基于灰色关联分析与熵值权重的避难所适宜性评价

刘玉琪，胡庆武，程 钢，岳俊升

(1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079 ；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

基于灰色关联分析与熵值权重的避难所适宜性评价

刘玉琪1，胡庆武1，程 钢2，岳俊升2

(1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079 ；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

适宜性评价对于应急避难场所规划和建设十分重要，提出了一种基于熵值权重与灰色关联分析的城市避难场所适宜性评价方法。选取避难所可容纳人口数、与医院最近距离、与派出所最近距离、与道路最近距离和与隐患点最近距离5个指标，运用GIS分析方法和两步移动搜索法对指标进行计算，再运用熵值法确定指标的权重，进一步采用灰色关联分析法对避难所进行综合适宜性评价。以深圳市龙岗区79处避难所为例进行适宜性评价分析，分析结果可用于指导城市避难场所的规划和建设。

适宜性评价指标；两步移动搜索法；灰色关联分析法；熵值权重法

城市数量、人口规模不断增大，使得各类灾害给人们带来的危险急剧增加。因此，建设应急避难场所，疏散人群以减少灾害造成的损失便成为科学减灾的首要任务。目前,国内外已经建成了大量的避难场所,这些应急避难所在避震减灾方面发挥着重大的作用。然而,城市灾害包括地震、洪水、台风、泥石流、火灾等,不同灾害对城市应急避难场所的要求各不相同,对已有城市应急避难场所以及规划中的应急避难场所面临的不同灾害进行适宜性评价将是非常有必要的[1]。

针对避难所适宜性评价方面的研究，吴宗之等基于层次分析方法和模糊集值理论，从规划设计、内部硬件设施、外部软件环境等3方面对城市应急避难所适宜性评价进行了研究[2]；张晓峰等从地势、周边环境、自然灾害抗击能力和可达性等方面，采用AHP法与Delphi法相结合的方法进行城市应急避难场所安全评价研究[3]；刘少丽等利用服务覆盖率、服务重叠率、服务人口比等指标，基于GIS网络分析等功能对徐州市的应急避难所空间布局的合理性进行了适宜性评价[4]。哈佛大学实验室计算机辅助叠加制图技术的发展对于提高土地适宜性评价也起到了非常重要的作用[5]。GIS技术在应急避难所场所的分布、适宜性评价等方面也发挥着非常重要的作用，TSAI等利用GIS技术，综合考虑各方面因素，通过多目标规划模型完成了城市临时应急避难所的选址以及适宜性评价工作[6]；ANDREW等运用网络优化模型与加权平均法研究了美国动物避难所的适宜性评价问题，通过选取避难所位置、动物医院位置、隐患点位置等13个指标建立了避难所适宜性评价模型，从而指导避难所选址规划布局[7]。

研究避难所适宜性问题能够对未来建设避难所起到相应的规范指导作用，但目前城市应急避难所适宜性评价工作还存在较大的发展空间，首要的问题就是要建立合适的应急避难所适宜性评价体系。针对城市避难所的适宜性评价，可以在充分考虑目前城市应急避难所规划设计的基础上，建立避难所的适宜性评价指标体系并选取合适的综合适宜性评价方法，就避难场所针对不同灾害的适宜程度进行综合分析，同时分析避难场所潜在的灾害影响情况，用来补充和完善城市应急避难场所规划中的不足，从而保证各避难场所在发生灾害时能够尽可能地发挥其所具备的避难功能。笔者将熵值权重与灰色关联分析法引入城市避难场所适宜性评价，选取5个评价指标，运用GIS分析方法和两步移动搜索法对适宜性评价指标进行评价分析，使用熵值法确定指标权重，然后采用灰色关联分析法对深圳市龙岗区79处避难所进行综合适宜性评价。

1 避难场所适宜性指标选取和计算

1.1 适宜性影响因子与评价指标选取

根据国内外相关文献以及配套设施国家标准(GB 21734-2008)，国内外研究学者提出的应急避难场所建设的规范和准则，一般情况下都是从安全性、可达性、有效性等方面来考虑。依照指标本身的特性，不同的指标对于应急避难场所的影响不同。部分指标对应急避难场所的适宜性是呈正相关的，即其评估值越高，适宜性越高；而部分指标则对应急避难场所的适宜性评价呈负相关，即其评估值越高，适宜性越低。因此，笔者对应急避难场所的适宜性评价指标的大小进行界定，具体界定结果如表1所示。其中，适宜性评价指标的大与小都是依据避难场所的适宜性增大原则来确定的。

表1 适宜性评价指标界定表

对选取的指标进行分类，以有效性指标、可达性指标和安全性指标建立避难所指标评价体系。通过对指标的评价分析得出各指标对避难所适宜性所发挥的作用，从而对避难所综合适宜性进行评价。

1.2 适宜性评价计算

1.2.1 有效性指标

以避难所可容纳人口数作为有效性指标。避难所可容纳人口数可以利用应急避难场所的开放空间除以每人最小需求避难面积求得。根据所收集数据利用ArcGIS对避难所可容纳人口进行分级，再由所分等级来评价其有效性。

1.2.2 可达性指标

可达性指标通过避难场所与医院、道路、派出所的最近距离来计算。可利用缓冲区分析与两步移动搜索法[8]对避难所的可达性进行分析。①缓冲区分析。避难所的服务半径大小与避难人员到达安全区域所花费的时间成正比。过大的服务半径会增大灾民避难途中的危险性。目前，避难所的服务半径通常由市民在避灾过程中步行某段时间所走的距离来决定。因此，采用GIS缓冲区分析法分析避难所的服务能力。其缓冲距离则根据配套设施国家标准(GB 21734-2008)确定为2 000 m，并以此作为缓冲半径进行缓冲区分析，粗略地评价深圳市龙岗区避难所的适宜性。②两步移动搜索法。在确定适宜性评价指标时，可达性指标有与医院的最近距离、与道路的最近距离、与派出所的最近距离。这些指标在分析可达性指标实验中所占比重较大，因此可以根据这些指标利用两步移动搜索法求出避难所的供需比和空间可达性。在运用两步移动搜索法的过程中，首先应以供给地(避难所)为中心，求解其所形成的空间作用域，并统计落入此空间作用域内的所有需求点(社区)。然后按照需求点的数量与分布状况进行所需求人数的统计，最终求得供需比例和可达性。

(1)首先搜寻供给点阈值范围内的所有需求点，即各个避难场所的供需比，并将供需比定义为供给点的服务能力。然后利用避难场所h的入口f，搜索其距离阈值(服务半径d0)范围内的街道质心k，对街道的人口Pk应用高斯方程G进行加权处理，对加权人口进行求和运算后即为搜寻区内的潜在需求人群，最后计算避难服务供给与潜在需求人群之比Rf(供需比)，如式(1)所示。

(1)

式中：Sf为避难所入口f的总供给；Sh为避难所可容纳人口数；Wf为入口f的权重，由于数据限制，笔者假设避难所各个入口权重相等。

(2)搜寻需求点阈值范围内的供给点，将该阈值范围内所有供给点的服务能力之和定义为该点的可达性，搜寻所有能够为该街道提供应急避难服务的避难所的入口，并将第一次搜寻时得到的供需比利用高斯方程加权后相加求和，即针对每个街道的质心，搜索所有距离阈值范围(服务半径)内的避难所的入口f，所有加权供需比求和后即可得到街道i的空间可达性Ai，如式(2)所示。

(2)

式中：dk, f为位置k,f之间的距离；G(dk, f,d0)为考虑到空间摩擦问题的高斯方程。根据避难所距医院、道路和派出所的距离以及避难所可容纳人口数、社区人口数、常数e、作用域d0(2 000 m)等即可计算避难场所的可达性。

1.2.3 安全性指标

安全性指标用避难场所与隐患点的最近距离来表达。根据应急避难场所场址及配套设施国家标准(GB 21734-2008)的要求，应急避难场所应该避免位于隐患点(如地震断裂地带)周边200 m以内的地区，根据避难所距离隐患点最近距离与规定标准距离作比较，判断避难所的安全性是否符合国家标准。

2 基于灰色关联法的避难场所适宜性评估

应急避难所适宜性评价是一个多目标决策过程，因此采用灰色关联分析法进行综合适宜性评价，但是灰色关联分析法[9]求取关联系数时都是采用平权处理(不考虑各指标序列对决策的影响程度和各关联系数的权重大小)，这会造成信息损失并影响决策值关联倾向。熵值权重法是以熵值来求取各准则间的相对权重，以各个目标对每一方案的实际值所得出的熵值表示该目标对整个决策状况所传递决策信息的程度。因此笔者采用灰色关联分析法和熵值权重法相结合的方法对应急避难场所进行适宜性评价，具体步骤如下：

(1)列出评价体系中各评价指标的数据序列X=[X0,X1,X2,X3,X4,X5],根据指标的最优值确定参考序列X0，评价其指标属性值xij。

(2)无量纲化处理。根据指标性质，对避难所可容纳人口数、与隐患点的距离两个指标采用上限效果测度；对与医院的最近距离、与派出所的最近距离、与道路的最近距离采用下限效果测度，如式(3)所示，并生成灰色序列表。

(3)

(4)

(5)

(6)

(5)将灰色关联系数结合熵值权重法加权运算得出灰色关联度R，即得出综合适宜性评价结果。R越大，表明方案与最优方案越接近，则适宜性越好。

Ri=∑r(x0(k),xi(k))Wj

(7)

3 结果及分析

3.1 实验区域概况

深圳市经济发达，人口集中，是华南地区较为重要的交通枢纽。2012年末，深圳市龙岗区常住人口205.77万人，其中户籍人口39.66万人，非户籍人口166.11万人，目前深圳市龙岗区已建成配套并投入管理的各类应急避难场所79个，分布在106个社区中。其避难所分布图如图1所示。

图1 深圳市龙岗区避难所分布图

3.2 适宜性评价指标计算结果

(1)有效性指标计算结果。运用ArcGIS将避难所可容纳人口分为5个等级，其结果如图2所示。从图2可明显看出5个等级分别为：10～200人、200～500人、500～1 500人、1 500～2 500人、2 500～8 500人，并且大部分避难所可容纳人口数都在200人以上。

图2 避难所可容纳人口分级图

(2)可达性指标计算结果。基于缓冲区分析的避难所服务覆盖范围如图3所示，可以看出106个社区中，仅有1个社区没有在避难所缓冲距离内，避难所覆盖率高达99.1%。由此可见深圳市龙岗区避难所整体上适宜性较好。

图3 深圳市龙岗区避难所缓冲区分析图

进一步运用两步移动法计算避难场所的可达性指标，结果如图4所示，其中可达性Ai≥1的有54个，1>Ai≥0.5有12个，Ai<0.5有13个,可见大多数避难所可达性良好。

图4 社区可达性

图5 与隐患点最近距离

(3)安全性指标计算结果。避难所距隐患点距离与标准安全距离比较如图5所示，显然，有2个避难所距离隐患点的距离小于标准安全距离，不符合安全性指标的避难所占2.5%，因此可见绝大多数避难所安全性较好。

3.3 适宜性评价结果

根据熵值权重法计算的各个适宜性指标的权重如表2所示。

表2 指标熵值权重

由表2可以看出，避难所可容纳人口数指标权重最大，可达性指标中与医院最近距离所占权重最大。由此可见避难场所的可有效容纳人数是避难所适宜性评价中最重要的影响因子，而且避难场所的可达性指标也对适宜性评价结果有着重要影响。

进一步，运用灰色关联分析结合熵值权重法得出避难所综合适宜性评价结果，如图6所示，根据适宜性评价结果中的关联度分布图，并结合已有研究经验，将适宜性评价结果运用ArcGIS进行分级处理，划分为3个避难所适宜性等级:适宜(R≥2.239 467);较适宜(2.009 181≤R<2.239 467)；较不适宜为(R<2.009 181)，如图7所示。

图6 关联度分布

图7 关联度分析

最终确定深圳市龙岗区79处应急避难所中适宜的有14处(占17.7%)，分别为：龙岗区救助站、高桥社区临时避险中心、尚景社区、紫薇社区减灾防灾避险场所、龙西小学、黄阁坑社区工作站、五和小学、龙红格社区工作站、力元吓文化中心、崇和学校、建文中学中学部、凤凰社区临时避险场所、布吉敬老院、振新小学；较不适宜的有16处(占20.3%)，分别为：红棉社区临时避险中心、安良社区临时避险中心、新生小学、西坑社区临时避险中心、新城学校、山厦社区礼堂、木棉湾实验学校、志盛社区临时避险中心、平南社区避险中心、盛平社区减灾防灾避险场所、机关后勤服务中心、厦村社区避险中心、上李朗社区避险中心、回龙埔社区减灾防灾避险场所、怡心社区临时避险中心、四方埔社区临时避险中心；其余49处应急避难所处于较适宜的范围(占62.0%)。可见大部分避难所适宜性较好。

4 结论

随着城市现代化建设进程的逐渐加快,人们所面对的灾害性问题逐渐增多。建设城市应急避难所已经成为我国城市科学减灾的第一要务。笔者对城市应急避难所进行了适宜性评价研究，结合灰色关联分析法和熵值权重法对深圳市龙岗区避难场所进行了适宜性评价，首先从避难场所的有效性、可达性、安全性3个指标出发，建立应急避难所适宜性评价指标体系；其次分别采用缓冲区分析、两步移动搜索法等对3个指标分别进行分析；最后采用灰色关联分析和熵值权重法，对应急避难场所适宜性进行总体评价。评价结果显示深圳市龙岗区79处避难所中，适宜的有14处，较不适宜的有16处，其余49处较适宜。其中,振新小学适宜性最好，盛平社区减灾防灾避险场所适宜性最差，评价结果可为深圳市龙岗区应急避难场所的建立与规划工作提供依据和指导。

[1] 戴晴.基于GIS的应急避难场所适宜性评价：以深圳市地震应急避难场所为例[D].北京:中国地质大学(北京)，2010.

[2] 吴宗之，黄典剑，蔡嗣经，等.基于模糊集值理论的城市应急避难所应急适应能力评价方法研究[J].安全与环境学报，2005(6)：100-103.

[3] 张晓峰，杨芳，程春娥，等.城市应急避难场所安全评价方法研究[C]∥2011中国消防协会科学技术年会论文集.济南:[s.n.]，2011：4-6.

[4] 刘少丽，陆玉麒，顾小平，等.城市应急避难场所空间布局合理性研究[J].城市发展研究，2012,19(3)：113-117.

[5] 何英彬，陈佑启，杨鹏，等.基于GIS的土地适宜性评价研究进展及展望[J].地理科学进展，2009(11)：899-900.

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[7] ANDREW S,EDMONO S.A GIS-based suitability model for an emergency animal shelter[J]. Transactions in GIS,2005,17(2):227-248.

[8] 周爱华,张景秋,杜珊珊,等.一种北京城区避难所可达性评价方法[J].测绘科学，2017,42(1)：89-90.

[9] 史晓瑞.应急避难场所适宜性评价与布局优化研究:以石家庄市区为例[D].石家庄：河北师范大学，2016.

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.

刘玉琪(1993-)，女，河南信阳人，武汉大学遥感信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为地理信息系统.

胡庆武(1975-)，男，湖北武汉人，武汉大学遥感信息工程学院教授，主要研究方向为地理信息系统、全球定位系统集成.

地理国情监测国家测绘地理信息局开放基金项目(2015NGCM ZD02)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2042017KF0235)；2017年广东省科技发展专项资金项目(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.