空间多准则决策及其在资源环境领域中的应用

翟雅男，海热提，石 红，王伟龙，李 媛，王晓慧

（1.北京化工大学化学工程学院，北京 100029；2.北京市水处理环保材料工程技术研究中心，北京 100029）

地理信息系统（GIS）从诞生至今，其强大的空间数据管理和分析功能已经得到了业界的认可。然而GIS在解决空间决策过程中遇到一些问题，直接限制了GIS应用的深度和广度。在此背景下，GIS与决策分析相结合的空间多准则决策作为一个新兴科学技术领域，在已有的GIS 和多准则决策分析（MCDA）基础上就应运而生了，并在国内外引起了越来越广泛的关注和重视。

21世纪以来，空间多准则决策的应用越来越广泛，国内外对于空间多准则决策的研究也日趋成熟，除了对空间多准则决策的理论研究外，更注重开发空间多准则决策的应用，尤其是在资源环境领域的应用，主要集中在土地适宜性评价、设施选址问题、资源评价与管理和防灾等方面。本文将在概述空间多准则决策分析理论研究的基础上，详细论述空间多准则决策在资源环境领域这四个方面的应用情况。

1 空间多准则决策分析的发展

多准则决策分析（MCDM）由1896年Pareto提出的最优概念发展而来，但其在20世纪60年代才正式引入到决策科学领域，并以Charnes等［1］在目标规划上的研究和Roy提出的ELECTRE 方法为代表。1972 年，在南卡罗莱纳大学由Cochrane等主持召开的关于多准则决策的第一届国际会议被普遍认为是MCDM 开始发展的标志［2］。20 世纪70年代，研究学者们陆续进行了MCDM 理论基础的研究。

与国内相比，空间多准则决策分析方法的研究在国外起步相对较早，应用领域也更为广泛。在20世纪早期，MCDA 的概念还不是很清晰，1957 年，Churchman等［3］开始使用简单加权法来处理多属性决策问题；1968年，Maccrimmon［4］总结了多属性决策方法和运用，从中研究了许多潜在的有用概念和方法；1973年，他进一步采用了更多的方法进行研究，并分别按方法的结构、补偿性、输入偏好等对其进行了划分［5］。一直到20世纪晚期，Yoon等［6］才明确地将MCDM 问题分为多属性决策（MADM）和多目标决策（MODM）两类，从而分别进行讨论和处理。当时MADM 的研究也仅是在MCDM 中简单地体现，绝大部分的研究都在MCDM 上，经典MADM 研究范畴主要是沿着多属性效用理论与级别优先序理论进行发展的［7］。1990年MCDM 方法开始引入GlS领域，主要综合空间因子与非空间因子来解决土地利用评价问题，以此为标志基于GIS的MCDM 方法广泛应用于资源环境领域选址问题中。到21世纪，空间多准则决策的应用研究更加广泛，且有很多代表性的研究，如2003年，Rashe等［8］首先有效定义了易损性评估，易损性被看作是在不确定性条件下的一个空间决策问题，并将之定义成一个GIS的框架，把空间多准则分析和模糊逻辑结合起来；2003 年，Chakhar等［9］分析了GIS 结合多准则评价对GIS决策功能的增强；2006年，Malczewski［10］研究了基于GIS的有序加权平均（OWA）算子的土地利用适宜度MCDM 评价方法，并将其应用于工程选址中；2008年，Boroushaki等［11］提出一个GIS 多准则评估系统，通过使用ArcGIS 实施AHP-OWA 整合语言分类和传统的层次分析法运用到空间决策中；2010年，Gorsevski等［12］研究了一种使用模糊理论和卡尔曼滤波对滑坡易发性进行多准则评价分析的优化方案。

2 空间多准则决策分析的理论研究

GIS的基本功能是对地理、空间位置有关的数据和信息的显示、操作和分析，而GIS的空间分析功能则可以基于这些数据和信息，为资源配置、环境评价、优化选址、土地利用和城市模拟等应用领域提供分析结果，制定决策和计划［13］。空间多准则决策分析所涉及的问题、方案、决策、规则、变量和影响因子等都具有空间特性，因此空间多准则决策分析可以看作是将多层具有空间特征的地理数据（输入）进行组合或转换形成决策结论（输出）的过程。

最早在处理空间多准则决策问题时，程建权［14］指出GIS技术支持的多指标综合评价是一种结构化的建模方法，是方案选优和决策的基础，也是一种较为成熟的辅助决策技术，通常包括指标体系设计、指标量化及标准化、权重确定、综合评价及灵敏度分析等步骤；Herwijnen［15］归纳了空间多准则决策问题的核心要素，其包括目标、标准权重和决策方案三个方面；Malczewski［16］提出了一个用于多标准分析活动程序的框架，其包括定义决策问题、建立评价标准及约束条件、确定备选决策方案及决策矩阵、应用决策规则、敏感性分析。

通过以上理论研究，空间多准则决策问题的解决有一个通用的流程，这个流程起始于空间决策问题的确定，终止于空间决策问题的解决和推广，且它所研究的对象和使用的数据都具有空间特性，因此可结合GIS的数据采集、存储、编辑、操作和分析的功能，构建一个基于GIS的空间多准则决策分析的流程框架，使得MCDA 可以针对地理空间数据，解决空间决策制定、方案排序、优化选择和应用的问题［17］。构建的基于GIS的空间多准则决策分析流程框架如图1所示。

3 空间多准则决策在资源环境领域的应用

3.1 土地适宜性评价

土地适宜性评价是评定土地对于某种用途是否适宜以及适宜程度的方法，它是进行土地利用决策、科学地编制土地利用规划的基本依据［18］。传统的GlS方法解决城市土地适宜性评价问题时，将多个地图图层进行叠加，集合不同图层的信息，从而得到一个新的图层，即适宜性评价的结果。但是，这种GIS叠加方法不能体现参加叠加的不同准则之间的相对重要性，只能解决简单的评价和决策问题。从20世纪90年代开始，国外的研究学者开始将MCDM 技术引入GIS来克服简单叠加的局限，大大增强了GIS 评价土地适宜性的科学性［19］。如Dai等［20］基于GIS评价兰州市及中国西北地区地质环境并进行城市土地利用规划，他们根据适当的测量和一种算法的线性加权，形成每类土地适宜性地图，结果表明基于GIS的MCDA 方法适合进行土地开发适宜性评价；刘宇［21］提出了一种用地负荷预测的模糊空间决策方案，建立了土地利用模糊空间规则和隶属函数，解决了土地开发利用中土地使用选择和负荷预测的难题，并给出土地利用决策的实际案例和计算结果，充分表明这种方法能很好地综合可用信息生成决策并推断最终决策；Malczewski等［22］利用模糊数概念，开发了基于GIS的多目标群决策框架，采用OWA 建立个人的解决方案图，并综合了大多数决策者的喜好，通过多目标组合程序指导决策者，允许其探索不同的决策方案，更好地理解土地利用适宜性模式；许玉［23］探讨了对土地利用变化的环境影响进行评价的技术方法，构建了以“生态—环境—自然资源—经济社会”为框架的土地利用总体规划环境影响评价指标体系，并确定利用GIS的栅格图层叠置的方法对淳安县新的土地利用总体规划进行实例研究；白淑英［24］以武川县为例，利用GIS和遥感技术对土壤类型数据与地形坡度数据进行叠加分析，并参考基础资料，与土地利用现状数据进行叠加分析，确定了退耕还林还草地的数量及其空间分布，从而避免了决策实施方案的盲目性。

以上有关空间多准则决策应用于土地适宜性评价的研究表明，空间多准则决策将GIS空间分析中的叠置分析方法与MCDM 方法相结合，叠置分析将不同的评价因子图层进行叠置分析，综合成一个总的评价图，将复杂的适宜性分析评价过程简化为几个评价因子的问题；GIS 支持下的MCDM 模型可以看作是综合空间与非空间数据进而得出决策性结论的过程，包括地理数据的处理、决策者的偏好以及决策规则等，它将地理数据与决策者的偏好转化为一个一维的对应多种选择方案的数值［25］。这种方法可为土地利用规划提供科学、客观的指导。

3.2 设施选址问题

选址问题是运筹学中经典的问题之一，其中设施选址是众多选址问题的一个重要研究领域。设施是指与生产、商业流通及人类生活有关的用地规模相对较小的具体网点、场所，如工厂、仓库、消防站、变电站、污水处理中心、加油（气）站等［26］。在资源环境领域，设施选址问题主要表现在太阳能发电站、清洁能源厂、垃圾填埋场、火电厂、废水处理厂等的选址上，许多研究者对其进行了研究。如Sánchez-Lozano等［27］采用基于GIS和MCDM 的组合，以西班牙东南部卡塔赫纳区域为例，结合GIS的MCDM方法将GIS创建的制图和数据库应用到多准则决策方法中，从而简化了选取太阳能光伏电站的最佳位置选址问题；Omitaomu等［28］提出了基于以GIS为基础的MCDA 方法，将其应用于清洁能源新厂选址中，带动了选址分析产电扩张工具的发展，为选址问题提供了深入分析的手段；Chang等［29］将一种模糊MCDA 与GIS空间分析相结合的方法应用于垃圾填埋场的选择，结果表明基于GIS的初步筛查和最终的模糊MCDA 方法能够很好地确定最适合的垃圾填埋场地点；包伟［30］结合火电厂选址经验标准，在环保标准的量化指标中加入环保投资因素，建立了多目标选址模型，利用GIS及其分析功能将选址区域划分为若干连续区域单元，并提取各种选址所需数据，通过NSGA-II算法求解得到最终多目标的选址解策略空间，结果表明此方法适用性较强，在多目标优化方面对火电厂的选址意义重大；Demesouka等［31］以地图为基础，利用多目标空间决策支持系统处理相互冲突的目标，该方法不仅易于理解，并且通过在希腊东北部的埃夫罗斯有关废水处理厂选址真实案例的研究，显示了其结果的真实有效。

关于选址问题的研究，研究者使用GIS创建的地图和数据库进行初步筛查，然后选择决策方法来评估备选方案，建立相关的选址模型，从而得到最适合的选址方案。对于参与空间多准则决策的目标评价问题，GIS的空间分析方法提供了准确认识、评价和综合理解空间位置和空间相互作用重要性的手段，应用GlS技术对选址影响因子进行定量研究是可行且有效的；而MCDA 方法则综合考虑了各种主客观影响选址的因素，分析不同准则的权重，充分体现了不同准则之间的重要程度，因此运用空间多准则决策分析进行选址问题的研究是一种直观而又科学的方法。

3.3 资源评价与管理

环境资源评价与管理过程中涉及的很多数据是空间性和地理性的，所以传统的使用文字、数据和地图的方法已不能满足现代资源管理的需要。为了对资源进行全面的评价与管理，空间多准则决策被应用到资源评价与管理中。在这种方法中，GIS空间分析有助于资源管理与规划中的决策，而MCDA 方法可以为资源的评价与管理选择最优方案提供决策依据。如陈浩等［32］针对GIS空间分析技术在地下水评价中的应用进行了探讨，并在实际工作中得以验证，这种方法效率高，大大减小了工作强度，在地下水评价中值得推广；黄芳［33］将模糊集方法、多元统计分析和GIS相结合，探讨水体污染程度和污染空间模式，并从不同层面了解水体污染状况，可以更全面、直观地认识水污染的实际情况，避免了单一方法可能产生的片面性；Phua等［34］提出了一种以GIS为基础的有关景观尺度森林保护规划的多准则决策方法，并将其应用到马来西亚的基纳巴卢山地区的森林保护规划研究中，使用GIS、遥感技术和MCDM 方法将现场数据和文字结合起来对森林保护规划的标准和指标进行评估；刘欣等［35］提出了GIS和MCDM 技术两种科学手段在海岸带管理中的应用模式，并着重指出这些新的管理思路和技术手段可为海岸带管理的系统化、科学化、规范化提供技术支持；林涓涓等［36］通过建立流域生态敏感性评价指标体系，探讨了运用GIS技术和层次分析法对流域生态敏感性进行综合评价的方法，充分证明运用3S技术对流域生态敏感区进行动态监测将是流域生态敏感性研究的一个趋势；王艳伟［37］将GIS技术与层次分析法相结合，对宁东矿区煤矿可采性进行评价，从而得到矿区可采性安全评价分区图，以为宁东矿区能源基地的规划建设、资源的安全合理开采提供依据；邓吉秋等［38］针对湘东北万古地区金矿床成矿特征，综合运用层次分析法和GIS技术建立了金矿找矿模型，并对研究区进行了靶区预测，为GIS 在矿产资源领域的深层次应用提供了方法与技术途径。

传统的资源管理和评价方法仅使用文字或者简单的数学方法建立评价指标体系，或采用GIS技术为矿产、土地等资源提供空间数据进行分析评价，这种传统、学科性的方法单一且主观性强，缺乏严谨的科学依据。空间多准则决策分析的发展解决了这一问题，将GIS与MCDM 跨学科相结合，既从空间角度为评价体系提供客观支持，又将主客观多种因素根据重要性不同综合考虑，从理论方面提供了决策支持。这一方法充分体现了GIS 强大的空间分析能力和MCDM 的综合分析能力，可为水资源、森林资源、海岸带及矿产资源等资源的合理利用提供技术手段，为资源管理提供系统化、科学化、规范化的技术支持。

3.4 防灾

空间多准则决策在防灾方面的应用主要体现在地质灾害和水资源相关灾害的预防中。对于如今各种灾害的泛滥，开发一种基于防灾的评价方法迫在眉睫，而当前快速发展的GlS和决策分析方法则可以为我们进行防灾决策提供技术和理论支持。

Ramlal等［39］利用GIS绘制了低洼地区洪水泛滥的程度，用来估算卡帕罗河流域由于侵蚀造成的土壤泥沙流失量，为卡帕罗流域制定出了一个流域管理计划和防汛预案；李若璞［40］选择美国、日本和中国三个国家，对其不同的水灾害问题进行了评估及减灾研究，并分析了GIS技术在水资源问题上的应用，结果表明利用遥感、GIS及空间决策支持系统来评估水资源相关灾害，可很好地应对水资源危机；Fernández等［41］针对缺乏主要数据的城市洪水灾害评估问题，将多目标决策分析与两个城市的GIS相结合，辅助进行了城市洪水风险区划的研究；Othman等［42］论述了利用GIS和MCDM 技术来绘制滑坡危险区，考虑了10个滑坡诱导参数，使用层次分析法确定每个参数的权重，开发了基于不同参数组合的模型，并对其结果进行了比较；朱吉祥等［43］基于信息熵理论建立了滑坡危险性评价模型，同时综合考虑影响滑坡演变的各种因素，在GIS下对四川省青川县滑坡的监测数据进行了分析和处理，获取了该研究区滑坡危险性区划结果，并将该区不稳定斜坡作为未来可能发生的滑坡进行验证，结果表明其评价结果基本符合实际情况；陈静［44］在前人研究的基础上，运用GIS、MCDM、模糊数学等理论知识，研究了空间多准则评价方法在城市防灾决策分析，尤其是城市土地防灾适宜度评价方面的技术方法，并以唐山市为例，基于GIS 和OWA 建立了城市土地防灾适宜度评价的决策分析模型，计算了唐山市中心区城市建设用地防灾适宜度，结果表明这种方法能够得到任何决策风险水平下的计算结果，比传统的线性加权方法更符合决策的动态风险策略需求。

对于资源灾害评估问题，从只使用GIS对灾害进行预测，到GIS 与MCDM 相结合，进而发展到GIS、遥感与MCDM 的逐渐融合，大大缩短了调查研究的时间，并提高了决策的效率和精度。学者们不仅从MCDM 方法的选择上进行研究，也对决策中计算方法的选择进行研究，与GIS相结合的方法和传统方法相比具有一定的优势，但其广泛应用还需要进一步的深入研究。

4 结论与展望

MCDA 引入GIS 学科已有20 多年的发展历史，已成为决策理论的一个重要分支，并广泛应用于土地适宜性评价、设施选址问题、资源评价与管理、地质灾害防治等各类决策研究中。空间多准则决策应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换，其中空间分析的手段直接融合了数据的空间定位能力，并能充分利用数据的现实性特点，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的决策支持，因此在此基础上提供的决策支持更加符合客观现实，因而也具有合理性。

目前，空间多准则决策研究是决策理论研究的一个热点和重点，但是有丰硕成果的同时也暴露出一些尚待解决和突破的问题，对此提出其在资源环境领域应用研究的展望：

（1）进一步深入研究适用于资源环境领域的空间多准则决策方法，如：考虑准则模糊标准化过程参数选择对评价结果的影响；在进行筛选评估准则时将影响因素和约束按比例融入考虑范围，也许筛选的准则更精确；探讨将主、客观信息（或方法）综合集成的新方法，这在理论和应用上都将很有研究价值。

（2）在实践中不断完善空间多准则决策分析方法，加强其在资源环境领域应用的科学性，使其为城市规划、资源管理、资源评价提供依据，才能在资源环境紧缺的现实条件下最大限度地减少选择的盲目性，降低风险，提高安全水平。

（3）结合遥感技术，将快速更新的数据预测技术应用于诸如地质灾害防治等工作，这在预防预警工作中能起到很好的辅助作用。此外，如何及时准确地监测灾情，并尽最大可能减少损失，是今后空间多准则决策分析结合动态监测的研究重点。

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