基于层次分析法的垃圾中转站选址研究

　　摘 要：选择科学合理的垃圾中转站位置是优化垃圾收运系统、使经济社会效益达到最优的先决条件。以西安市某地块为例，通过对影响垃圾中转站选址因素的分析，利用层次分析法确定了各因子在选址中所占权重，并借助ArcGIS空间分析功能对所得数据进行分析处理，进而建立场址优选模型，科学地选出垃圾中转站最优位置。该选址方法较传统选址方法更具直观性和科学性。

　　关键词：ArcGIS;空间分析;垃圾中转站;空间选址;层次分析法

　　城市生活垃圾的處置是我国城市环境保护工作的重要内容之一。选择适宜的垃圾中转站位置，是优化垃圾收运系统、使经济效益和社会效益达到最优的先决条件[1-2]。

　　空间选址是指在一定地理区域内为一个或多个选址对象选定位置，使某一指标或综合指标达到最优的过程[3]。随着社会经济的快速发展，影响空间选址的因素越来越多，科学地选择空间位置显得尤为重要。面对不断扩增的新需求，传统的选址方法因过于依赖主观判断而日显弊端。地理信息系统(Geographic Information System，GIS)作为支持空间信息数字化获取、管理和应用的技术体系，依靠其强大的空间分析功能，在空间选址领域显示出巨大的优势，被广泛应用于空间选址研究，如水利工程选址、物流中心选址、客运站选址、机场选址等。结合选址相关理论，采用“首先选择服务设施圈，其次选择地段，最后确定地点”的总体选址思路[4-6]，以GIS为支撑技术，结合层次分析法，并使用Matlab编程计算权重系数，研究并解决了垃圾中转站合理选址问题。

　　1 研究方法

　　目前，空间选址方法大体上包括模糊聚类法、层次分析法、重心法、交叉中值法、加权平均法、P-中值法、遗传算法以及最短路径法等。根据本次垃圾中转站选址需求，以GIS为支撑，结合层次分析法，解决垃圾中转站选址问题。

　　1.1 GIS空间分析

　　地理信息系统作为一种具有表达、存储和分析功能，能够对空间信息进行输出的技术，具有强大的空间分析能力，能在矢量数据和栅格数据集成的环境下进行空间分析，进而解决选址问题。本次选址利用ArcGIS空间分析模块对获取数据进行分析处理，包括直线距离函数、点密度分析工具、数据重分类和栅格计算器等。

　　1.2 层次分析法(AHP)

　　层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化，建立场地优选模型，选出最优地址。基本原理：待评判系统的有关替代方案的各种要素以上一层为准则，对该层次元素进行逐次比较，构成判断矩阵。两两比较后计算出各因素的权重，根据综合权重，按最大权重原则确定最优方案。其运用步骤如图1所示。

　　相对于其他选址方法，层次分析法能合理地将定性与定量的决策相结合，解决选址问题，加上其灵活简洁的系统结构，十分适合于具有定性的、或定性、定量兼有的决策分析，是一种十分有效的系统分析和科学决策方法。

　　2 垃圾中转站空间选址流程

　　2.1.1 人口分布密度。垃圾中转站应靠近垃圾产量高的地区，地区人口密度越大，相应的垃圾日均产量越高，则建立垃圾中转站的适宜性也就越高。

　　2.1.2 土地利用。因土地利用性质均有差异，修建垃圾中转站的选址需要地势平坦、地质稳定，故应该对现有土地利用类型进行划分，如工业用地-不适宜、商业用地-不太适宜、居住用地-适宜等。

　　2.1.3 现状设施。新建垃圾中转站是为了满足社会需求，因其修建时投资巨大，故需考虑其修建的必要性，因此新建中转站应远离现有的垃圾中转站。

　　2.1.4 交通方便程度。垃圾转运过程中需要大量的机动车辆来回进出，故修建垃圾转运站的区域应道路宽敞、车流量均衡且与城市主干道相连。

　　2.2 垃圾中转站选址数据分析处理

　　2.2.1 原始数据。选用西安市某地区土地利用现状图、路网规划图、区域规划图、人口密度分布图和现状中转站位置数据来研究垃圾中转站的选址问题。

　　2.2.2 派生数据。数据派生就是从现有数据生成新数据，以获取新信息。直线距离函数用于生成每一个单元到目标位置的直线距离[7];密度函数用于生成密度分布图。利用直线距离函数将路网规划图和现状中转站图派生出直线距离栅格数据(gird);利用密度函数生成人口密度分布图，栅格单元大小为100 m×100 m。

　　2.2.3 重分类数据。数据重分类就是用同一等级体系对每个数据集重分类，给适宜性较高的属性赋较高的值。在对初始数据以及生成的派生数据进行叠加分析之前，要先把部分数据重分类。将土地利用现状图按用地适宜情况进行分类，如居住用地为一般适宜，公建用地为一般适宜，工业用地、绿地为不适宜[6]。服务区外地区优先考虑，分为1，2，3，…，10级，用地适宜性越强，重分类值越大。将路网规划派生数据重分类，分为10级，距离主干道越近，重分类值越大;将人口密度分布派生数据重分类为10级，距离居民区越近，重分类值越大;将现状中转站派生数据重分类为10级，离现状中转站越近，重分类值越小，反之越大。

　　2.2.4 确定权重。经上述处理，得到道路、土地利用类型、人口密度的重分类栅格数据集，每层数据对选址均有影响，但影响程度各有差异。因此，根据该地区用地开发的原则，利用AHP来确定权重，从而根据不同的权重值来反映不同因子对选址所产生的影响。在利用层次分析法计算权重时，为方便计算，引入Matlab语言进行编程。计算出各个影响因子的权重值，如表1所示。其中，判断矩阵最大特征根λmax=4.088 4，一致性指标CI=0.029 5，随即一致性指标RI=0.90，一致性比率CR=0.032 7。

　　2.2.5 合并数据集。利用栅格计算器对所有的重分类数据按照计算出的权重进行合并，计算公式为：

　　式中：S是合并后的栅格数据集;Ai是重分类数据集;Wi是权重;i为选址因素的数量。

　　对合并后的数据进行分析，从而得到修建垃圾中转站合适的4个场地，如图2所示。其中，数值越大的区域，修建垃圾中转站的适宜性越高。

　　3 候选场地的优选

　　3.1 分析候选场地的特征

　　依据本次垃圾中转站选址的具体要求，得出合适的1～4号垃圾中转站候选场地。1号地人口密度相对较小、交通条件较差，并且周围居民少、有1处垃圾中转站;2号地人口密度小、交通较好，周围居民点较多、现无垃圾中转站;3号地人口密度较大、交通好，周围居民点多、现有1处垃圾中转站;4号地人口密度大、交通差，周围居民点较少、现有2处垃圾中转站。

　　3.2 模型的建立

　　3.2.1 建立选址层次结构图。根据分析原理建立本次垃圾中转站选址层次结构图，如图3所示。

　　3.2.2 根据建立的层次结构图构造判断矩阵。判断矩阵用于比较本层每一个因素与上一层其中一个因素对于目标层而言的相对重要性。通常用Santy的1～9标度给出判断矩阵元素aij。判断矩阵元素aij的标度方法为：1，3，5，7，9分别表示ai因素比aj因素同等、稍微、明顯、强烈、极端重要;2，4，6，8则为上述两相邻判断的中值。因素i与因素j比较的判断为aij，则因素j与因素i比较的判断为aji=1/aij。

　　3.2.3 计算权重并进行一致性检验。根据上述Matlab编程语句，输入相应比较矩阵数值计算权重。因判断矩阵通常是不一致的，为了能用它的对应于特征根的特征向量作为被比较因素的权向量[1]，其不一致程度应该在允许的范围之内，故Santy引入了一致性指标。具体表示如下：

　　CI=λ-n/n (2)

　　式中：当CI=0时，判断矩阵A一致;CI越大，A的不一致性程度越严重。

　　为确定判断矩阵不一致性容许范围，衡量CI的大小，Santy还引入随机一致性指标RI，如表2所示。

　　CR=CI/RI (3)

　　式中：一致性比率CR<0.1时，判断矩阵A的不一致程度满足容许的范围。则认为有满意的一致性，其归一化特征向量可以作为本次权向量使用，否则就要调整aij对比较矩阵进行重新构造。

　　3.2.4 组合权向量的计算。组合权向量即是依据方案层对准则层的权向量及准则层对目标层的权向量，计算出方案层对目标层的权向量[10-11]。在此计算中，使用Matlab编程进行计算。经计算，1号、2号、3号、4号候选地对目标层的组合权向量分别为0.094 7、0.226 6、0.463 2、0.215 5。

　　据分析结果可知，3号候选地在垃圾中转站选址中所占权重最大，故确定3号候选地为建立垃圾中转站的最适宜位置。

　　4 结语

　　位置的选择是修建垃圾中转站的先决条件。将ArcGIS空间分析功能及层次分析法引入选址问题，通过对西安市某地区垃圾中转站选址影响因素的分析，利用ArcGIS强大的空间分析功能，对获取数据进行分析处理，并结合层次分析法，使用Matlab编程，计算所有影响因子在本次垃圾中转站选址中所占的权重，从而建立垃圾中转站选址的优选模型。通过分析对垃圾中转站的最佳位置进行科学选择，将GIS对选址信息的可视化分析与层次分析法定性与定量分析相结合，使空间选址问题变得更清晰、更直观。

　　参考文献：

　　[1]戴晓爱，仲凤呈，兰燕，等.GIS与层次分析法结合的超市选址研究与实现[J].测绘科学，2009(1)：184-186.

　　[2]李晓翠，张跃鹏，金澄.空间选址关键因素及其建模研究[J].测绘科学，2009(1)：133-135.

　　[3]李淑贞，姚玲，刘伟.GIS在城市生活垃圾卫生填埋场选址中的应用[J].地理空间信息，2006(3)：35-37.

　　[4]徐燕.AHP在生活垃圾填埋场场址定量评价中的应用[D].兰州：兰州大学，2012：1-79.

　　[5]谭和平，张家宁.城市生活垃圾收集系统规划编制浅析[J].环境卫生工程，2005(6)：44-47.

　　[6]朱姝.基于GIS的生活垃圾处理设施优化布点研究[D].重庆：重庆大学，2010：1-111.

　　[7]翟云波，曾光明.层次分析法在城市生活垃圾填埋场选址中的应用[J].环境科学与技术，2002(4)：36-38.

　　[8]李天威，严刚，王业耀，等.中国中小城市生活垃圾优化管理模型的应用[J].环境科学，2003(3)：136-139.

　　[9]刘小林，温程杰，张江水.运用GIS进行空间选址分析[J].测绘与空间地理信息，2010(4)：19-21.

　　[10]李淑贞，姚玲，刘伟.GIS在城市生活垃圾卫生填埋场选址中的应用[J].地理空间信息，2006(3)：35-37.

　　[11]翟云波，曾光明.层次分析法在城市生活垃圾填埋场选址中的应用[J].环境科学与技术，2002(4)：36-38.

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