信息擴散理論在區(qū)域洪水風險分析中的應用

沈陸娟+高原+徐利杰+蔡建平+鄭玉仙

摘要：洪水災害風險分析在洪水災害預防、抗洪抗災及災后重建工作中都起著重要的指導作用。由于洪水災害相關數據，包括歷史數據、實時數據具有多維性、海量性、不確定性、不完備性等特點，使得風險分析模型構建中數學理論的選擇尤為重要。在簡要論述信息擴散理論的基本原理和特色的基礎上，針對洪水災害數據的上述屬性，深入分析了區(qū)域洪水風險分析中的關鍵因素和技術，包括孕災環(huán)境和致災因子的風險分析、承災體脆弱性分析、洪水災害損失的評估分析等，以期對防災減災工作有所啟示。

關鍵詞：信息擴散；洪水；風險分析

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）30-0192-02

1 概述

洪水災害是我國常見的自然災害，一經發(fā)生則會造成重大的損失。洪水災害風險分析、評價和管理是政府相關職能部門減少洪災規(guī)劃、日常管理及重大事項決策調度的重要參考依據，是洪水災害風險管理系統工作的基礎[1][2]。因此洪水災害風險分析在防洪抗災工作中起著重要的作用，對于減少災害及次生災害帶來的損失有重要的意義。

伴隨著人們對洪水災害認識的逐漸深入，近些年也在實踐中不斷進行洪水災害風險分析的研究，尤其致力于災害評價理論、數學模型構建、分析技術和方法等方面。所謂風險分析，其主要研究內容和目標是詳細分析災害不利后果下，災害產生的原因、產生機制、發(fā)展變化規(guī)律以及災害影響的大小，能使我們對災害自身及其帶來的危害有更明晰的認識。洪水風險分析的基礎是與洪水災害相關數據的監(jiān)測，包括社會經濟發(fā)展、自然環(huán)境、歷史災情及災害過程的實時數據等。監(jiān)測數據往往具有不確定性、復雜性和不完整性等特點，這些特點使得災害風險分析變的難上加難。同時對于災害的分析一定要站在系統論的高度，不能孤立、片面地去看待某次自然災害。自然災害特別是洪水災害的這些特點就決定了災害風險分析方法必須能處理不確定、不完整的大量數據，能對災害做系統的分析，能動態(tài)的考慮災害的發(fā)展變化，且針對復雜問題具有有效性。本文基于信息擴散理論探討區(qū)域洪水災害風險分析問題，主要研究其中的關鍵技術，構建基于信息擴散理論的區(qū)域洪水災害風險分析理論框架。

2 信息擴散理論

2.1 信息擴散理論

信息擴散理論誕生于上世紀90年代中期，由于該原理有效地與人工神經網絡模型相結合，因此在實際中應用廣泛。同時模糊集理論和非參數估計理論作為輔助工具被引入信息擴散理論，又增強了信息擴散理論解決實際問題的能力。信息擴散理論的基本原理可描述為[3]

信息擴散原理的核心是擴散估計，假設[R]表示某域上的一個關系，對該關系的非擴散估計可由下式表示

[R（β，ω）={β（χ（ωi，u））|ωi∈ω，u∈U}]

其中[R]表示[R]的估計，[ωi]表示觀測樣本點，[ω]為所有樣本點的集合，[U]作為估計關系[R]的域，換言之即表示在[R]上估計[U]，[β]表示合理算子，[χ（ωi，u）]為相伴的特征函數。在非擴散估計中[4]，由于樣本點數量限制，造成估計中信息量的缺失。所謂信息擴散就是將每個樣本點看成該樣本點周邊一定范圍內的樣本點的代表，進行信息的擴散，構建新的估計?？杀硎鰹?/p>

[R（β′，D（ω））={β′（χ′（ωi，u））|ωi∈ω，u∈U}]

其中[R]表示[R]的擴散估計，在信息不完備的情況下存在擴散函數[χ′（ωi，u）]和相應的算子[β′]，在新的估計中它們可以取代[β]和[χ（ωi，u）]。并且這種估計可以保證其估計精度優(yōu)于非擴散估計，即

[||R-R||≤||R-R||]

這樣通過對不完備的信息進行信息擴散，從而可以得到更精確的估計。

2.2 信息擴散理論特色

信息擴散理論在處理不確定、不完備數據方面具有一定的優(yōu)勢，已廣泛應用于自然災害風險分析、保險、測繪等很多領域，并取得了很好的效果。相比于傳統的評價和分析方法，信息擴散理論有其特色。

1）信息擴散理論在自然災害風險分析中可通過對不同等級災害發(fā)生概率大小的計算，實現不同等級災害風險的對比分析。同時相比較于綜合評價分析，單個災害風險評估指標的計算分析在實際的防災減災工作中更具指導意義和參考價值。

2）信息擴散理論方法在對不完備數據進行建模、分析中具有自身獨特的優(yōu)勢。由于有效地結合了模糊數學的方法與思想，并且在不完備樣本數據的評估中引入了集值化的數學工具，這樣可以得到高精度的評估結果，特別是針對歷史災情數據資料不完善的情況，信息擴散理論的災害風險分析評估也可以得到高精度的結果。

3）信息擴散理論進行風險分析所需數據量少，操作簡便，且不會在計算中出現因為大數據所造成的維數災難。

3 基于信息擴散理論的洪水風險分析

區(qū)域洪水災害的形成可分為幾個方面，包括孕災環(huán)境、致災因子和承災體的承載能力等。因此對洪水災害進行風險分析也應該從這幾個方面進行分析。當然關鍵之處是構建基于信息擴散理論的洪水災害風險評估數學模型。在歷史數據不全、小樣本信息、數據不完備的情況下，充分利用樣本所反映的信息，對樣本進行極值化處理，構建基于信息擴散理論的洪水災害風險評估數學模型。

1）孕災環(huán)境風險分析

孕災環(huán)境可分為自然環(huán)境與社會環(huán)境兩大類。其中自然環(huán)境包括地形、地貌、水文、氣候、植被、土壤、動植物等自然因素；社會環(huán)境包含經濟發(fā)展水平、道路規(guī)劃、管線布置、交通系統、公共場所、人口等。孕災環(huán)境有著明顯的區(qū)域性特征，不同的區(qū)域孕災環(huán)境有著很大的區(qū)別。在孕災環(huán)境風險分析中，建立合適的數學模型，并且通過系統理論對環(huán)境進行綜合分析同等重要，不能把各種環(huán)境因子割裂開來，這樣不可能得到正確的風險分析結果，對實踐工作也不可能起到有意義的指導作用。

2）致災因子風險分析

致災因子與孕災環(huán)境有著緊密的聯系，致災因子可理解為孕災環(huán)境中各個因子的異動。同樣是洪水災害，不同區(qū)域致災因子或不相同。例如東南沿海地區(qū)洪澇災害的致災因子主要是臺風、熱帶風暴等，而長江中下游洪澇災害的致災因子可能是梅雨等長時間的降雨。致災因子多種多樣，也不僅僅是上述所舉之例，孕災環(huán)境中的單個或多個因子發(fā)生異動時就有可能形成災害。因此在構建信息擴散理論數學模型的基礎上，要對致災因子進行綜合分析，從而得到區(qū)域洪水災害發(fā)生的風險。

3）承災體脆弱性分析

承災體的脆弱性又可稱為災害的易損性，洪水災害易損性通常用承災體遭受洪水災害后的損失率、損失程度來表示。同一承災體遭受不同洪水災害時受損程度不盡相同，同樣程度的洪水災害對不同承災體也有不同的損失率。因此要針對不同的承災體，分類分項統計洪水災害損失率，如農業(yè)作物損失率、工業(yè)企業(yè)洪水災害損失率、商業(yè)洪水災害損失率等?；跉v史洪水災害損失率數據，構建基于信息擴散理論的承災體洪水災害脆弱性分析模型，識別洪水災害可能帶來的威脅，并分類估算損害程度，得出損失率，從而得到承災體加大脆弱性分析結論。

4）洪水災害損失的評估分析

洪水災害損失的評估不僅可以對防災減災工作提供指導依據，也可以對災后重建工作起著重要的指導作用。對于某一地區(qū)，即固定的承災體，在一次具體的洪水災害過后可以首先從分析孕災環(huán)境、致災因子角度出發(fā)估算出洪水災害的強度，然后經過承災體脆弱性分析篩選出各類易損性指標的損失率，最終得到洪水災害的損失評估。

4 結束語

區(qū)域洪水風險分析是一個系統工程，涉及社會和經濟發(fā)展、人口密度、自然條件、交通、水系等諸多方面。在不完備信息的前提下，利用信息擴散理論構建風險分析模型，并從孕災環(huán)境、承災因子、承災體脆弱性及災害損失估算等多個方面對區(qū)域洪水災害風險進行深入分析，所得結果更能符合實際情況，對防災減災、災后重建工作具有指導意義。

參考文獻：

[1] 魏一鳴，范英，金菊良. 洪水災害風險分析的系統理論[J].管理科學學報，2001，4（2）：7-11.

[2] 李瓊.洪水災害風險分析與評價方法的研究及改進[D].武漢：華中科技大學，2012.

[3] 宣茂華.基于信息擴散理論的重慶市農業(yè)干旱災害風險分析[D]. 重慶：重慶師范大學，2014.

[4] 王新洲.基于信息擴散原理的估計理論、方法及其抗差性[J].武漢測繪科技大學學報，1999，24（3）：240-244.