吳在棟，胡玉娟，張明鋒,3,4，林廣發(fā),3,4，李喬玄，黃遠鑫

(1.福建師范大學 地理研究所，福建 福州350007;2.福建警察學院，福建 福州 350007;3.福建省陸地災害監(jiān)測評估工程技術研究中心，福建 福州 350007;4.海西地理國情動態(tài)監(jiān)測與應急保障研究中心，福建 福州 350007;5.福州消防支隊，福建 福州 350007)

?

基于GIS的歷史文化街區(qū)火災風險評估
——以福州市三坊七巷為例

吳在棟1，胡玉娟2，張明鋒1,3,4，林廣發(fā)1,3,4，李喬玄1，黃遠鑫5

(1.福建師范大學 地理研究所，福建 福州350007;2.福建警察學院，福建 福州 350007;3.福建省陸地災害監(jiān)測評估工程技術研究中心，福建 福州 350007;4.海西地理國情動態(tài)監(jiān)測與應急保障研究中心，福建 福州 350007;5.福州消防支隊，福建 福州 350007)

歷史文化街區(qū)人員高度密集，但存在諸多火災隱患，火災風險較高。以福州市三坊七巷歷史文化街區(qū)為例，利用高分辨率遙感影像解譯的空間數據和實地調查的屬性數據，分析火災風險結構的基礎上，建立火災風險評估指標體系，用層次分析法和模糊數學法，獲得各項指標的參數值和權重值，以單體建筑為評估單元，在GIS空間技術支持下使用危險性評價模型、易損性評價模型和綜合風險評估模型評估三坊七巷歷史文化街區(qū)的火災風險。結果表明：三坊七巷各單體建筑火災危險性等級整體上相對較高，其中特別是居民類的危險性等級最大，而文化故居類和商業(yè)服務類的建筑危險性等級相對較??；文化故居類建筑的易損性等級較高，而綜合火災風險等級差異較大；文化故居類的火災風險等級高，沿南后街周圍的單體建筑的火災風險一般，其余的火災風險等級較低。該結果可作為景區(qū)管理部門和消防部門制定火災防范措施、應急演練模擬方案、人員疏散方案等風險管理決策的參考依據。

單體建筑；GIS；火災；風險評估；歷史文化街區(qū)；指標體系；福建福州

歷史文化街區(qū)火災風險評估與防火技術研究的水平與速度遠遠滯后于古城的商業(yè)開發(fā)速度,大量的歷史文化街區(qū)因防火措施和防火管理技術的落后等因素，導致火災頻發(fā)，逐漸消減于當今社會。同時由于旅游經濟的興起，現歷史文化街區(qū)多數已進行商業(yè)開發(fā)和運營，存在著人員密集，人流量大的特點，并受制于原有建筑的功能、材料、分區(qū)等不可變因素，使得許多消防控制措施規(guī)范無法發(fā)揮作用，成為消防管理部門比較關注的消防重點區(qū)域。2014年，云南香格里拉縣獨克宗古城發(fā)生火災，火災燒損房屋面積近6×104m2，直接財產損失近億元。因此，如何把現代計算機技術，特別是空間信息技術應用到歷史文化街區(qū)的消防管理工作中，以更好地保證人員安全，減少財產損失，已引起消防工作者廣泛的關注。目前，火災風險評估方法的種類很多，大體可分為定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法三大類[1-2]。國內外學者已經對風險評估做了一些研究工作，如Mydin[3]、Xin[4-5]、莊磊[6]等通過風險統(tǒng)計調查、火災動力學特點、居住者行為等方面，對古建筑進行定性的風險評估；陳志芬[7-8]、張一先[9]、方正[10]等建立古建筑火災風險評價指標體系，半定量地評估火災風險。然而這些火災風險評估方法計算過程復雜，要求數據精度高，在歷經多次改建的三坊七巷應用上述方法得到的風險評估的結果精度較低。層次分析法(The Analytic Hierarchy Process, AHP)[11]是美國匹斯堡大學教授Saaty于20世紀70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法，它是一個經典的和強大的決策支持工具[12-14]，采用AHP和模糊數學法對歷史文化街區(qū)進行風險評估，可以簡化整個評估過程的計算難度，并得到與實際相符合的風險結果，如Ibrahim[15]、田玉敏[16]、徐志勝[17]、王慧飛[18]等研究古建筑的特點，運用AHP法對古建筑進行風險評估；王冠坤利用AHP-模糊綜合評價法建立了歷史文化街區(qū)公共安全評價模型，并對天津五大道歷史文化街區(qū)進行公共安全風險評估[19]。而與GIS空間信息技術相結合，可以使得評估過程自動化、模型化或半模型化，減少人工操作的失誤率，如李丁[20]、李保杰[21]等運用AHP法構建火災風險評價指標體系和計算指標的權重，利用GIS空間分析技術，對各指標體系按其權重進行疊加。

古建筑火災風險評估包括三個步驟：火災風險識別、火災風險分析、火災風險評估[22]。本文結合國內外學者研究的成果，分析歷史文化街區(qū)的風險結構圖，識別古建筑的火災風險因素，建立福州市三坊七巷歷史文化街區(qū)的火災風險評估指標體系，分析福州市三坊七巷歷史文化街區(qū)的火災風險，利用層次分析法和模糊數學法，結合專家評判方式，分別獲得各項指標的參數值和權重值，并采用建模工具建立評估流程，應用GIS空間技術和功能對福州市三坊七巷歷史文化街區(qū)進行火災風險進行定量的評估。

1　歷史文化街區(qū)火災風險結構圖

1.1三坊七巷歷史文化街區(qū)概況

歷史文化街區(qū)是指經省、自治區(qū)、直轄市人民政府核定后公布的保存文物特別豐富、歷史建筑集中成片、能夠較完整和真實地體現傳統(tǒng)格局和歷史風貌的街區(qū)[23]。三坊七巷是中國十大歷史文化街區(qū)之一，是國內現存規(guī)模最大、保護最完整的歷史文化街區(qū)，有全國獨一無二的古建筑遺存，是“中國城市里坊制度活化石”和“中國明清建筑博物館”[24]，2015年它已被列入國家5A級景區(qū)。

1.2火災風險結構圖

火災風險評估是指對目標對象可能面臨的火災危險、被保護對象的脆弱性、控制措施的有效性、后果嚴重度以及上述各因素綜合作用下的消防安全狀況進行評估的過程[25]?；馂娘L險評估描述了評估區(qū)域對火災造成損失的抵抗能力，抵抗能力大小與區(qū)域的建筑物布局特征、消防發(fā)展水平和人口密度等因素密切相關?；馂娘L險評估主要包括火災危險性評價和火災易損性評價[26]?；馂奈ｋU性是指物質發(fā)生火災的可能性及火災時不受外力影響下所產生后果的嚴重程度，強調的是物質固有的物理屬性[25]?；馂奈ｋU性描述了區(qū)域內發(fā)生火災事故的可能性和危害程度?；馂囊讚p性是指在自然災害領域的研究中，易損性被定義為暴露程度、應對能力和壓力后果的綜合體現[27-28]?；馂囊讚p性描述了區(qū)域內主要建筑物、其他固定設備和建筑內部財產、人口密度等要素由潛在火災事故發(fā)生導致的損失程度。依據火災風險研究的內容，結合古建筑固有的特點和三坊七巷獨特的建筑風格，從致災因子、承災體、消防管理和環(huán)境因素上，分析火災的危險性、易損性與風險性，建立如圖1所示的火災風險結構圖。

圖1　火災風險結構圖

一級指標二級指標權重三級指標權重火災危險性評價房屋類型0.200居民類餐飲類商業(yè)服務類公共設施類文化故居類其它類0.2360.3900.1830.0800.0730.038房屋結構0.400木類混合類磚類砼類其它類0.4720.1730.0730.1600.122火源類型0.400無火源類煤氣類電器類液化氣類電器類、液化氣類電器類、煤氣類0.0450.1740.0910.1230.2350.332火災易損性評價消防器材0.196優(yōu)良中差0.1220.2120.3030.363建筑價值0.493特高價值建筑高價值建筑中價值建筑低價值建筑0.5140.3080.1280.050人口密度0.311特高密度區(qū)高密度區(qū)中密度區(qū)低密度區(qū)0.5640.2670.1230.046

2　火災風險評估模型的研究

2.1指標體系的構建及其權重的計算

建筑火災風險評估的主要難點就是指標體系的確定和風險大小計算方法[10]。指標體系構建原則必須遵循科學性，要客觀真實地反映火災風險狀況，準確度量火災風險的大小。構成火災風險評估指標體系的因素錯綜復雜，通過對三坊七巷歷史文化街區(qū)的實地調查，研究該區(qū)域的建筑特點、著火源類型等多方面影響因素，以及綜合考慮各種影響因素之間的相互作用，結合前人在建筑火災風險評估方面的研究成果，構建出如表1所示的火災危險性評價指標體系和火災易損性評價指標體系。

本文運用層次分析法與專家評判法相結合來確定各因素的權重值，運用Saaty[11]提出的1 ～9標度法分別對兩級指標體系的因素進行打分，構造判斷矩陣，計算最大特征與對應特征向量，并確定所評判權重全部通過一致性檢測。如表1所示，是指標體系中各因子的權重值，綜合風險評估是由危險性評價和易損性評價結果綜合作用，則危險性和易損性的因子權重值為0.5。

2.2火災風險評估的數學模型

歷史文化街區(qū)古建筑的火災風險分值的計算模型如下[29]：

(1)

式中：R表示風險分值；n表示指標的個數；wi表

示第i個指標的權重，取值范圍為(0，1]；si表示第i個指標的分值，取值范圍為[0，5]之間的整數。

風險分值與風險等級的對應關系如表2所示。危險性與危險性等級、易損性與易損性等級的對應關系一樣于表2的劃分。

2.3基于GIS火災風險定量評估技術

ModelBuilder是ArcGIS中構造地理工作流和腳本的圖形化建模工具，是連接和空間處理的一種復雜的GIS任務，將既定的工作自動化、模型化或半模型化，可以減少人工作業(yè)的失誤率，提高工作質量和效率以及讓多人共享該模型的設計流程[30-31]。用ArcGIS的ModelBuilder構建火災風險評估模型，分別將輸入數據、相應的空間處理工具和輸出數據依次連接起來，根據火災風險評估模型中參數的設置，通過此模型工具運行，可得到相應的火災風險評估結果。以綜合風險評估模型為例介紹模型處理的主要流程(圖2)，可分為以下幾部分：①房屋矢量數據的房屋類型、房屋結構、火源類型、房屋價值、人口密度的柵格化；②消防栓的點數據的插值，以及插值后柵格數據的掩膜；③根據房屋類型、房屋結果、火源類型的權重，計算危險性分值，根據房屋價值、人口密度、消防器材的權重，計算易損性分值；④由危險性評價與易損性評價的結果，計算綜合風險評估分值；⑤綜合風險評估分值的標準化，使其分值的范圍在0～5之間；⑥矢量數據提取柵格數據的分值，矢量數據與表格的連接，得到單體建筑綜合風險評估。

表2　火災風險分值與火災風險等級劃分

圖2　風險評估技術流程圖

3　結果分析與討論

3.1火災危險性評價結果與分析

如圖3所示，南后街以西方向，一部分單體建筑是危險極大，主要是該區(qū)域房屋破舊，電線老化嚴重，著火源類型復雜且多為煤氣類、液化氣類與電氣類等高危險的火源類型，另外一部分，該區(qū)域大部分建筑目前正處于改建期間，人口密度少，各著火源類型使用頻率低，不易起火，則其危險性就會降低；南后街以東方向，大部分的單體建筑危險一般，主要是該區(qū)域房屋已改建完成且多為居民類，著火源類型主要為電氣類，用電管理嚴格，危險性等級就低，但該區(qū)域的房屋結構多為木質結構，起火的可能性劇增，則其危險性就會增加，有小部分的單體建筑危險極小，主要是古建筑有小水池或水井，其周圍火源較少，使得不易發(fā)生火災；南后街兩側的危險性等級較低，該區(qū)域商業(yè)開發(fā)已基本完成，大部分建筑是經過改建的，房屋的結構發(fā)生改變，且多為磚類，使其起火可能性降低和火災蔓延速度變慢，建筑內物品或火源類型的危險性大，但管理嚴格、擺放整齊、消防措施完善等因素，使其火災危險性大幅度減低。

圖3　危險性評價結果

3.2火災易損性評價結果與分析

如圖4所示，文化故居類型的單體建筑易損極大，如福建省民俗博物館，主要是木質結構，可燃性高，建筑價值大，在易損性評價中建筑價值占很大比重，并且該建筑游覽觀光人員眾多，發(fā)生火災時，疏散路徑有限，通道狹窄彎曲，部分程度上危及到生命安全，同時郎官巷和塔巷的通道狹小，縱深距離長，大型消防車無法到達，小型消防車效率較低，給撲救工作帶來很大難度；居民類型的單體建筑易損極小，主要是該建筑價值小，人口密度小，但并非表明不用注意該類型的建筑，木質結構具有火災蔓延速度快的特點，易發(fā)生大面積火災；商業(yè)服務類和餐飲類的單體建筑主要分布于南后街兩側，火災易損性等級差異性較大，主要是建筑內所經營的商品種類復雜和商品的價值相差甚大，人口密度也存在較大的差異，但其易損等級相對較小，主要是南后街道路寬，大型消防車可到達，使得火災易損等級較低。

圖4　易損性評價結果

3.3火災綜合風險評估結果與分析

如圖5所示，從局部分析，南后街以東方向，大部分的單體建筑風險一般，火災綜合風險評估是依據危險性和易損性評價綜合得到的，由上文分析可知，它們的危險性等級較高和易損性等級較低，使其綜合風險等級達到風險一般；在南后街以西方向，大部分的單體建筑是風險較大或風險極大，其主要是危險一般或危險較高，并且易損一般或易損較高，則綜合風險就會風險較高或風險極高。從整體上分析，整個歷史文化街區(qū)的單體建筑的綜合風險等級是較高，符合歷史文化街區(qū)建筑的特點，景區(qū)部門要加強管理風險極高與較高的單體建筑，并對該單體建筑老化嚴重的電線、物品的分布情況等進行整改，消防部門必須加強對該單體建筑的管理人員進行消防培訓，以保障火災得到最快的撲救和保障通往該單體建筑的道路暢通，才能夠保證人員安全，減少財產損失。

圖5　風險評估結果

4　結論

本文根據風險識別、風險分析和風險評估過程進行風險評估，以福州市三坊七巷歷史文化街區(qū)為例，先研究歷史文化街區(qū)的建筑特點，結合三坊七巷商業(yè)開發(fā)程度和環(huán)境情況，構建風險結構圖，進行風險的識別，再研究歷史文化街區(qū)危險性、易損性和綜合風險性，構建危險性評價、易損性評價和綜合風險評估的指標體系。方法上主要是用層次分析法和專家評判方式確定各指標的權重，用模糊數學法和Model Builder工具建立危險性、易損性和綜合風險性模型，使得風險評估從定性評估到定量評估，且使綜合風險評估過程的模型化，提高了它的計算精度和工作效率，減少了人工的干預，火災風險評估的結果就更加科學，同時本文以單體建筑為評估單元，進行風險評估，該過程不只是把每個建筑單獨進行評估，還考慮相鄰之間建筑的相互影響，此方法克服了區(qū)域性評估的各個單體建筑精度問題，具有一定的獨特之處，是一種值得借鑒的方法。本文也存在一些缺陷與不足之處有待改進：①建立指標體系中選取主要因子而忽略次要因子，因子的選擇性具有較強的主觀性，需要進一步的驗證與修改；②ArcGIS的空間分析建模工具需要人工設定變量以及賦值方法等，使得某些參數仍需要主觀賦值，靈活性不足。

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WUZaidong1,HUYujuan2,ZHANGMingfeng1,3,4,LINGuangfa1,3,4,LIQiaoxuan1andHUANGYuanxin5

(1. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Fujian Police College, Fuzhou 350007, China; 3. Fujian Provincial Engineering Research Center for Monitoring and Assessing Terrestrial Disasters, Fuzhou 350007, China;4. Research Center for National Geographical Condition Monitoring and Emergency Support in the Economic Zone on the West Side of the Taiwan Strait, Fuzhou 350007, China; 5. Fuzhou Fire Detachment, Fuzhou 350007, China.)

Historicalandculturalblockgathershighlyintensivepopulation,butfacesmorefirehazards,withhigherfirerisk.TakingFuzhouTLASA(ThreeLanesandSevenAlley)historicalandculturalblockasanexample,thepaperestablishesafireriskassessmentindexsystem,usingspatialdatafromhighresolutionremotesensingimageinterpretingandattributedatafromfieldsurveys,basingonanalysisoffireriskstructure;obtainsparametervaluesandweightedvaluesofindicatorswithanalytichierarchyprocessandfuzzymathematicsmethod,andfurtherassessesthefireriskofFuzhouTLASAhistoricalandculturalblockwithriskassessmentmodel,vulnerabilityassessmentmodelandintegratedriskassessmentmodelsupportedbyGISspacetechnology,bytakingsinglebuildingasaunit.Theresultsshowsthat:FuzhouTLASAhistoricalandculturalblockisrelativelyhigherinfireriskrating,particularlyresidentialclassblockfacingthemostseriousrisk,butculturalformerresidenceclassandcommercialservicesbuildingsarerelativelylowerinriskrating.Culturalformerresidenceclassvulnerabilityriskranksthefirstplace,fromawholeview,fireriskratingvaries:culturalformerresidenceclassranksthefirstplace,followedbysinglebuildingsalongNanhouStreet;therestfireriskissmaller.Theresultscanbeusedasthereferencebasisfordeterminingfirepreventionmeasures,emergencydrillsimulationplan,populationevacuationplanandotherriskmanagementdecisionsbyresortmanagementdepartmentandfiredepartment.

fire;riskassessment;Fuzhoucity;singlebuilding;GIS;historicalandculturalblocks;indexsystem

2016-04-29

2016-06-13

福建省公益類科研院所專項項目(2015R1034-1)；福建省測繪地理信息局科技資助項目(2015JX03)

吳在棟(1990-)，男，福建大田人，碩士研究生，主要從事自然災害GIS應用方面研究.

E-mail: zaidongwu@126.com

張明鋒(1976-)，男，福建云霄人，博士，助理研究員，主要從事地理信息系統(tǒng)研究. E-mail: totofeng@163.com.

X9；Tu9，Tu746.3

A

1000-811X(2016)04-0205-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.037

吳在棟，胡玉娟，張明鋒，等. 基于GIS的歷史文化街區(qū)火災風險評估——以福州市三坊七巷為例[J]. 災害學，2016，31(4)：205-209,223. [WU Zaidong, HU Yujuan, ZHANG Mingfeng,et al. Assessing Fire Risk in Historical and Cultural Blocks Based on GIS: A Case Study in the Fuzhou Three Alleys and Seven Lanes[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：205-209,223. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.037.]