服務(wù)于地震應(yīng)急的人口格網(wǎng)精細(xì)化研究
——以合肥市為例

于書媛，丁 娟，張 潔

(安徽省地震局，安徽合肥 230031)

0 引言

人口是重要的受災(zāi)體，高精度的人口空間分布信息是地震應(yīng)急救援工作的重要依據(jù)［1，2］。近幾年安徽省發(fā)生了具有一定影響的震群事件，例如2015年3月14日在阜陽(yáng)市潁東區(qū)發(fā)生的ML4.3級(jí)地震，造成房屋倒塌155間，受災(zāi)人口4.15萬(wàn)人，死傷15人。因此，應(yīng)對(duì)突發(fā)性的地震事件我們要有較為準(zhǔn)確的災(zāi)情評(píng)估數(shù)據(jù)，為積極做好應(yīng)急準(zhǔn)備工作服務(wù)。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)支撐地震災(zāi)害快速評(píng)估的人口數(shù)據(jù)、房屋數(shù)據(jù)等承載體的研究相對(duì)較少，研究?jī)?nèi)容主要集中在人口數(shù)據(jù)的空間化問(wèn)題，主要方法是運(yùn)用多源數(shù)據(jù)，通過(guò)建立模型，實(shí)現(xiàn)公里網(wǎng)格的人口數(shù)據(jù)模擬。陳振拓等［3］運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)，建立人口數(shù)據(jù)空間化模型，獲得公里網(wǎng)格人口密度矢量數(shù)據(jù)。丁文秀等［4］、江東等［5］通過(guò)土地利用模型，建立基于多源數(shù)據(jù)的公里網(wǎng)格人口數(shù)據(jù)模擬，該方法也是目前應(yīng)該較多的人口數(shù)據(jù)空間化方法。近幾年，隨著高分影像數(shù)據(jù)的普及，高精度空間信息提取技術(shù)發(fā)展迅速，基于居民地的人口數(shù)據(jù)空間化研究逐漸深入，為地震部門評(píng)估災(zāi)害損失提供了較高精度的數(shù)據(jù)源［6－8］。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于沒(méi)有科學(xué)確定鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村級(jí)居民地的平均人口密度及影響半徑，已有的公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性存在一定程度的不足。本文通過(guò)多源數(shù)據(jù)模擬獲得的人口密度分布部署不僅反映出以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為行政單元的人口分布情況，實(shí)現(xiàn)了人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，提高了人口數(shù)據(jù)的空間化數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)集成能力，同時(shí)為防震減災(zāi)應(yīng)用提供了較為可行的人口數(shù)據(jù)空間化方案，能夠更好地應(yīng)用于地震災(zāi)害損失快速評(píng)估。

1 格網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是進(jìn)行GIS、RS分析、數(shù)學(xué)建模以及專題數(shù)據(jù)庫(kù)建立的基礎(chǔ)［9］。筆者利用2013年的安徽省合肥市的夜間燈光數(shù)據(jù)、人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、建筑面積數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源進(jìn)行網(wǎng)格化，模擬合肥市人口的空間分布。

1.1 夜間燈光數(shù)據(jù)

DMSP/OLS夜間燈光影像來(lái)源于國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心NGDC(national geophysical data center)網(wǎng)站，該數(shù)據(jù)可作為人類活動(dòng)的表征，成為了人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)研究的良好數(shù)據(jù)源［10－12］，本文選取2013年DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是消除云及火光等噪聲影響后對(duì)全年可見(jiàn)光和NVIR通道灰度值進(jìn)行直接平均化處理后得到的。由于DMSP/OLS數(shù)據(jù)在低灰度(＜3)的數(shù)據(jù)受噪聲干擾較為嚴(yán)重，本文采用二分法，基于 ArcGIS 10.2平臺(tái)對(duì)其3～63級(jí)灰度值進(jìn)行閾值處理，灰度值越大表示城市的可能性越大，人口密度越大，圖1為合肥市夜間燈光影像。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)作為人口密度分布分析的重要數(shù)據(jù)支撐。

圖1 合肥市燈光影像Fig．1 Distrbution of night’s light images of Hefei City

1.2 行政區(qū)劃數(shù)據(jù)

本文使用的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于2013年安徽省地震局地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)分為地市代碼庫(kù)、區(qū)縣代碼庫(kù)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼庫(kù)。這3類數(shù)據(jù)中的屬性數(shù)據(jù)中包含安徽省16個(gè)地(市)，6個(gè)縣級(jí)市，55個(gè)縣，44個(gè)市轄區(qū)，1504個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處，屬性數(shù)據(jù)表中包含行政區(qū)劃代碼、行政區(qū)劃名稱、行政區(qū)劃面積等。筆者通過(guò)ArcGIS軟件的clip工具，裁剪出合肥市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，其中包含4個(gè)市轄區(qū)，4個(gè)縣，一個(gè)縣級(jí)市，132個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處。其采用的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為shapefile文件格式，地理坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS_1984?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)一一關(guān)聯(lián)匹配。

1.3 人口密度分布數(shù)據(jù)

合肥市人口分布數(shù)據(jù)來(lái)源于合肥市統(tǒng)計(jì)局2014年統(tǒng)計(jì)年鑒的市轄四縣一市人口情況。通過(guò)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的ID與鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃的ID一一對(duì)應(yīng)的規(guī)則，筆者將2013年合肥市人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)錄入到行政區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)中，并完成關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)庫(kù)保存格式為mdb。

2013年底，合肥市常住人口約為761.14萬(wàn)人，全省排名第2，人口密度為665人/km2，居全省第2位。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道區(qū)域來(lái)看，合肥市人口密度排前三位的分別是逍遙津街道、海棠街道、三孝口街道。而位于巢湖市的中廟街道和蜀山區(qū)的南崗鎮(zhèn)人口密度最低，人口分布最為稀疏。

圖2 2013年合肥市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度分布圖Fig．2 Distrbution of population density for towns and villages in Hefei City in 2013

圖2 為合肥市2013年鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口分布圖。從圖中可以看出，合肥市人口密度最大區(qū)域集中在城區(qū)各街道，沿著城區(qū)向四周的人口密度逐漸降低。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密度差異也較大，距離城區(qū)較近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度大于2000人/km2，而部分北部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度卻小于200人/km2。

1.4 建筑物分布數(shù)據(jù)

地震后建筑物倒塌是造成大量人員傷亡的主要原因，城鄉(xiāng)建筑物分布能夠較為準(zhǔn)確反映人口聚居及分布情況。根據(jù)《合肥市2014年統(tǒng)計(jì)年鑒》［10］，合肥農(nóng)村居民人均居住面積 36.04m2，城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積30.85m2。安徽省地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)中包含有合肥市單層民宅面積、多層鋼筋混凝土房屋、多層砌體房屋、高層建筑和其他類別建筑面積屬性數(shù)據(jù)，筆者對(duì)上述屬性數(shù)據(jù)表進(jìn)行匯總，得到合肥市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋總面積屬性數(shù)據(jù)，并通過(guò)ID掛連與鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，通過(guò)人口數(shù)據(jù)與建筑數(shù)據(jù)的運(yùn)算得到單位建筑面積人口數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為單位建筑面積人口空間分布圖，如圖3所示。

圖3 2013年合肥市單位建筑面積人口分布圖Fig．3 Distrbution of population for unit building area in Hefei City in2013

1.5 建筑物分布與人口分布對(duì)比

圖4 為合肥市各區(qū)、縣總?cè)丝谂c總建筑面積歸一化分布圖。從圖中可以分析兩條折線具有一定的相似性，表明從一定程度上，建筑面積與人口總數(shù)是成正比的。

圖4 合肥市各區(qū)、縣總?cè)丝谂c總建筑面積歸一化分布圖Fig．4 Normalization Distribution of total population and total buidlding area in Hefei City

2 精細(xì)格網(wǎng)人口分布研究

眾多研究表明［11－14］，夜間燈光強(qiáng)度與人口密度關(guān)系密切，一般情況下，夜間燈光數(shù)據(jù)灰度值與城鎮(zhèn)人口關(guān)系成正比。同時(shí)，人口密度的分布與房屋建筑數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)也是密切相關(guān)，因?yàn)槌擎?zhèn)人口分布宏觀上受城鎮(zhèn)建成區(qū)的區(qū)位控制。因此，為了使人口格網(wǎng)數(shù)據(jù)更加真實(shí)和精確的反映實(shí)際統(tǒng)計(jì)人口情況，筆者選取DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和房屋建筑數(shù)據(jù)作為計(jì)算權(quán)重值的依據(jù)，建立500m×500m精細(xì)化格網(wǎng)對(duì)研究區(qū)人口密度情況進(jìn)行研究，具體步驟如下:

(1)建立 GIS空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)［15］。將2013年合肥市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)、建筑物面積數(shù)據(jù)按照地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范，建立矢量和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一一掛連。

(2)人口、房屋建筑數(shù)據(jù)處理。依據(jù)《區(qū)域級(jí)抗震救災(zāi)指揮部地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)格式規(guī)范(修訂稿)》的規(guī)定，按照人口、房屋建筑屬性數(shù)據(jù)編碼的前9位于與鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃代碼庫(kù)ID對(duì)應(yīng)。通過(guò)ArcGIS軟件的Joins and relates鏈接功能，使街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口，房屋建筑面積與行政區(qū)劃數(shù)據(jù)匹配，并通過(guò)Field Calculator計(jì)算出合肥市人口密度數(shù)據(jù)。

(3)建立剖分格網(wǎng)單元。構(gòu)建500m×500m格網(wǎng)是進(jìn)行人口數(shù)據(jù)空間化研究的基礎(chǔ)，是構(gòu)建模型、計(jì)算權(quán)重和空間分析的基礎(chǔ)。本文通過(guò)Matlab計(jì)算單位格網(wǎng)的經(jīng)緯度，運(yùn)用ArcGIS的Create Fishnet工具，構(gòu)建500m×500m格網(wǎng)和中心點(diǎn)均勻覆蓋合肥市各個(gè)街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

(4)單元格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算。對(duì)單元格網(wǎng)進(jìn)行空間分析，需要將單元格的數(shù)據(jù)拓?fù)涞剿袉卧W(wǎng)格中心點(diǎn)上。

(5)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和房屋建筑數(shù)據(jù)處理。利用ArcGIS的點(diǎn)提取柵格像元值方法，將柵格燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為帶有灰度屬性數(shù)據(jù)值得矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)燈光數(shù)據(jù)和房屋建筑數(shù)據(jù)除以最大值來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化為0到1的取值區(qū)間。最后，將兩種數(shù)據(jù)的影響綜合為一個(gè)影響因子。

(6)人口密度計(jì)算。通過(guò)ArcGIS的空間分析模塊進(jìn)一步將矢量數(shù)據(jù)屬性值賦給點(diǎn)、加權(quán)計(jì)算等空間分析方法獲取各個(gè)單元格對(duì)應(yīng)的人口密度數(shù)據(jù)。具體公式和步驟如下:

式(1)和式(2)R_Li和R_Bi分別是每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)于的燈光灰度值Li和房屋面積數(shù)據(jù)Bi除以各自的最大值max{Li}和max{Bi}來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化0到1的取值區(qū)間。式(3)中Li為每個(gè)單元格中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DMSP/OLS各市縣夜間燈光數(shù)據(jù)且均勻覆蓋安徽省的500m×500m格網(wǎng)單元中、Bi為建筑面積數(shù)據(jù)、Pi為格網(wǎng)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口數(shù)。同時(shí)，依據(jù)DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)灰度值Li越高，建筑物密度越大的規(guī)律，Wi為單個(gè)500m×500m網(wǎng)格中建筑物面積Bi與夜間燈光數(shù)據(jù)Li的乘積;式(4)中的∑Wi為各街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的Wi相加得到，W'i為每個(gè)格網(wǎng)的實(shí)際權(quán)重;式(5)中Pi為每個(gè)500m×500m單元格網(wǎng)計(jì)算得到的人口數(shù)，其中Pi等于歸屬于該行政區(qū)劃的實(shí)際人口數(shù)。

依據(jù)以上評(píng)價(jià)方法，得到合肥市500m×500m網(wǎng)格人口密度分布圖，如圖5所示。

2013年合肥市的統(tǒng)計(jì)人口總數(shù)761萬(wàn)人，通過(guò)網(wǎng)格精細(xì)化、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)加權(quán)等過(guò)程得到的合肥市總?cè)丝跀?shù)為760萬(wàn)，分布在約4683km2的區(qū)域范圍內(nèi)，約有6762km2區(qū)域無(wú)人居住。

圖5 2013年合肥市500m×500m網(wǎng)格人口密度分布圖Fig．5 Distribution of population density for grid of 500m×500m in Heifei city in 2013

3 成果對(duì)比

安徽省地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)中目前使用的是中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所利用第6次普查數(shù)據(jù)及GIS數(shù)據(jù)分布技術(shù)生成的合肥市1km×1km網(wǎng)格人口數(shù)據(jù)，如圖6所示。對(duì)比中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所制作的2010年1km×1km網(wǎng)格人口分布與本文制作的500m×500m網(wǎng)格人口密度分布發(fā)現(xiàn)，公里網(wǎng)格人口密度在精度上存在一定的不足。由于沒(méi)有考慮到鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村平均人口密度的影響，得到的結(jié)果與實(shí)際的人口分布存在一定的差距。

圖6 2010年合肥市1km×1km網(wǎng)格人口密度分布圖Fig．6 Distribution of population density for grid of 1km×1km in Heifei city in 2013 in Hefei city in 2010

對(duì)圖5和圖6中合肥市部分地區(qū)及人口分布情況作放大處理，如圖7所示。圖7a為合肥市巢湖地區(qū)500m×500m網(wǎng)格人口分布情況，圖7b為巢湖地區(qū)1km×1km網(wǎng)格人口分布情況。以圖7中部分地區(qū)為例進(jìn)行分析:(1)黃陂湖所在水域范圍內(nèi)沒(méi)有人居住，這種情況 在圖7a中反映較準(zhǔn)確，而圖7b中由于公里格網(wǎng)精度有限，反映不夠精確;(2)圖7a中的人口密度較高區(qū)域斑塊能夠與鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心吻合，能夠較好的印證人口分布特征，而圖7b反映不是很明顯;(3)為檢驗(yàn)合肥市人口網(wǎng)格化的精度，以廬江縣為例。廬城鎮(zhèn)作為廬江縣行政中心，實(shí)際統(tǒng)計(jì)人口總數(shù)和人口密度是冶父山鎮(zhèn)的近3倍，對(duì)500m×500m網(wǎng)格化結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，圖7a中圖斑的顏色差異較好的區(qū)分兩鎮(zhèn)人口密度差異，而圖7b中顯示的兩鎮(zhèn)人口對(duì)比度相差無(wú)幾。

由上述對(duì)比分析結(jié)果可知，本文建立的500m×500m網(wǎng)格精細(xì)化人口分布結(jié)果較公里格網(wǎng)人口分布更為準(zhǔn)確，精細(xì)度更高，且研究結(jié)果與實(shí)際情況較為一致。

在此基礎(chǔ)上本文隨機(jī)選取合肥市10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道的人口數(shù)據(jù)空間化結(jié)果與實(shí)際人口數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到表1所示的結(jié)果。從表1中看出，模擬人口與實(shí)際調(diào)查人口數(shù)存在一定誤差，但總體程度上在可以允許的范圍內(nèi)，結(jié)果在一定程度上較為準(zhǔn)確。

圖7 合肥市部分地區(qū)500m×500m(2013年)(a)和1km×1km(2010年)(b)網(wǎng)格人口密度分布情況Fig．7 Distribution of population density for grid of 500m×500m in 2013(a)and 1km×1km in 2010(b)in part region of Hefei City

表1 合肥市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)際人口數(shù)與人口空間化后的對(duì)比Tab．1 Comparison between real statisitcal population data and population data after data spatial in part regions of Hefei City

4 結(jié)論與討論

通過(guò)使用2013年安徽省鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單位的人口、建筑物分布數(shù)據(jù)和2013年的全省夜間燈光數(shù)據(jù)等，建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用空間分析模塊將屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為500m×500m規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)上的人口密度及單位面積人口，并對(duì)單元格網(wǎng)中心點(diǎn)上的人口密度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，運(yùn)用加權(quán)計(jì)算方法獲取單元格對(duì)應(yīng)的人口密度，并通過(guò)研究結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析獲得網(wǎng)格人口數(shù)據(jù)分布圖，對(duì)比2010年安徽省人口公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，同時(shí)抽樣提取部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)際人口與網(wǎng)格化人口進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明模擬的人口密度數(shù)據(jù)質(zhì)量具有較高精度。

網(wǎng)格化后的模擬人口數(shù)據(jù)與實(shí)際調(diào)查人口數(shù)據(jù)存在一定程度上的差異，可能是網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)源在行政區(qū)邊界拓?fù)潢P(guān)系上存在問(wèn)題，本文接下來(lái)會(huì)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)源選取、模型建立上進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高人口網(wǎng)格化精度。

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