GIS技术下的气象灾难风险评估体系的研究与实现

第一章引言

1.1研究背景
在自然灾害中，气象灾害是最主要的部分，约占自然灾害的70%以上。具体的说，气象灾害是指某一区域在某一时期由于气象因子异常或对气象因素承载能力不足而导致的一系列人类的生存和经济社会发展及生态环境的破坏[1]。其具有以下四个特点：①种类繁多：气象灾害共分为7大类20余种，主要包括：暴雨洪涝、干旱、热带气旋、大风、雷电、冰雹、雾霾、低温冷害、高温热浪、沙尘暴等；②时空分布范围广：从时间上来说，一年四季都可出现气象灾害；从空间上看，无论在高山、平原、高原、海岛，还是在江河湖海以及空中，处处都有气象灾害；③发生频率高：统计资料显示，我国平均每年都会出现旱灾5-8次，涝灾4-7次；④持续时间长：同一种灾害往往会连季、连年出现。我国地处东亚季风区，天气气候复杂，千旱、洪涝、台风、高温、冷害、沙尘暴等气象灾害频繁发生，气象灾害造成的损失严重，受气象灾害影响的人口达4亿多人，所造成的经济损失约占国内生产总值的1%~3%
。同时由气象灾害引发或衍生的其它灾害，都对国家经济建设、人民生命财产安全构成极大威胁。同时有科学依据证明，今后数十年有些气象灾害的发生频率和强度有可能增加[2]。随着全球气候变暖，极端天气现象在我国频繁发生，气象灾害已经严重阻碍我国经济的发展。近年来，专家学者从遥感监测、气象学特征、时空分布等方面对各种气象灾害进行了大量的研究，其中灾害风险区划是灾害研究领域的一个重要方面，并取得了丰硕的成果[3—6]。研究表明，掌握气象灾害的特点和发生规律，开展相应的气象灾害风险评估工作，对于防御气象灾害，提高防灾减灾能力，趋利避害，保障人民生命财产安全，保证社会经济健康发展具有十分重要的意义。

1.2研究现状
大约在20世纪70年代后，气象灾害评价工作正式兴起，发展至今，涌现了多种气象灾害风险评价与区划方法，例如统计理论中的概率和统计方法、自然灾害理论中的灾害风险评价指数法、综合评价法（如层次分析法、灰色关联度分析法等）、人间生存环境风险评价方法(LEC评价法)、基于信息扩散理论的风险评价方法、基于气象一作物产量分析的作物灾害风险分析与评价方法、基于GIS的风险评价与区划方法、模糊聚类风险区划方法等。国内外研究人员针对各种方法进行了相应的研究，并得出很多重要的成果。Blaikei提出灾害是承灾体脆弱性与致灾因子综合作用的结果； Petak W提出了自然灾害风险评价方法；BURTONIR、 MILETIDS、 PETAKWJ等从灾害系统角度对评价体系进行探讨，得出很多重要的结论。
我国气象灾害风险评估始于20世纪50年代，主要以洪涝和干旱等灾种为研究对象，90年代以后，包括洪水、干旱、低温冷害以及台风等在内的气象灾害评估也开始受到重视。乐肯堂对我国海洋的风暴潮灾害进行了风险评估，并结合相应的灾情资料进行统计分析；冯定原等应用灰色系统理论关联分析的原理和方法对新疆伊犁地区的历年畜牧气象灾害进行了分析；丁燕[17]等以广东省14个市辖区为例，分别从台风暴雨和台风大风的角度分析了台风致灾因子的时、空、强规律，并选择人口密度、人均GDP和农业占GDP的比重等3个指标综合反映研究区台风灾害的潜在损失风险；谭宗琨对影响广西粮食产量的主要气象灾害进行评估研究，并对灾害风险进行区划；陈怀亮等人根据农业气象灾害风险分析理论，运用多因子综合风险指数模型，对河南省小麦生产农业气象灾害风险进行了综合区划，为农业气象灾害风险探讨了一条新的定量分析及区划技术体系；刘静[I9]等运用产量逐级分离模拟和逐步筛选聚类分析方法建立了综合灾害等级查询表和灾损评估模型。盛绍学、魏瑞江、姜爱军等分别建立了安徽、河北、江苏等省的农业气象灾害定量指标和评估方法。
随着气象灾害风险评估理论的逐渐发展与完善，国内相关学者开始利用编程语言，开发各种灾害风险区划系统。易高流编制了雷击损害风险评估软件，为雷击损害风险评估业务提供了一种新的方法和思路;张斌[24]等利用GIS技术开发了浙江省台风灾害评估系统，可为全省的台风决策服务提供基础支持；樊敏剑[25]利用3S技术建立洪水预警和灾害评估系统；吴浩云[26]等人利用计算机和GIS技术开发了集空间数据库管理、非空间数据库管理、洪涝灾害评估模型库管理以及洪涝灾害预测、评估、输出于一体的太湖流域洪滂灾害评估系统，为太湖地区防汛抗洪、抢险救灾提供科学依据；刘俊等人从江苏省洪涝灾害防治的实际需求出发，建立了江苏省洪灾害评估系统；陈建[28]等编制了贵州省旱情监测与灾害评估系统。
综上所述，可以看出目前我国已有的气象灾害风险评估系统主要存在以下不足：首先，几乎所有的系统都只对单一的灾种进行风险区划，而且受灾的研究对象也单一，可扩展性差，不太适合灾害种类较多的地区；其次，受数据空间范围的限制，风险区划的空间分辨率不高，无法满足县级或县级以下地区的需要，缺少精细化评估产品；再次，不同的系统侧重考虑的因子不同，而综合考虑四种因子(致灾因子、孕灾因子、承载体因子、防灾减灾因子)的模型较少；再次，模型理论研究较多，系统应用研究较少，不利于推广应用；最后，大部分系统主要根据历史资料做灾后的风险评估，少有针对三日内的预报数据做灾前预估。

    1.3 研究目的及意义 .................10
    1.4 研究内容和成果 .................10-11
    1.5 论文创新点 .................11-12
第二章 气象灾害风险评估理论及方法 .................12-22
    2.1 气象灾害风险评估模型 .................12-16
        2.1.1 致灾因子(H)危险性 .................13-15
        2.1.2 孕灾环境(E)敏感性 .................15
        2.1.3 承灾体(V)的脆弱性 .................15-16
        2.1.4 防灾减灾能力(R) .................16
    2.2 数据空间化 .................16-19
        2.2.1 气象数据空间化 .................17
        2.2.2 基础地理数据空间化 .................17-18
        2.2.3 社会经济数据空间化 .................18-19
    2.3 精细化评估方法 .................19-22
第三章 基于GIS的气象灾害风险精细化评估系统设计 .................22-38
    3.1 系统开发环境 .................22
    3.2 系统技术路线 .................22-23
    3.3 系统开发平台与技术 .................23-26
    3.4 系统设计原则 .................26-27
    3.5 系统框架设计 .................27-29
    3.6 系统功能设计 .................29-33
    3.7 系统数据库设计 .................33-38
第四章 基于GIS的气象灾害风险精细化评估系统实现 .................38-54
    4.1 系统应用环境 .................38
        4.1.1 硬件配置 .................38
        4.1.2 软件环境 .................38
    4.2 气象灾害资料调查系统 .................38-42
    4.3 气象灾害风险评估系统 .................42-54
        4.3.1 系统主界面 .................42-44
        4.3.2 系统设置 .................44-46
        4.3.3 气象灾害指标定制 .................46-47
        4.3.4 致灾因子危险性评估 .................47-48
        4.3.5 孕灾环境敏感性评估 .................48-49
        4.3.6 承灾体脆弱性评估 .................49-50
        4.3.7 防灾减灾能力评估 .................50-51
        4.3.8 灾害风险评估 .................51-52
        4.3.9 灾害风险预评估 .................52-54
第五章 系统应用及效果 .................54-60
    5.1 浙江德清县 .................54-60

总结

本文在研究分灾种气象灾害风险评估模型和精细化评估方法的基础之上，利用气象观测数据、天气预报产品、遥感影像数据、基础地理数据、灾情普查数据、社会经济数据等，采用Delphi编程语言、ArcEngine组件库、ArcSDE空间数据引擎和SQL Server数据库软件设计和开发了基于GIS的气象灾害风险精细化评估系统。系统包括了气象灾害资料调査系统和气象灾害风险评估系统，气象灾害资料调査系统负责前期的需求调査，调查结果用以定制气象灾害风险评估系统。在数据充分的情况下，利用本系统可以得到研究区域内常规气象灾害的较为理想的精细化评估产品，包括灾前的预估预警产品和灾后的风险评估产品。本系统可评估气象灾害种类多，精细化程度高，效果理想，专题图美观大方，业务流程清晰规范。
本文完成的工作总结如下：
1.总结了当前气象灾害风险评估的研究现状，对比分析了各种模型方法的优缺点，基于灾害风险理论，建立了普适的气象灾害风险评估模型。并在此基础之上，可以根据灾害自身的特性选择模型的因子参数，体现了模型良好的可继承性。
2.针对目前气象灾害风险评估的产品普遍精度不高，当研究区域较小时，不能很好的提供决策服务功能的问题，本文尝试性的使用了几种降尺度的精细化评估方法，包括空间插值法、多源数据融合法、公里网格法和人工订正法等。当研究区域为县级地区时，系统的精细化评估产品体现了明显的局地差异，取得了较为理想的效果。为以后的气象灾害风险的精细化评估趋势提供了思路和借鉴。