基于GIS的城市防灾减灾决策系统设计

王 廷，曹俊茹，袁兴明

（1．山东理工大学建筑工程学院，山东淄博255091；2．山东工业职业学院建筑与信息工程系，山东淄博256414）

20世纪以来，由于社会经济的快速发展，我国城市建设突飞猛进、日新月异，然而在防灾减灾方面却存在不少弱点，如人口稠密、建筑过密、基础设施抗灾能力弱等等．一旦发生灾害，势必造成重大的经济损失和人员伤亡，我国在城市灾害事故的应急预案、应急决策及救援体系等方面与发达国家还存在一定差距，为此加强城市防灾减灾相关技术的开发与应用，建立基于地理信息系统（GIS）等空间信息技术的城市防灾减灾决策系统，成为解决城市灾害救援难题的主要措施之一，系统的开发实现，将有助于提高城市的防灾救灾水平［1－2]．本文以淄博市为例，作为快速发展的典型工业化城市，淄博的防灾减灾工作还存在不少问题，基于GIS的淄博市防灾减灾决策系统的设计实现将为人们的安全提供保障．

1 系统设计思想

城市防灾减灾系决策统是一项十分重要且复杂的系统工程．它的建设主要是围绕城市灾害安全问题，建立一套系统的灾害管理与灾害事故应急决策系统，为城市相关救灾部门的日常管理与救援决策提供信息支持与辅助决策支持．系统运用地理信息系统，建立信息化、数字化的防灾减灾决策系统平台，使灾害应急救援具有快捷性、准确性、高效性．建立城市防灾减灾应急决策系统必须融合现代众多学科领域的理论和技术手段，运用系统工程的理论方法，把专家经验、现代技术、计算模拟融为一体，使系统的研制建立在先进性、科学性的基础上，为高层管理决策提供有效的方案．

城市防灾减灾决策系统建立在城市基础地理信息基础之上，灾害发生后首先进行灾害危害性分析，把分析的结果反馈给系统做出灾害模拟预测与建筑物等资料相结合，形成相应的灾害范围分布图，再加上相应的财产和人口信息，可以得到经济损失和人员伤亡的信息．根据以上信息制定救灾决策，就可以进行灾时的避灾疏散和相应的应急救援活动、救灾物资调配的决策．最后，在所有这些资料的基础上，形成灾后的恢复重建计划和方案．应用GIS技术，建立从构造空间数据和属性数据到模型转化计算，从灾害预测、经济损失到减灾对策及辅助决策的全过程的信息管理系统．图1反映了系统的结构框架．

图1 逻辑结构和数据流

2 城市防灾减灾决策系统的主要功能

根据系统需求分析和开发目标，城市防灾减灾决策系统主要包括以下几个功能模块：

（1）城市基础信息管理模块

城市基础信息管理是用于组织、存储和管理涉及事故应急救援辅助决策支持和供城市日常管理用户查询的信息［3]．城市建设日新月异，防灾减灾信息必须具有动态维护的功能，随时增添数据、删除果实信息、更改部分变化的信息，一旦发生灾害，才能保证作出符合实际的估计和对策．系统基础数据包括：数据字典、气象信息、危险源数据、消防站、医院、消防栓、道路防护目标、各类应急救援资源、物资存储库、各个部门的信息等．

（2）防灾减灾信息管理模块

该模块用于组织、存储和管理防灾减灾所涉及的危险源、防护保卫目标、应急救援力量等对象的地理位置、地理分布和构造的信息的管理．不论在设计该系统还是应用该系统时，首先应对该城市的总体情况有一定的了解．该市的灾害源是如何分布的；它的工业区、居住区和商业区是分别分布在那些方位；该市的高层情况，它的层数、高度，属于什么单位；该市的地下商场的分布，它的营业面积和营业性质，属于何单位；还有一些重点单位的分布，如灾害隐患比较大的单位，大型商场、化工厂等．只有对该市的情况有了一定了解之后，才能具体针对某一单位、某一地区分析它的灾害隐患和制定出相应的救灾计划和措施．同时还必须实时的对该城市的灾害源情况进行调查统计，对由于改建、扩建或其它原因，使该城市结构布局发生变化的地方应及时统计，对系统中的地理信息基础数据进行及时的修改管理．

（3）灾害源分析预测与管理模块

通过对城市灾害源进行可视化管理，对其进行定量分析、评价和分级管理，实现了灾害源信息管理、灾害事故后果分析、灾害分级和灾害源统计分析．运用多元回归分析，判别分析，因子分析等多元统计分析方法，可以对灾害数据进行分析评估［4]．

①多元线性回归

假定变量y与xi（i＝1，2，3，……，m）间存在着线性关系，分解变量y的总偏差平方和Q为

式中

从式（1）可知，Q可分解为Q1和Q2两部分．Q是变量y与其平均值之差的平方和称为总偏差平方和，它的大小反映了观测值yk的离散程度．Q1主要是线性回归模型引起的偏差，另外，也有其他随机因素的影响，称为剩余平方和．Q2是＾yk与y的平均值之差的平方和，它反应了变量xi（i＝1，2，3，……，m）的变化对y引起的波动，称为回归平方和．

②判别分析

把每个总体看作是V维空间的任意一个子域Rg，而样品x是一个点．如果能找到一个把G个子域划分开的方法，那么对R空间中的任意一点X都可以找到它所属于的子域，即对任何给定的样品都可以确定它属于哪个总体．

正态总体的密度函数可改写为

进行判别时，只需要是判别函数qifi（X）为最大时的i．

③主因子分析

假设X＝［x1，x2，∧是一个p维的随机变量，它遵守正态分布，X～N（μ，E）．导出主成分的问题就是寻找X的线性函数并使相应的方差最大．因此，在数学上就是寻找一个正交矩阵α使＝1，并使方差

通过以上数学模型的应用，可以对各种灾害间的关系，综合成灾和各灾种权重系数作出分析，从而可以实现各种灾害的模拟预测．

（4）应急决策与管理模块

城市灾害应急决策模块实现整个系统的最佳路径选择、地址匹配和资源的最佳分配等功能，这些功能对实现灾后快速、合理的反应有极其重要的意义．该模块对应急救援力量和应急救援设备设施能够进行高效、科学的管理；为救灾预案的编制提供辅助决策技术，并对救灾预案进行自动的动态更新；能够为科学、精确、自动完成应急指挥提供辅助决策支持．本模块包括以下功能：救灾力量和救灾设施设备的管理、救灾预案管理、救灾决策与指挥等．用户可以使用该模块完成应急指挥、报警记录、救灾记录和一般防护目标、重点防护目标、消防警力、公安警力、交通警力、医院、救灾物资的管理及应急救灾预案编辑等任务．

基于GIS的城市防灾减灾决策系统能为城市灾害事故的发生以及救援措施提供一个合理的解决方案．该系统可以实现对城市基础设施、灾害信息、灾害源以及救灾力量等信息的查询，通过系统的图形编辑显示功能可以对灾害发生地进行图像显示并可模拟出灾害影响范围图，快速实现灾害景观、灾害损失预测，并在决策中结合实地情况选择最佳的救灾路径，合理调度救灾物资制定救灾预案，进行救灾指挥决策．

3 数据库的设计与组织

3．1 数据库的设计原则

设计数据库应坚持如下原则：组织合理、结构清晰、冗余度低、便于操作、易于维护、可扩充性良好［2]．设计数据库的关键任务是创建表的结构和表的关系、实现安全性和维护数据的一致性．由于GIS系统的数据库和一般的管理信息系统有所不同，它除了所需要的一些数据信息还有大量的与GIS相关的空间数据和属性数据．为了增强整个系统的数据处理的灵活性，采用分开存储的方法，图形矢量数据以MapInfo标准文件格式存储在特定目录下，图形中每个地物均有与其对应的唯一的标识（ID号），系统一次为索引建立该地物的图形数据文件．空间属性数据与工程管理数据均用SQL Server来存储，各地物属性记录的关键字为图形文件中该地物的ID号，由此便实现了图形文件与属性文件的一一对应关系［3]．图2所示为数据库的结构示意图．

图2 数据库的结构示意图

3．2 数据的分层组织

城市防灾减灾系统的数据库是与灾害源、消防、医疗、交通等有关的一些地理要素特征的数据集合．它涉及的地理数据包括灾害源、医院、消防队、居民点、道路等．根据数据结构的组织方式、灾害源及相关设施的类别和所属关系，将其进行分类，以便有效管理．并通过数据分层、图块管理、编码及空间索引设计，建立空间数据库．

在构建系统的电子地图时，为了方便进行地图的公众空间分析图操作，将不同对象抽象为具有单一特征的要素，地图每个图层都可以用单独的图元类型组成，这些图层中的对象可以由GIS的点、线、面来描述．其中灾害源如危险物质存储库区、生产场所、医院、消防单位设施等可以抽象为“点”集；道路、地下管线等可以抽象为“线”形对象；湖泊、广场等可以用“面”来表示［5]．部分空间数据如表1所示．

表1 部分对象设计表

3．3 数据库与系统的连接

在城市防灾减灾决策系统的各个子系统中，用于查询及各种分析等功能的数据全部存放于数据库中．如何进行两者之间的无缝连接则成为系统正常运转的关键性问题．各子系统对数据库提出数据需求及存贮格式要求．数据库作为数据源，通过接口程序为各子系统提供模型分析运行所需的数据，如应急决策所需的实时和历史的数据、各类空间数据、城市的社会经济数据等信息．

如果系统调用的任务（如模型分析、查询等）与数据库之间无数据传递联系，系统总控模块通过人机交互方式直接从数据库中提取模型分析所需要的空间数据或属性数据及对运行结果数据进行管理，并按模型所需要的格式存入约定的变量中，再由子系统模型直接从变量中读取．在总控模块的协调下，各子系统充分共享城市公共安全数据库，从而有助于改变当前灾害管理体制中的各自为政，条块分割局面［6]．

4 系统示例

淄博市是一个重型工业化城市，由于城市发展的原因，山东省的大部分化工企业都分布在淄博市区，全市有重大危险源所在企业539家，重大危险源671处［7]，一旦发生灾害事故将会对淄博市人民的身体健康带来严重的伤害，并且对生态环境造成不可估量的损害．因此在淄博市建立一个防灾减灾系统是非常必要的，这对城市的发展，人们的生活都会带来积极的作用．基于GIS的淄博市防灾减灾决策系统实现了对淄博市基础信息的查询，灾害源信息的查询管理（图3），以及灾害事故的模拟及缓冲区分析（图4），提供合理的救灾决策措施．

图3 系统灾害查询界面

图4 缓冲区分析界面

5 结束语

基于GIS的城市防灾减灾决策系统很好的解决了城市中各种复杂的灾害源的监督管理难题，利用该系统不但可以对灾害点实施有效地监控．而且可以在地图上直观的展示出来，进行指挥调度，节约了时间，提高了救灾的效率，可以极大降低灾害事故的损失．GIS在城市防灾减灾决策中的应用仅仅是一个开始，但已取得了明显的效果．可以预计，随着GIS、RS、GPS和计算机技术的飞速发展，人们对GIS的认识水平将日渐加深，各种专业模型相应趋于完善，GIS在防灾减灾中的应用必将会越来越精彩．

［1] 熊苹，丁明柱，刘子强．利用GIS技术和RS技术减灾防灾［J] ．测绘与空间地理信息，2005，28（6）：7－9．

［2] 李耀庄，王丽，徐亮．基于GIS的城市公共安全规划信息系统研究［J] ．防灾减灾工程学报，2005，25（3）：315－319．

［3] 曾宪禄，张国枢，周波，等．基于WebGIS的城市重大事故应急系统［J] ．河南科技大学学报，2006，27（3）：52－55．

［4] 苏幼坡，陈静，刘廷全．基于GIS的唐山市综合防灾与生态规划［J] ．安全与环境工程，2003，10（1）：1－3．

［5] 黄琳，吴国仕，郭文明．基于GIS的城市防灾综合信息管理系统主要模块的设计与实现［D] ．北京：北京邮电大学，2007．

［6] 徐志胜，冯凯，冯春莹．基于GIS的城市公共安全应急决策支持系统［J] ．安全与环境学报，2004，4（6）：82－85．

［7] 王谦．山东淄博分级普查重大危险源［N] ．中国安全生产报，2008－11－11（2）．