信息扩散理论在区域洪水风险分析中的应用

沈陆娟+高原+徐利杰+蔡建平+郑玉仙

摘要：洪水灾害风险分析在洪水灾害预防、抗洪抗灾及灾后重建工作中都起着重要的指导作用。由于洪水灾害相关数据，包括历史数据、实时数据具有多维性、海量性、不确定性、不完备性等特点，使得风险分析模型构建中数学理论的选择尤为重要。在简要论述信息扩散理论的基本原理和特色的基础上，针对洪水灾害数据的上述属性，深入分析了区域洪水风险分析中的关键因素和技术，包括孕灾环境和致灾因子的风险分析、承灾体脆弱性分析、洪水灾害损失的评估分析等，以期对防灾减灾工作有所启示。

关键词：信息扩散；洪水；风险分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）30-0192-02

1 概述

洪水灾害是我国常见的自然灾害，一经发生则会造成重大的损失。洪水灾害风险分析、评价和管理是政府相关职能部门减少洪灾规划、日常管理及重大事项决策调度的重要参考依据，是洪水灾害风险管理系统工作的基础[1][2]。因此洪水灾害风险分析在防洪抗灾工作中起着重要的作用，对于减少灾害及次生灾害带来的损失有重要的意义。

伴随着人们对洪水灾害认识的逐渐深入，近些年也在实践中不断进行洪水灾害风险分析的研究，尤其致力于灾害评价理论、数学模型构建、分析技术和方法等方面。所谓风险分析，其主要研究内容和目标是详细分析灾害不利后果下，灾害产生的原因、产生机制、发展变化规律以及灾害影响的大小，能使我们对灾害自身及其带来的危害有更明晰的认识。洪水风险分析的基础是与洪水灾害相关数据的监测，包括社会经济发展、自然环境、历史灾情及灾害过程的实时数据等。监测数据往往具有不确定性、复杂性和不完整性等特点，这些特点使得灾害风险分析变的难上加难。同时对于灾害的分析一定要站在系统论的高度，不能孤立、片面地去看待某次自然灾害。自然灾害特别是洪水灾害的这些特点就决定了灾害风险分析方法必须能处理不确定、不完整的大量数据，能对灾害做系统的分析，能动态的考虑灾害的发展变化，且针对复杂问题具有有效性。本文基于信息扩散理论探讨区域洪水灾害风险分析问题，主要研究其中的关键技术，构建基于信息扩散理论的区域洪水灾害风险分析理论框架。

2 信息扩散理论

2.1 信息扩散理论

信息扩散理论诞生于上世纪90年代中期，由于该原理有效地与人工神经网络模型相结合，因此在实际中应用广泛。同时模糊集理论和非参数估计理论作为辅助工具被引入信息扩散理论，又增强了信息扩散理论解决实际问题的能力。信息扩散理论的基本原理可描述为[3]

信息扩散原理的核心是扩散估计，假设[R]表示某域上的一个关系，对该关系的非扩散估计可由下式表示

[R（β，ω）={β（χ（ωi，u））|ωi∈ω，u∈U}]

其中[R]表示[R]的估计，[ωi]表示观测样本点，[ω]为所有样本点的集合，[U]作为估计关系[R]的域，换言之即表示在[R]上估计[U]，[β]表示合理算子，[χ（ωi，u）]为相伴的特征函数。在非扩散估计中[4]，由于样本点数量限制，造成估计中信息量的缺失。所谓信息扩散就是将每个样本点看成该样本点周边一定范围内的样本点的代表，进行信息的扩散，构建新的估计。可表述为

[R（β′，D（ω））={β′（χ′（ωi，u））|ωi∈ω，u∈U}]

其中[R]表示[R]的扩散估计，在信息不完备的情况下存在扩散函数[χ′（ωi，u）]和相应的算子[β′]，在新的估计中它们可以取代[β]和[χ（ωi，u）]。并且这种估计可以保证其估计精度优于非扩散估计，即

[||R-R||≤||R-R||]

这样通过对不完备的信息进行信息扩散，从而可以得到更精确的估计。

2.2 信息扩散理论特色

信息扩散理论在处理不确定、不完备数据方面具有一定的优势，已广泛应用于自然灾害风险分析、保险、测绘等很多领域，并取得了很好的效果。相比于传统的评价和分析方法，信息扩散理论有其特色。

1）信息扩散理论在自然灾害风险分析中可通过对不同等级灾害发生概率大小的计算，实现不同等级灾害风险的对比分析。同时相比较于综合评价分析，单个灾害风险评估指标的计算分析在实际的防灾减灾工作中更具指导意义和参考价值。

2）信息扩散理论方法在对不完备数据进行建模、分析中具有自身独特的优势。由于有效地结合了模糊数学的方法与思想，并且在不完备样本数据的评估中引入了集值化的数学工具，这样可以得到高精度的评估结果，特别是针对历史灾情数据资料不完善的情况，信息扩散理论的灾害风险分析评估也可以得到高精度的结果。

3）信息扩散理论进行风险分析所需数据量少，操作简便，且不会在计算中出现因为大数据所造成的维数灾难。

3 基于信息扩散理论的洪水风险分析

区域洪水灾害的形成可分为几个方面，包括孕灾环境、致灾因子和承灾体的承载能力等。因此对洪水灾害进行风险分析也应该从这几个方面进行分析。当然关键之处是构建基于信息扩散理论的洪水灾害风险评估数学模型。在历史数据不全、小样本信息、数据不完备的情况下，充分利用样本所反映的信息，对样本进行极值化处理，构建基于信息扩散理论的洪水灾害风险评估数学模型。

1）孕灾环境风险分析

孕灾环境可分为自然环境与社会环境两大类。其中自然环境包括地形、地貌、水文、气候、植被、土壤、动植物等自然因素；社会环境包含经济发展水平、道路规划、管线布置、交通系统、公共场所、人口等。孕灾环境有着明显的区域性特征，不同的区域孕灾环境有着很大的区别。在孕灾环境风险分析中，建立合适的数学模型，并且通过系统理论对环境进行综合分析同等重要，不能把各种环境因子割裂开来，这样不可能得到正确的风险分析结果，对实践工作也不可能起到有意义的指导作用。

2）致灾因子风险分析

致灾因子与孕灾环境有着紧密的联系，致灾因子可理解为孕灾环境中各个因子的异动。同样是洪水灾害，不同区域致灾因子或不相同。例如东南沿海地区洪涝灾害的致灾因子主要是台风、热带风暴等，而长江中下游洪涝灾害的致灾因子可能是梅雨等长时间的降雨。致灾因子多种多样，也不仅仅是上述所举之例，孕灾环境中的单个或多个因子发生异动时就有可能形成灾害。因此在构建信息扩散理论数学模型的基础上，要对致灾因子进行综合分析，从而得到区域洪水灾害发生的风险。

3）承灾体脆弱性分析

承灾体的脆弱性又可称为灾害的易损性，洪水灾害易损性通常用承灾体遭受洪水灾害后的损失率、损失程度来表示。同一承灾体遭受不同洪水灾害时受损程度不尽相同，同样程度的洪水灾害对不同承灾体也有不同的损失率。因此要针对不同的承灾体，分类分项统计洪水灾害损失率，如农业作物损失率、工业企业洪水灾害损失率、商业洪水灾害损失率等。基于历史洪水灾害损失率数据，构建基于信息扩散理论的承灾体洪水灾害脆弱性分析模型，识别洪水灾害可能带来的威胁，并分类估算损害程度，得出损失率，从而得到承灾体加大脆弱性分析结论。

4）洪水灾害损失的评估分析

洪水灾害损失的评估不仅可以对防灾减灾工作提供指导依据，也可以对灾后重建工作起着重要的指导作用。对于某一地区，即固定的承灾体，在一次具体的洪水灾害过后可以首先从分析孕灾环境、致灾因子角度出发估算出洪水灾害的强度，然后经过承灾体脆弱性分析筛选出各类易损性指标的损失率，最终得到洪水灾害的损失评估。

4 结束语

区域洪水风险分析是一个系统工程，涉及社会和经济发展、人口密度、自然条件、交通、水系等诸多方面。在不完备信息的前提下，利用信息扩散理论构建风险分析模型，并从孕灾环境、承灾因子、承灾体脆弱性及灾害损失估算等多个方面对区域洪水灾害风险进行深入分析，所得结果更能符合实际情况，对防灾减灾、灾后重建工作具有指导意义。

参考文献：

[1] 魏一鸣，范英，金菊良. 洪水灾害风险分析的系统理论[J].管理科学学报，2001，4（2）：7-11.

[2] 李琼.洪水灾害风险分析与评价方法的研究及改进[D].武汉：华中科技大学，2012.

[3] 宣茂华.基于信息扩散理论的重庆市农业干旱灾害风险分析[D]. 重庆：重庆师范大学，2014.

[4] 王新洲.基于信息扩散原理的估计理论、方法及其抗差性[J].武汉测绘科技大学学报，1999，24（3）：240-244.