王志偉，普運(yùn)偉，曹 明

（1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500；3.中水三立數(shù)據(jù)股份有限公司，安徽 合肥 231600）

0 引言

城市危險(xiǎn)因素預(yù)防對(duì)降低城市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義[1-2]。地圖是城市空間數(shù)據(jù)信息的承載單元，能夠?qū)Ω鞣N危險(xiǎn)因素造成的災(zāi)情情況進(jìn)行直觀描述[3-5]。與GIS 技術(shù)相比，WebGIS 可對(duì)城市災(zāi)害空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多維、多角度展示，交互效果更突出，涵蓋的信息更加完整，并且更有利于動(dòng)態(tài)管理與刷新[6]。另外，除了滿足數(shù)據(jù)協(xié)作共享要求外，還能與多種操作系統(tǒng)兼容，為應(yīng)急救災(zāi)與危險(xiǎn)因素預(yù)防提供技術(shù)支持[7]。

文獻(xiàn)[8]將WebGIS 運(yùn)用到空間數(shù)據(jù)管理中，構(gòu)建的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)不僅滿足矢量數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)、城市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但該平臺(tái)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果具有較高的主觀性，對(duì)危險(xiǎn)因素預(yù)防策略的制定會(huì)產(chǎn)生不利影響；文獻(xiàn)[9]將WebGIS 應(yīng)用到平臺(tái)中，在實(shí)現(xiàn)了城市空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作共享的同時(shí)，還為政府部門以及其他用戶提供了在線地理信息服務(wù)，但該平臺(tái)在城市危險(xiǎn)因素預(yù)防方面的作用較差。為達(dá)到城市危險(xiǎn)因素預(yù)防的目的，本文設(shè)計(jì)了基于WebGIS 的城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)，在滿足空間數(shù)據(jù)信息質(zhì)量要求的前提下，通過對(duì)城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估，采取合適的危險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略，實(shí)現(xiàn)城市危險(xiǎn)因素預(yù)防。

1 危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于WebGIS 的城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)總體框架如圖1 所示。

圖1 城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)框架

平臺(tái)建立在基于AJAX 的WebGIS 模型上，由數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及用戶展示層三部分內(nèi)容構(gòu)成。

1）數(shù)據(jù)服務(wù)層：為后續(xù)城市危險(xiǎn)因素預(yù)防提供可用的空間數(shù)據(jù)信息與屬性數(shù)據(jù)信息，同時(shí)對(duì)獲取的各類氣象監(jiān)測(cè)、積水監(jiān)測(cè)、地質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行基本處理與計(jì)算，處理后的數(shù)據(jù)分別保存在空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫中。其中，數(shù)據(jù)處理模塊采用小波閾值法對(duì)其進(jìn)行去噪處理，以滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求。

2）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：通過Web 服務(wù)器獲取客戶的服務(wù)申請(qǐng)，同時(shí)與GIS 服務(wù)器進(jìn)行信息交互處理，GIS 服務(wù)器可對(duì)Web 服務(wù)器發(fā)送的每一項(xiàng)服務(wù)申請(qǐng)進(jìn)行具體處理。該層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警模塊調(diào)用分類空間數(shù)據(jù)信息，采用基于TOPSIS 法完成城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估。

3）用戶展示層：將城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果以及災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)情況展示給用戶。

2 城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估

因共享城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息的客戶端與服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)庫管理軟件類型較多，為精準(zhǔn)發(fā)揮危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)的作用，本文在利用小波閾值方法去除空間數(shù)據(jù)信息噪聲的基礎(chǔ)上，對(duì)城市綜合危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 基于小波閾值的空間數(shù)據(jù)信息去噪

空間數(shù)據(jù)信息質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)城市危險(xiǎn)準(zhǔn)確評(píng)估的前提。為提高城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息質(zhì)量，數(shù)據(jù)服務(wù)層的數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)用小波閾值法[10]去除空間數(shù)據(jù)信息噪聲。去噪后的空間數(shù)據(jù)信息為：

式中：v表示空間數(shù)據(jù)信息的小波系數(shù)；參數(shù)k具有可調(diào)節(jié)性；δ表示閾值；σ表示具有噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差；H表示離散數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

2.2 基于TOPSIS 法的城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估

為滿足城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估的全面性、科學(xué)性以及實(shí)時(shí)性要求，業(yè)務(wù)應(yīng)用層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承載體脆弱性以及暴露性方面對(duì)去噪后的空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，確定城市綜合危險(xiǎn)的影響因素，從而完成城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估。

本文采用TOPSIS 法依據(jù)圖2 對(duì)城市進(jìn)行綜合危險(xiǎn)評(píng)估，并構(gòu)建由4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和24 個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成的城市綜合危險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

圖2 城市綜合危險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

圖2 中，致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承載體暴露性指標(biāo)反映城市綜合危險(xiǎn)特征和暴露性特征，城市綜合危險(xiǎn)的脆弱性反映了承載體應(yīng)對(duì)能力以及恢復(fù)能力。城市綜合危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重為：

式中ej表示信息熵。

根據(jù)式（2）構(gòu)建模糊物元矩陣為：

式中：Mi(i=1,2,…,m)是數(shù)量為m的事物；Cj(j=1,2,…,n)為第j個(gè)特征；xij為對(duì)應(yīng)于Mi的Cj特征的量值，其隸屬度為u(xij)。

基于式（2）、式（3）建立加權(quán)矩陣為：

通過式（5）計(jì)算加權(quán)矩陣的正理想解Z+、負(fù)理想解Z-之間的歐氏距離：

由式（6）求得可反映城市綜合危險(xiǎn)的貼近度值：

式中：D+和D-表示正、負(fù)理想解的歐氏距離。確定的U值越大，說明城市綜合危險(xiǎn)等級(jí)越高。

根據(jù)U的計(jì)算結(jié)果即可完成城市綜合危險(xiǎn)等級(jí)的劃分，當(dāng)其值不超過0.6 時(shí)，城市綜合危險(xiǎn)處于低等級(jí)水平；當(dāng)介于0.6～0.7 之間時(shí)，對(duì)應(yīng)中低等級(jí)；當(dāng)處于0.7～0.8 之間時(shí)，處于中等級(jí)；當(dāng)滿足0.8～0.9 區(qū)間時(shí)，對(duì)應(yīng)中高等級(jí)；當(dāng)高于0.9 時(shí)，城市綜合危險(xiǎn)達(dá)到高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。將城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果作為依據(jù)，完成城市危險(xiǎn)因素預(yù)防策略的制定，以降低城市危險(xiǎn)等級(jí)，避免災(zāi)情惡化。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某城市為研究對(duì)象，在Windows 2000 Server 環(huán)境下設(shè)計(jì)本文城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息協(xié)作平臺(tái)，將Internet Information Services 作為Web 服務(wù)器，以ArcGIS Server 9.3 作為地圖服務(wù)器，Oracle 11 作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

設(shè)定獲取的城市危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息信噪比分別為10 dB、20 dB、30 dB。采用本文平臺(tái)對(duì)空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行去噪處理，通過不同數(shù)量下均方根誤差指標(biāo)的變化來研究本文平臺(tái)的數(shù)據(jù)去噪性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)信息去噪結(jié)果分析

分析圖3 可知，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，RMSE 呈不斷下降趨勢(shì)。本文平臺(tái)在三種信噪比的空間數(shù)據(jù)信息處理上均取得了較好的效果，30 dB 信噪比下，RMSE 指標(biāo)值為0.15 左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺(tái)具有較優(yōu)的空間數(shù)據(jù)信息去噪能力。

將A 區(qū)視為模糊物元事物，所有綜合危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)看作物元特征，完成復(fù)合物元的構(gòu)建后，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1 所示。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)，依據(jù)本文城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)A 區(qū)全部評(píng)估指標(biāo)的最優(yōu)隸屬度值進(jìn)行求解，得到C=0.578 1。因0.578 1＜0.6，因此，A 區(qū)的綜合危險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為低等級(jí)。

采用本文平臺(tái)對(duì)該城市綜合危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 城市綜合危險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃圖

分析圖4 可知，本文平臺(tái)可對(duì)該城市不同地區(qū)的綜合危險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并確定各地區(qū)的綜合危險(xiǎn)等級(jí)，將其作為依據(jù)，通過制定合理、科學(xué)的災(zāi)害防治策略，能夠降低危險(xiǎn)因素對(duì)城市安全造成的影響，起到危險(xiǎn)因素預(yù)防作用。

4 結(jié)論

應(yīng)用本文平臺(tái)對(duì)某城市的危險(xiǎn)因素預(yù)防空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，并評(píng)估該城市各區(qū)劃的綜合危險(xiǎn)等級(jí)，通過對(duì)空間數(shù)據(jù)信息去噪效果以及綜合危險(xiǎn)評(píng)估效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文平臺(tái)的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文平臺(tái)具有空間數(shù)據(jù)信息去噪性能，30 dB 信噪比下，RMSE 指標(biāo)僅為0.15 左右；通過本文平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)該城市各區(qū)劃綜合危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估，具有實(shí)際應(yīng)用性能。