基于GIS的唐山市综合防灾与生态规划

基于 GIS 的唐山市综合防灾与生态规划 苏幼坡　陈　静　刘廷全 (河北省地震工程研究中心, 唐山 063009) 摘　要: 中国北方东部城市正处于高速发展时期, 大部分城市由于处于环太平洋地震带和北纬中度灾害带的交叉 部位, 灾害问题严重,造成的经济损失巨大。因此,为了城市的可持续发展, 必须把城市的生态建设和综合防灾工作 结合起来, 进行整体规划。通过自然灾害数据库的建立, 灾害源、工程地质、建筑和城市生命线等数据的 ACCESS 数 据库分别建立起来了。基于数理统计分析模型的 GIS 技术, 以 MAPINFO 为平台, 采用 MAPBASIC 开发工具,创 建了唐山市综合防灾和生态规划信息管理系统,为唐山市的综合防灾的可持续发展规划提供了建议和依据。 关键词: 生态; 规划; G IS; 唐山; 防灾 中图分类号: X21; X43　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1671-1556( 2003) 01-0001-03　 a 0　引　言 城市是一个以人口集聚为特征的自然与社会的 复合系统,该系统是生态过程、经济过程和文化过程 的综合产物。现代城市是政治经济科学技术和文化 教育的中心, 是现代工业集中的地方,在国家的经济 建设中起着主导作用。然而, 由于城市人口高度集 中,社会文明相对发达,以及城市社会的各组成要素 之间的相互依存和密切联系, 使城市对各种自然灾 害 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出明显的脆弱性。城市地质灾害对城市安全 和建设、人类生产生活有巨大影响, 从详细规划角 度,地质灾害影响具体地段的用地性质、建筑高度、 建筑密度、容积率的合理确定和建筑物选址;从总体 规划角度,它影响城市用地适宜性评价,用地选择和 用地发展方向的合理性[ 1]。防灾减灾是城市可持续 发展的基础和保证。研究城市地质灾害的分布及其 客观规律是城市规划和防灾减灾工作的关键环节。 随着城市建设进程的加快, 对实现综合防灾和 生态建设规划动态管理的要求越来越高。人们正在 实现由工业污染防治、城市环境综合治理向生态环 境综合防治和全球环境保护的转变。因此, 如何实现 环境保护和经济发展的统一, 避免工程建设—污染 治理—再建设—再治理的恶性循环, 实现城市生态 规划和可持续发展, 是摆在广大科技工作者面前的 重大课题。在城市规划中,环境污染防治受到了很大 重视,伴随着学科发展,基于 GIS 技术, 实现灾害分 布和生态建设的动态规划管理,是今后的发展方向。 唐山市地处华北大平原的东北隅, 燕山山脉东 端,背山临海,地形复杂, 地貌类型多样,场地条件多 变,总的特点是北高南低,地热从北向南倾斜下降直 达渤海之滨。在市区范围内, 北部为低山丘陵地区, 南部为海滨平原区。海拔高程中心区在 15～45m 之 间。由于唐山地区自古生代以后长期处于地壳上升 阶段,因而缺失中生界和新生界的第三系地层。而自 第四系以来,河流广泛发育,大量的冲积、洪积沉积 物直接覆盖在古生界的二叠纪、石炭纪和奥陶纪基 岩上。在这些基岩地层中发育有煤层和喀斯特溶洞、 裂隙,煤矿开采后又在地下留下新的洞穴,从而对地 层带来不同程度的影响, 再加上地震的因素, 情况就 更为复杂。作为一座新型的工业城市,在其发展过程 中已遭受了多次自然灾害,其中最严重的便是 1976 年 7月 28日发生的 7. 8级唐山大地震,其次是岩溶 塌陷、采空区塌陷、矿井塌陷及由此引起的地面沉 降。应用数理统计分析模型, 基于 GIS 技术, 以 MAPINFO 为平台,创建了唐山市综合防灾和生态 规划信息管理系统。通过唐山市抗震防灾和生态规 划信息管理系统的开发, 实现了灾害分布和生态建 设的动态规划管理, 使城市自然灾害、地震灾害设防 和城市建设有机结合起来, 为城市的综合防灾和可 持续发展奠定了基础。 第 10卷　第 1期 2 00 3年　　3月　　　　　　　 安 全 与环 境工 程 Safety and Env ir onmental Engineering 　　　　　　Vol. 10　No . 1 M ar . 　2003 a 收稿日期: 2002-11-18　　 作者简介:苏幼坡( 1956—) ,男,教授,博士,硕士生导师,河北省地震工程研究中心主任,中国建筑学会城镇抗震防灾专业委员会副主任,目 前主要从事城市与区域防灾减灾方面的研究。 1　自然灾害数据库的建立 唐山市经历了 1976年 7月 28日 7. 8级的大地 震,使整个城市的房屋和工程设施几乎全部毁坏。唐 山大地震后对地震灾害及地震灾害引起的其它灾害 进行了许多研究工作, 已经取得了不少成果。通常把 地震引起的其它灾害称为次生灾害。这些次生灾害 主要是: ¹ 地震引起的地质灾害,对于唐山市主要有 滑坡、崩塌、地陷、地裂、砂土液化等; º 地震引起的 洪水灾害,对于唐山市主要有陡河水库堤坝滑坡、震 裂以及冲垮等; » 地震引起易燃的油罐破坏而引起 火灾,进而又引起罐体爆炸;地震造成地下煤气管道 破裂而诱发火灾或煤气中毒; ¼地震引起采空区塌 陷、岩溶危害加重等。 主要从地震、采空区塌陷、岩溶塌陷、工程地质 条件分区、洪水等方面进行资料的收集,其次还包括 各种次生灾害源(液化气站的分布、噪声的分类及分 布、空气质量等)的情况。根据以上的资料, 建成了唐 山市综合防灾系统Access2000数据库。该数据库包 括 15个表格,形成了 11个查询。通过地震裂度分区 将唐山市区及周边分为 7个区,在 Access2000中将 其赋予 ID 号, 将每个灾害分别与此 ID 号相对应, 岩溶塌陷 ID和采空区 ID 与此方法相同。然后各个 表格之间通过 ID号相互关联, 表1为数据库主表示 例。 表 1　地震主表 Table 1　The major table o f ear thquake 地震 ID 地震烈度分区　 几何中心 X 坐标( m) 几何中心 Y 坐标( m ) 分区面积 (×106m2) 1 9度烈度分布区 5400 14400 11. 5 2 10度烈度分布区Ⅰ 7200 7200 11. 8 3 　 10度烈度分布区Ⅰ (采空区Ⅰ) 6900 　 1620 　 7. 2 　 4 　 10度烈度分布区Ⅰ (采空区Ⅱ) 13320 　 10440 　 4. 3 　 5 11度烈度分布区 12000 3600 29. 5 6 　 11度烈度分布区 (采空区Ⅰ) 9000 　 1800 　 7. 2 　 7 10度烈度分布区Ⅱ 13500 900 6. 3 2　统计分析模型 运用多元回归分析, 聚类与分类分析, 判别分 析,因子分析等多元统计分析方法,可以对数据进行 分析评估[ 2]。 2. 1　多元线性回归 假定变量 y 与 x i ( 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 　　 Q = Q 1 + Q2 ( 1) 式中:　 Q = ∑N K = 1 ( y K - ydK ) 2; Q 2 = ∑N K = 1 ( ydK - y-) 2 从上式可知, Q可分解为Q 1和Q 2两部分。Q 是 变量 y 与其平均值之差的平方和,称为总偏差平方 和,他的大小反映了观测值 y k 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 ydk 与 y 的平均值 之差的平方和, 它反应了变量 X i ( i= 1, 2, 3, ⋯⋯, m )的变化对 y 引起的波动, 称为回归平方和。 2. 2　聚类分析法 设有 n个样品,每个样品包含 m 个变量, 用 X ij ( i= 1, 2, 3,⋯⋯, n; j = 1, 2, 3, ⋯⋯, m)表示第 i 个 样品的第 j 个变量的观测值。n个样品的 m 个观测 值构成一个n×m 的数据矩阵X n×m。以 Q型聚类分 析为例,相关系数 R ij描述了 X i 和 X j 的相关程度, 显然 R ij的取值在区间[ - 1, 1]内。应把相关程度高 的样品分为一类。 　 R ij = ∑m k= 1 ( x ik - x-i ) ( x j k - x-j ) ∑m k= 1 ( x ik - x-i ) 2∑m k= 1 ( x j k - x-j ) 2 ( 2) 　　　　( i, j = 1, 2, 3,⋯, n) 2. 3　判别分析 我们把每个总体看作是 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那个总体。 正态总体的密度函数可改写为: f i(X ) = ûS - 1û1/ 2 ( 2P) V / 2 exp - 1 2 (X - X i) ′ S - 1 (X - X i) 进行判别时, 我们只需要使判别函数 qi f i( X ) 为最大时的 i。 2. 4　主因子分析 假设 X = [ x 1 , x 2, ⋯, x p ]′是一个 P 维随机变 量,它遵守正态分布, X～N (L, £ ) 导出主成分的问题就是寻找 X 的线性函数 A′ X 并使 A′X 相应的方差最大。因此, 在数学上就是 寻找一个正交矩阵 A使 A′A= 1, 并使方差 V ar (A′X ) = E [A′X - E (A′X ) ] [ A′X - E(A′X ) ] = A′X [ X - E ( X ) ] [ X - E ( X ) ]′A 2 安全与环境工程 第 10 卷 = A′AA= 最大 3　基于MAPINFO 的规划系统开发 系统把 MAPINFO作为前端,采用 MAPINFO 的二次开发语言 MapBasic对菜单条、工具箱进行 了添加与修改, 创建了定制的用户界面, 实现了 MAPINFO 的个性化。而系统大量数据则放在 M i- cro sof t Access 中, 使 MAPINFO 后台数据库的数 据生成各种统计、分析图件。同时, 采用 OLE Au- tomat ion 技术,将 MAPINFO 集成进 VB6. 0中,补 充构成前台的应用环境。属性数据库是储存建(构) 筑物及其地理空间特征和与其相关连的数据库。通 过两种技术建立属性数据库, 一是通过 MAPINFO 内置的数据库直接建立, 实现方便、快速、实时查询 后台数据;二是通过 MAPINFO 内置的 ODBC 实现 对外部数据库的访问连接( Microso ft Access)。电子 地图是由图形数据组成的空间实体。空间实体是对 图形实体的抽象, 包括点、线、面三种基本类型。在 MAPINFO 中,给出了多种空间分析的函数和运算 符,如创建缓冲区的 Buffer,计算面积的 Area, 判断 空间关系的 Contain, Intersect 等。综合防灾与生态 规划计算机信息系统是基于图形及与图形关联的数 据的研究。系统包括以下内容: ( 1)与防灾对策有关 的基础图纸; ( 2)与基础图纸相关的基础数据; ( 3)与 综合防灾和生态规划有关的文本资料; ( 4)对图形 库、数据库、文本库建立查询、打印等管理功能; ( 5) 对图形与数据建立空间分析关系; ( 6)对图形库、数 据库及文本库建立文档化管理。 4　城市生态建设规划建议 通过地质灾害风险分布与城市规划的对比分 析, 可以看到, 高地质灾害风险区多为居民、行政和 商业用地,为市中心和繁华地带,更加增加了地质灾 害的破坏力,市政府、凤凰山一带的主要市区位于高 地质风险区,在进一步的城市改造和重新规划中应 给予充分的考虑。除此以外,在城市规划的西北部地 区也有局部高风险区存在, 在未来规划和评价中应 引起重视。 除了在新的城市生态规划中要充分考虑地质风 险外,在市中心的高地质灾害风险区应加强防灾减 灾措施研究,增加城市的抗灾能力,是减少灾害损失 的重要措施。结合最新的数字城市技术,探讨地质灾 害的作用机理、对城市破坏的具体影响以及防灾反 应和规划措施, 是城市防灾减灾的关键,正在进一步 的研究之中。 参 考 文 献 [ 1] Su Youpo. T he S tu dy on the Degree Th at U rban Lifel ine Af fect Each Other in Earthquake Disaster, the Sequence of T heir Ef- fect Degree, and the T ime-S equence of Pos t-Quak e Recovery,中 美新世纪地震工程研讨会议论文集, 2000 [2] 朱庆杰, 王波 . 轮南奥陶系裂缝研究的综合定量方法[ J ] . 石油 地球物理勘探, 1999, 34( 2) : 180～189 Synthetic Disaster Resistance and Ecosystem Planning of Tangshan City on the Basis of GIS Su Youpo　Chen Jing　Liu Tingquan ( Earthquake Engineering R esearch Center of H ebei P rov ince , Tangshan 063009) Abstract: Cit ies in nor th-eastern China are developing in high speed. M ost of the cit ies are located in the area w hich is the cross center of Pacific Ocean peripheral earthquake band and the disaster band in northern middle lat itude. In these regions, disaster pr oblems ar e serious and enormous economical loss has been made. For keeping on the development and for the city's ecosy stem planning . ACCESS2000 database for natural disaster is developed, including disaster sources, eng ineer ing geo logy , const ruct ion and urban life- line data. Based on stat ist ical model and GIS, and by using MAPIN FO and MAPBASIC as the developing tools, the informat ion management system o f synthet ic disaster resistance and ecosystem planning in Tang- shan City is created, and some suggest ions for synthet ic disaster resistance and sustainable development planning of T ang shan City are g iven. Key words : ecosy stem; planning ; GIS; Tangshan; disaster resistance 3第 1期 苏幼坡等:基于 GIS 的唐山市综合防灾与生态规划