CN111523804B - 一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，首先构建应急避难场所效能评价指标体系，确定出各评价因子和评价标准；然后利用无人机倾斜摄影进行应急避难场所实景三维模型构建，并结合GIS分析提取出应急避难场所效能评价因子参数值；最后按照加权求值方法对应急避难场所进行综合效能评估，得到各应急避难场所综合分数值。本发明将实景三维技术和效能概念引入应急避难场所，对已建成的应急避难场所从选址适宜性、有效性、资源可利用性以及功能完整性等方面进行分析，从而对应急避难场所效能进行综合评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，属于防震减灾技术领域。
背景技术
我国人口众多，地理环境复杂，各种自然灾害如地震、洪灾、泥石流等时有发生，每年因突发事件造成的损失惊人，遭受的灾害形势严峻。而城市是人类文明的聚集地，随着城市经济的发展，城市易损性日益突出，当灾害发生在城市或城市附近时，灾害损失尤其严重。当前处于一个日益城市化的时代，各种灾害对人类生命和财产造成的损失严重，城市面对的灾害来自于自然变异造成的自然灾害和人类活动造成的其他灾害。城市灾害往往还易引起严重的次生灾害，原生灾害与次生灾害相互交织，更加加重了城市灾害。
为有效应对和减轻城市灾害，人们采取了一系列的措施，如制定详细的应急预案，并在平时开展各种演练；编制各类防灾减灾规划，试图从城市规划和建设的角度控制灾害造成的影响，从而减轻灾后损失。除此以外，开展应急避难场所的规划和建设也是有效应对城市灾害的重要举措之一，并在多次减灾实践中体现出越来越重要的作用。通过建设应急避难场所可为人们在灾后一段时间内提供灾害带来的直接与间接伤害的庇护所，保障灾民在灾时的生活。应急避难场所在灾后具有为难民提供停留、避难的功能，成为政府救人、转移安置人口以及做好灾后重建的聚集地。平时应急避难所还可成为人们应急逃生和灾害演练的模拟平台，宣传应急逃生知识，提升市民防灾应急意识。
为此国内外开展了大量关于应急避难场所的研究和建设工作，我国的应急避难场所建设与研究较国外起步晚，但近几年随着政府的重视和民众减灾意思的增强，也加大了投入，呈现出快速发展阶段。然而对应急避难场所的规划与建设成果的功效性是一个待检验与评价的工作。已规划和建成的避难场所是否能正常投入使用以及是否满足周围群众的避难需求等问题均是需深入研究的问题。
目前对于城市应急避难场所效能评估的研究多集中于应急避难场所适宜性评价、可达性评价等方面，这些研究从一定角度降低了避难场所的选址难度，为日后避难场所的建设选址工作提供了很好的解决方法。但是随着国内各城市应急避难场所建设工作的推进，城市中已建设了多个应急避难场所，部分城市甚至初步完成了城市应急避难场所的建设工作，对于已建成的避难场所选址是否合适，能否满足城市人口的避难需求，仍然有待进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，将实景三维技术和效能概念引入应急避难场所，对已建成的应急避难场所从选址适宜性、有效性、资源可利用性以及功能完整性等方面进行分析，从而对应急避难场所效能进行综合评价。
本发明采取的技术方案是：一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，首先构建应急避难场所效能评价指标体系，确定出各评价因子和评价标准；然后利用无人机倾斜摄影进行应急避难场所实景三维模型构建，并结合GIS分析提取出应急避难场所效能评价因子参数值；最后按照加权求值方法对应急避难场所进行综合效能评估，得到各应急避难场所综合分数值。
进一步的，所述构建应急避难场所效能评价指标体系，包括：
1)选择评价指标：选择选址适宜性、资源可利用性、有效性和应急功能完整性作为应急避难场所效能评价一级指标，并设置对应的二级指标进行细化处理；
2)确定评价指标权重：对准则层的选址适宜性、资源可利用性、有效性以及应急功能四个指标构造判断矩阵B如下：
该判断矩阵各数值表明评价中的各项指标之间的权重关系为：
B12＝3：“选址适宜性”相对于“资源可用性”略微重要；
B13＝1/3：“有效性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B14＝1/3：“应急功能完整性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B23＝1/3：“有效性”相对于“资源可用性”略微重要；
B24＝1/5：“应急功能完整性”相对于“资源可用性”明显重要；
B34＝1/2：“应急功能完整性”相对于“有效性”略微重要。
进一步的，所述应急避难场所实景三维模型构建，包括：
1)应急避难场所外业调研：调研的内容包括基础功能区分布、出入口、布局审查、附属设施、实施实用性、无人机航线规划；
2)应急避难场所数据采集：结合应急避难场所现场踏勘确定的飞行过程的航高设计以及航线设计，利用无人机倾斜摄影技术从不同视角同步采集应急避难场所影像数据和POS空间位置信息；对于部分面积较大的应急避难场所，采用分级设站的方式进行数据采集，保证应急避难场所效能评估需求，同时，利用载波相位差分技术进行应急避难场所控制点采集，参数设置为CGCS2000坐标系，高斯三度带投影，中央经线120度，采用地面喷绘油漆作为测量标志，以便于更好的在无人机获取的影像上进行识别；
3)应急避难场所实景三维模型构建：利用无人机影像处理软件进行避难场所的实景三维建模，主要步骤包括影像数据预处理、区域网联合平差、多视影像密集匹配、高精度点云生成、TIN网构建以及最终的三维重建。
进一步的，对应急避难场所进行指标参数提取，并利用得到的参数值进行综合效能评估，其中，所述应急避难场所效能指标参数提取包括：a.适宜性评估参数指标提取，b.资源可利用性评估因子提取，c.有效性因子提取，应急功能完备性因子提取；所述应急避难场所综合效能评估包括：利用求取出的二级指标权重值进行加权求值，得到各一级指标综合得分；将得到的一级指标综合得分按照各综合权重进行加权，从而得到整个应急避难场所的综合效能评估值。
更进一步的，所述适宜性评估参数指标提取的方法步骤如下：
(1)结合ARCGIS软件空间统计分析功能，调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具对适宜性评估参数进行提取；用Buffer工具对次生灾害风险源做1000米缓冲区分析，用Intersect工具将风险源的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到风险源1000米缓冲区内应急避难场所的分布，即以应急避难场所为中心1000米范围内风险源的分布；接着对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值；
(2)借助无人机倾斜测绘数据得到避难场所DEM数据，使用Arcgis中的Slope工具和Reclassify工具进行应急避难场所坡度分析，具体为：首先利用Slope工具对DEM数据进行坡度分析，对得到的栅格数据使用Reclassify工具进行重分类，将地势坡度处于0度到8度赋值1，8度以上赋值2；接着利用编辑工具，计算出避难场所自然地形坡度小于8°占场所总面积的比值，最后根据评估标准进行赋值。
更进一步的，所述资源可利用性评估因子提取的方法为：针对资源可用性中邻近仓储地和邻近医院的评估模型和选址适宜性一致，调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具；用Buffer工具对仓储地做500米缓冲区分析，将得到的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到仓储地500米应急避难场所的分布，即应急避难场所500米范围内仓储地的分布，如果避难场所500米范围内没有仓储地，接着对仓储地做1000米缓冲区分析，得到仓储地1000米范围内应急避难场所的分布；最后对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值，应急避难场所500米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值10分，500-1000米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值8分，不具备以上两种条件的应急避难场所赋值6分。
更进一步的，所述有效性因子提取中，结合无人机倾斜摄影测量生成的实景三维模型，采用ARCGIS矢量化工具构建矢量化图层，对场所内有效避难面积和人均避难面积进行统计分析，并与评估标准进行比较赋值。
更进一步的，所述应急功能完备性因子提取中，通过实景三维模型可以对应急避难场所出入口、附属设施、设施实用性和基础功能区完备性进行判断，并结合规划设计图纸与实景模型对比对其布局合理性进行审查判断。
本发明相较于现有技术，具有以下的效果：
(1)本发明将实景三维技术引入应急避难场所效能评估，不仅能够真实的还原应急避难场所内部功能分布，而且能够对应急避难场所后期完善加固进行动态监测管理，实现了跨领域的数据交互，为应急避难场所管理和发展提供了可靠的技术支撑。
(2)本发明综合考虑应急避难场所的有效性、功能完整性、资源可利用性以及选址适应性等四大类评价指标因素，按照分层评级的方式设定二级评价指标因素进行量化考评，并以加权评分的形式进行综合展示，评价结果更加科学真实，具有说服力。
附图说明
图1是评价指标的详细分层图；
图2是建模技术流程图。
图3是选址适宜性评估-避让次生灾害风险源Model Builder模型。
图4是选址适宜性评估-坡度Model Builder模型。
图5是资源可用性评估Model Builder模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法。具体实施过程如下：
首先构建应急避难场所效能评价指标体系，确定出各评价因子和评价标准；然后利用无人机倾斜摄影技术进行应急避难场所实景三维模型构建，并结合GIS分析技术提取出应急避难场所效能评价因子参数值；最后按照加权求值方法对应急避难场所进行综合效能评估，得到各应急避难场所综合分数值。
基于实景三维的应急避难场所效能评估方法实用可行，能够较为真实的展现应急避难场所内部构造，通过多角度多因素评估实现了对应急避难场所的效能评价，为应急避难场所的建设和发展提供了切实可行的参考依据和丰富的数据支撑。
步骤1：应急避难场所效能评估体系构建
此步骤的目的是构建应急避难场所效能评估体系，包括评价因子和评估指标的确定。
1)选择评价指标：评价指标的选取是衡量城市单体应急避难场所效能的主要依据，直接反应评价模型的科学性和系统性。选择选址适宜性、资源可利用性、有效性和应急功能完整性作为应急避难场所效能评价一级指标，并设置对应的二级指标进行细化处理，详细分层图如图1所示。
2)确定评价指标权重：在确定应急避难场所效能评估的指标权重时，邀请避难场所管理与研究等方面的专家根据对准则层的选址适宜性、资源可利用性、有效性以及应急功能四个指标构造判断矩阵B如下：
这个判断矩阵各数值表明评价中的各项指标之间的权重关系为：
B12＝3：“选址适宜性”相对于“资源可用性”略微重要；
B13＝1/3：“有效性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B14＝1/3：“应急功能完整性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B23＝1/3：“有效性”相对于“资源可用性”略微重要；
B24＝1/5：“应急功能完整性”相对于“资源可用性”明显重要；
B34＝1/2：“应急功能完整性”相对于“有效性”略微重要(处于同等重要之间)；
从而可以得到准则层下选址适宜性、资源可用性、有效性和应急功能完整性四个指标的权重集，见表1所示。
表1准则层权重
同理，可计算出安全性中避让次生灾害风险源、地势、场地安全性3个指标的权重。
当判断矩阵为
当资源可利用性准则层下邻近仓储地、邻近医院、场所原有资源的有效利用3个指标的判断矩阵为
当有效性准则层下场所有效避难面积、人均有效避难面积2个指标的判断矩阵为
当应急功能准则层下基础功能区、布局审查、出入口、附属设施、设施实用性5个指标的判断矩阵为
权向量W4＝[0.3775 0.0772 0.1167 0.1606 0.2680]；
综上得到各指标层权重以及综合权重如表2所示。
表2则层权重以及指标层权重
制定指标评分标准：将应急避难场所的效能评估指标采用分等级的方法分为优秀、较好、一般、较差四个等级。为了便于计算和评价操作，将四个等级的评分采用日常评价中的分值进行量化。具体操作是认为优秀等级的评分区间为9-10分，较好等级的评分区间为7-9分，一般等级的评分区间为6-7分，较差等级的评分区间为0-6分。同时，根据效能评估不同等级对应的评分区间，制定了13个评价指标的评价标准，在制定评价标准时主要参考了相关国家标准和地方性规范。
步骤2：应急避难场所实景三维模型构建
此步骤的目的是构建应急避难场所实景三维模型以真实的反映应急避难场所内部设施分布，主要包括现场调研和模型构建。
1)应急避难场所外业调研：调研的主要内容涉及基础功能区分布、出入口、布局审查、附属设施、实施实用性、无人机航线规划等。通过对应急避难场所进行调研，能够掌握应急避难场所内部各功能区建设情况，对功能区内各设施完备性与合理性进行准确的预判，并结合避难场所规划建设资料对应急避难场所内部道路、功能布局是否合理进行分析。同时，根据应急避难场所现场踏勘，确定飞行过程的航高设计以及航线设计，保证无人机倾斜摄影测量数据能够安全获取。
2)应急避难场所数据采集。结合应急避难场所现场踏勘确定的飞行过程的航高设计以及航线设计，利用无人机倾斜摄影技术从不同视角同步采集应急避难场所影像数据和POS空间位置信息，整个过程无需人为干预即可保障应急避难场所影像数据采集，对于部分面积较大的应急避难场所，采用分级设站的方式进行数据采集，保证应急避难场所效能评估需求。。同时，利用载波相位差分技术(RTK)进行应急避难场所控制点采集，参数设置为CGCS2000坐标系，高斯三度带投影，中央经线120度，采用地面喷绘油漆作为测量标志，以便于更好的在无人机获取的影像上进行识别。
3)应急避难场所实景三维模型构建。利用无人机影像处理软件进行避难场所的实景三维建模，主要步骤包括影像数据预处理、区域网联合平差、多视影像密集匹配、高精度点云生成、TIN网构建以及最终的三维重建。建模技术流程如图2所示。
步骤三：应急避难场所效能指标参数提取与评估
此步骤的目的是对应急避难场所进行指标参数提取，并利用得到的参数值进行综合效能评估。
1)应急避难场所效能指标参数提取。
a.适宜性评估参数指标提取
结合ARCGIS软件空间统计分析功能，调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具对适宜性评估参数进行提取。用Buffer工具对次生灾害风险源做1000米缓冲区分析，用Intersect工具将风险源的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到风险源1000米缓冲区内应急避难场所的分布，即以应急避难场所为中心1000米范围内风险源的分布。接着对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值，对应模型见图3所示。
同时，借助无人机倾斜测绘数据得到避难场所DEM数据，使用Arcgis中的Slope工具和Reclassify工具进行应急避难场所坡度分析。首先利用Slope工具对DEM数据进行坡度分析，对得到的栅格数据使用Reclassify工具进行重分类，将地势坡度处于0度到8度赋值1，8度以上赋值2。接着利用编辑工具，计算出避难场所自然地形坡度小于8°占场所总面积的比值，最后根据评估标准进行赋值，模型见图4所示。
场地安全性的判断依据是应急避难场所规划建设资料，通过翻阅文本资料以及现场踏勘对应急避难场所场地安全性做出合理判断。
b.资源可利用性评估因子提取
针对资源可用性中邻近仓储地和邻近医院的评估模型和选址适宜性一致，同样调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具。用Buffer工具对仓储地做500米缓冲区分析，将得到的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到仓储地500米应急避难场所的分布，即应急避难场所500米范围内仓储地的分布，如果避难场所500米范围内没有仓储地，接着对仓储地做1000米缓冲区分析，得到仓储地1000米范围内应急避难场所的分布。最后对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值，应急避难场所500米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值10分，500-1000米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值8分，不具备以上两种条件的应急避难场所赋值6分，模型见图5所示。
c.有效性因子提取
结合无人机倾斜摄影测量生成的实景三维模型，采用ARCGIS矢量化工具构建矢量化图层，对场所内有效避难面积和人均避难面积进行统计分析，并与评估标准进行比较赋值。
d.应急功能完备性因子提取
应急避难场所实景三维模型能够真实地反映场所内部构造设施分布，通过实景三维模型可以对应急避难场所出入口、附属设施、设施实用性和基础功能区完备性进行判断，并结合规划设计图纸与实景模型对比对其布局合理性进行审查判断。
2)应急避难场所综合效能评估：分别利用步骤1求取出的二级指标权重值进行加权求值，得到各一级指标综合得分；将得到的一级指标综合得分按照各综合权重进行加权，从而得到整个应急避难场所的综合效能评估值，其具体计算过程如下：
应急避难场所综合效能得分＝选址适宜性得分*0.1564+资源可利用性得分*0.078+有效性得分*0.2993+应急功能得分*0.4660
其中：
选址适宜性得分＝避让次生灾害得分*0.2493+地理环境得分*0.1571+场地安全得分*0.5936
资源可利用性得分＝邻近仓储得分*0.1396+邻近医院得分*0.3325+场地原有资源利用得分*0.5936
有效性得分＝场地有效避难面积得分*0.5+人均有效避难面积得分*0.5
应急功能得分＝基础功能得分*0.3775+出入口得分*0.0772+布局得分*0.1167+附属设施得分*0.1606+设施实用性得分*0.268
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，首先构建应急避难场所效能评价指标体系，确定出各评价因子和评价标准；然后利用无人机倾斜摄影进行应急避难场所实景三维模型构建，并结合GIS分析提取出应急避难场所效能评价因子参数值；最后按照加权求值方法对应急避难场所进行综合效能评估，得到各应急避难场所综合分数值；
其中，应急避难场所效能指标参数提取包括：a.适宜性评估参数指标提取，b.资源可利用性评估因子提取，c.有效性因子提取，应急功能完备性因子提取；所述应急避难场所综合效能评估包括：利用求取出的二级指标权重值进行加权求值，得到各一级指标综合得分；将得到的一级指标综合得分按照各综合权重进行加权，从而得到整个应急避难场所的综合效能评估值；
所述适宜性评估参数指标提取的方法步骤如下：
(1)结合ARCGIS软件空间统计分析功能，调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具对适宜性评估参数进行提取；用Buffer工具对次生灾害风险源做1000米缓冲区分析，用Intersect工具将风险源的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到风险源1000米缓冲区内应急避难场所的分布，即以应急避难场所为中心1000米范围内风险源的分布；接着对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值；
(2)借助无人机倾斜测绘数据得到避难场所DEM数据，使用Arcgis中的Slope工具和Reclassify工具进行应急避难场所坡度分析，具体为：首先利用Slope工具对DEM数据进行坡度分析，对得到的栅格数据使用Reclassify工具进行重分类，将地势坡度处于0度到8度赋值1，8度以上赋值2；接着利用编辑工具，计算出避难场所自然地形坡度小于8°占场所总面积的比值，最后根据评估标准进行赋值。
2.根据权利要求1所述的一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，所述构建应急避难场所效能评价指标体系，包括：
1)选择评价指标：选择选址适宜性、资源可利用性、有效性和应急功能完整性作为应急避难场所效能评价一级指标，并设置对应的二级指标进行细化处理；
2)确定评价指标权重：对准则层的选址适宜性、资源可利用性、有效性以及应急功能四个指标构造判断矩阵B如下：
该判断矩阵各数值表明评价中的各项指标之间的权重关系为：
B12＝3：“选址适宜性”相对于“资源可用性”略微重要；
B13＝1/3：“有效性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B14＝1/3：“应急功能完整性”相对于“选址适宜性”略微重要；
B23＝1/3：“有效性”相对于“资源可用性”略微重要；
B24＝1/5：“应急功能完整性”相对于“资源可用性”明显重要；
B34＝1/2：“应急功能完整性”相对于“有效性”略微重要。
3.根据权利要求1所述的一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，所述应急避难场所实景三维模型构建，包括：
1)应急避难场所外业调研：调研的内容包括基础功能区分布、出入口、布局审查、附属设施、实施实用性、无人机航线规划；
2)应急避难场所数据采集：结合应急避难场所现场踏勘确定的飞行过程的航高设计以及航线设计，利用无人机倾斜摄影技术从不同视角同步采集应急避难场所影像数据和POS空间位置信息；对于部分面积较大的应急避难场所，采用分级设站的方式进行数据采集，保证应急避难场所效能评估需求，同时，利用载波相位差分技术进行应急避难场所控制点采集，参数设置为CGCS2000坐标系，高斯三度带投影，中央经线120度，采用地面喷绘油漆作为测量标志，以便于更好的在无人机获取的影像上进行识别；
3)应急避难场所实景三维模型构建：利用无人机影像处理软件进行避难场所的实景三维建模，主要步骤包括影像数据预处理、区域网联合平差、多视影像密集匹配、高精度点云生成、TIN网构建以及最终的三维重建。
4.根据权利要求1所述的一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，所述资源可利用性评估因子提取的方法为：针对资源可用性中邻近仓储地和邻近医院的评估模型和选址适宜性一致，调用Buffer工具、Intersect工具以及Reclassify工具；用Buffer工具对仓储地做500米缓冲区分析，将得到的缓冲区与应急避难场所分布图做叠加分析，得到仓储地500米应急避难场所的分布，即应急避难场所500米范围内仓储地的分布，如果避难场所500米范围内没有仓储地，接着对仓储地做1000米缓冲区分析，得到仓储地1000米范围内应急避难场所的分布；最后对应急避难场所分布图进行栅格化处理，用Reclassify工具对应急避难场所重分类，并且根据评价标准进行赋值，应急避难场所500米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值10分，500-1000米缓冲区范围内有仓储地分布的赋值8分，不具备以上两种条件的应急避难场所赋值6分。
5.根据权利要求1所述的一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，所述有效性因子提取中，结合无人机倾斜摄影测量生成的实景三维模型，采用ARCGIS矢量化工具构建矢量化图层，对场所内有效避难面积和人均避难面积进行统计分析，并与评估标准进行比较赋值。
6.根据权利要求1所述的一种基于实景三维的应急避难场所效能评估方法，其特征在于，所述应急功能完备性因子提取中，通过实景三维模型可以对应急避难场所出入口、附属设施、设施实用性和基础功能区完备性进行判断，并结合规划设计图纸与实景模型对比对其布局合理性进行审查判断。
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