基于ArcGIS的多準則地震應(yīng)急避難所選址規(guī)劃研究

張亞楠　高惠瑛

基于ArcGIS的多準則地震應(yīng)急避難所選址規(guī)劃研究

張亞楠高惠瑛

（中國海洋大學(xué)，工程學(xué)院土木工程系，山東青島 266100）

地震是極其嚴重的自然災(zāi)害，有可能造成重大傷亡和經(jīng)濟損失。由于城市中人口高度聚集，地震發(fā)生時，需將受災(zāi)居民快速疏散至應(yīng)急避難所，因此，應(yīng)急避難所選址的合理性至關(guān)重要。本文提出1種可用于解決選址問題的多準則選址模型，并提出了求解模型的方法。該方法分為3個步驟，首先選擇候選應(yīng)急避難所，其次分析候選避難所的服務(wù)范圍，最后確定應(yīng)急避難所的位置。通過案例研究，論證了多準則選址模型在地震應(yīng)急避難所規(guī)劃中的有效性。

多準則選址地震應(yīng)急避難所地理信息系統(tǒng)（GIS）

引言

目前，世界上大多數(shù)人口生活在城市地區(qū)，隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市越來越容易受到自然災(zāi)害的影響。地震有可能對城市造成嚴重的破壞，如2008年的汶川地震造成796.7萬間房屋倒塌，2454.3萬間房屋損壞，汶川映秀被夷為平地，截至2008年9月18日地震共造成69226人死亡，17923人失蹤，是中國繼唐山地震后的又1次大規(guī)模破壞性地震（謝禮立等，2016）；此外，2011年日本東北部地震除了使大批建筑物遭到破壞，還造成18926人死亡（郭燕等，2013）。為了減輕地震對生命財產(chǎn)造成的損害，許多城市修建了應(yīng)急避難所。自1956年以來，日本政府實施了專門的法律和標準，指導(dǎo)包括城市公園法、防災(zāi)規(guī)劃和各種設(shè)計指南在內(nèi)的應(yīng)急避難所的建設(shè)（錢洪偉，2017）。1995年阪神大地震發(fā)生后，神戶市1250多處公園再次在救災(zāi)方面顯示了巨大作用（魏博等，2010）。自此，日本更加注重防災(zāi)公園的建設(shè)，將建設(shè)城市公園綠地體系作為抗震減災(zāi)規(guī)劃的重中之重（吳健生等，2015），為其它國家與地區(qū)建設(shè)應(yīng)急避難所提供了有益的啟示和成熟的經(jīng)驗。

隨著中國城市化進程的加快，城市人口急劇增加，生產(chǎn)與生活高度集中，地震災(zāi)害對城市安全構(gòu)成了多方面威脅（賴俊彥等，2015）。2008年汶川8.0級大地震、2010年玉樹7.1級地震、2013年廬山7.0級地震、2014年魯?shù)?.5級地震和2017年九寨溝縣7.0級地震均給當?shù)鼐用裨斐闪酥卮蟮纳敭a(chǎn)損失，但與此同時也迅速地促進了地震避難所的規(guī)劃進程（馮蔚等，2016）。合理規(guī)劃地震應(yīng)急避難所不僅是震害防御準備中不可或缺的措施之一，更是災(zāi)后能夠及時開展應(yīng)急救援的必要條件（高偉等，2018）。

地震避難所是震后提供疏散保護和基本生活保障服務(wù)的安全場所。根據(jù)GB 50413—2007《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標準》（中華人民共和國建設(shè)部，2007），將地震避難所分為應(yīng)急避難所、固定避難所和中心避難所3大類。本文的研究對象是應(yīng)急避難所，主要是指遠離危險源與高層建筑且配備疏散道路與水、電設(shè)施的公園綠地、活動廣場、學(xué)校等開敞空間。

1　 設(shè)施選址方法與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1　設(shè)施選址方法

地震避難所選址模型的本質(zhì)是設(shè)施選址問題，設(shè)施選址中經(jīng)典的選址模型有-中值模型（-median problem）、-中心模型（-center problem）、集合覆蓋模型（location set covering problem）和最大覆蓋模型（maximal covering location problem）。

-中值模型由Hakimi在1964年提出，假定設(shè)施數(shù)量是確定的，則其決策目標是找到這些設(shè)施的位置，使需求點的總服務(wù)距離或者平均距離最小化（陳志芬等，2018）。

-中心模型與-中值模型相似，同樣假設(shè)有固定數(shù)量的設(shè)施，并從規(guī)劃布局公平性角度確定設(shè)施位置，盡量減少從設(shè)施點到需求點的最大服務(wù)距離。

集合覆蓋模型是1種強制性的覆蓋模型，最早由Toregas和Revelle提出，其決策目標是在遵循最大服務(wù)距離原則和限定需求點全被覆蓋的條件下，尋找最少的設(shè)施數(shù)量及其位置（陳志芬等，2018）。

最大覆蓋模型最早由Church和ReVelle提出，其決策目標是在限定設(shè)施數(shù)量和到需求點距離的條件下，確定最優(yōu)的設(shè)施位置分布，并盡可能多地覆蓋需求點（陳志芬等，2018）。

1.2　設(shè)施選址應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)典選址模型是解決設(shè)施選址問題的基礎(chǔ)方法。許多研究和應(yīng)用直接由經(jīng)典模型擴展而來，如Rahmaniani等（2013）考慮不確定性，擴展了最大覆蓋選址模型，并提出了2階段的隨機優(yōu)化定位方法。

另外，有研究通過建立1個多準則或者多目標的選址模型來滿足更為復(fù)雜的應(yīng)用需求。Liu等（2011）以2008年5月12日汶川大地震為背景，從定性角度分析和應(yīng)用了災(zāi)難性山區(qū)地震應(yīng)急避難所的選址準則，并為將來定量分析以及政府災(zāi)后重建決策提供依據(jù)。Nappi等（2015）從定性和定量的角度給出了臨時避難所選址的10個標準，該標準為多個應(yīng)用領(lǐng)域建立多準則選址模型提供了參考。Zhao等（2017）以北京市朝陽區(qū)金戰(zhàn)鎮(zhèn)為例，對疏散人口規(guī)模、疏散時間和總避難所面積之間的關(guān)系進行了研究，提出了最小化總加權(quán)疏散時間（TWET）與總疏散面積（TSA）的雙目標數(shù)學(xué)模型。上述模型包含多種多樣的標準，但從城市規(guī)劃的角度看，只有少數(shù)幾個適用于地震應(yīng)急避難所的選址。一些對地震避難所的規(guī)劃起到重要作用的標準，諸如人口容量與避難所服務(wù)區(qū)域（空間覆蓋）之間的關(guān)系和候選避難所的選擇等，在目前的研究中很少被同時考慮。

近年來，地理信息系統(tǒng)（GIS）已被用于解決選址的問題。GIS在處理廣泛的空間數(shù)據(jù)分析問題上具有獨特的優(yōu)勢，決策者可以選擇最適合的數(shù)據(jù)建模和分析方法來解決各種問題。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，提出適用于地震避難所選址模型的多目標規(guī)劃原則，利用GIS的空間分析功能，提出設(shè)施選址相應(yīng)的解決方法，并利用實例驗證其可行性。

2　模型建立

2.1　多目標規(guī)劃原則

（1）安全原則。安全原則是避難所選址的最基本原則，也是最重要的原則。為確保避難所本身與周邊環(huán)境安全以及居民避災(zāi)時受到的次生災(zāi)害影響最小，場所必須具有較低的危險性（史曉瑞等，2016）。其功能是提供保護，如場所本身具有較大的安全隱患，則失去了它的效用。

（2）平災(zāi)結(jié)合原則。應(yīng)急避難所主要是利用學(xué)校、綠地、公園、廣場等平時發(fā)揮教育、休閑等功能的開敞空間，在地震發(fā)生時能夠及時、有效地轉(zhuǎn)換功能，保障人民生活需求和生命安全。

（3）均衡分布原則。為了使人們在發(fā)生災(zāi)難時能夠迅速到達地震應(yīng)急避難所，避難所應(yīng)較均勻地分布。換言之，應(yīng)急避難所的空間分布應(yīng)與人口密度相匹配。

（4）可達性原則?？蛇_性原則反映應(yīng)急避難所與外界聯(lián)絡(luò)的效率。城市疏散道路是災(zāi)時連接應(yīng)急避難所與事發(fā)地、居民點和各服務(wù)設(shè)施之間的重要通道，道路通達性直接影響災(zāi)后救援指揮的效率。地震災(zāi)害發(fā)生后，人們在緊急逃生時一般以步行方式就近選擇避難所，因此避難所應(yīng)在步行5分鐘內(nèi)可達，故其服務(wù)半徑宜為500m（中華人民共和國建設(shè)部，2007）。

（5）服務(wù)容量有限原則。每個應(yīng)急避難所的有效避難面積（即服務(wù)容量）是一定的，因此可容納的人數(shù)有限。合理的服務(wù)容量保證了避難者在發(fā)生次生災(zāi)害時可以安全有效的疏散。

2.2　 多目標選址模型的建立

在經(jīng)典選址模型的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計最大覆蓋模型與-中值模型相結(jié)合的多準則選址模型，用來滿足上述原則。

3　基于GIS的多準則模型解決方案

3.1 　方案概述

本文提出的解決方案是1個迭代過程，如圖1所示。首先，根據(jù)多目標規(guī)劃原則，選擇應(yīng)急避難所的候選地點。避難所空間分布的優(yōu)化是設(shè)施選址的1個重要目標，由于規(guī)劃人員可靈活選址，該目標在城市規(guī)劃中容易實現(xiàn)，但需要注意的是避難所的位置受到安全原則的限制。建立公式（式（5）、式（6））對候選避難所進行估計，以衡量避難所地點的優(yōu)先級。其次，根據(jù)實際的道路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)模型，通過GIS空間分析功能，對每個候選避難所的服務(wù)范圍進行逐一分析。最后，根據(jù)規(guī)劃區(qū)域和空間分布的總空間覆蓋率，選擇最終的避難所。

圖1 　地震避難所的選址迭代過程

3.2　候選避難所數(shù)目的確定

與擁有較完備生活設(shè)施的避難所不同，地震應(yīng)急避難所只需要為人們提供開放的安全空地，地震過后人們返回解除危險的房屋或轉(zhuǎn)移集合到可以提供生活設(shè)施的避難所。參考《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標準》（中華人民共和國建設(shè)部，2007）中疏散人口估算方法，緊急避難人數(shù)按照受災(zāi)區(qū)內(nèi)人口的80%計算，同時緊急避難場地不宜小于0.001km2。由于候選場所的服務(wù)區(qū)域可能會重疊，可用系數(shù)對候選避難所的數(shù)量進行調(diào)節(jié)，以估計正確的候選避難所數(shù)量。依據(jù)經(jīng)驗，的范圍設(shè)置為1.5—3.5。

人們在應(yīng)急避難所停留的時間一般只有幾小時到1天，基本的活動主要有站立和蹲坐（張燦強等，2012），并且需要一定的身體舒展活動空間，同時考慮此階段可能存在緊急救助傷員的空間需求，故人均有效應(yīng)急避難面積應(yīng)不少于1.5m2。根據(jù)公式（5）得到候選避難所的數(shù)目：

3.3　候選避難所優(yōu)先級的確定

地震應(yīng)急避險場所作為人們在地震發(fā)生時的臨時緊急躲避危險的空間，不同于相對穩(wěn)定的應(yīng)急避難所需要綜合兼顧資源保障、社會控制等因素（熊焰等，2014），故選取6個評價指標（表1），并根據(jù)公式（6）評價某一地點的適宜性，得分最高的點則有可能被選為正式的避難所。

其中，是每個候選點的得分，是每個評價指標的權(quán)重，f是候選點某單一評價指標的得分情況。

表1 　評價指標及評價權(quán)重

3.4　候選避難所服務(wù)范圍分析

理想的地震避難所服務(wù)范圍是圓形的，但在現(xiàn)實中較難實現(xiàn)。不同避難所的服務(wù)范圍受到人口容量和服務(wù)半徑2個因素的影響。

此外，從需求點到候選避難所的距離必須是道路的實際距離，而不是直線距離。避難所的服務(wù)人數(shù)應(yīng)不超過避難所的人口容量，故避難所服務(wù)區(qū)域的大小也與規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的人口分布有關(guān)。

最終選址的避難所其服務(wù)區(qū)會存在不必要的重疊，導(dǎo)致重復(fù)計算人口需求。為消除重復(fù)計算，將重疊區(qū)域分別只劃歸到最近的地震應(yīng)急避難所，此時得到的互不重疊的服務(wù)區(qū)劃分結(jié)果稱為地震應(yīng)急避險場所的“最鄰近區(qū)”（高偉等，2018）。

3.5　避難所選址

每個候選避難所的服務(wù)區(qū)域可按優(yōu)先級依次進行分析。當生成2個以上的服務(wù)區(qū)域時，需確保兩者的結(jié)合和優(yōu)化，這一過程使用GIS空間操作符：聯(lián)合。

覆蓋率為候選避難所服務(wù)區(qū)域的聯(lián)合與規(guī)劃區(qū)域的面積之比，ratio是由城市總體規(guī)劃決定的覆蓋率的最小閾值，當＜ratio時，將對1個新的候選避難所（+1）進行選址分析，直到滿足閾值條件，完成選址分析。完整的分析過程如圖1所示。

4　案例研究

4.1 　案例背景

青島市作為中國經(jīng)濟發(fā)展沿海城市，人口高度密集，經(jīng)濟總量巨大，潛在地震風(fēng)險高，次生災(zāi)害因素多，防震減災(zāi)形勢嚴峻、任務(wù)繁重。因此，將上述多目標選址模型應(yīng)用到青島市黃島區(qū)（青島西海岸新區(qū)，本文統(tǒng)稱黃島區(qū)）的地震避難所選址中。

黃島區(qū)地處山東半島西南隅，膠州灣畔（潘強等，2018）。其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，處于北東向郯廬強震帶、北西向燕山-渤海強震帶和北東向南黃海強震帶的環(huán)繞之中，歷史上曾發(fā)生過中強以上地震，均造成了嚴重的破壞和影響。

黃島區(qū)需加強和完善應(yīng)急避難所建設(shè)，充分利用學(xué)校操場、體育場館、廣場、公園、綠地等場所設(shè)置地震應(yīng)急避難所，規(guī)劃應(yīng)急疏散通道，配置避難救生設(shè)施，進一步完善其功能，提高地震應(yīng)急避難所規(guī)范化水平（青島市地震局，2015）。

4.2　避難所現(xiàn)狀

目前，黃島區(qū)設(shè)有2個規(guī)模較大的應(yīng)急避難所（表2），其中市民文體廣場避難所的人均避難面積為1.4m2，雙珠公園避難所的人均避難面積為2.4m2。然而，市民文體廣場的服務(wù)容量已飽和，違背了服務(wù)容量有限原則，且黃島區(qū)的應(yīng)急避難所數(shù)量少，不符合均衡分布原則與可達性原則。

表2 　黃島區(qū)現(xiàn)有避難所詳細信息

黃島區(qū)常住人口為153.92萬（青島市統(tǒng)計局等，2018），根據(jù)以往的經(jīng)驗設(shè)置調(diào)整系數(shù)為1.85，根據(jù)本文提出的模型與方法，得出候選避難所的數(shù)量為85個。對每個候選避難所進行實地調(diào)研，并利用綜合評價法對其優(yōu)先級進行評定。

4.3　道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的建立

ArcGIS的網(wǎng)絡(luò)分析工具分為傳輸網(wǎng)絡(luò)分析和效用網(wǎng)絡(luò)分析，分別對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集（netw ork dataset）和幾何網(wǎng)絡(luò)（geometric network）（湯國安等，2012）。其中，傳輸網(wǎng)絡(luò)分析常用于道路、地鐵等交通網(wǎng)絡(luò)進行路徑、服務(wù)范圍與資源分配等分析。通過建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，地理信息系統(tǒng)可實現(xiàn)每個設(shè)施點的服務(wù)區(qū)域功能分析。

通過“公開地圖”（open street map，OSM）和“天地圖”等在線地圖，將黃島區(qū)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入ArcGIS地理數(shù)據(jù)庫要素集中，進行拓撲檢查后，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。將道路長度（road length）設(shè)置為數(shù)據(jù)集的限制屬性“成本”，可將道路長度轉(zhuǎn)換為疏散人群的旅行距離。黃島區(qū)的道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集如圖2所示。

圖2 　ArcGIS道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集

4.4　候選避難所服務(wù)區(qū)域分析

候選避難所的服務(wù)范圍取決于人口容量、道路距離和人口分布。在決定候選避難所時考慮人口密度等因素，選擇人口密度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道等的活動廣場和社區(qū)內(nèi)的綠地、公園以及周邊的學(xué)校等開闊空曠的場地。對于人口容量，若無法得到單個候選避難所服務(wù)區(qū)域內(nèi)的準確人口，則可利用黃島區(qū)人口普查數(shù)據(jù)對服務(wù)區(qū)域面積進行比較，得到服務(wù)區(qū)域內(nèi)的人口。

利用ArcEngine程序?qū)崿F(xiàn)迭代計算，確定了75個地震避難所的位置，其空間分布以及服務(wù)區(qū)域如圖3所示。其中，大部分避難所為學(xué)校的操場、街道社區(qū)的文化廣場以及公園綠地等，所有避難所的聯(lián)合服務(wù)區(qū)域為462km2，覆蓋率為77%，滿足防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃要求。避難所的詳細信息見表3。

表3 　應(yīng)急避難所信息

續(xù)表

圖3 　黃島區(qū)應(yīng)急避難所分布

5　結(jié)論

地震避難所規(guī)劃是防災(zāi)減災(zāi)的重要舉措。本文提出了基于地理信息系統(tǒng)的多目標選址模型，有效地解決了城市避難所的選址問題。將此模型應(yīng)用到黃島區(qū)，驗證了模型的可行性與有效性，并完善和豐富了黃島區(qū)的避難所規(guī)劃。

多準則選址模型可以作為當?shù)卣畬嵤┓罏?zāi)規(guī)劃的決策工具，還可通過GIS數(shù)據(jù)庫搭建防災(zāi)信息平臺，加快應(yīng)急避難所的規(guī)劃進程。但是，本文構(gòu)建的決策模型還存在一定的不足，如通過服務(wù)區(qū)域得到的人口數(shù)量為近似值等，今后仍需進一步完善。

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Planning Multi-criteria Seismic Emergency Shelter Site Based on ArcGIS

Zhang Yanan and Gao Huiying

(Department of Civil Engineering, School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China)

Earthquakes are extremely serious natural disasters, causing heavy casualties and economic losses. As the population in the city is highly concentrated, it is necessary to evacuate the disaster-affected residents to the emergency shelter once a disaster occurs. Therefore, the rationality of emergency shelter location becomes the focus of research. In this study, a multi-criterion constrained siting model is proposed to solve the siting problem. Then, an iterative method is proposed to solve the model. With the support of Geographical Information System (GIS), this method we developed consists of three steps: selecting candidate shelters, analyzing the space coverage of candidate shelters, and determining the location of the shelters. Finally, through case study, the application of the multi-criterion model and the effectiveness of the corresponding solutions in the planning of urban earthquake shelters are demonstrated.

Multi-criteria; Location; Seismic Emergency Shelter; Geographic information system (GIS)

10.11899/zzfy20190211

2018-07-09

張亞楠，女，生于1994年。碩士研究生。研究方向：管理科學(xué)與工程。E-mail：ouc_erica1318@163.com

張亞楠，高惠瑛，2019．基于ArcGIS的多準則地震應(yīng)急避難所選址規(guī)劃研究．震災(zāi)防御技術(shù)，14（2）：376—386．