張 雷 涂慰云 孫蔡亮 林 嵐 李天誠

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基于GIS圖層疊置法的莆田市雷災(zāi)脆弱性研究

張 雷1涂慰云2孫蔡亮3林 嵐4李天誠1

1.政和縣氣象局 2.南平市延平區(qū)氣象局 3.莆田市氣象局 4.南平市氣象局

利用GIS技術(shù)將雷災(zāi)脆弱性構(gòu)成要素在1km×1km的格柵上進(jìn)行處理及圖層疊置，得到精細(xì)化的格柵形莆田市雷災(zāi)脆弱性分布圖。經(jīng)分析得出，雷電災(zāi)害脆弱性較高區(qū)域多位于莆田西部和中北部，東部沿海雷電災(zāi)害脆弱性較低，且利用本文模型繪制的莆田雷災(zāi)脆弱性分布圖與2002～2014年雷災(zāi)統(tǒng)計事故發(fā)生分布具有較高吻合度。

GIS 莆田 雷災(zāi)脆弱性

近年來，脆弱性已成為災(zāi)害學(xué)研究熱點，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境管理、公共衛(wèi)生、扶貧、可持續(xù)發(fā)展、安全、土地利用、氣候變化等領(lǐng)域，部分學(xué)者針對雷電災(zāi)害也進(jìn)行了脆弱性分析[1-4]，建立的模型基本上是選取雷暴日數(shù)、雷電災(zāi)害頻度、經(jīng)濟(jì)損失和生命損失等指標(biāo)，但評價區(qū)域一般將最小樣本的劃分結(jié)果定義到縣市級，評價精度略顯粗略。本文將致災(zāi)因子和承災(zāi)體作為表征雷災(zāi)脆弱性的一級指標(biāo)，用地閃密度、GDP、土地利用類型以及人口作為表征雷災(zāi)脆弱性的二級指標(biāo)，建立莆田市雷災(zāi)脆弱性評估模型，運用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，并利用GIS技術(shù)將莆田市雷電災(zāi)害脆弱性構(gòu)成指標(biāo)要素進(jìn)行圖層疊置，在GIS平臺上，將所有的數(shù)據(jù)落實到1km×km的格柵上進(jìn)行處理，將雷災(zāi)的脆弱性以1km×1km的單元進(jìn)行計算量化，得到精細(xì)化的格柵形莆田市雷電災(zāi)害脆弱性分布圖，為地方政府建立更為科學(xué)、準(zhǔn)確的建立雷電災(zāi)害防御預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

閃電定位資料來源于2014年福建省雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為txt文本格式；以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源（比例尺1:10萬）的耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。1km×1km柵格數(shù)據(jù)（每個柵格的值為該平方公里的GDP、人口數(shù)據(jù)）來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，格式為柵格數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本文基于層次分析形成災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，通過建立評價指標(biāo)，將各指標(biāo)估值進(jìn)行量化后，利用GIS軟件的空間分析與制圖功能，根據(jù)承災(zāi)體和致災(zāi)因子的特征，選取合適的柵格大?。ㄨb于實際情況，選取的網(wǎng)格大小是1km×1km），建立不同圖層，根據(jù)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系分配到每個柵格中，然后對各圖層進(jìn)行疊加，實現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險的可視化制圖表達(dá)，形成莆田市雷災(zāi)脆弱性風(fēng)險區(qū)劃圖。

2 莆田市雷電災(zāi)害脆弱性評估

2.1 莆田市雷電災(zāi)害脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)自然災(zāi)害系風(fēng)險理論[5]，可以從自然孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體三個方面著手，研究莆田市雷電災(zāi)害脆弱性指標(biāo)體系的構(gòu)架。雷電災(zāi)害的自然孕災(zāi)環(huán)境是雷暴天氣、氣候和地理背景等，自然致災(zāi)因子是雷電，承災(zāi)體一般劃分為人類、財產(chǎn)和自然資源。考慮到資料的可獲得性和詳盡程度[6-8]，本文以致災(zāi)因子和承載體表征莆田市雷災(zāi)脆弱性，并以地閃密度表征致災(zāi)因子，以生產(chǎn)總值GDP、土地類型、人口共3項指標(biāo)表征承災(zāi)體，建立莆田市雷電災(zāi)害脆弱性評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 莆田市雷電災(zāi)害脆弱性指標(biāo)體系框架

2.2 各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1莆田市雷電災(zāi)害脆弱性指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

基于對雷電災(zāi)害脆弱性的理解和認(rèn)識，模糊綜合評判結(jié)果的五個等級描述如表1所示。

表1 脆弱性風(fēng)險評估分級標(biāo)準(zhǔn)

注：綜合評價用表示，值越小，代表區(qū)域內(nèi)項目雷擊致災(zāi)風(fēng)險越低，值越大，代表區(qū)域內(nèi)項目雷擊致災(zāi)風(fēng)險越高，值區(qū)間是[0,100]。

2.2.2地閃密度的分級標(biāo)準(zhǔn)

地閃密度指的是每年每平方公里發(fā)生的地閃次數(shù)，體現(xiàn)了一個地方可能遭受雷擊的大小，是雷擊風(fēng)險評估及建構(gòu)筑防雷類別劃分的最重要依據(jù)，也是防雷工作中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。本文將地閃密度按網(wǎng)格統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布90%以上區(qū)間進(jìn)行等距劃分，標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地閃密度評估分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3土地利用類型的分級標(biāo)準(zhǔn)

莆田地區(qū)的土地利用類型如表3所示。

表3 莆田市土地利用類型

按照上述分類標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮承災(zāi)體暴露性、易損性及成災(zāi)危險程度進(jìn)行等級劃分，建立分類等級，如表4所示。

表4 土地利用類型評估分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4人口的分級標(biāo)準(zhǔn)

人是災(zāi)害影響最重要、最核心的承災(zāi)體，沒有人及與之相關(guān)的人類活動，也就不存在災(zāi)害事件。在表征人口結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)（如總?cè)丝跀?shù)、性別比、年齡結(jié)構(gòu)等）中，根據(jù)生產(chǎn)安全事故造成的人員傷亡事故，將其放大進(jìn)行分級。人員數(shù)量五個等級劃分如表5所示。

表5 人口評估分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.5 GDP的分級標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)是受災(zāi)害影響最為敏感的承災(zāi)體之一。地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）是指一個地區(qū)在一定時期內(nèi)經(jīng)濟(jì)中所產(chǎn)生的價值，反映了該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)綜合實力與財富。但是，同樣強(qiáng)度的災(zāi)害發(fā)生在大都市和農(nóng)村地區(qū)，可能產(chǎn)生的直接和間接損失差別巨大。因此，選擇GDP來研究承載體的脆弱性顯得更有意義，本文按網(wǎng)格統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布90%以上區(qū)間進(jìn)行等距劃分，標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 GDP風(fēng)險評估分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 指標(biāo)權(quán)重確立

采用專家打分的方式，確定本項目的指標(biāo)權(quán)重如表7所示。

表7 雷擊風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

檢驗：判斷矩陣一致性比例為0,通過一致性檢驗。

按照評判模型進(jìn)行計算，得到雷擊風(fēng)險指數(shù)，即：

利用加權(quán)平均求風(fēng)險等級的方法。將評估目標(biāo)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個等級語義學(xué)標(biāo)度進(jìn)行量化，并依次賦值為20、40、60、80及100，則綜合評價評分如式（1）所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理及繪圖

首先將txt文本格式地閃原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS識別的.shp點圖層，然后利用GIS軟件的剪切、空間連接等功能得到1km×1km的莆田市柵格型地閃次數(shù)；

利用GIS軟件對原有POP（人口）、LUCC（土地利用類型）、GDP格柵數(shù)據(jù)分別進(jìn)行莆田區(qū)界切割，分別得到莆田市POP、LUCC、GDP圖層，并利用空間分析工具下的Extract Values to Ponit 方法分別提取對應(yīng)網(wǎng)格的POP值、LUCC值、GDP值。

最后將地閃次數(shù)、POP值、LUCC值、GDP值四種按照公式（1）進(jìn)行計算，并與莆田市網(wǎng)格數(shù)據(jù)層進(jìn)行空間連接，進(jìn)而得到莆田市雷災(zāi)脆弱性分布圖，如圖2所示。

圖2 莆田市雷電災(zāi)害脆弱性分布圖

3 結(jié)論

（1）雷電災(zāi)害脆弱性較高區(qū)域多位于莆田西部和中北部，東部沿海雷電災(zāi)害脆弱性較低。

（2）從分布縣區(qū)來看，莆田市雷災(zāi)脆弱性較高鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在仙游、涵江兩縣區(qū)，少數(shù)分布在城廂、荔城兩區(qū)，這與莆田市2002～2014年雷災(zāi)事故次數(shù)的不完全統(tǒng)計（仙游占45.9%、涵江占17.6%、城廂占16.2%、秀嶼占12.2%、荔城占10.8%）結(jié)果具有較好的吻合度。

（3）通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，基于GIS圖層疊置法的雷災(zāi)脆弱性研究結(jié)果與雷災(zāi)事故統(tǒng)計結(jié)果具有較好的吻合度，若在今后研究中加大樣本取值數(shù)量和時限，將會最大程度地保證雷災(zāi)脆弱性研究結(jié)果的科學(xué)性和有效性。

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