基于GIS的城市应急避难疏散空间分布

曹明，初建宇，刘喜暖

(1.河北联合大学 建筑工程学院，河北 唐山063009;2.河北省冀东监狱，河北唐山063000)

0 引言

国外有关城市避难疏散空间规划的研究以日本、美国及欧洲国家为主，其中日本进行的最为深入且行之有效。早在1998年，日本建设省制定了《防灾公园计划和设计指导方针》，把防灾公园划分为五种类型。国内对城市防灾空间和避难疏散空间的研究中，河北联合大学苏幼坡教授在《城市地震避难所的规划原则与要点》中对地震避难场所的规划颇有论述。北京工业大学吕元博士的《城市防灾空间系统规划策略研究》，主要从防灾空间系统的宏观构建方面作了论述，侧重于整体性和系统性的研究。在城市避难疏散空间区位分布这一问题上，有很多规划评估方法，随着GIS在城市规划中的应用日益成熟，本文以平面点集Voronoi图为理论基础，对应急避难疏散空间分布进行初步规划研究。

1 城市应急避难疏散空间

开敞空间是指城市公共外部空间，是存在于城市建筑实体之外的开敞空间体，是比较开阔、向公众开放、具有一定公共服务设施、为多数民众服务的空间，主要包括绿色空间(公园、开放式绿地、附属绿地等)、广场空间、亲水空间(江湖水体及周围绿带)等［1］。

从避难疏散的角度来讲，开敞空间是在城市建成区内，距离建筑物有一定距离的、存在于建筑实体之外的、具有一定面积的空地，主要包括城市中的公园、广场、体育场等空间［2］。

应急避难疏散空间是临时性的避震疏散空间，主要是为地震等灾难发生前到灾难发生后半日这段时间内人们的自发性短期避难行为提供空间。

结合开敞空间的观点，城市应急避难疏散空间主要利用城市居住区、商业区等区域内及其附近的小公园、小花园、小广场、中小学操场、集中绿地等距离城市居民工作生活地点最近的开敞空间，以便于居民就近避难疏散。而城市水系、建筑内部空间、路边绿化带、防护林绿地、面积过小的绿地地块以及面积较小的地面停车场等都不作为本文的研究对象。城市应急避难疏散空间的量化指标见表1。

表1 城市应急避难疏散空间量化指标

2 Voronoi图的基本理论

Voronoi图的定义如下［3］:设平面上的一个控制点集，其中任意两点都不共位，即pi≠，且任意四点不共圆，则任意点pi的Voronoi图定义为:

式中，d为欧氏距离。

平面点集Voronoi图也称常规Voronoi图、Thiessen多边形或Dirichlet图，如图1所示。

图1 Voronoi图

(1)每个多边形内仅包含有一个离散点;

(2)位于包含离散点(xi，yi)的多边形内的任意点(x，y)，恒满足:

(3)若 (x，y) 位于离散点 (xi，yi)和 (xj，yj)所在多边形的公共边上，则以下等式恒成立:

平面点集Voronoi图的构建可以直接基于离散点的矢量坐标来实现，也可以利用基于栅格的扩张原理来进行。

3 实例应用

3.1 开敞空间筛选

作为分析实例的城市位于华北地区，是一座受多种地质灾害影响的城市，其中主要有地震地质和地面塌陷等。该市所处区域可划分为华北平原活动构造带、郯庐活动构造带和叠加在NE向构造带上的张家口——蓬莱活动构造带［4］。该市地面塌陷主要是由岩溶裂隙发育和破碎以及地下采煤引起的。据不完全统计，该市中心区范围内共发生过80余次由岩溶裂隙引起的地面塌陷。另外，由于采煤、超量开采地下水、重力和地震力等多种因素的综合作用，使岩溶内所充填的泥土和水减少或流失，也是造成该市地面塌陷的重要原因［4］。

在实例分析中，主要选取该市符合地质条件要求的公园、绿地和学校作为应急避难疏散空间，并进行空间分布分析和服务范围划分，探索GIS方法在场所分布规划中的实用性。通过走访有关单位收集到dwg格式的某市城市总体规划(2009－2020)中心城区地质条件图［4］，使用Arcgis软件将此dwg格式图转化为shp格式的文件并绘制相应的图层，其中断裂带为线状要素图层;塌陷区为该市的塌陷点集中区，为面状要素图层;液化区包括8度和9度液化区，为面状要素图层。由GIS得到的某市中心区地质环境图如图2所示。

按照该市城市总体规划中心城区用地布局规划图［4］，结合人口分布，应用Arcgis软件的图层编辑功能，并对该市的开敞空间进行筛选，去掉路边绿化带、地面停车场、面积的过小的绿地地块等开敞区域，综合图2使用Arcgis的图层叠加功能，对受地质环境影响较小的公园、绿地和学校进行选取，绘制公园与绿地分布专题地图和学校分布专题地图，如图3和图4所示。图3和图4中公园与绿地为面状要素，学校为点状要素，人口集中为面状要素，包括该市的二类居住用地、行政办公用地、商业金融用地、文化娱乐用地、医疗卫生用地、教育科研设计用地。

3.2 城市应急避难疏散空间Voronoi分析

根据Voronoi图的理论，应用Arcgis软件创建Thiessen边形的功能对可作为应急避难疏散空间的公园、绿地、学校进行Thiessen多边形划分，从几何角度分析其分布的合理性，如图5所示。

图2 某市中心区地质环境图

由图5可以看出，研究范围内中心区域多边形分布相对均匀，说明应急避难疏散空间分布合理。而其它区域均出现较多面积较大的多边形，说明该区域应急避难疏散空间的数目少，所分担的服务范围过大，容易出现服务盲区。例如，北部、西部、南部地区的多边形面积较大，应急避难疏散空间数目较少、分布稀疏，需要进一步合理规划。建议在上述区域的规划中注重应急避难疏散空间的配置，并在其分布稀疏的区域添加适量数目的可用于应急避难疏散的场地。

3.3 城市应急避难疏散空间的服务范围划分

采用凸角圆弧法对应急防灾避难疏散场所进行缓冲分析，该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，然后以r为半径分别以首尾点为圆心，以垂线截出的起止点为圆得起点和终点作半圆弧，在其它的折点处，首先判断该点的凹凸性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定［5］。

以研究范围内的应急避难疏散空间为中心，以500m为服务半径为缓冲距离，得到服务范围覆盖图，如图6(a)所示。在规划范围内，可用于应急避难疏散的空间距离较近，各缓冲区之间很多都有重叠的情况，表明在重叠的区域，市民可选择2个以上的场所进行避难，但这也显示出可作为应急防灾避难疏散空间的场地在一些区域的分布不均匀，空间配置不合理。

以适宜作为应急避难疏散场所的公园绿地和学校为中心，路网中的道路中心线为边线，基于道路长度的避难场所服务半径为阻力，构建出应急避难疏散场所的网络数据集，应用Arcgis基于路网对应急防灾避难疏散场所的服务范围进行分析。网络数据集中必须至少有一个类型的cost在此设置为Meters:5min和Minutes:500m，cost属性特点是沿着道路比例分布，其类型可以是时间，也可以是距离;hierarchy为道路等级，网络分析设置时支持三个等级，primary roads、secondary roads、local roads，在此设置为默认;restriction为被限制的网络元素在分析的时候是不连通的，道路的大部分通行状况都是由restriction属性模拟的，在此采用单向限制Oneway;descriptor描述网络元素的整体特征，比如车道数、路面材质，一般descriptor是不会影响路径计算的结果［6-7］。基于网络分析的应急避难疏散场所服务范围如图6(b)所示。

图6 应急避难疏散空间服务范围图

基于相同服务半径，两种方法得到的服务范围不同，缓冲分析得到的服务范围大于基于路网划分得到的服务范围。这是由于两种方法对距离的计算方法不同。前者以应急防灾避难疏散场所为中心，服务半径为各自的500m直线距离为半径;后者以规划中真实的路网为基础，考虑实际的道路交通情况，因此其避灾路径要大于直线距离。比较而言，基于路网的服务范围划分较为合理。而无论是缓冲分析还是网络分析，图中均有未被服务范围覆盖的区域，需要规划相应的应急避难疏散场地。

4 结束语

本文通过对某市中心城区应急避难疏散空间的GIS分析，初步探讨了其分布情况。将广场绿地、学校操场等开阔区域用点来标记，进行Voronoi图划分。通过缓冲分析和网络分析，进行了应急避难疏散空间服务范围的划分。结果显示该市规划中现有应急避难疏散开敞空间尚不能满足城市应急避难需求，建议进一步合理规划应急避难疏散开敞空间。本文城市避难疏散空间Voronoi图划分基于点状标记，在区域面积的表现上略显不足，可结合加权Voronoi图面状划分算法，进一步研究。

［1］ 尹海伟.城市开敞空间［M］.南京:东南大学出版社，2008.

［2］ 袁勇.关于开敞空间在城市避难疏散过程中的若干问题初探［D］.重庆:重庆大学硕士学位论文，2009.5.

［3］ Kabe A O，Boots B，Sugihara K.Nearest Neighborhood Operation with Generalized VoronoiDiagram［J］，International Journal of Geographical Information Science ，1994，8:43-71.

［4］ 某市人民政府.某市总体规划(2008年 －2020年)，2008.12.

［5］ 郑贵州，晁怡.地理信息系统分析与应用［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［6］ Oh K，Jeong S.Assessing the spatial distribution of urban park using GIS［J］.Landscape and Urban Planning，2007，82(122):25-32.

［7］ Comber A，Brunsdon C，Green E.Using a GISbased network analysis to determine urban green space accessibility for different ethnic and religious groups［J］.Landscape and Urban Planning，2008，86(1):103-114.