基于灰色關聯(lián)分析與熵值權重的避難所適宜性評價

劉玉琪，胡慶武，程 鋼，岳俊升

(1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079 ；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

基于灰色關聯(lián)分析與熵值權重的避難所適宜性評價

劉玉琪1，胡慶武1，程 鋼2，岳俊升2

(1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079 ；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

適宜性評價對于應急避難場所規(guī)劃和建設十分重要，提出了一種基于熵值權重與灰色關聯(lián)分析的城市避難場所適宜性評價方法。選取避難所可容納人口數(shù)、與醫(yī)院最近距離、與派出所最近距離、與道路最近距離和與隱患點最近距離5個指標，運用GIS分析方法和兩步移動搜索法對指標進行計算，再運用熵值法確定指標的權重，進一步采用灰色關聯(lián)分析法對避難所進行綜合適宜性評價。以深圳市龍崗區(qū)79處避難所為例進行適宜性評價分析，分析結果可用于指導城市避難場所的規(guī)劃和建設。

適宜性評價指標；兩步移動搜索法；灰色關聯(lián)分析法；熵值權重法

城市數(shù)量、人口規(guī)模不斷增大，使得各類災害給人們帶來的危險急劇增加。因此，建設應急避難場所，疏散人群以減少災害造成的損失便成為科學減災的首要任務。目前,國內(nèi)外已經(jīng)建成了大量的避難場所,這些應急避難所在避震減災方面發(fā)揮著重大的作用。然而,城市災害包括地震、洪水、臺風、泥石流、火災等,不同災害對城市應急避難場所的要求各不相同,對已有城市應急避難場所以及規(guī)劃中的應急避難場所面臨的不同災害進行適宜性評價將是非常有必要的[1]。

針對避難所適宜性評價方面的研究，吳宗之等基于層次分析方法和模糊集值理論，從規(guī)劃設計、內(nèi)部硬件設施、外部軟件環(huán)境等3方面對城市應急避難所適宜性評價進行了研究[2]；張曉峰等從地勢、周邊環(huán)境、自然災害抗擊能力和可達性等方面，采用AHP法與Delphi法相結合的方法進行城市應急避難場所安全評價研究[3]；劉少麗等利用服務覆蓋率、服務重疊率、服務人口比等指標，基于GIS網(wǎng)絡分析等功能對徐州市的應急避難所空間布局的合理性進行了適宜性評價[4]。哈佛大學實驗室計算機輔助疊加制圖技術的發(fā)展對于提高土地適宜性評價也起到了非常重要的作用[5]。GIS技術在應急避難所場所的分布、適宜性評價等方面也發(fā)揮著非常重要的作用，TSAI等利用GIS技術，綜合考慮各方面因素，通過多目標規(guī)劃模型完成了城市臨時應急避難所的選址以及適宜性評價工作[6]；ANDREW等運用網(wǎng)絡優(yōu)化模型與加權平均法研究了美國動物避難所的適宜性評價問題，通過選取避難所位置、動物醫(yī)院位置、隱患點位置等13個指標建立了避難所適宜性評價模型，從而指導避難所選址規(guī)劃布局[7]。

研究避難所適宜性問題能夠?qū)ξ磥斫ㄔO避難所起到相應的規(guī)范指導作用，但目前城市應急避難所適宜性評價工作還存在較大的發(fā)展空間，首要的問題就是要建立合適的應急避難所適宜性評價體系。針對城市避難所的適宜性評價，可以在充分考慮目前城市應急避難所規(guī)劃設計的基礎上，建立避難所的適宜性評價指標體系并選取合適的綜合適宜性評價方法，就避難場所針對不同災害的適宜程度進行綜合分析，同時分析避難場所潛在的災害影響情況，用來補充和完善城市應急避難場所規(guī)劃中的不足，從而保證各避難場所在發(fā)生災害時能夠盡可能地發(fā)揮其所具備的避難功能。筆者將熵值權重與灰色關聯(lián)分析法引入城市避難場所適宜性評價，選取5個評價指標，運用GIS分析方法和兩步移動搜索法對適宜性評價指標進行評價分析，使用熵值法確定指標權重，然后采用灰色關聯(lián)分析法對深圳市龍崗區(qū)79處避難所進行綜合適宜性評價。

1 避難場所適宜性指標選取和計算

1.1 適宜性影響因子與評價指標選取

根據(jù)國內(nèi)外相關文獻以及配套設施國家標準(GB 21734-2008)，國內(nèi)外研究學者提出的應急避難場所建設的規(guī)范和準則，一般情況下都是從安全性、可達性、有效性等方面來考慮。依照指標本身的特性，不同的指標對于應急避難場所的影響不同。部分指標對應急避難場所的適宜性是呈正相關的，即其評估值越高，適宜性越高；而部分指標則對應急避難場所的適宜性評價呈負相關，即其評估值越高，適宜性越低。因此，筆者對應急避難場所的適宜性評價指標的大小進行界定，具體界定結果如表1所示。其中，適宜性評價指標的大與小都是依據(jù)避難場所的適宜性增大原則來確定的。

表1 適宜性評價指標界定表

對選取的指標進行分類，以有效性指標、可達性指標和安全性指標建立避難所指標評價體系。通過對指標的評價分析得出各指標對避難所適宜性所發(fā)揮的作用，從而對避難所綜合適宜性進行評價。

1.2 適宜性評價計算

1.2.1 有效性指標

以避難所可容納人口數(shù)作為有效性指標。避難所可容納人口數(shù)可以利用應急避難場所的開放空間除以每人最小需求避難面積求得。根據(jù)所收集數(shù)據(jù)利用ArcGIS對避難所可容納人口進行分級，再由所分等級來評價其有效性。

1.2.2 可達性指標

可達性指標通過避難場所與醫(yī)院、道路、派出所的最近距離來計算?？衫镁彌_區(qū)分析與兩步移動搜索法[8]對避難所的可達性進行分析。①緩沖區(qū)分析。避難所的服務半徑大小與避難人員到達安全區(qū)域所花費的時間成正比。過大的服務半徑會增大災民避難途中的危險性。目前，避難所的服務半徑通常由市民在避災過程中步行某段時間所走的距離來決定。因此，采用GIS緩沖區(qū)分析法分析避難所的服務能力。其緩沖距離則根據(jù)配套設施國家標準(GB 21734-2008)確定為2 000 m，并以此作為緩沖半徑進行緩沖區(qū)分析，粗略地評價深圳市龍崗區(qū)避難所的適宜性。②兩步移動搜索法。在確定適宜性評價指標時，可達性指標有與醫(yī)院的最近距離、與道路的最近距離、與派出所的最近距離。這些指標在分析可達性指標實驗中所占比重較大，因此可以根據(jù)這些指標利用兩步移動搜索法求出避難所的供需比和空間可達性。在運用兩步移動搜索法的過程中，首先應以供給地(避難所)為中心，求解其所形成的空間作用域，并統(tǒng)計落入此空間作用域內(nèi)的所有需求點(社區(qū))。然后按照需求點的數(shù)量與分布狀況進行所需求人數(shù)的統(tǒng)計，最終求得供需比例和可達性。

(1)首先搜尋供給點閾值范圍內(nèi)的所有需求點，即各個避難場所的供需比，并將供需比定義為供給點的服務能力。然后利用避難場所h的入口f，搜索其距離閾值(服務半徑d0)范圍內(nèi)的街道質(zhì)心k，對街道的人口Pk應用高斯方程G進行加權處理，對加權人口進行求和運算后即為搜尋區(qū)內(nèi)的潛在需求人群，最后計算避難服務供給與潛在需求人群之比Rf(供需比)，如式(1)所示。

(1)

式中：Sf為避難所入口f的總供給；Sh為避難所可容納人口數(shù)；Wf為入口f的權重，由于數(shù)據(jù)限制，筆者假設避難所各個入口權重相等。

(2)搜尋需求點閾值范圍內(nèi)的供給點，將該閾值范圍內(nèi)所有供給點的服務能力之和定義為該點的可達性，搜尋所有能夠為該街道提供應急避難服務的避難所的入口，并將第一次搜尋時得到的供需比利用高斯方程加權后相加求和，即針對每個街道的質(zhì)心，搜索所有距離閾值范圍(服務半徑)內(nèi)的避難所的入口f，所有加權供需比求和后即可得到街道i的空間可達性Ai，如式(2)所示。

(2)

式中：dk, f為位置k,f之間的距離；G(dk, f,d0)為考慮到空間摩擦問題的高斯方程。根據(jù)避難所距醫(yī)院、道路和派出所的距離以及避難所可容納人口數(shù)、社區(qū)人口數(shù)、常數(shù)e、作用域d0(2 000 m)等即可計算避難場所的可達性。

1.2.3 安全性指標

安全性指標用避難場所與隱患點的最近距離來表達。根據(jù)應急避難場所場址及配套設施國家標準(GB 21734-2008)的要求，應急避難場所應該避免位于隱患點(如地震斷裂地帶)周邊200 m以內(nèi)的地區(qū)，根據(jù)避難所距離隱患點最近距離與規(guī)定標準距離作比較，判斷避難所的安全性是否符合國家標準。

2 基于灰色關聯(lián)法的避難場所適宜性評估

應急避難所適宜性評價是一個多目標決策過程，因此采用灰色關聯(lián)分析法進行綜合適宜性評價，但是灰色關聯(lián)分析法[9]求取關聯(lián)系數(shù)時都是采用平權處理(不考慮各指標序列對決策的影響程度和各關聯(lián)系數(shù)的權重大小)，這會造成信息損失并影響決策值關聯(lián)傾向。熵值權重法是以熵值來求取各準則間的相對權重，以各個目標對每一方案的實際值所得出的熵值表示該目標對整個決策狀況所傳遞決策信息的程度。因此筆者采用灰色關聯(lián)分析法和熵值權重法相結合的方法對應急避難場所進行適宜性評價，具體步驟如下：

(1)列出評價體系中各評價指標的數(shù)據(jù)序列X=[X0,X1,X2,X3,X4,X5],根據(jù)指標的最優(yōu)值確定參考序列X0，評價其指標屬性值xij。

(2)無量綱化處理。根據(jù)指標性質(zhì)，對避難所可容納人口數(shù)、與隱患點的距離兩個指標采用上限效果測度；對與醫(yī)院的最近距離、與派出所的最近距離、與道路的最近距離采用下限效果測度，如式(3)所示，并生成灰色序列表。

(3)

(4)

(5)

(6)

(5)將灰色關聯(lián)系數(shù)結合熵值權重法加權運算得出灰色關聯(lián)度R，即得出綜合適宜性評價結果。R越大，表明方案與最優(yōu)方案越接近，則適宜性越好。

Ri=∑r(x0(k),xi(k))Wj

(7)

3 結果及分析

3.1 實驗區(qū)域概況

深圳市經(jīng)濟發(fā)達，人口集中，是華南地區(qū)較為重要的交通樞紐。2012年末，深圳市龍崗區(qū)常住人口205.77萬人，其中戶籍人口39.66萬人，非戶籍人口166.11萬人，目前深圳市龍崗區(qū)已建成配套并投入管理的各類應急避難場所79個，分布在106個社區(qū)中。其避難所分布圖如圖1所示。

圖1 深圳市龍崗區(qū)避難所分布圖

3.2 適宜性評價指標計算結果

(1)有效性指標計算結果。運用ArcGIS將避難所可容納人口分為5個等級，其結果如圖2所示。從圖2可明顯看出5個等級分別為：10～200人、200～500人、500～1 500人、1 500～2 500人、2 500～8 500人，并且大部分避難所可容納人口數(shù)都在200人以上。

圖2 避難所可容納人口分級圖

(2)可達性指標計算結果。基于緩沖區(qū)分析的避難所服務覆蓋范圍如圖3所示，可以看出106個社區(qū)中，僅有1個社區(qū)沒有在避難所緩沖距離內(nèi)，避難所覆蓋率高達99.1%。由此可見深圳市龍崗區(qū)避難所整體上適宜性較好。

圖3 深圳市龍崗區(qū)避難所緩沖區(qū)分析圖

進一步運用兩步移動法計算避難場所的可達性指標，結果如圖4所示，其中可達性Ai≥1的有54個，1>Ai≥0.5有12個，Ai<0.5有13個,可見大多數(shù)避難所可達性良好。

圖4 社區(qū)可達性

圖5 與隱患點最近距離

(3)安全性指標計算結果。避難所距隱患點距離與標準安全距離比較如圖5所示，顯然，有2個避難所距離隱患點的距離小于標準安全距離，不符合安全性指標的避難所占2.5%，因此可見絕大多數(shù)避難所安全性較好。

3.3 適宜性評價結果

根據(jù)熵值權重法計算的各個適宜性指標的權重如表2所示。

表2 指標熵值權重

由表2可以看出，避難所可容納人口數(shù)指標權重最大，可達性指標中與醫(yī)院最近距離所占權重最大。由此可見避難場所的可有效容納人數(shù)是避難所適宜性評價中最重要的影響因子，而且避難場所的可達性指標也對適宜性評價結果有著重要影響。

進一步，運用灰色關聯(lián)分析結合熵值權重法得出避難所綜合適宜性評價結果，如圖6所示，根據(jù)適宜性評價結果中的關聯(lián)度分布圖，并結合已有研究經(jīng)驗，將適宜性評價結果運用ArcGIS進行分級處理，劃分為3個避難所適宜性等級:適宜(R≥2.239 467);較適宜(2.009 181≤R<2.239 467)；較不適宜為(R<2.009 181)，如圖7所示。

圖6 關聯(lián)度分布

圖7 關聯(lián)度分析

最終確定深圳市龍崗區(qū)79處應急避難所中適宜的有14處(占17.7%)，分別為：龍崗區(qū)救助站、高橋社區(qū)臨時避險中心、尚景社區(qū)、紫薇社區(qū)減災防災避險場所、龍西小學、黃閣坑社區(qū)工作站、五和小學、龍紅格社區(qū)工作站、力元嚇文化中心、崇和學校、建文中學中學部、鳳凰社區(qū)臨時避險場所、布吉敬老院、振新小學；較不適宜的有16處(占20.3%)，分別為：紅棉社區(qū)臨時避險中心、安良社區(qū)臨時避險中心、新生小學、西坑社區(qū)臨時避險中心、新城學校、山廈社區(qū)禮堂、木棉灣實驗學校、志盛社區(qū)臨時避險中心、平南社區(qū)避險中心、盛平社區(qū)減災防災避險場所、機關后勤服務中心、廈村社區(qū)避險中心、上李朗社區(qū)避險中心、回龍埔社區(qū)減災防災避險場所、怡心社區(qū)臨時避險中心、四方埔社區(qū)臨時避險中心；其余49處應急避難所處于較適宜的范圍(占62.0%)。可見大部分避難所適宜性較好。

4 結論

隨著城市現(xiàn)代化建設進程的逐漸加快,人們所面對的災害性問題逐漸增多。建設城市應急避難所已經(jīng)成為我國城市科學減災的第一要務。筆者對城市應急避難所進行了適宜性評價研究，結合灰色關聯(lián)分析法和熵值權重法對深圳市龍崗區(qū)避難場所進行了適宜性評價，首先從避難場所的有效性、可達性、安全性3個指標出發(fā)，建立應急避難所適宜性評價指標體系；其次分別采用緩沖區(qū)分析、兩步移動搜索法等對3個指標分別進行分析；最后采用灰色關聯(lián)分析和熵值權重法，對應急避難場所適宜性進行總體評價。評價結果顯示深圳市龍崗區(qū)79處避難所中，適宜的有14處，較不適宜的有16處，其余49處較適宜。其中,振新小學適宜性最好，盛平社區(qū)減災防災避險場所適宜性最差，評價結果可為深圳市龍崗區(qū)應急避難場所的建立與規(guī)劃工作提供依據(jù)和指導。

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ResearchonSuitabilityEvaluationMethodofUrbanSheltersBasedonGrayRelationalAnalysisandEntropyWeight

LIUYuqi,HUQingwu,CHENGGang,YUEJunsheng

Suitability evaluation is very important for the planning and construction of emergency shelters. In this paper, a method for evaluating the suitability of urban shelters based on entropy weight and gray relational analysis is proposed. Selecting five indicators which are the number of shelters to accommodate the population, the nearest distance to hospital, the nearest distance between police station, the nearest distance to the road and the nearest distance between the hidden danger points .Using the GIS analysis method and the two step mobile search method to calculate the suitability evaluation index. The entropy method was used to determine the weight of the index, and the gray correlation analysis was used to evaluate the comprehensive suitability of the shelter. Taking 79 shelters in Longgang District of Shenzhen city as examples, the gray correlation analysis method and entropy method are used to evaluate and analyze the results. The results can guide the planning and construction of urban shelters.

suitability evaluation index; two step mobile search method; gray relational analysis method; entropy weight method

2095-3852(2017)06-0669-05

A

2017-06-19.

劉玉琪(1993-)，女，河南信陽人，武漢大學遙感信息工程學院碩士研究生，主要研究方向為地理信息系統(tǒng).

胡慶武(1975-)，男，湖北武漢人，武漢大學遙感信息工程學院教授，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)集成.

地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局開放基金項目(2015NGCM ZD02)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(2042017KF0235)；2017年廣東省科技發(fā)展專項資金項目(2017B020218001).

TU984.116

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.005

LIUYuqi:Postgraduate; School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China.