一种谱聚类/最小生成树融合的地震应急区划方法

本发明涉及一种谱聚类/最小生成树融合的地震应急区划方法，属于地理区划领域。

背景技术：

1、震后地震应急与救援是有效减轻地震灾害损失的重要方法，但我国幅员辽阔，不同地区地理与灾害特征区别明显，有必要探索区域地震应急特征，建立不同的地震应急区划，便于开展有针对性的地震应急准备与救援，提升地震应急减灾效果。因此，围绕此问题，探索了一种基于谱聚类/最小生成树融合的地震应急区划方法，应用该方法建立了我国分级地震应急区划。

2、长期以来，人们在防震减灾方面已经进行了大量的探索与实践，并逐渐发展并形成了防震减灾的三大对策体系，即地震监测预报体系、地震灾害预防体系和地震紧急救援体系，但在具体建设、发展和应用这三大体系时，往往因不同国家、不同地区的实际情况而存在不同差异和侧重点。为减少地震对人类和社会造成的损失，世界各国都把研究重点放在了地震灾情的空间分析、制定地震应急预案和实施应急救援上。其中空间分析这一概念的提出，可以追溯到地理与区域科学的革命。在初期主要是将统计的方法引入到地理学的研究中，对点、线、面的空间分布格局进行定量的描述；在后期，逐渐将地理空间本身的特点、空间决策过程以及空间系统的时空演变规律作为重点，为开展地理空间问题的研究提供了一条方便的途径。目前空间分析在自然灾害风险评估、自然灾害数据库建设、灾害制图、决策分析等领域均有着广泛的应用。

3、区划即区域的划分，它不仅仅是一种数据分析的手段，也是分析结果的表现形式，区划一定要与区域的可持续发展相适应，并为区域的发展提供帮助。通过对区域的划分，可以直观地表达地理环境中各个成分的属性与联系，进而更好地理解并发掘其发生、发展、分布、结构等地理规律。对地理环境区域分异规律的探索，一直是地学尤其是地理学研究的重要课题。在此过程中，“地理区划”理论和方法的形成与发展也日趋成熟。地理区划是对地理环境综合体，依据其相似性与差异性划分出若干空间区域的过程，它将纷繁的地域差异概括成一个科学系统和空间网络。但在进行地理区域的综合划分时，很少将人类这个主体在区划体系中所起到的作用考虑进去，也就是说没有能够将自然与人文两个要素有机地结合起来；另一方面，地理区划的理论和方法体系还不够完善，还需要对人文地理系统和地域分异规律进行深入的理解，进而建立起一个更加严谨和完善的分区体系，适应区域可持续发展的需求。

4、关于地震应急，目前我国主要是依据的是平时制定的地震应急预案，来指导震前准备和震后救援工作，具体分为两种类型，第一类是国家层次上的预案和对策，第二类是在《破坏性地震应急条例》和《国家破坏性地震应急预案》等规定下制定的应急预案。尽管这些预案在或多或少体现了一些地震应急方面的地域差别，但往往应急内容太过简略，并没有对地震应急地域差异性进行全面描述和分析，特别是不能给出当地地震应急情况下的特殊社会经济问题和关键性技术环节。因此，这些预案都普遍存在着与具体地区的自然与社会经济状况等相脱节的局限性。事实上，上述两类地震应急预案还主要是一些经验性和文字描述性的条例和规定，与动态化、科学化、计算机模型化和系统化和的应急决策高度相比，还处于地震应急决策的初级阶段。因此，加强地震应急的区域划分研究，并使之在地震应急指挥和决策应用中系统地反映并应用于我国应急工作中，具有极其必要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种谱聚类/最小生成树融合的地震应急区划方法，用于震前应急预防与应急准备和震后应急指挥与应急救援；其根据地震应急区划来衡量各县级市的地震应急类型，知悉各县市的应急能力水平、应急特征和当地应急特色等，从而进一步了解对中国划分不同差异性特征的区域，以及当前影响地震应急能力的各个因素的执行绩效、准备情况为目标的地区在地震发生的前后所必需具备的组织方式、行动措施、资源保障以及心理品质的大小。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种谱聚类/最小生成树融合的地震应急区划方法，其包括如下步骤：

3、步骤一，进行地震应急区划能力关联网络模型构建；

4、步骤二，根据步骤一，对地震应急区划网络模型进行相似度计算优化，包括指标因素筛选，地理空间信息，网络相似度权重运算；

5、步骤三，将谱聚类与最小生成树算法融合，包括最小生成树修正，基于谱聚类改进算法的区域划分；

6、步骤四，根据地震应急区域划分后的结果建立地震应急决策应用，实现地震应急区划划分和各地区地震应急决策制定。

7、进一步的，所述步骤二中，指标因素筛选具体包括受到地震应急能力的高低区域因素的影响，筛选出具有相互联系的因子作为确定区域划分的根据。

8、进一步的，在地震应急区划指标选取中，根据地震应急的“科学性、可比性、可操作、独立性、代表性”选择原则，结合指标筛选参照方法：比较法、理论分析法、经验借鉴法、现实推演法四大方法，筛选地震应急区划指标因子。

9、进一步的，所述步骤二中，地理空间信息是影响地震应急的特征之一，每个县的结点位置根据自己的地理位置和经纬度来决定，处理县之间的地理距离，并得到所有县级市间归一化距离，即可得到各县级市间的地理信息。

10、进一步的，所述步骤二中，网络相似度权重运算分为地理空间计算、地震应急区划指标数据集计算和地震应急相似度优化；其中地理空间信息计算利用arcgis将经纬度数据转化为xy坐标数据，县级市间距离计算以任意两座县节点进行距离计算，得到的地理数据还需采用统一量纲以后的距离数据来表示；而地震应急区划指标数据集计算在区域地震应急关联网络构建中，各县市间的权值表示各县市间的关系强度，各地区间的地震应急能力关联度与地震应急指数因素的相关程度呈正比例关系，与地理位置信息成反比；地震应急相似度优化则是在地震应急区划关联网络中，以各县结点的相关系数与正规化结点之间的最终比作为一个标准来衡量结点的关系强度。

11、更进一步的，所述地理空间信息计算：使用arcgis将经纬度数据转化为xy坐标数据，然后利用公式c＝sin(lata)*sin(latb)*cos(lnga-lngb)+cos(lata)*cons(latb)，d(vi,vj)＝r*arccos(c)*π/180，通过经纬度处理后得到县之间的空间距离；

12、所述地震应急区划指标数据集计算：将n个指标看作独立的点，计算各样本之间的相似度后，得到相似矩阵s,其中s为对称矩阵，对角线元素为0，

13、

14、所述地震应急相似度优化：地理空间信息区域内县级市之间地震应急区划水平的联系强弱，以复杂网络的优化后的相似度大小衡量，公式为最终得到相似度矩阵w。

15、进一步的，所述步骤三中，最小生成树修正具体包括将地震应急区划网络图转化为邻接矩阵，然后使用最小生成树来修正邻接矩阵，去除网络权重大的边，修正后的邻接矩阵看作为样本点之间的空间关系矩阵。

16、更进一步的，所述最小生成树修正矩阵的实例过程：

17、1)求出最小生成树g的最大边，若把这条边去掉，那么最小生成树会被分成两段，一段是g1，另一段是g2；此时相似度距离即g1中的任何一个样本点xi到g2中的任何一个样本点之间，用(xi,xj)＝dij表示；

18、2)对树g1和树g2进行切割，并重复进行1)，直到没有子树可供分割为止；分割完成后得到的矩阵，用来度量样本点间的相似度；

19、以上2步完成对相似度矩阵的修正，该过程操作前后得到的相似度矩阵内，“0”表示两县之间不存在空间属性；符号“1”表示两县之间具有空间关系；符号“/”表示切割后断绝了两个县之间的联系。

20、进一步的，所述步骤三中，基于谱聚类改进算法的区域划分采用图论的方式对数据进行刻画，基于图分割原理，利用谱聚类把待解问题转换成图划分解，谱聚类这一特性应用到转化为图形式的地震应急能力关联网络中，最终完成聚类划分结果。

21、进一步的，聚类划分具体过程如下：

22、1)在得到相似度矩阵w和邻接矩阵t后，对该相似度矩阵w做指数变换，得到最终的相似度矩阵w’

23、

24、2)对邻接矩阵进行修正后得到的相似度矩阵w’构建正规拉普拉斯矩阵：

25、

26、3)计算矩阵l的特征值，并进行从小到大的排序，取前k个较小特征值并计算对应的特征向量采用标准切算法(ncut)进行剪切；经归一化后处理的拉普拉斯矩阵d-1/2ad-1/2；

27、4)得到使d-1/2ad-1/2最小的前k1(1≤k1<11)个特征值及对应的特征向量f，最后归一化矩阵f，获得特征矩阵h，特征矩阵h可看成是样本集，最终对矩阵h进行聚类分析。

28、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

29、(1)本发明实现了基于谱聚类与最小生成树融合的地震应急区划方法的构建，选取图论算法作为本文地震应急区划的聚类方法，谱聚类算法适合本文地震应急区划划分的要求，但是在聚类过程中出现问题，于是本文对传统谱聚类算法进行改进。通过建立地震应急能力关联网络模型，优化相似度计算，以地震应急区划关联网络矩阵与最小生成树修正后的邻接矩阵结合，最终实现对地震应急区域的聚类划分，且算法的划分结果符合本文地震应急的区域划分要求。

30、(2)本发明针对我国地震应急海量的指标数据和地理信息数据，划分了具有不同地震应急特征的二级区划地域类型。本文对地震应急区划指标因子数据进行了标准化处理，结合谱聚类/最小生成树算法，划定了我国二级地震应急区划。其中地震一级应急区划由东北、东南等8个地震应急区组成，二级应急区划包括59个区域类型。

31、(3)本发明论述了我国二级地震应急区划特点，并介绍了该区划在地震应急辅助决策中的应用。从自然地理环境、经济人文地理、灾害特征等角度分析了地震应急区划的特点以及对地震应急救援的影响。根据地震应急区域特征，阐述了其在应急辅助决策中的应用，探索了制定适合地震应急区域类型的地震应急辅助方法。为地震应急指挥决策和救援行动方案对策的科学提出和有效实施提供理论依据。