空間多準則決策及其在資源環境領域中的應用

翟雅男，海熱提，石 紅，王偉龍，李 媛，王曉慧

（1.北京化工大學化學工程學院，北京 100029；2.北京市水處理環保材料工程技術研究中心，北京 100029）

地理信息系統（GIS）從誕生至今，其強大的空間數據管理和分析功能已經得到了業界的認可。然而GIS在解決空間決策過程中遇到一些問題，直接限制了GIS應用的深度和廣度。在此背景下，GIS與決策分析相結合的空間多準則決策作為一個新興科學技術領域，在已有的GIS 和多準則決策分析（MCDA）基礎上就應運而生了，并在國內外引起了越來越廣泛的關注和重視。

21世紀以來，空間多準則決策的應用越來越廣泛，國內外對于空間多準則決策的研究也日趨成熟，除了對空間多準則決策的理論研究外，更注重開發空間多準則決策的應用，尤其是在資源環境領域的應用，主要集中在土地適宜性評價、設施選址問題、資源評價與管理和防災等方面。本文將在概述空間多準則決策分析理論研究的基礎上，詳細論述空間多準則決策在資源環境領域這四個方面的應用情況。

1 空間多準則決策分析的發展

多準則決策分析（MCDM）由1896年Pareto提出的最優概念發展而來，但其在20世紀60年代才正式引入到決策科學領域，并以Charnes等［1］在目標規劃上的研究和Roy提出的ELECTRE 方法為代表。1972 年，在南卡羅萊納大學由Cochrane等主持召開的關于多準則決策的第一屆國際會議被普遍認為是MCDM 開始發展的標志［2］。20 世紀70年代，研究學者們陸續進行了MCDM 理論基礎的研究。

與國內相比，空間多準則決策分析方法的研究在國外起步相對較早，應用領域也更為廣泛。在20世紀早期，MCDA 的概念還不是很清晰，1957 年，Churchman等［3］開始使用簡單加權法來處理多屬性決策問題；1968年，Maccrimmon［4］總結了多屬性決策方法和運用，從中研究了許多潛在的有用概念和方法；1973年，他進一步采用了更多的方法進行研究，并分別按方法的結構、補償性、輸入偏好等對其進行了劃分［5］。一直到20世紀晚期，Yoon等［6］才明確地將MCDM 問題分為多屬性決策（MADM）和多目標決策（MODM）兩類，從而分別進行討論和處理。當時MADM 的研究也僅是在MCDM 中簡單地體現，絕大部分的研究都在MCDM 上，經典MADM 研究范疇主要是沿著多屬性效用理論與級別優先序理論進行發展的［7］。1990年MCDM 方法開始引入GlS領域，主要綜合空間因子與非空間因子來解決土地利用評價問題，以此為標志基于GIS的MCDM 方法廣泛應用于資源環境領域選址問題中。到21世紀，空間多準則決策的應用研究更加廣泛，且有很多代表性的研究，如2003年，Rashe等［8］首先有效定義了易損性評估，易損性被看作是在不確定性條件下的一個空間決策問題，并將之定義成一個GIS的框架，把空間多準則分析和模糊邏輯結合起來；2003 年，Chakhar等［9］分析了GIS 結合多準則評價對GIS決策功能的增強；2006年，Malczewski［10］研究了基于GIS的有序加權平均（OWA）算子的土地利用適宜度MCDM 評價方法，并將其應用于工程選址中；2008年，Boroushaki等［11］提出一個GIS 多準則評估系統，通過使用ArcGIS 實施AHP-OWA 整合語言分類和傳統的層次分析法運用到空間決策中；2010年，Gorsevski等［12］研究了一種使用模糊理論和卡爾曼濾波對滑坡易發性進行多準則評價分析的優化方案。

2 空間多準則決策分析的理論研究

GIS的基本功能是對地理、空間位置有關的數據和信息的顯示、操作和分析，而GIS的空間分析功能則可以基于這些數據和信息，為資源配置、環境評價、優化選址、土地利用和城市模擬等應用領域提供分析結果，制定決策和計劃［13］?？臻g多準則決策分析所涉及的問題、方案、決策、規則、變量和影響因子等都具有空間特性，因此空間多準則決策分析可以看作是將多層具有空間特征的地理數據（輸入）進行組合或轉換形成決策結論（輸出）的過程。

最早在處理空間多準則決策問題時，程建權［14］指出GIS技術支持的多指標綜合評價是一種結構化的建模方法，是方案選優和決策的基礎，也是一種較為成熟的輔助決策技術，通常包括指標體系設計、指標量化及標準化、權重確定、綜合評價及靈敏度分析等步驟；Herwijnen［15］歸納了空間多準則決策問題的核心要素，其包括目標、標準權重和決策方案三個方面；Malczewski［16］提出了一個用于多標準分析活動程序的框架，其包括定義決策問題、建立評價標準及約束條件、確定備選決策方案及決策矩陣、應用決策規則、敏感性分析。

通過以上理論研究，空間多準則決策問題的解決有一個通用的流程，這個流程起始于空間決策問題的確定，終止于空間決策問題的解決和推廣，且它所研究的對象和使用的數據都具有空間特性，因此可結合GIS的數據采集、存儲、編輯、操作和分析的功能，構建一個基于GIS的空間多準則決策分析的流程框架，使得MCDA 可以針對地理空間數據，解決空間決策制定、方案排序、優化選擇和應用的問題［17］。構建的基于GIS的空間多準則決策分析流程框架如圖1所示。

3 空間多準則決策在資源環境領域的應用

3.1 土地適宜性評價

土地適宜性評價是評定土地對于某種用途是否適宜以及適宜程度的方法，它是進行土地利用決策、科學地編制土地利用規劃的基本依據［18］。傳統的GlS方法解決城市土地適宜性評價問題時，將多個地圖圖層進行疊加，集合不同圖層的信息，從而得到一個新的圖層，即適宜性評價的結果。但是，這種GIS疊加方法不能體現參加疊加的不同準則之間的相對重要性，只能解決簡單的評價和決策問題。從20世紀90年代開始，國外的研究學者開始將MCDM 技術引入GIS來克服簡單疊加的局限，大大增強了GIS 評價土地適宜性的科學性［19］。如Dai等［20］基于GIS評價蘭州市及中國西北地區地質環境并進行城市土地利用規劃，他們根據適當的測量和一種算法的線性加權，形成每類土地適宜性地圖，結果表明基于GIS的MCDA 方法適合進行土地開發適宜性評價；劉宇［21］提出了一種用地負荷預測的模糊空間決策方案，建立了土地利用模糊空間規則和隸屬函數，解決了土地開發利用中土地使用選擇和負荷預測的難題，并給出土地利用決策的實際案例和計算結果，充分表明這種方法能很好地綜合可用信息生成決策并推斷最終決策；Malczewski等［22］利用模糊數概念，開發了基于GIS的多目標群決策框架，采用OWA 建立個人的解決方案圖，并綜合了大多數決策者的喜好，通過多目標組合程序指導決策者，允許其探索不同的決策方案，更好地理解土地利用適宜性模式；許玉［23］探討了對土地利用變化的環境影響進行評價的技術方法，構建了以“生態—環境—自然資源—經濟社會”為框架的土地利用總體規劃環境影響評價指標體系，并確定利用GIS的柵格圖層疊置的方法對淳安縣新的土地利用總體規劃進行實例研究；白淑英［24］以武川縣為例，利用GIS和遙感技術對土壤類型數據與地形坡度數據進行疊加分析，并參考基礎資料，與土地利用現狀數據進行疊加分析，確定了退耕還林還草地的數量及其空間分布，從而避免了決策實施方案的盲目性。

以上有關空間多準則決策應用于土地適宜性評價的研究表明，空間多準則決策將GIS空間分析中的疊置分析方法與MCDM 方法相結合，疊置分析將不同的評價因子圖層進行疊置分析，綜合成一個總的評價圖，將復雜的適宜性分析評價過程簡化為幾個評價因子的問題；GIS 支持下的MCDM 模型可以看作是綜合空間與非空間數據進而得出決策性結論的過程，包括地理數據的處理、決策者的偏好以及決策規則等，它將地理數據與決策者的偏好轉化為一個一維的對應多種選擇方案的數值［25］。這種方法可為土地利用規劃提供科學、客觀的指導。

3.2 設施選址問題

選址問題是運籌學中經典的問題之一，其中設施選址是眾多選址問題的一個重要研究領域。設施是指與生產、商業流通及人類生活有關的用地規模相對較小的具體網點、場所，如工廠、倉庫、消防站、變電站、污水處理中心、加油（氣）站等［26］。在資源環境領域，設施選址問題主要表現在太陽能發電站、清潔能源廠、垃圾填埋場、火電廠、廢水處理廠等的選址上，許多研究者對其進行了研究。如Sánchez-Lozano等［27］采用基于GIS和MCDM 的組合，以西班牙東南部卡塔赫納區域為例，結合GIS的MCDM方法將GIS創建的制圖和數據庫應用到多準則決策方法中，從而簡化了選取太陽能光伏電站的最佳位置選址問題；Omitaomu等［28］提出了基于以GIS為基礎的MCDA 方法，將其應用于清潔能源新廠選址中，帶動了選址分析產電擴張工具的發展，為選址問題提供了深入分析的手段；Chang等［29］將一種模糊MCDA 與GIS空間分析相結合的方法應用于垃圾填埋場的選擇，結果表明基于GIS的初步篩查和最終的模糊MCDA 方法能夠很好地確定最適合的垃圾填埋場地點；包偉［30］結合火電廠選址經驗標準，在環保標準的量化指標中加入環保投資因素，建立了多目標選址模型，利用GIS及其分析功能將選址區域劃分為若干連續區域單元，并提取各種選址所需數據，通過NSGA-II算法求解得到最終多目標的選址解策略空間，結果表明此方法適用性較強，在多目標優化方面對火電廠的選址意義重大；Demesouka等［31］以地圖為基礎，利用多目標空間決策支持系統處理相互沖突的目標，該方法不僅易于理解，并且通過在希臘東北部的埃夫羅斯有關廢水處理廠選址真實案例的研究，顯示了其結果的真實有效。

關于選址問題的研究，研究者使用GIS創建的地圖和數據庫進行初步篩查，然后選擇決策方法來評估備選方案，建立相關的選址模型，從而得到最適合的選址方案。對于參與空間多準則決策的目標評價問題，GIS的空間分析方法提供了準確認識、評價和綜合理解空間位置和空間相互作用重要性的手段，應用GlS技術對選址影響因子進行定量研究是可行且有效的；而MCDA 方法則綜合考慮了各種主客觀影響選址的因素，分析不同準則的權重，充分體現了不同準則之間的重要程度，因此運用空間多準則決策分析進行選址問題的研究是一種直觀而又科學的方法。

3.3 資源評價與管理

環境資源評價與管理過程中涉及的很多數據是空間性和地理性的，所以傳統的使用文字、數據和地圖的方法已不能滿足現代資源管理的需要。為了對資源進行全面的評價與管理，空間多準則決策被應用到資源評價與管理中。在這種方法中，GIS空間分析有助于資源管理與規劃中的決策，而MCDA 方法可以為資源的評價與管理選擇最優方案提供決策依據。如陳浩等［32］針對GIS空間分析技術在地下水評價中的應用進行了探討，并在實際工作中得以驗證，這種方法效率高，大大減小了工作強度，在地下水評價中值得推廣；黃芳［33］將模糊集方法、多元統計分析和GIS相結合，探討水體污染程度和污染空間模式，并從不同層面了解水體污染狀況，可以更全面、直觀地認識水污染的實際情況，避免了單一方法可能產生的片面性；Phua等［34］提出了一種以GIS為基礎的有關景觀尺度森林保護規劃的多準則決策方法，并將其應用到馬來西亞的基納巴盧山地區的森林保護規劃研究中，使用GIS、遙感技術和MCDM 方法將現場數據和文字結合起來對森林保護規劃的標準和指標進行評估；劉欣等［35］提出了GIS和MCDM 技術兩種科學手段在海岸帶管理中的應用模式，并著重指出這些新的管理思路和技術手段可為海岸帶管理的系統化、科學化、規范化提供技術支持；林涓涓等［36］通過建立流域生態敏感性評價指標體系，探討了運用GIS技術和層次分析法對流域生態敏感性進行綜合評價的方法，充分證明運用3S技術對流域生態敏感區進行動態監測將是流域生態敏感性研究的一個趨勢；王艷偉［37］將GIS技術與層次分析法相結合，對寧東礦區煤礦可采性進行評價，從而得到礦區可采性安全評價分區圖，以為寧東礦區能源基地的規劃建設、資源的安全合理開采提供依據；鄧吉秋等［38］針對湘東北萬古地區金礦床成礦特征，綜合運用層次分析法和GIS技術建立了金礦找礦模型，并對研究區進行了靶區預測，為GIS 在礦產資源領域的深層次應用提供了方法與技術途徑。

傳統的資源管理和評價方法僅使用文字或者簡單的數學方法建立評價指標體系，或采用GIS技術為礦產、土地等資源提供空間數據進行分析評價，這種傳統、學科性的方法單一且主觀性強，缺乏嚴謹的科學依據?？臻g多準則決策分析的發展解決了這一問題，將GIS與MCDM 跨學科相結合，既從空間角度為評價體系提供客觀支持，又將主客觀多種因素根據重要性不同綜合考慮，從理論方面提供了決策支持。這一方法充分體現了GIS 強大的空間分析能力和MCDM 的綜合分析能力，可為水資源、森林資源、海岸帶及礦產資源等資源的合理利用提供技術手段，為資源管理提供系統化、科學化、規范化的技術支持。

3.4 防災

空間多準則決策在防災方面的應用主要體現在地質災害和水資源相關災害的預防中。對于如今各種災害的泛濫，開發一種基于防災的評價方法迫在眉睫，而當前快速發展的GlS和決策分析方法則可以為我們進行防災決策提供技術和理論支持。

Ramlal等［39］利用GIS繪制了低洼地區洪水泛濫的程度，用來估算卡帕羅河流域由于侵蝕造成的土壤泥沙流失量，為卡帕羅流域制定出了一個流域管理計劃和防汛預案；李若璞［40］選擇美國、日本和中國三個國家，對其不同的水災害問題進行了評估及減災研究，并分析了GIS技術在水資源問題上的應用，結果表明利用遙感、GIS及空間決策支持系統來評估水資源相關災害，可很好地應對水資源危機；Fernández等［41］針對缺乏主要數據的城市洪水災害評估問題，將多目標決策分析與兩個城市的GIS相結合，輔助進行了城市洪水風險區劃的研究；Othman等［42］論述了利用GIS和MCDM 技術來繪制滑坡危險區，考慮了10個滑坡誘導參數，使用層次分析法確定每個參數的權重，開發了基于不同參數組合的模型，并對其結果進行了比較；朱吉祥等［43］基于信息熵理論建立了滑坡危險性評價模型，同時綜合考慮影響滑坡演變的各種因素，在GIS下對四川省青川縣滑坡的監測數據進行了分析和處理，獲取了該研究區滑坡危險性區劃結果，并將該區不穩定斜坡作為未來可能發生的滑坡進行驗證，結果表明其評價結果基本符合實際情況；陳靜［44］在前人研究的基礎上，運用GIS、MCDM、模糊數學等理論知識，研究了空間多準則評價方法在城市防災決策分析，尤其是城市土地防災適宜度評價方面的技術方法，并以唐山市為例，基于GIS 和OWA 建立了城市土地防災適宜度評價的決策分析模型，計算了唐山市中心區城市建設用地防災適宜度，結果表明這種方法能夠得到任何決策風險水平下的計算結果，比傳統的線性加權方法更符合決策的動態風險策略需求。

對于資源災害評估問題，從只使用GIS對災害進行預測，到GIS 與MCDM 相結合，進而發展到GIS、遙感與MCDM 的逐漸融合，大大縮短了調查研究的時間，并提高了決策的效率和精度。學者們不僅從MCDM 方法的選擇上進行研究，也對決策中計算方法的選擇進行研究，與GIS相結合的方法和傳統方法相比具有一定的優勢，但其廣泛應用還需要進一步的深入研究。

4 結論與展望

MCDA 引入GIS 學科已有20 多年的發展歷史，已成為決策理論的一個重要分支，并廣泛應用于土地適宜性評價、設施選址問題、資源評價與管理、地質災害防治等各類決策研究中?？臻g多準則決策應用空間分析的各種手段對空間數據進行處理變換，其中空間分析的手段直接融合了數據的空間定位能力，并能充分利用數據的現實性特點，為現實世界中的各種應用提供科學、合理的決策支持，因此在此基礎上提供的決策支持更加符合客觀現實，因而也具有合理性。

目前，空間多準則決策研究是決策理論研究的一個熱點和重點，但是有豐碩成果的同時也暴露出一些尚待解決和突破的問題，對此提出其在資源環境領域應用研究的展望：

（1）進一步深入研究適用于資源環境領域的空間多準則決策方法，如：考慮準則模糊標準化過程參數選擇對評價結果的影響；在進行篩選評估準則時將影響因素和約束按比例融入考慮范圍，也許篩選的準則更精確；探討將主、客觀信息（或方法）綜合集成的新方法，這在理論和應用上都將很有研究價值。

（2）在實踐中不斷完善空間多準則決策分析方法，加強其在資源環境領域應用的科學性，使其為城市規劃、資源管理、資源評價提供依據，才能在資源環境緊缺的現實條件下最大限度地減少選擇的盲目性，降低風險，提高安全水平。

（3）結合遙感技術，將快速更新的數據預測技術應用于諸如地質災害防治等工作，這在預防預警工作中能起到很好的輔助作用。此外，如何及時準確地監測災情，并盡最大可能減少損失，是今后空間多準則決策分析結合動態監測的研究重點。

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