基于層次分析法的垃圾中轉(zhuǎn)站選址研究

劉方

摘 要：選擇科學(xué)合理的垃圾中轉(zhuǎn)站位置是優(yōu)化垃圾收運(yùn)系統(tǒng)、使經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)的先決條件。以西安市某地塊為例，通過(guò)對(duì)影響垃圾中轉(zhuǎn)站選址因素的分析，利用層次分析法確定了各因子在選址中所占權(quán)重，并借助ArcGIS空間分析功能對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而建立場(chǎng)址優(yōu)選模型，科學(xué)地選出垃圾中轉(zhuǎn)站最優(yōu)位置。該選址方法較傳統(tǒng)選址方法更具直觀性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：ArcGIS;空間分析;垃圾中轉(zhuǎn)站;空間選址;層次分析法

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-0-04

Research on Site Selection of Garbage Transfer Station Based on

Analytic Hierarchy Process

LIU Fang

（Xi'an Investigation Surveying and Mapping Institute， Xi'an Shaanxi 710054）

Abstract： Choosing the scientific and reasonable location of garbage transfer station is the prerequisiteonditions for optimizing garbage collection and transportation system， and making the economic and social benefits to achieve the optimum. Take one district in Xi’an as an example， analyzing the factors influencing the garbage transfer station location， using the Analytic Hierarchy Process （AHP） to calculate the weight that the factors take up in the site selection， and analyzing and processing the gained data with the help of ArcGIS spatial analysis function， and then establishing the site optimization model， scientifically choosing the optimal location of garbage transfer station. Compared with the traditional site selection methods， this method is more intuitive and scientific.

Keywords： ArcGIS;spatial analysis;garbage transfer station;spatial site selection;analytic hierarchy process

城市生活垃圾的處置是我國(guó)城市環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。選擇適宜的垃圾中轉(zhuǎn)站位置，是優(yōu)化垃圾收運(yùn)系統(tǒng)、使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)的先決條件[1-2]。

空間選址是指在一定地理區(qū)域內(nèi)為一個(gè)或多個(gè)選址對(duì)象選定位置，使某一指標(biāo)或綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的過(guò)程[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，影響空間選址的因素越來(lái)越多，科學(xué)地選擇空間位置顯得尤為重要。面對(duì)不斷擴(kuò)增的新需求，傳統(tǒng)的選址方法因過(guò)于依賴主觀判斷而日顯弊端。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為支持空間信息數(shù)字化獲取、管理和應(yīng)用的技術(shù)體系，依靠其強(qiáng)大的空間分析功能，在空間選址領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于空間選址研究，如水利工程選址、物流中心選址、客運(yùn)站選址、機(jī)場(chǎng)選址等。結(jié)合選址相關(guān)理論，采用“首先選擇服務(wù)設(shè)施圈，其次選擇地段，最后確定地點(diǎn)”的總體選址思路[4-6]，以GIS為支撐技術(shù)，結(jié)合層次分析法，并使用Matlab編程計(jì)算權(quán)重系數(shù)，研究并解決了垃圾中轉(zhuǎn)站合理選址問(wèn)題。

1 研究方法

目前，空間選址方法大體上包括模糊聚類法、層次分析法、重心法、交叉中值法、加權(quán)平均法、P-中值法、遺傳算法以及最短路徑法等。根據(jù)本次垃圾中轉(zhuǎn)站選址需求，以GIS為支撐，結(jié)合層次分析法，解決垃圾中轉(zhuǎn)站選址問(wèn)題。

1.1 GIS空間分析

地理信息系統(tǒng)作為一種具有表達(dá)、存儲(chǔ)和分析功能，能夠?qū)臻g信息進(jìn)行輸出的技術(shù)，具有強(qiáng)大的空間分析能力，能在矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)集成的環(huán)境下進(jìn)行空間分析，進(jìn)而解決選址問(wèn)題。本次選址利用ArcGIS空間分析模塊對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括直線距離函數(shù)、點(diǎn)密度分析工具、數(shù)據(jù)重分類和柵格計(jì)算器等。

1.2 層次分析法（AHP）

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）按照思維、心理的規(guī)律把決策過(guò)程層次化、數(shù)量化，建立場(chǎng)地優(yōu)選模型，選出最優(yōu)地址?；驹恚捍u(píng)判系統(tǒng)的有關(guān)替代方案的各種要素以上一層為準(zhǔn)則，對(duì)該層次元素進(jìn)行逐次比較，構(gòu)成判斷矩陣。兩兩比較后計(jì)算出各因素的權(quán)重，根據(jù)綜合權(quán)重，按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案。其運(yùn)用步驟如圖1所示。

相對(duì)于其他選址方法，層次分析法能合理地將定性與定量的決策相結(jié)合，解決選址問(wèn)題，加上其靈活簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，十分適合于具有定性的、或定性、定量兼有的決策分析，是一種十分有效的系統(tǒng)分析和科學(xué)決策方法。

2 垃圾中轉(zhuǎn)站空間選址流程

2.1.1 人口分布密度。垃圾中轉(zhuǎn)站應(yīng)靠近垃圾產(chǎn)量高的地區(qū)，地區(qū)人口密度越大，相應(yīng)的垃圾日均產(chǎn)量越高，則建立垃圾中轉(zhuǎn)站的適宜性也就越高。

2.1.2 土地利用。因土地利用性質(zhì)均有差異，修建垃圾中轉(zhuǎn)站的選址需要地勢(shì)平坦、地質(zhì)穩(wěn)定，故應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有土地利用類型進(jìn)行劃分，如工業(yè)用地-不適宜、商業(yè)用地-不太適宜、居住用地-適宜等。

2.1.3 現(xiàn)狀設(shè)施。新建垃圾中轉(zhuǎn)站是為了滿足社會(huì)需求，因其修建時(shí)投資巨大，故需考慮其修建的必要性，因此新建中轉(zhuǎn)站應(yīng)遠(yuǎn)離現(xiàn)有的垃圾中轉(zhuǎn)站。

2.1.4 交通方便程度。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中需要大量的機(jī)動(dòng)車(chē)輛來(lái)回進(jìn)出，故修建垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站的區(qū)域應(yīng)道路寬敞、車(chē)流量均衡且與城市主干道相連。

2.2 垃圾中轉(zhuǎn)站選址數(shù)據(jù)分析處理

2.2.1 原始數(shù)據(jù)。選用西安市某地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、路網(wǎng)規(guī)劃圖、區(qū)域規(guī)劃圖、人口密度分布圖和現(xiàn)狀中轉(zhuǎn)站位置數(shù)據(jù)來(lái)研究垃圾中轉(zhuǎn)站的選址問(wèn)題。

2.2.2 派生數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)派生就是從現(xiàn)有數(shù)據(jù)生成新數(shù)據(jù)，以獲取新信息。直線距離函數(shù)用于生成每一個(gè)單元到目標(biāo)位置的直線距離[7];密度函數(shù)用于生成密度分布圖。利用直線距離函數(shù)將路網(wǎng)規(guī)劃圖和現(xiàn)狀中轉(zhuǎn)站圖派生出直線距離柵格數(shù)據(jù)（gird）;利用密度函數(shù)生成人口密度分布圖，柵格單元大小為100 m×100 m。

2.2.3 重分類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)重分類就是用同一等級(jí)體系對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集重分類，給適宜性較高的屬性賦較高的值。在對(duì)初始數(shù)據(jù)以及生成的派生數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析之前，要先把部分?jǐn)?shù)據(jù)重分類。將土地利用現(xiàn)狀圖按用地適宜情況進(jìn)行分類，如居住用地為一般適宜，公建用地為一般適宜，工業(yè)用地、綠地為不適宜[6]。服務(wù)區(qū)外地區(qū)優(yōu)先考慮，分為1，2，3，…，10級(jí)，用地適宜性越強(qiáng)，重分類值越大。將路網(wǎng)規(guī)劃派生數(shù)據(jù)重分類，分為10級(jí)，距離主干道越近，重分類值越大;將人口密度分布派生數(shù)據(jù)重分類為10級(jí)，距離居民區(qū)越近，重分類值越大;將現(xiàn)狀中轉(zhuǎn)站派生數(shù)據(jù)重分類為10級(jí)，離現(xiàn)狀中轉(zhuǎn)站越近，重分類值越小，反之越大。

2.2.4 確定權(quán)重。經(jīng)上述處理，得到道路、土地利用類型、人口密度的重分類柵格數(shù)據(jù)集，每層數(shù)據(jù)對(duì)選址均有影響，但影響程度各有差異。因此，根據(jù)該地區(qū)用地開(kāi)發(fā)的原則，利用AHP來(lái)確定權(quán)重，從而根據(jù)不同的權(quán)重值來(lái)反映不同因子對(duì)選址所產(chǎn)生的影響。在利用層次分析法計(jì)算權(quán)重時(shí)，為方便計(jì)算，引入Matlab語(yǔ)言進(jìn)行編程。計(jì)算出各個(gè)影響因子的權(quán)重值，如表1所示。其中，判斷矩陣最大特征根λ=4.088 4，一致性指標(biāo)CI=0.029 5，隨即一致性指標(biāo)RI=0.90，一致性比率CR=0.032 7。

2.2.5 合并數(shù)據(jù)集。利用柵格計(jì)算器對(duì)所有的重分類數(shù)據(jù)按照計(jì)算出的權(quán)重進(jìn)行合并，計(jì)算公式為：

式中：S是合并后的柵格數(shù)據(jù)集;A是重分類數(shù)據(jù)集;W是權(quán)重;i為選址因素的數(shù)量。

對(duì)合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到修建垃圾中轉(zhuǎn)站合適的4個(gè)場(chǎng)地，如圖2所示。其中，數(shù)值越大的區(qū)域，修建垃圾中轉(zhuǎn)站的適宜性越高。

3 候選場(chǎng)地的優(yōu)選

3.1 分析候選場(chǎng)地的特征

依據(jù)本次垃圾中轉(zhuǎn)站選址的具體要求，得出合適的1～4號(hào)垃圾中轉(zhuǎn)站候選場(chǎng)地。1號(hào)地人口密度相對(duì)較小、交通條件較差，并且周?chē)用裆?、?處垃圾中轉(zhuǎn)站;2號(hào)地人口密度小、交通較好，周?chē)用顸c(diǎn)較多、現(xiàn)無(wú)垃圾中轉(zhuǎn)站;3號(hào)地人口密度較大、交通好，周?chē)用顸c(diǎn)多、現(xiàn)有1處垃圾中轉(zhuǎn)站;4號(hào)地人口密度大、交通差，周?chē)用顸c(diǎn)較少、現(xiàn)有2處垃圾中轉(zhuǎn)站。

3.2 模型的建立

3.2.1 建立選址層次結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)分析原理建立本次垃圾中轉(zhuǎn)站選址層次結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

3.2.2 根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu)圖構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣用于比較本層每一個(gè)因素與上一層其中一個(gè)因素對(duì)于目標(biāo)層而言的相對(duì)重要性。通常用Santy的1～9標(biāo)度給出判斷矩陣元素a。判斷矩陣元素aij的標(biāo)度方法為：1，3，5，7，9分別表示a因素比a因素同等、稍微、明顯、強(qiáng)烈、極端重要;2，4，6，8則為上述兩相鄰判斷的中值。因素i與因素j比較的判斷為a，則因素j與因素i比較的判斷為a=1/a。

3.2.3 計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)上述Matlab編程語(yǔ)句，輸入相應(yīng)比較矩陣數(shù)值計(jì)算權(quán)重。因判斷矩陣通常是不一致的，為了能用它的對(duì)應(yīng)于特征根的特征向量作為被比較因素的權(quán)向量[1]，其不一致程度應(yīng)該在允許的范圍之內(nèi)，故Santy引入了一致性指標(biāo)。具體表示如下：

CI=λ-n/n （2）

式中：當(dāng)CI=0時(shí)，判斷矩陣A一致;CI越大，A的不一致性程度越嚴(yán)重。

為確定判斷矩陣不一致性容許范圍，衡量CI的大小，Santy還引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如表2所示。

CR=CI/RI （3）

式中：一致性比率CR<0.1時(shí)，判斷矩陣A的不一致程度滿足容許的范圍。則認(rèn)為有滿意的一致性，其歸一化特征向量可以作為本次權(quán)向量使用，否則就要調(diào)整a對(duì)比較矩陣進(jìn)行重新構(gòu)造。

3.2.4 組合權(quán)向量的計(jì)算。組合權(quán)向量即是依據(jù)方案層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)向量及準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)向量，計(jì)算出方案層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)向量[10-11]。在此計(jì)算中，使用Matlab編程進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)候選地對(duì)目標(biāo)層的組合權(quán)向量分別為0.094 7、0.226 6、0.463 2、0.215 5。

據(jù)分析結(jié)果可知，3號(hào)候選地在垃圾中轉(zhuǎn)站選址中所占權(quán)重最大，故確定3號(hào)候選地為建立垃圾中轉(zhuǎn)站的最適宜位置。

4 結(jié)語(yǔ)

位置的選擇是修建垃圾中轉(zhuǎn)站的先決條件。將ArcGIS空間分析功能及層次分析法引入選址問(wèn)題，通過(guò)對(duì)西安市某地區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站選址影響因素的分析，利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并結(jié)合層次分析法，使用Matlab編程，計(jì)算所有影響因子在本次垃圾中轉(zhuǎn)站選址中所占的權(quán)重，從而建立垃圾中轉(zhuǎn)站選址的優(yōu)選模型。通過(guò)分析對(duì)垃圾中轉(zhuǎn)站的最佳位置進(jìn)行科學(xué)選擇，將GIS對(duì)選址信息的可視化分析與層次分析法定性與定量分析相結(jié)合，使空間選址問(wèn)題變得更清晰、更直觀。

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