(jù)避難服務供求比率的計算方法即:可容納人口與總人口的比。由此可得唐山市中心城區(qū)的平均供求比可達0.47，從總體供求的角度分析，只從現(xiàn)有主要公園公園考慮，在災害發(fā)生時唐山市中心城區(qū)有47%居民可安置在現(xiàn)有的防災公園避難。同時不同區(qū)域的情況也有差異，相比較路南區(qū)，路北區(qū)的公園更多些，面積更大些。從城市規(guī)劃的長遠角度來考慮，唐山市在城市防災減災的角度來考慮還需要加大力度，除了擴大公園面積和增加公園數(shù)量外，還要考慮到資源的合理分配。

4 基于GIS系統(tǒng)的避難道路的研究

鑒于避難服務供求比只能宏觀的反應唐山市中心城區(qū)總體避難水平，但實際災害來臨時有很多人為無法預知的因素，會影響到避難的疏散和組織系統(tǒng)。居民到避難場所必須有一個時間限制，既不可能擁有無限的行走時間，這個行走時間往往由避難距離來決定，因此明確居民到避難場所的距離就顯得尤為重要。本文主要介紹如何通過ArcGIS軟件來選擇最短路徑。下面舉一個簡單的最短路徑選擇的例子:

第一，需在ArCatalog里創(chuàng)建Geodatabase，在里面創(chuàng)建所需的點要素和線要素，一般做整體的道路分析時，要把居民區(qū)和避難場所抽象成點要素，把城市的各主要道路抽象成線要素。

第二，對要分析的區(qū)域進行點要素和線要素的描繪，對每一個要分析的對象都要考慮到。點要素和線要素建完后，在要素集下建立幾何網(wǎng)絡。

第三，把建好的點線要素和幾何網(wǎng)絡都導入ArcMap里，在網(wǎng)絡分析工具欄里選擇旗標工具放在居民點和想要到達的避難場所。選擇Analysis|Options命令，打開Analysis Options對話框，確認Weights和Weight Filter標簽項全部是None，在Track Task文本框中選擇Find path。單擊solve按鈕。顯示出最短路徑。

圖2 ArcGIS系統(tǒng)中的路徑選擇

由上圖中紅線所示即居民區(qū)到避難場所的最短距離，在Analysis Options中有權重設置，用戶可以選擇最短路徑的時間權重和速度權重，這要看研究者對最短路徑的要求更偏向于時間還是速度。

在從整體上選擇了避難通道后還需要對避難通道進行設計，由相關規(guī)定可知:緊急避難場所應設置2條以上疏散道路，道路寬度不小于3.5米;長期避難場所應設置4條以上疏散道路，道路寬度不小于15米;長期避難場所內部主要道路的寬度應不低于3.75米。

5 基于GIS系統(tǒng)的避難服務域分析

避難服務域又稱避難圈，是指一個避難場所規(guī)劃的或實際的避難服務地域范圍。對于指定避難所，避難圈是災害發(fā)生前指定的;對于震后自主避難者選擇的疏散場所，避難圈是對實際避難者的統(tǒng)計值。避難服務域大，路途遠，則避難行動耗時長，風險大。

根據(jù)相關規(guī)定地震避難場所服務半徑是:緊急避難場所服務半徑為500米，即步行5～15分鐘;長期避難場所一般為2000米，即步行半小時可到達。

根據(jù)避難場所的大小和形狀，確定其服務半徑和服務域，實質是建立緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是給定的空間對象或集合后獲得的它們的鄰域。鄰域的大小有鄰域的半徑或緩沖區(qū)建立的條件決定。對于一個給定的對象A，它的緩沖區(qū)可定義為:

式中，d一般是歐氏距離，也可以是其它距離，其中r為鄰域半徑或緩沖區(qū)半徑建立的條件。歐式幾何距離的公式可按下式:

在ArcGIS軟件下，有建立緩沖區(qū)的工具，選擇Tools菜單下的Customize命令，進入Commands標簽。在Commands對話框中選中Categorie框中的Tools，然后在右邊的Commands框中選中Buffer Wizard，將其拖動到工具欄上方的空處。下面是具體的操作方法:

第一，將需要分析的唐山中心城區(qū)的區(qū)域圖導入ArcMap，在上面設計好的工具欄里點擊緩沖區(qū)按鈕，進行緩沖區(qū)設置。

第二，本文以防災公園用地作為固定避難場所，一般的固定避難場所服務半徑在1500～2000米左右。所以在進行防災公園緩沖區(qū)分析時，需把緩沖區(qū)設成2000米。

第三，打開緩沖區(qū)設置對話框在圖層的要素集下拉菜單里選擇需要分析的對象公園用地，下一步中的緩沖區(qū)類型選擇分級緩沖區(qū)，這樣能更好的表明每一個區(qū)域距防災公園的遠近。在是否溶解緩沖區(qū)障礙中選擇是，點擊完成則完成了操作。

圖3 公園用地緩沖區(qū)分析

經(jīng)過上面的分析可以一目了然的看到每一個公園用地的服務范圍，深色的緩沖區(qū)表示距離公園較近的地域，顏色淺的區(qū)域表示距離公園較遠的區(qū)域。因此從上圖中我們可以分析出各個小區(qū)的避難距離的遠近，在選擇避難場所時要注意就近原則，通過對每個避難場所的綜合分析可以合理的運用避難資源。

6 基于GIS系統(tǒng)的防災避難所的三維建模

ArcGIS軟件中具有一個能三維可視化、三維分析以及表面生成提供高級分析功能的擴展模塊，可利用它來創(chuàng)建動態(tài)三維模型和交互式地圖，從而更好地實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化和分析處理。3D Analyst擴展模塊的核心是ArcScene應用，它可以更加高效地管理三維GIS數(shù)據(jù)、進行三維分析、創(chuàng)建三維要素以及建立具有三維場景屬性的圖層。

三維效果圖能把城市防災避難所更清楚具體的展現(xiàn)給城市居民，能清楚的表達防災避難的所的結構設施和周圍的環(huán)境，給每一個避難居民提供更詳細的避難信息。同時也可以減小受災居民的恐慌程度，提高避難疏散逃生的效率。

本文以河北理工大學的操場和空地所見的避難場所為例，說明了用ArcGIS進行避難場所進行建模的方法和過程。首先啟用ArcScene，在已有的平面圖里用Geodatabase里的點要素對要建防災避難所的地域進行方位的確定。其次在描好的點中使用3D符號，按實際比例調整好大小。最后就生成了河北理工大學避難所的3D圖。

圖4 避難所的3D分析

7 總結

本文是基于GIS系統(tǒng)進行了城市防災避難場所的分析，唐山市作為一個主要的地震帶，在1976年曾發(fā)生過重大地震，造成了嚴重的人員傷亡。因此教訓是慘痛的。對唐山市中心城區(qū)進行防災減災的規(guī)劃是極其重要的。

通過上面的避難場所的服務供求比可以看出唐山市中心城區(qū)的防災公園的面積并不能完全滿足城市居民防災避難的需要，政府也正在開發(fā)大南湖公園，用于防災避難和災時生命線的維持。還有一些城市綠地和防護綠地可作為隔離帶使用，防止火災蔓延和有害氣體的泄漏。

由上面的最短路徑分析，可以在居民區(qū)和避難場所之間選擇一條或多條最短路徑，但這些只能對唐山市中心城區(qū)的整體進行分析，實際災害發(fā)生時還要涉及到交通的疏散，當受災人員造成交通擁擠時，避難道路會出現(xiàn)失靈的狀態(tài)，這會給避難人員的疏導造成很大的困難。

在進行道路設計時根據(jù)《城鎮(zhèn)防災避難場所設計規(guī)范》還要遵循以下要求:

(1)避難場所內的道路設計應確定場內道路路線和分類等級，并適于中型車輛的通行;

(2)避難場所內的道路可分為主通道、次通道二級。主通道路面寬不小于7米，次通道路面寬不小于4米;

(3)避難場所內盡端式道路的長度不宜大于120m，并應設不小于12 m×12 m的回車場地;

(4)避難場所內道路邊緣至避難設施的最小距離，應符合表4.2.4規(guī)定的數(shù)值。

表2 道路邊緣至避難設施的最小距離(m)

本文針對居民自主避難的情況進行了緩沖區(qū)分析，居民區(qū)據(jù)每個防災公園的遠近是不同的，政府要合理規(guī)劃每個社區(qū)對防災公園的歸屬。在災害來臨時不至于造成盲目避難和人員擁擠現(xiàn)象。

我國防災避難場所的規(guī)劃與設計還處于探索和實踐階段，我們要加強運GIS系統(tǒng)結合緩沖區(qū)分析、Voronoi分析等空間分析方法進行歸屬算法研究，為今后防災避難場所的研究做理論上的準備。

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