基于ArcGis-AHP的雨量站网加密选址方法研究

苏阳悦

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516001)

1 概述

雨量是洪水预报和水资源计算最重要的依据之一，雨量站网布设的科学与否具有重要意义[1]。但降雨过程的随机性和不均匀性给雨量站网布设带来很多困难，目前还没有一种完全通用或固定模式的布站方法[2-5]。受限于时代的通信能力、经济条件与人员配置情况，对雨量站布设的期望大多为以最低的布设密度尽可能的捕捉到大暴雨的过程。当下经济社会的发展已经允许我们尽可能的高密度对流域进行覆盖[6-8]。本文以广东省水利厅下达的中小河流雨量站网加密项目为基础，以惠州水文分局辖区内雨量站网加密为例，运用ArcGIS对适合建站的区域进行条件查询与筛选；从人口、土地利用情况、交通和重要建筑物考虑，采用AHP评价法对相关影响因子做出重要性等级排序；最后结合ArcGIS的地理分析功能，对适合建站的地块进行综合评分，依据评分结果确定优先加密地块，划定建设阶段。以期在全面投入使用后可以尽可能的发挥工程效益，为防洪减灾决策部署提供决策依据和技术支持。

2 研究区域概况及数据来源

本次研究区域为惠州水文分局辖区，范围涉及广东省境内东江流域大部分区域及韩江流域小部分区域，所涉及行政区包括河源市、惠州市与东莞市，共有3 054个行政村，200条集雨面积50 km2以上河流。

2.1 面雨量站情况

辖区内用于面雨量监测的站点有47个，平均为626 km2/站，依据泰森多边形分区，所负责面积标准差为428，从频数分布中可以看出，有个别面雨量站所负责区域过大，在1 000 km2以上站点有7个，占总体14.8%；大于平均值站点有14个，占总体29.7%(见图1所示)。

图1 辖区内面雨量站控制面积示意

2.2 配套雨量站情况

辖区内配条套雨量监测站点有430个，平均为68 km2/站，依据泰森多变型划分，所负责面积标准差为55，从频数分布中可以看出，单站负责区域大于200 km2的有的18站，占总体4.1%；负责区域大于100 km2的有98站，占总体的22.8%；大于平均值的站点有178站，占总体的41.4%(见图2所示)。

图2 辖区内配套雨量站控制面积示意

2.3 叠加分析情况

将现有人口分布情况、土地利用分布情况以及交通道路分布情况，与现有站点的泰森多边形划分图叠加一起，可以看出在东江上下游区域，西枝江上游区域和粤东沿海区域的人口结构已经发生极大变化，但该区域测站密度较为稀疏；在辖区内韩江流域区域，测站分布也有待加强(见图3所示)。

图3 人口密度与点雨量站叠加示意

从土地利用数据可以看出，森林占比58.4%、水体4%、耕地17.2%、人造地面9.1%、草地7.6%、灌木地3.6%。通过叠加土地利用图层和人口密度图，可知人口主要分布在高程相对较低的河滩两侧，且人口密集区附近土地利用特征为有大面积的人造地表，土地利用结构由人造地表向外延伸依次为草地、灌木、耕地和森林，地表类型直接影响产汇流的过程，即洪水的产生将会对这些邻水区域构成不同程度的威胁(见图4～图5所示)。

图4 土地利用情况分布示意

图5 高程与点雨量站叠加示意

交通道路是经济发展的血管，从道路铁路分布中可以看出，其密度与地方的人口密度成正比(见图6)。

图6 道路交通与点雨量站叠加示意

综上所述，辖区内人口，交通，土地利用情况，随着经济社会的发展，整体结构发生了重大改变，且发生改变的区域正好是现有雨量站布设的薄弱点，原本的规划已经不能满足预测预报的需求，且相较于《水文站网规划技术导则》要求的布站密度也偏于稀疏，因此在省中小河流雨量站网加密的要求与自身需求下，对现有站网进行加密已经迫在眉睫。

2.4 数据来源

选址分析涉及资料较多，涉及水利、交通、自然资源、统计等相关方面，在时效和精度要求不太高的情况下可选择在地理信息公共服务平台、“开放广东”平台、广东省标准地图服务子系统等公开平台获取，部分数据亦可在相关类型政务公开网站中获取。

本文准备ArcGIS绘制与分析使用的地图数据类型分为矢量数据和栅格数据。

矢量数据包括辖区内的市、县、镇、村四级级行政区划、水资源分区边界、50 km2及以上水系图、重要水库湖泊分布图、广东省公路分布图，广东省铁路分布图，广东省重要建筑分布图，广东省交通枢纽分布图，广东省重要景区分布图，辖区内雨量站点分布图。

栅格数据包括广东省土地利用现状(2020年)，人口密度分布现状(2020年)。

地理坐标系均采用GCS_China_Geodetic_Coordinate_ System_2000，格式均为“*.shp”，绘制过程建议将准备的图层文件存储在ArcGisGeoDatabase格式数据库(GDB)，以方便管理和提升运算速度。

3 加密选址方法与数据处理

ArcGis-AHP是GIS与AHP结合的方法[9-11]，在数据量化和综合评价上表现较为优秀，研究过程需要以ArcGIS地理信息系统软件作为依托平台，利用其中的空间分析模块、网络分析模块、叠加分析模块、数据管理模块等进行数据获取、加工和分析等。结合辖区内自然地理特点，通过分析，主要考虑以下4个因素：人口密度、土地利用情况、交通道路情况、重要建筑情况，通过AHP方法建模，计算出每个因子所占的综合权重，然后利用综合权重发计算出各待建地块的得分，并排序筛选拟建地块。最终对惠州水文分局辖区内的雨量站点进行规划。整体技术路线可大致分为以下3个部分：

① 将雨量站的选址目标作为选址问题的分析域，考虑效益、效率、损失等因素，求出选址决策因素的影响因子。

② ArcGIS为平台进行数据处理，通过空间分析、叠加分析和网络分析，建立空间影响因素的AHP分析模型，并对模型进行空间分析。

③ 通过AHP方法计算出各个因子所占的权重，实现定性与定量的结合。

3.1 层次分析法AHP

层次分析一种实用的多因素决策方法，且具有较强的主观性，该方法可处理定性与定量问题，具有系统、灵活、简洁的优点。通过建立清晰的层次结构来分解复杂问题，其次引入测度理论，通过两两比较，用相对标度将人的判断标量化，并逐层建立判断矩阵，然后求解各判断矩阵的权重，最后计算方案的综合权重并排序。

3.1.1因子的选取

根据水利部《水文站网规划技术导则》的有关规定，雨量站点的规划应考虑对城镇、企业等存在威胁的河流，人口较秘籍的村镇上游、地质条件不稳定、下游有密集村镇的中小河流暴雨区，对处于国家重要粮食生产基地和作为城镇生产、生活水源的河流，应根据需要适当增加密度，以满足防洪减灾的需要。根据上述标准，本次研究将涉及到的因子最终确定为人口密度、土地利用情况、交通道路情况、重要建筑情况作为本次雨量站点加密规划的影响因子。指标构建层级与情况见图7所示。

图7 AHP指标结构示意

① 人口密度。人口越密集的地区，暴雨洪水所造成的损失越严重，影响范围更广，所以人口越密集的地区，越需要雨量监测数据；

② 土地利用情况。不同性质的地块产汇流的速度有极大的差异，了解地块的土地利用情况对暴雨洪水计算有着重要意义，且不同的土地利用情况，可相对客观的反应当地的生活生产方式，可作为雨量站设置的重要参考指标；

③ 道路交通情况。雨量站作为户外甚至是野外定点长期监控设备，稳定的通信能力和定期与应急维护是必不可少的，便利的交通可让应急检测和维护人员更快的抵达现场。其次，交通道路是经济运行、军事国防等的重要通道，在路网密集的区域往往也代表该地人口密集程度与经济发达程度，具有很高的保护意义。

④ 重要建筑物。建筑物的重要性不仅由经济数字来进行衡量，还可以承载精神文化的底蕴，行政功能与非工程措施的实施，具有特定意义的存在，也因列为重点保护目标。

3.2 权重赋值

采用AHP层次分析法1～9的等级尺度，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序和总排序，对各因素之间进行比较，计算获得不同方案的权重，尺度描述见表1所示。

表1 AHP各等级尺度描述对照

针对AHP主观性较强的问题，权重计算表的打分人员均为站网与水情工作经验丰富的工程师，从应用和实际需求出发，经验丰富的从业人员更能准确的看待问题，雨量站各影响因素AHP模型权重计算见表2～表5所示。

表2 准则层权重计算

表3 指标层土地利用情况权重计算

表4 指标层交通道路权重计算

表5 指标层重要建筑权重计算

各判断矩阵均通过一致性检验，再将各个判断矩阵所计算权重结果进行合并计算，最终可得总体综合权重为W={0.572，0.020，0.016，0.012，0.010，0.027，0.087，0.044，0.037，0.011，0.053，0.015，0.027，0.064，0.006}，CI=0.037，RI=0.457，CR=0.081，层次中排序一致性检验通过。

4 加密选址的优化筛选

4.1 初步筛选

雨量站的初选阶段主要应用GIS的空间分析功能，该功能也是GIS系统的核心功能[12-14]。首先，应明确选址的约素条件，本文依据省局文件提供的布置要求，将新增雨量站选址的约束条件归纳如下：

① 雨量站位于在集雨面积50 km2及以上的河流3 km以内；

② 新建雨量站不在相同村级行政区重复建设。

ArcGIS的缓冲区分析和空间查询功能是完成初选的关键，可以快速选定所有符合条件的行政村。具体步骤如下：

① 载入水系图与村级行政区；

② 构建缓冲区图层，距离条件为3 km；

③ 运用“按位置选择”工具选出“缓冲区”与“村级行政区”相交的地块；

④ 再次运用“按位置选择”工具排除“已有站点”所在地块；

⑤ 导出初步筛选结果。

初步筛选后，从3 054个地块中找到2 620个符合建设条件的地块，远大于任务书要求的1 150个。显然建设方案过多，仍需对结果进一步筛选，缩减备选方案。

4.2 优化筛选

面对众多符合条件的地块，从定性到定量的转化是优化筛选的关键，地理信息系统的结合可更直观的将定量评价结果展示，帮助方案选定。本次研究运用AHP评价法从人口、土地利用情况、交通和重要建筑物考虑，对相关影响因子做出重要性等级排列并分配权重，再使用综合评分法对所有初选地块进行打分排序，最后在各个小流域内按照《规范》的指导意见选取一定比例数量的地块作为最终建设方案。具体实施步骤如下：

① 栅格数据矢量化。在准备的数据中栅格数据有人口密度图层和土地利用情况图层，为实现矢量化需要先构建栅格属性表与调整栅格像元和颜色。首先，运用“复制栅格”工具设置栅格像元大小，调整栅格颜色为16bit；其次，由符号系统查看唯一值，由此自动生成属性表；最后用“栅格转面”工具对栅格图层矢量化，相较于栅格转点和栅格转线，栅格转面是较为粗糙但快的转换方式。

② 将矢量化数据与行政区地块数据进行空间连接。本次选址研究中栅格数据样式不同，其中土地利用数据为重分类数据，人口密度数据则按栅格存储人口密度信息。针对这种情况，人口密度数据的链接方式可直接用“空间连接”工具，选择相交模式，在保留属性中对“grid”属性进行“平均值”统计，即可得到各村地块平均人口；土地利用数据处理方式则运用“面积制表”工具，统计各村重分类类别在该地块所占面积。

③ 对矢量数据交通道路和重要建筑进行空间连接处理，方法用“按位置筛选”将要素相交地块选出，并运用“空间连接”工具，对相应属性进行累加处理，因道路交通数据为线状数据，仅需用“0”与“1”标记是否有压盖相交即可，重要建筑则按属性进行计数统计。

④ 合并准则层中所有要素内容，得到评分矩阵Q，Q={人口；土地利用；道路；重要建筑}={Q1，Q2，Q3，Q4}；综合得分矩阵计算为：Z=W*Q，可得各地块的综合得分矩阵Z。并将结果返回数据库中，重新导入至GIS相对应图层中。

⑤ 选择各条河流区域内得分靠前的地块，直至达到建设项目要求的1 150个，并按照一定比例将工程项目分成3个阶段建设。

经过上述选址步骤后，所得成果如图8所示。

图8 规划站点成果示意

4.3 成果与分析

对所得成果站点图用泰森多边形划分，可见加密后雨量站网基本全流域覆盖，站网密度得到相当程度的提高，平均为17 km2/站，所负责面积标准差为14，98%的站点控制面积在50 km2以内，单站控制面积大于200 km2有2站，仅占总体0.1%，均位于东莞市西南部，处位于东江流域下游入海口区域，不影响水资源管理与水量平衡计算服务(见图9所示)；叠加分析中可见，已将居民密集区、土地利用类型、交通道路、重点建筑等因素附近村庄作为优先考虑目标，符合《水文站网规划技术导则》的有关规定。

图9 规划后站点控制面积示意

5 结论及建议

基于ArcGis-AHP雨量站点选址方法，将GIS与AHP相结合，综合运用GIS网络分析法、缓冲区分析法、叠加分析法，充分利用了GIS本身的空间分析、数据处理、查询等优势功能。层次分析法AHP建立清晰的层次结构解决系统问题，将定性与定量问题相结合，为空间叠加分析的权重量化提供了理论依据。选址的过程中能够很好地考虑复杂多样的数据及其相互影响；不需要大量复杂的数学方程式描述各个因素的空间位置；选址分析具有更大的灵活性并且便于数据更新；选址模型容易理解。为水文雨量站网规划提供了直观的技术指导。