基于GIS的城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 廷，曹俊茹，袁興明

（1．山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東淄博255091；2．山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院建筑與信息工程系，山東淄博256414）

20世紀(jì)以來，由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市建設(shè)突飛猛進(jìn)、日新月異，然而在防災(zāi)減災(zāi)方面卻存在不少弱點(diǎn)，如人口稠密、建筑過密、基礎(chǔ)設(shè)施抗災(zāi)能力弱等等．一旦發(fā)生災(zāi)害，勢必造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，我國在城市災(zāi)害事故的應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急決策及救援體系等方面與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，為此加強(qiáng)城市防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，建立基于地理信息系統(tǒng)（GIS）等空間信息技術(shù)的城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)，成為解決城市災(zāi)害救援難題的主要措施之一，系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，將有助于提高城市的防災(zāi)救災(zāi)水平［1－2]．本文以淄博市為例，作為快速發(fā)展的典型工業(yè)化城市，淄博的防災(zāi)減災(zāi)工作還存在不少問題，基于GIS的淄博市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將為人們的安全提供保障．

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

城市防災(zāi)減災(zāi)系決策統(tǒng)是一項(xiàng)十分重要且復(fù)雜的系統(tǒng)工程．它的建設(shè)主要是圍繞城市災(zāi)害安全問題，建立一套系統(tǒng)的災(zāi)害管理與災(zāi)害事故應(yīng)急決策系統(tǒng)，為城市相關(guān)救災(zāi)部門的日常管理與救援決策提供信息支持與輔助決策支持．系統(tǒng)運(yùn)用地理信息系統(tǒng)，建立信息化、數(shù)字化的防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)平臺，使災(zāi)害應(yīng)急救援具有快捷性、準(zhǔn)確性、高效性．建立城市防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急決策系統(tǒng)必須融合現(xiàn)代眾多學(xué)科領(lǐng)域的理論和技術(shù)手段，運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論方法，把專家經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)代技術(shù)、計(jì)算模擬融為一體，使系統(tǒng)的研制建立在先進(jìn)性、科學(xué)性的基礎(chǔ)上，為高層管理決策提供有效的方案．

城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)建立在城市基礎(chǔ)地理信息基礎(chǔ)之上，災(zāi)害發(fā)生后首先進(jìn)行災(zāi)害危害性分析，把分析的結(jié)果反饋給系統(tǒng)做出災(zāi)害模擬預(yù)測與建筑物等資料相結(jié)合，形成相應(yīng)的災(zāi)害范圍分布圖，再加上相應(yīng)的財(cái)產(chǎn)和人口信息，可以得到經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的信息．根據(jù)以上信息制定救災(zāi)決策，就可以進(jìn)行災(zāi)時的避災(zāi)疏散和相應(yīng)的應(yīng)急救援活動、救災(zāi)物資調(diào)配的決策．最后，在所有這些資料的基礎(chǔ)上，形成災(zāi)后的恢復(fù)重建計(jì)劃和方案．應(yīng)用GIS技術(shù)，建立從構(gòu)造空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)到模型轉(zhuǎn)化計(jì)算，從災(zāi)害預(yù)測、經(jīng)濟(jì)損失到減災(zāi)對策及輔助決策的全過程的信息管理系統(tǒng)．圖1反映了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架．

圖1 邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流

2 城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)系統(tǒng)需求分析和開發(fā)目標(biāo)，城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)主要包括以下幾個功能模塊：

（1）城市基礎(chǔ)信息管理模塊

城市基礎(chǔ)信息管理是用于組織、存儲和管理涉及事故應(yīng)急救援輔助決策支持和供城市日常管理用戶查詢的信息［3]．城市建設(shè)日新月異，防災(zāi)減災(zāi)信息必須具有動態(tài)維護(hù)的功能，隨時增添數(shù)據(jù)、刪除果實(shí)信息、更改部分變化的信息，一旦發(fā)生災(zāi)害，才能保證作出符合實(shí)際的估計(jì)和對策．系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：數(shù)據(jù)字典、氣象信息、危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、消防站、醫(yī)院、消防栓、道路防護(hù)目標(biāo)、各類應(yīng)急救援資源、物資存儲庫、各個部門的信息等．

（2）防災(zāi)減災(zāi)信息管理模塊

該模塊用于組織、存儲和管理防災(zāi)減災(zāi)所涉及的危險(xiǎn)源、防護(hù)保衛(wèi)目標(biāo)、應(yīng)急救援力量等對象的地理位置、地理分布和構(gòu)造的信息的管理．不論在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)還是應(yīng)用該系統(tǒng)時，首先應(yīng)對該城市的總體情況有一定的了解．該市的災(zāi)害源是如何分布的；它的工業(yè)區(qū)、居住區(qū)和商業(yè)區(qū)是分別分布在那些方位；該市的高層情況，它的層數(shù)、高度，屬于什么單位；該市的地下商場的分布，它的營業(yè)面積和營業(yè)性質(zhì)，屬于何單位；還有一些重點(diǎn)單位的分布，如災(zāi)害隱患比較大的單位，大型商場、化工廠等．只有對該市的情況有了一定了解之后，才能具體針對某一單位、某一地區(qū)分析它的災(zāi)害隱患和制定出相應(yīng)的救災(zāi)計(jì)劃和措施．同時還必須實(shí)時的對該城市的災(zāi)害源情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，對由于改建、擴(kuò)建或其它原因，使該城市結(jié)構(gòu)布局發(fā)生變化的地方應(yīng)及時統(tǒng)計(jì)，對系統(tǒng)中的地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的修改管理．

（3）災(zāi)害源分析預(yù)測與管理模塊

通過對城市災(zāi)害源進(jìn)行可視化管理，對其進(jìn)行定量分析、評價(jià)和分級管理，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害源信息管理、災(zāi)害事故后果分析、災(zāi)害分級和災(zāi)害源統(tǒng)計(jì)分析．運(yùn)用多元回歸分析，判別分析，因子分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法，可以對災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估［4]．

①多元線性回歸

假定變量y與xi（i＝1，2，3，……，m）間存在著線性關(guān)系，分解變量y的總偏差平方和Q為

式中

從式（1）可知，Q可分解為Q1和Q2兩部分．Q是變量y與其平均值之差的平方和稱為總偏差平方和，它的大小反映了觀測值yk的離散程度．Q1主要是線性回歸模型引起的偏差，另外，也有其他隨機(jī)因素的影響，稱為剩余平方和．Q2是＾yk與y的平均值之差的平方和，它反應(yīng)了變量xi（i＝1，2，3，……，m）的變化對y引起的波動，稱為回歸平方和．

②判別分析

把每個總體看作是V維空間的任意一個子域Rg，而樣品x是一個點(diǎn)．如果能找到一個把G個子域劃分開的方法，那么對R空間中的任意一點(diǎn)X都可以找到它所屬于的子域，即對任何給定的樣品都可以確定它屬于哪個總體．

正態(tài)總體的密度函數(shù)可改寫為

進(jìn)行判別時，只需要是判別函數(shù)qifi（X）為最大時的i．

③主因子分析

假設(shè)X＝［x1，x2，∧是一個p維的隨機(jī)變量，它遵守正態(tài)分布，X～N（μ，E）．導(dǎo)出主成分的問題就是尋找X的線性函數(shù)并使相應(yīng)的方差最大．因此，在數(shù)學(xué)上就是尋找一個正交矩陣α使＝1，并使方差

通過以上數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，可以對各種災(zāi)害間的關(guān)系，綜合成災(zāi)和各災(zāi)種權(quán)重系數(shù)作出分析，從而可以實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害的模擬預(yù)測．

（4）應(yīng)急決策與管理模塊

城市災(zāi)害應(yīng)急決策模塊實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的最佳路徑選擇、地址匹配和資源的最佳分配等功能，這些功能對實(shí)現(xiàn)災(zāi)后快速、合理的反應(yīng)有極其重要的意義．該模塊對應(yīng)急救援力量和應(yīng)急救援設(shè)備設(shè)施能夠進(jìn)行高效、科學(xué)的管理；為救災(zāi)預(yù)案的編制提供輔助決策技術(shù)，并對救災(zāi)預(yù)案進(jìn)行自動的動態(tài)更新；能夠?yàn)榭茖W(xué)、精確、自動完成應(yīng)急指揮提供輔助決策支持．本模塊包括以下功能：救災(zāi)力量和救災(zāi)設(shè)施設(shè)備的管理、救災(zāi)預(yù)案管理、救災(zāi)決策與指揮等．用戶可以使用該模塊完成應(yīng)急指揮、報(bào)警記錄、救災(zāi)記錄和一般防護(hù)目標(biāo)、重點(diǎn)防護(hù)目標(biāo)、消防警力、公安警力、交通警力、醫(yī)院、救災(zāi)物資的管理及應(yīng)急救災(zāi)預(yù)案編輯等任務(wù)．

基于GIS的城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)能為城市災(zāi)害事故的發(fā)生以及救援措施提供一個合理的解決方案．該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施、災(zāi)害信息、災(zāi)害源以及救災(zāi)力量等信息的查詢，通過系統(tǒng)的圖形編輯顯示功能可以對災(zāi)害發(fā)生地進(jìn)行圖像顯示并可模擬出災(zāi)害影響范圍圖，快速實(shí)現(xiàn)災(zāi)害景觀、災(zāi)害損失預(yù)測，并在決策中結(jié)合實(shí)地情況選擇最佳的救災(zāi)路徑，合理調(diào)度救災(zāi)物資制定救災(zāi)預(yù)案，進(jìn)行救災(zāi)指揮決策．

3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與組織

3．1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)堅(jiān)持如下原則：組織合理、結(jié)構(gòu)清晰、冗余度低、便于操作、易于維護(hù)、可擴(kuò)充性良好［2]．設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵任務(wù)是創(chuàng)建表的結(jié)構(gòu)和表的關(guān)系、實(shí)現(xiàn)安全性和維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性．由于GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和一般的管理信息系統(tǒng)有所不同，它除了所需要的一些數(shù)據(jù)信息還有大量的與GIS相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)．為了增強(qiáng)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理的靈活性，采用分開存儲的方法，圖形矢量數(shù)據(jù)以MapInfo標(biāo)準(zhǔn)文件格式存儲在特定目錄下，圖形中每個地物均有與其對應(yīng)的唯一的標(biāo)識（ID號），系統(tǒng)一次為索引建立該地物的圖形數(shù)據(jù)文件．空間屬性數(shù)據(jù)與工程管理數(shù)據(jù)均用SQL Server來存儲，各地物屬性記錄的關(guān)鍵字為圖形文件中該地物的ID號，由此便實(shí)現(xiàn)了圖形文件與屬性文件的一一對應(yīng)關(guān)系［3]．圖2所示為數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)示意圖．

圖2 數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)示意圖

3．2 數(shù)據(jù)的分層組織

城市防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是與災(zāi)害源、消防、醫(yī)療、交通等有關(guān)的一些地理要素特征的數(shù)據(jù)集合．它涉及的地理數(shù)據(jù)包括災(zāi)害源、醫(yī)院、消防隊(duì)、居民點(diǎn)、道路等．根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織方式、災(zāi)害源及相關(guān)設(shè)施的類別和所屬關(guān)系，將其進(jìn)行分類，以便有效管理．并通過數(shù)據(jù)分層、圖塊管理、編碼及空間索引設(shè)計(jì)，建立空間數(shù)據(jù)庫．

在構(gòu)建系統(tǒng)的電子地圖時，為了方便進(jìn)行地圖的公眾空間分析圖操作，將不同對象抽象為具有單一特征的要素，地圖每個圖層都可以用單獨(dú)的圖元類型組成，這些圖層中的對象可以由GIS的點(diǎn)、線、面來描述．其中災(zāi)害源如危險(xiǎn)物質(zhì)存儲庫區(qū)、生產(chǎn)場所、醫(yī)院、消防單位設(shè)施等可以抽象為“點(diǎn)”集；道路、地下管線等可以抽象為“線”形對象；湖泊、廣場等可以用“面”來表示［5]．部分空間數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 部分對象設(shè)計(jì)表

3．3 數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)的連接

在城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)中，用于查詢及各種分析等功能的數(shù)據(jù)全部存放于數(shù)據(jù)庫中．如何進(jìn)行兩者之間的無縫連接則成為系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵性問題．各子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫提出數(shù)據(jù)需求及存貯格式要求．?dāng)?shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，通過接口程序?yàn)楦髯酉到y(tǒng)提供模型分析運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，如應(yīng)急決策所需的實(shí)時和歷史的數(shù)據(jù)、各類空間數(shù)據(jù)、城市的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等信息．

如果系統(tǒng)調(diào)用的任務(wù)（如模型分析、查詢等）與數(shù)據(jù)庫之間無數(shù)據(jù)傳遞聯(lián)系，系統(tǒng)總控模塊通過人機(jī)交互方式直接從數(shù)據(jù)庫中提取模型分析所需要的空間數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)及對運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并按模型所需要的格式存入約定的變量中，再由子系統(tǒng)模型直接從變量中讀?。诳偪啬K的協(xié)調(diào)下，各子系統(tǒng)充分共享城市公共安全數(shù)據(jù)庫，從而有助于改變當(dāng)前災(zāi)害管理體制中的各自為政，條塊分割局面［6]．

4 系統(tǒng)示例

淄博市是一個重型工業(yè)化城市，由于城市發(fā)展的原因，山東省的大部分化工企業(yè)都分布在淄博市區(qū)，全市有重大危險(xiǎn)源所在企業(yè)539家，重大危險(xiǎn)源671處［7]，一旦發(fā)生災(zāi)害事故將會對淄博市人民的身體健康帶來嚴(yán)重的傷害，并且對生態(tài)環(huán)境造成不可估量的損害．因此在淄博市建立一個防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)是非常必要的，這對城市的發(fā)展，人們的生活都會帶來積極的作用．基于GIS的淄博市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對淄博市基礎(chǔ)信息的查詢，災(zāi)害源信息的查詢管理（圖3），以及災(zāi)害事故的模擬及緩沖區(qū)分析（圖4），提供合理的救災(zāi)決策措施．

圖3 系統(tǒng)災(zāi)害查詢界面

圖4 緩沖區(qū)分析界面

5 結(jié)束語

基于GIS的城市防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)很好的解決了城市中各種復(fù)雜的災(zāi)害源的監(jiān)督管理難題，利用該系統(tǒng)不但可以對災(zāi)害點(diǎn)實(shí)施有效地監(jiān)控．而且可以在地圖上直觀的展示出來，進(jìn)行指揮調(diào)度，節(jié)約了時間，提高了救災(zāi)的效率，可以極大降低災(zāi)害事故的損失．GIS在城市防災(zāi)減災(zāi)決策中的應(yīng)用僅僅是一個開始，但已取得了明顯的效果．可以預(yù)計(jì)，隨著GIS、RS、GPS和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對GIS的認(rèn)識水平將日漸加深，各種專業(yè)模型相應(yīng)趨于完善，GIS在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用必將會越來越精彩．

［1] 熊蘋，丁明柱，劉子強(qiáng)．利用GIS技術(shù)和RS技術(shù)減災(zāi)防災(zāi)［J] ．測繪與空間地理信息，2005，28（6）：7－9．

［2] 李耀莊，王麗，徐亮．基于GIS的城市公共安全規(guī)劃信息系統(tǒng)研究［J] ．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2005，25（3）：315－319．

［3] 曾憲祿，張國樞，周波，等．基于WebGIS的城市重大事故應(yīng)急系統(tǒng)［J] ．河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（3）：52－55．

［4] 蘇幼坡，陳靜，劉廷全．基于GIS的唐山市綜合防災(zāi)與生態(tài)規(guī)劃［J] ．安全與環(huán)境工程，2003，10（1）：1－3．

［5] 黃琳，吳國仕，郭文明．基于GIS的城市防災(zāi)綜合信息管理系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D] ．北京：北京郵電大學(xué)，2007．

［6] 徐志勝，馮凱，馮春瑩．基于GIS的城市公共安全應(yīng)急決策支持系統(tǒng)［J] ．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4（6）：82－85．

［7] 王謙．山東淄博分級普查重大危險(xiǎn)源［N] ．中國安全生產(chǎn)報(bào)，2008－11－11（2）．