GIS和灰色決策法在應(yīng)急避難場(chǎng)所選址中的應(yīng)用

代　嵐　雷莎莎　周維雅

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GIS和灰色決策法在應(yīng)急避難場(chǎng)所選址中的應(yīng)用

代嵐1雷莎莎2周維雅2

摘要

針對(duì)城市減避災(zāi)過(guò)程中的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址多目標(biāo)決策問(wèn)題，建立了一套結(jié)合GIS技術(shù)和灰色決策中多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架。在傳統(tǒng)的從避難場(chǎng)所的避難性、保障性和安全性角度構(gòu)建應(yīng)急避難場(chǎng)所選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系上，增加了衡量應(yīng)急避難場(chǎng)所交通性能的指標(biāo)。利用GIS技術(shù)來(lái)處理龐大的應(yīng)急避難場(chǎng)所空間地理數(shù)據(jù)，并獲取避難場(chǎng)所評(píng)判指標(biāo)數(shù)值。利用多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法構(gòu)建的選址模型結(jié)果更客觀(guān)、準(zhǔn)確、分辨率更大。最后以福建省泉州市主城區(qū)實(shí)際地理數(shù)據(jù)為例，利用提出的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架進(jìn)行選址，選址結(jié)果符合實(shí)際調(diào)研情況，可為城市規(guī)劃部門(mén)進(jìn)行應(yīng)急避難場(chǎng)所選址提供參考。

關(guān)鍵詞：避難場(chǎng)所選址GIS灰色決策法

1. 引言

應(yīng)急避難場(chǎng)所是城市防災(zāi)減災(zāi)的一種重要措施，用于突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，供市民安全避難的場(chǎng)所，主要包括公園、綠地、廣場(chǎng)、操場(chǎng)、體育場(chǎng)館等。目前常用的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型有中心點(diǎn)模型、覆蓋模型、中值模型、排隊(duì)論模型和層次分析法模型等。馬挺等對(duì)傳統(tǒng)的集合覆蓋和最大覆蓋選址模型進(jìn)行改造。劉少麗等進(jìn)行了應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間布局合理性評(píng)價(jià)。鄭曉虹等在GIS平臺(tái)上開(kāi)展了應(yīng)急避難場(chǎng)所的選址和布局研究。國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所的研究從單一目標(biāo)模型慢慢向多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)變，并且開(kāi)始引進(jìn)GIS技術(shù)來(lái)分析應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間特性。但是，現(xiàn)有的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型一般求解算法過(guò)于復(fù)雜，方法偏主觀(guān)，并且選取的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址評(píng)判指標(biāo)體系不夠全面，大都為避難場(chǎng)所的避難性、保障性和安全性指標(biāo)。

本文從灰色數(shù)據(jù)挖掘角度，提出一種純客觀(guān)的方法，即多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法，來(lái)構(gòu)建應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型。并且該多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法還具有計(jì)算簡(jiǎn)單和分辨率大的特點(diǎn)，選址結(jié)果更準(zhǔn)確。另外還對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所指標(biāo)體系進(jìn)行改進(jìn)，加入交通性類(lèi)別指標(biāo)，使對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所的衡量更加全面。綜合多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策選址模型和改進(jìn)的避難場(chǎng)所指標(biāo)體系，并引入GIS技術(shù)來(lái)處理應(yīng)急避難場(chǎng)所相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)，提出一整套應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架。最后以泉州市主城區(qū)為例，進(jìn)行應(yīng)急避難場(chǎng)所選址，對(duì)選址模型的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1　應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架

2. 基于GIS和灰色決策法的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址

2.1應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架

本文的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址思路是：首先，根據(jù)應(yīng)急避難場(chǎng)所選址的指標(biāo)選擇依據(jù)，建立一套全面的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系；其次，利用GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，處理應(yīng)急避難場(chǎng)所選址相關(guān)的基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)，獲得避難場(chǎng)所評(píng)判指標(biāo)數(shù)值；然后，構(gòu)建基于灰色決策法的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型，并求解；最后，進(jìn)行選址結(jié)果的分析與展示。應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架，如圖1所示。

2.2應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)

本文的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)選擇依據(jù)有三條：第一，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)防災(zāi)避難場(chǎng)所設(shè)計(jì)規(guī)范》；第二，根據(jù)國(guó)內(nèi)外避難場(chǎng)所選址相關(guān)文獻(xiàn)，一般從避難性、保障性和安全性三個(gè)方面來(lái)建立應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系；第三，在傳統(tǒng)指標(biāo)體系上，一方面增加了交通因素這一類(lèi)指標(biāo)，應(yīng)急避難場(chǎng)所需要選擇在道路寬闊、交通便利之處，以便大量人員疏散通行和應(yīng)急物資能順暢到達(dá)避難場(chǎng)所進(jìn)行救援，另一方面為每一個(gè)指標(biāo)加入了效果測(cè)度，用來(lái)區(qū)別不同性質(zhì)指標(biāo)的效果作用類(lèi)型，其中效果測(cè)度為增加型的指標(biāo)表示指標(biāo)值越大越好，效果測(cè)度為減小型的指標(biāo)表示指標(biāo)值越小越好。

綜上建立了一套全面的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系，如下表1所示。

表1　應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系

2.3GIS技術(shù)應(yīng)用

GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種空間地理數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具備一系列地理空間數(shù)據(jù)處理及分析功能。而應(yīng)急避難選址一般建立在城市級(jí)別的大尺度范圍上，選址過(guò)程中需要處理和分析龐大的地理數(shù)據(jù)。所以將GIS技術(shù)應(yīng)用到應(yīng)急避難場(chǎng)所選址，可以有效地解決選址過(guò)程中地理數(shù)據(jù)處理及分析問(wèn)題。本文以ArcGIS軟件為平臺(tái)，其具體功能應(yīng)用如下：

2.3.1空間數(shù)據(jù)管理功能：建立應(yīng)急避難場(chǎng)所選址相關(guān)的基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)，包括：待選避難場(chǎng)所數(shù)據(jù)（分布位置，面積，容量等）、城市基本數(shù)據(jù)（人口分布，道路數(shù)據(jù)等）、災(zāi)害數(shù)據(jù)（地震，崩塌，滑坡，泥石流，?；返龋┖途仍O(shè)施數(shù)據(jù)（醫(yī)院，消防隊(duì)等）。

2.3.2空間分析功能：通過(guò)最短路徑分析，計(jì)算實(shí)際道路網(wǎng)絡(luò)中各待選避難場(chǎng)所與災(zāi)害點(diǎn)、救援設(shè)施之間的距離，獲取避難場(chǎng)所評(píng)判指標(biāo)數(shù)值。

2.3.3制圖功能：將選址數(shù)值結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息，并添加比例尺、圖例等，輸出避難場(chǎng)所選址最終結(jié)果圖。

2.4灰色決策法應(yīng)用

2.4.1應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型選擇

目前，常用的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型可概括為多目標(biāo)優(yōu)化法和層次分析-模糊數(shù)學(xué)綜合法，其與多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法的對(duì)比如左下表2所示。

表2　應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型對(duì)比

多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法是灰色理論中灰色決策法的一種，用于多目標(biāo)決策中充分考慮各種目標(biāo)的影響進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)綜合效果測(cè)度排序選擇最優(yōu)決策方案。

與其它方法相比，多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法實(shí)現(xiàn)較容易，對(duì)數(shù)據(jù)要求較低且計(jì)算量小；呈現(xiàn)結(jié)果直接為量化的數(shù)值，且分辨率大，使結(jié)果更準(zhǔn)確、更直觀(guān)；是一種純客觀(guān)的方法，用于從雜亂的數(shù)據(jù)中深入挖掘出潛在的規(guī)律。

2.4.2多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策算法

利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法算法，其步驟如下：

第一步 確定模型事件集、對(duì)策集和決策方案集。

第二步 確定決策目標(biāo)。本文中應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系中的k個(gè)指標(biāo)即為k個(gè)決策目標(biāo)。

第三步 目標(biāo)效果測(cè)度。

1980年7月，梅宏高考全縣第一名、全省第三名竟然差點(diǎn)落榜！追查下來(lái)，梅宏的體檢表格被錯(cuò)調(diào)了。梅宏被補(bǔ)錄到了陌生的“南京航空學(xué)院”且還是“計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)”。

第四步 確定一致效果測(cè)度矩陣。

（a）設(shè)k 為增加型目標(biāo)，即目標(biāo)效果樣本值越大越好；k目標(biāo)下的決策灰靶設(shè)為

（b）設(shè)k 為減小型目標(biāo)，即目標(biāo)效果樣本值越小越好；k目標(biāo)下的決策灰靶設(shè)為

第五步 利用熵值權(quán)重法確定各目標(biāo)的權(quán)重。

第六步 綜合效果測(cè)度函數(shù)和綜合效果測(cè)度矩陣。

為綜合效果測(cè)度矩陣。

第七步 最優(yōu)對(duì)策、最優(yōu)事件和最優(yōu)方案

3. 實(shí)例應(yīng)用

本文以福建省泉州市主城區(qū)為例，對(duì)提出的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)。泉州市主城區(qū)總面積有225平方公里，總?cè)丝诩s82萬(wàn)。

3.1應(yīng)急避難場(chǎng)所基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

通過(guò)泉州市主城區(qū)地理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，借助ArcGIS軟件的矢量分析功能提取出13個(gè)待選避難場(chǎng)所空間數(shù)據(jù)、城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)和人口密度分布數(shù)據(jù)，如下圖2所示。

圖2　泉州主城區(qū)地理數(shù)據(jù)綜合圖

3.2各指標(biāo)數(shù)據(jù)收集

以泉州主城區(qū)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參照所建立的應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系（見(jiàn)表3），利用ArcGIS軟件的最短路徑分析功能完成應(yīng)急避難場(chǎng)所選址各指標(biāo)數(shù)據(jù)處理。

圖3　待選避難場(chǎng)所距消防隊(duì)最近距離

圖4　待選避難場(chǎng)所距醫(yī)院最近距離

應(yīng)急避難場(chǎng)所指標(biāo)值統(tǒng)計(jì)表含有與消防隊(duì)最近距離（如圖3所示）、與醫(yī)院最近距離（如圖4所示）和與斷層最近距離（如圖5所示）指標(biāo)值。

表3　應(yīng)急避難場(chǎng)所指標(biāo)值統(tǒng)計(jì)表

表4　指標(biāo)權(quán)重表

圖5　待選避難場(chǎng)所距斷層最近距離

圖6　避難場(chǎng)所選址結(jié)果

表5　避難場(chǎng)所的綜合效果測(cè)度

3.3熵值權(quán)重法

根據(jù)熵值權(quán)重法，求出可容納避難人數(shù)指標(biāo)、開(kāi)放空間比指標(biāo)、與醫(yī)院最近距離指標(biāo)、與消防隊(duì)最近距離指標(biāo)和與斷層最近距離指標(biāo)的權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

3.4多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型求解結(jié)果

將各指標(biāo)數(shù)據(jù)（如表3所示）及其權(quán)重（如表4所示）帶入由Matlab軟件構(gòu)建的多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策模型中，計(jì)算得出13個(gè)避難場(chǎng)所的綜合效果測(cè)度（如表5所示）。

3.5選址結(jié)果分析

將避難場(chǎng)所的綜合效果測(cè)度數(shù)值輸入到ArcGIS軟件中，并添加比例尺、圖例等，輸出避難場(chǎng)所選址最終結(jié)果圖（如P24 圖6所示）。從圖中可以看出，避難場(chǎng)所綜合效果測(cè)度范圍在0.22-0.86之間，分布范圍跨度較大，更容易區(qū)分避難場(chǎng)所的優(yōu)劣性。避難場(chǎng)所綜合效果測(cè)度越大說(shuō)明該待選避難場(chǎng)所的綜合避難能力越強(qiáng)，更適宜成為正式的避難場(chǎng)所。決策者根據(jù)需要，可從待選避難場(chǎng)所中選取綜合效果測(cè)度值高的作為避難場(chǎng)所。

4. 結(jié)論

本文建立了一整套應(yīng)急避難場(chǎng)所選址框架用于指導(dǎo)應(yīng)急避難場(chǎng)所選址的實(shí)際應(yīng)用。提出了一種容易實(shí)現(xiàn)、對(duì)數(shù)據(jù)要求較低、分辨率大和純客觀(guān)的方法，即多目標(biāo)加權(quán)灰靶決策法，成功構(gòu)建應(yīng)急避難場(chǎng)所選址模型，并利用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)算法。在傳統(tǒng)應(yīng)急避難場(chǎng)所選址指標(biāo)體系上進(jìn)行改進(jìn)，加入交通性類(lèi)別指標(biāo)，使對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所的衡量更加全面，并對(duì)每一個(gè)指標(biāo)加入效果測(cè)度類(lèi)型來(lái)區(qū)分不同性質(zhì)的指標(biāo)。借助ArcGIS軟件平臺(tái)綜合分析影響避難場(chǎng)所選址的各因素，選取最優(yōu)應(yīng)急避難場(chǎng)所地點(diǎn)。并以泉州市主城區(qū)進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證了選址模型的可行性和有效性，求解結(jié)果可為泉州市主城區(qū)避難場(chǎng)所規(guī)劃提供建設(shè)性參考意見(jiàn)。

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作者單位：1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院
2.武漢科技大學(xué)