（自然地理学专业论文）沪宁高速公路雾灾的分布特征与风险评价.pdf

| i i j ll ll ll ll lll ll l l liij y 18 9 14 7 5 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：沪i 多2 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 议) 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协 学位论文作者签名：二撇 指导教师签名：譬绺鎏 签字日期：沙f f ，z 签字日期：洳，j 易， 目录 摘要i i i a b s t r a c t 第一章绪论。l 1 1 研究目的与意义l 1 2 国内外研究概况与进展2 1 3 主要研究内容5 1 4 创新性结论5 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术。6 2 1 研究区域背景。6 2 2 资料来源7 2 3 关键技术。 2 3 1 技术路线 2 3 2g i s 技术9 2 3 3 肥t 技术1 2 2 3 4 层次分析法1 3 第三章沪宁高速公路雾灾灾情评价1 6 3 1 浓雾导致封路的次数1 6 3 2 因浓雾造成的经济损失1 7 第四章沪宁高速公路大雾的时空分布特征1 9 4 1 雾的定义及强度等级划分19 4 1 1 雾的定义和分类1 9 4 1 2 雾的能见度等级划分2 0 4 2 雾过程数据的筛选2 1 4 3 时间分布特征2 l 4 3 1 季节分布特征。2 l 4 3 2 雾的日变化特征2 2 4 4 空间分布特征2 3 4 5 成雾差异原因分析2 6 第五章沪宁高速公路大雾灾害风险评价2 9 5 1 指标体系的构建2 9 5 1 1 构建指标体系的原则。2 9 5 1 2 评价指标的标准化处理2 9 5 1 3 建立风险评价指标体系。3 0 5 2 致灾因子危险性评价。3 l 5 2 1 致灾因子危险性的概念。3 l 5 2 2 危险性评价指标的选择。3 l 5 2 3 危险性评价3 2 5 3 承载体暴露性评价3 5 5 3 1 承灾体易损性的概念3 5 5 3 2 暴露性评价指标的选择3 6 5 3 3 暴露性评价。3 8 5 4 风险性评价4 0 5 4 1 风险评价模型4 0 5 4 2 风险评价结果4 l 5 5 防灾减灾对策4 2 第六章结论与展望“ 6 1 主要结论4 4 6 2 论文创新点4 4 6 3 展望4 5 参考文献4 7 j 变谢51 摘要 雾的危害很大，不仅能引发交通事故、影响供电系统正常运转，还会严重 危害人体健康。沪宁高速公路地处我国经济最发达的长江三角洲地区，充分了 解沪宁高速公路大雾发生的基本情况并对其进行雾灾风险分析，可为政府及高 速公路运营单位的防灾减灾工作提供及时、准确的资料，也为避险救灾提供可 靠的参考依据。 本文基于沪宁高速公路上的2 6 个a m w 自动气象站的气象观测数据以及沪 宁高速公路沿线区域的地理信息数据，首先对高速公路上低能见度大雾的时空 分布特征进行统计与分析。沪宁高速公路雾天具有明显的季节变化和日变化特 征，由于江苏省冬季天气寒冷，水汽易于达到饱和，近地面空气相对湿度较大， 因此成为大雾的高发季节，春秋季节空气中水汽含量较小，不易成雾；自半夜 起雾出现的次数逐渐增多，清晨5 点至8 点是有雾存在的最集中的时段，太阳 升起以后雾出现的次数迅速下降，到午后至傍晚时段雾发生次数达到最低。 文章在建立风险评价模型的基础上利用g i s 技术对沪宁高速公路各个路段 雾灾发生的危险性与承灾体暴露性进行综合分析，最终完成对沪宁高速公路雾 灾风险性的评价和区划。评价结果表明，窦庄罗墅湾路段的雾灾危险性明显高 于其他路段，因此即使受到承灾体暴露度值偏低的影响，该路段的雾灾风险性 仍为全路最高，应当重点做好大雾防灾各灾工作；风险度次高值段为无锡苏州 段以及旬容河阳段；常州- 无锡段是雾灾风险度等级最低的路段，发生雾灾的风 险最小。 关键字：雾灾，风险评价，时空分布，沪宁高速公路，a r c g i s i l l a b s t r a c t f o gm a y 啦a b o u th u g ea d v e r s ee f f e c ti tw o u l d l e a dt ot r a 伍ca c c i d e n t s ，a f f e c t t h en o r m a lo p e r a t i o no f e l e c t r i c a ls y s t e m , a n de v e ne n d a n g e rp e o p l e sh e a l t h h u n i n g h i g h w a yi sl o c a t e di nc h a n g i i a n gd e l t a , w h i c hi st h em o s td e v e l o p e da r e aw i t ht h e l a r g e s tp o p u l a t i o n a n a j y z m gt h er i s ko ff o gt ot h ee x p r e s sw a yc a np r o v i d et i m e l y a n da c c u r a t em a t e r i a l st og o v e r n m e n t sa n dt r a n s p o r te n t e r p r i s e s ，a sw e l la sr e l i a b l e p r o o f sf o rp r e v e n t i n gs u c h d i s a s t e r sa n dr e s c u i n g b a s e do nt h em e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o nd a t ao f2 6a m wa u t o m a t i cw e a t h e r s t a t i o n so fh u n i n gh i g h w a ya n dt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nd a t ao ft h ea 陀ab yt h e s i d eo fh u n i n gh i g h w a y , t h es p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fl o wv i s i b i l i t yh e a v y f o g0 1 1t h eh i g h w a yw a sa n a l y s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef o gw e a t h e ro fh u n i n g h i g h w a yh a sa p p a r e n tf e a t u r e so fs e a s o n a lv a r i a t i o n sa n dd a i l yv a r i a t i o n s d u et ot h e c h i l l yw e a t h e rd u r i n gt h ew i n t e ri nj i a n g s up r o v i n c e ，w a t e rv a p o u rc a nt a s t yr e a c h s a t u r a t i o n , r e l a t i v e l yh i g hh u m i d i t yn e a rs u r f a c 宅w h i c hi st h er e a s o no ft h ef o g s e a s o n w a t e rv a p o u rd e n s i t yi nt h ea i ri sr e h t i v l yl o wd u r i n gs p r i n ga n df a l l ，s of o g i sn o tf o r m e du s u a l l y , b u ti tt u r n so u tt ob ed i f f e r e n ta f t e r 血d 1 1 i 龇t h ew e a t h e ri s m o r ea n dm o r ec l o u d y ，a n di tg o e st oap o i n t , w h e r et h eh e a v i e s tf o g , e m e r g e sf r o m5 a l nt o 8a m 9a l t e rt h es u nr i s e ，t h ef r e q u e n c yo ff o ge m e r g i n gi sd e c r e a s i n gu n t i a l a f t e r n o o na n de v e n i n gw h e nt h ef r e q u e n c yr e a c h e st ot h el o w e s tp o i n t i na d d i t i o n , b a s e do nt h er i s ka s s e s s m e n tm o d e le s t a b l i s h e d , t h eh a z a r da n d e x p o s u r eo fd i s a s t e rb o d ya b o u te a c hr o a d sf r o mt h eh u n i n gh i g h w a yw e r em a d e c l e a rw i t ha r e g i sa n d ，t h ef o gd i s a s t e rh a z a r da b o u th u n i n gh i g h w a yw a sa s s e s s e d a n di t sl e v e lw a sd i v i d e d t h er e s u l ts h o w st h a t , t ot h ef o gd i s a t e rt h e d o u z h u a n g - l u o s h u o w a ns e c t i o ni sm o r ed a n g e r o u st h a nt h eo t h e rs e c t i o n so nt h e h u n i n gh i g h w a ya n dw es h o u l dd ot h e d i s a s t e r p r e v e n t i o nw e l l ，a n d t h e w u x i - s u z h o us e c t i o na n dt h ej u r o n g - h e y a n gs e c t i o na r ei nt h es e c o n dp l a c e ，t h e c h a n g z h o u - w u x is e c t i o n h a st h el o w e s tr i s ko f f o gd i s a t e r k e yw o r d s ：f o gd i s a s t e r , r i s k 嬲s s m 髓乞s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o n , h u n i n gh i g h w a y , a r c g i s i v 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论弟一旱珀t 匕 近年来，随着城市经济的发展，大气污染物在城市及周边地区的聚集，加 剧雾的生成，城市雾的强度在逐渐加大【l - 2 】，大雾天气对人们生产生活的影响日 趋明显，经常造成人员伤亡、财产损失等灾情，成为一种自然灾害 3 1 。雾是影响 高速公路运营的主要灾害性天气，雾对高速公路交通的影响主要分为两部分： 雾带来能见度下降，当能见度小于5 0 0 m 时，常引发车辆减速、交通事故甚至 高速公路关闭，给地方经济和高速公路自身经济效益造成极大的损失。高速公 路的昼夜车流量大，雾天条件下出现的交通事故基本上都是几十辆车相撞，人 员伤亡多，现场恢复时间长。如沪宁高速公路的封闭常常会导致其它公路或周 边小城镇出现交通堵塞，甚至交通瘫痪；能见度小于l k m 时，在温、湿度适宜 的情况下，路面易形成薄霜，引起车辆打滑造成事故，以及车窗内侧有水汽凝 结，影响司机视线等嗍；另外，大雾易对电力传输系统造成损害，形成雾闪效 应。“雾闪”是指出现大雾时，相对湿度较大，高压输电线路的瓷瓶上有凝结水 沿瓷瓶向下流动，由于凝结水中有带电的灰尘，致使高压输电线路形成瞬间短 路，“雾闪 往往会造成大范围停电事故。例如，2 0 0 1 年2 月2 2 日凌晨，辽沈 地区发生大面积停电，拥有7 0 0 万人口的沈阳市霎时陷入一片黑暗之中，断电 持续了十多个小时，造成了巨大的经济损失。此外，雾引起的大气污染对人体 健康的危害更是不可低估。雾的形成使大量有害物质在空气中滞留积聚，加剧 空气污染。如果雾持续数日，空气中污染物会迅速增加。这些有害物质被人吸 入或接触过多，可引起气管炎、喉炎、肺炎、鼻炎、眼结膜炎及过敏性疾病， 并且容易引起伤风感冒，诱发高血压、冠心病、呼吸系统疾病发作和脑溢血的 发生嗍。 当前，我国的交通运输业正处于高速发展阶段。自1 9 8 8 年1 0 月我国大陆 南京信息工程大学硕士学位论文 首条高速公路上海沪嘉高速公路建成通车以来，截止到2 0 0 6 年底，中国高速公 路通车总里程已达4 5 4 万k m ，居世界第二位，其直接服务区的g d p 占全国总 量的8 5 以上网。随着交通运输量的猛增和车辆行驶速度的提升，对交通运输 中安全保障提出了更高的要求。加强以高速公路为主的、包括重点地区的主要 路段、城市、港口码头、黄金水道的交通气象观测网建设，构建交通气象预测、 预警和评估系统，是现代交通气象的主要任务【7 1 。沪宁高速公路地处我国经济 最发达、城市最集中、人口最密集的长江三角洲地区，下垫面和低层空气中水 汽丰富，是浓雾高发地区。据统计，沪宁高速公路上因低能见度浓雾的影响造 成的交通事故，大约占事故总数的1 4 左右，雾天高速公路的事故率是平常的 1 0 倍，故有“浓雾 是高速公路的“杀手之说网。2 0 0 7 年仅江苏省内高速公 路因大雾造成交通事故死亡人数就达到3 4 人 9 1 。 在中国，由于对高速公路的气象灾害的研究、监控和管理水平还有待提高， 一旦路面大雾形成，在碎不及防的情况下，事故产生不可避免。因此，全面认 识高速公路的雾的形成与分布特征、对高速公路进行雾灾风险评价与区划，可 为政府及高速公路运营单位的防灾减灾工作提供及时、准确的资料，也为避险 救灾提供可靠的参考依据，具有极其重要的现实意义。 1 2 国内外研究概况与进展 风险概念的首次提出是在经济领域。在自然灾害领域中，联合国人道主义 事务部于1 9 9 1 和1 9 9 2 年两次正式公布了自然灾害风险的定义，即风险是在一 定区域和给定时段内，由于某一自然灾害而引起的人们生命财产和经济活动的 期望损失值 1 0 - 1 1 1 。过去的自然灾害研究和防灾减灾活动主要侧重于灾害的自然 因素分析，如灾害分布规律、形成机制、趋势预测等。近年来，国内外许多学 者【协1 8 】陆续开展了自然灾害综合区划理论与方法的研究，特别是上个世纪9 0 年 代以来，为更好地服务于防灾各灾，灾害损失评估与影响预测研究【1 9 0 0 1 在国内 逐渐发展起来。风险评估从致灾因子危险性入手的较多，对承灾体易损性的研 2 第一章绪论 究相对薄弱。在承灾体的自然灾害脆弱性方面，我国的研究大致始于2 0 世纪9 0 年代，基本上是伴随“国际减灾十年计划 和全球变化研究的实施而起步的。 自姜彤阱】1 9 9 6 年呼吁在我国开展自然灾害社会易损性研究以来，我国一大批学 者针对不同的承灾体，相继开展了全球气候变化下的自然灾害承灾体易损性研 究工作。其中以商彦蕊 2 2 - 2 4 1 把河北省作为案例进行的区域农业干旱灾害易损性 研究、杨桂山陋婀等对全球变化下的海岸易损性研究等研究最具代表性。 自然灾害主要包括地质灾害和气象灾害。气象灾害是发生频率最高，影响 范围最大，危害最严重的一种自然灾害，发生次数约占自然灾害的9 0 左右。 气象灾害风险可以定义为：气象灾害事件发生的可能性以及由其造成后果的严 重程度【2 刀，我国气象灾害风险评估始于2 0 世纪5 0 年代，以洪涝和干旱等灾种 为主要研究对象，9 0 年代以后，包括洪水、干旱、暴风雪以及台风等在内的气 象灾害风险评估受到重视 2 8 - 3 1 1 ，但是气象灾害的风险评估至今仍没有形成普遍 适用的、系统的评估理论。部分学者从灾害系统角度对评价体系进行探讨【3 二划， 目前对洪水灾害系统风险评估研究比较成体系。” 国内外对雾灾的研究取得了大量的成果。目前，国内学者主要针对人工消 雾、雾的物理化学特性、雾生消物理过程、及其时空分布特征和辐射特性等方 面开展了大量的分析和探讨 3 5 4 1 】；同时，部分学者还构建了雾灾灾害系统模式、 灾害链模式和雾灾承灾体脆弱性评价体系和模型，取得了较为显著的成果【4 2 】。 但对于大雾在交通运输、空气污染、电网出现“雾闪 短路等对承灾体的影响 及其风险评估和区划方面的研究仍相对薄弱。 近年来，国内对雾的研究己从过去偏重于从气象的角度观测研究，逐渐转 向于将雾与高速公路交通安全联系起来考虑，并从雾的产生、发展、消亡的过 程分析雾产生及其发展的原因和影响因素。研究重点已从过去侧重考虑雾滴粒 子的微观参量，转向从宏观的角度分析能见度降低对高速公路交通安全的影响， 进而提前采取防御措施，达到防灾减灾的目的。如邓顺熙【4 3 】以沪蓉高速公路东 段多年来的雾资料为基础，分析了高速公路沿线地区雾的分布规律和特征，研 究雾对能见度的影响，讨论了能见度与雾微观物理量的关系，并对人工影响雾 3 南京信息工程大学硕士学位论文 天高速公路能见度的方法进行可行性分析。冯民学等嗍提出通过建设高速公路 环境气象监测站以获取与浓雾有关的气象要素和能见度实测值，并结合高速公 路沿线地区浓雾个例研究，统计形成浓雾的环流形势特征和局地观测站气象要 素演变与能见度变化的规律和特征，据此提出高速公路浓雾监测预警系统的设 想。孟燕军等 4 5 1 参照气象学上对能见度的分级，将高速公路能见度分为7 级。 对1 9 8 0 1 9 9 8 年北京地区2 0 个地面气象观测站的能见度资料和首都机场高速公 路、八达岭高速公路经过的顺义、昌平两地的能见度实测值进行统计分析，指 出北京地区低能见度的出现频率比两条高速公路低能见度的出现频率高，北京 地区及两条高速公路的各级能见度的逐年、逐月变化趋势相同。徐虹等 4 6 1 应用 四个气象站1 9 9 0 1 9 9 7 年秋冬季大雾资料，对西宝、西铜、西渭高速公路的大 雾进行气候分析，研究大雾形成的天气概念模型，得出：高等级大雾主要出现 在1 0 、1 1 、1 2 和3 月，且具有明显的局地性特点，在变性冷高压形势下雾更容 易形成。王i i i t 4 n 通过对陕西省1 7 个气象站1 9 9 1 - 2 0 0 0 年雾日进行统计分析，总 结出陕西省高等级公路大雾的气候规律，即遵循一定的季节性、地域性，且省 内南北有明显差异。 在雾灾风险评估方面也有学者进行了重要的探索。如张姝丽【4 s 】等基于北京 地区最近2 0 年大雾天气的观测数据和对大雾天气衍生的灾情调查数据，应用灰 色关联度方法，对大雾的灾情评估指标、灾害等级划分等进行分析，建立了评 估模型，并对2 2 个雾灾个例进行了评估。扈海波 4 9 - 5 0 l 等在城市雾灾的风险性研 究上颇有建树，其运用g i s 软件，在研究区域范围内划分一定大小的正方形网 格单元。通过选用多年的大雾观测资料，分析大雾的年月际的变化情况，并根 据每个测站的年平均大雾日数，做出大雾在城市地区的年平均日数分布图，年 平均日数内插到每个评估网格单元，以每个网格单元内的年平均日数与最大年 平均日数的比值作为网格区域内雾灾的危险性指数；逐网格计算网格区域内的 路网密度，以此作为雾灾的空间脆弱性指标，并针对重点设施的分布情况对脆 弱性指数进行空间叠加订正；选用网格内的人口密度作为雾灾的易损性指标； 危险性、脆弱性及易损性3 项指标按5 ：2 ：1 的分配比例综合测算雾灾的风险指数。 4 第一章绪论 1 3 主要研究内容 本论文主要包括以下三方面的研究内容： 1 用v b n e t 语言编写程序，在连续的气象观测数据中筛选出每一次雾过 程，由此分析沪宁高速公路大雾天气的时空分布特征，按不同强度对雾分等级 进行统计，并对其形成原因进行分析。 2 通过基于g i s 等操作分别评价沪宁高速公路不同路段发生雾灾的危险度 和承灾体的暴露度，进而总体评价沪宁高速公路各路段发生雾灾的风险度，并 最终完成道路风险的分段区划。 3 结合沪宁高速公路近几年雾灾的实际灾情状况，为道路的防灾减灾工作 提出几点建议。 1 4 创新性结论 本文中不同于以往的以行政区域作为评价对象的气象灾害风险评价，而 以整条公路作为雾灾风险的评价对象，对评价雾灾对交通运输业的影响更具 有现实意义。本文利用沪宁高速公路上2 6 个a m w 自动气象站的气象观测数 据，从中筛选出符合大雾条件的每一次雾过程，首次对沪宁高速公路全段的浓 雾时空分布情况进行系统的研究分析并对沪宁高速公路的雾灾风险进行评价， 最终完成了沪宁高速公路雾灾高风险区和低风险区的区划工作。结果表明，窦 庄罗墅湾路段雾灾风险性为全公路路最高；次高值区为东段的无锡苏州段以及 西段的句容河阳段；常州无锡段是雾灾风险度等级最低的路段，发生雾灾的风 险最小。 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 2 1 研究区域背景 沪宁高速公路绝大部分处于江苏省南部地区，是我国经济最发达、城市最 集中、人口最密集的长江三角洲地区( 图1 ) 的重要组成部分，属于亚热带季风 区，气候温和湿润，四季分明，日照充足，无霜期长。年平均气温1 5 1 6 。c ，1 月最低平均气温2 3 。c ，7 月最高平均气温2 8 - 2 9 。c ；年最高气温3 5 3 8 。c ， 最低气温5 8 。c 。年降雨量1 0 0 0 1 3 0 0 r a m ，主要集中于6 - 9 月【5 1 1 。江苏地形地 势低平，河湖较多，平原、水面所占比例较大。公路全段北邻长江下游，中东 段位于平原地形区域，紧邻太湖，多河网；西段处于丘陵地形中。由于下垫面 和低层空气中水汽比较丰富，每年自秋分到次年立夏浓雾多发，严重影响道路 顺畅和行车安全。沪宁全线又以常州镇江段出现大雾的概率最高。 沪宁高速公路是国家“八五刀期间重点工程之一，是一条交通黄金大道， 公路两侧市、镇星罗棋布，西起南京马群，东至上海安亭，途经苏州、无锡、 常州和镇江市，包括9 个县( 市) 、5 4 个乡、镇。全长约2 7 4 3 5 千米( 江苏省 境内长2 5 8 4 6 公里，上海市境内2 5 8 9 公里) ，双向八车道。道路沿线地区企业 众多，经济发达，沿线行政区面积虽只占全国总面积的0 3 5 ，但国民生产总 值却占全国的1 0 以上，已然形成“经济走廊一。江苏省的1 1 家国家级开发区、 3 0 多家省级开发区均位于沪宁高速公路沿线，包括南京马群开发区、镇江开发 区、无锡新区、常州高新技术开发区、苏州新区、苏州工业园区、昆山开发区、 锡山经济开发区和东北塘工业园区等等。 沪宁高速公路于1 9 9 6 年9 月建成运营，2 0 0 5 年底完成扩建工程，2 0 0 6 年1 月1 日起全线八车道通车。沿线江苏境内五市区域内的交通发生量占其总通行 量的6 0 左右。沪宁高速公路通车带来了畅通的人流、物流、信息流，加速了 沿线地区经济的发展。通过高速公路，上海到苏州、无锡、常州、南京的时间 6 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 分别只有4 5 分钟、7 5 分钟、1 0 0 分钟和3 小时。因此，如何减少不利气象条件 对沪宁高速公路运营的影响和提高在恶劣天气条件下的安全通行能力就显得尤 为重要。 2 2 资料来源 图l 研究区区位图 1 气象观测数据：本文利用2 0 0 6 年4 月1 5 日至2 0 1 0 年1 2 月3 1 日5 年 7 n 南京信息，t 程大学硕士学位论文 的沪宁高速公路沿线2 6 个a m w ( ) 自动气象站的每分钟气象观测数据进行研 究。2 0 0 6 年沪宁高速公路公司在沪宁高速公路沿线安装了2 6 套a m w 自动气 象监测站，其中6 个监测站安装在收费站站区内、6 个安装在服务区内、还有 1 4 个安装在高速公路主线的南侧。自动气象监测站可同时采集温度、湿度、气 压、风向、风速、雨量、能见度等7 个气象要素，通过c d m a 无线通讯方式每 分钟向监控中心发送一组记录信尉5 2 】。2 6 个气象监测站东起上海西至南京，站 址依次为：花桥、陆家、昆山、苏州工业园、阳澄湖、苏州东、苏州新区、苏 州西、梅村、无锡东、新兴塘大桥、无锡北、玉祁、横山、芳茂山、常州北、 常州西、罗墅湾、窦庄、丹阳、河阳、镇江枢纽、仙人山、旬容、汤山、黄粟 墅和马群( 如图2 ) 。 2 地理信息数据：包括国家基础地理信息系统【5 3 1 下载到的长江三角洲地区 1 ：4 0 0 万基础地理信息数据中的行政区界信息数据、水系信息数据和公路信息 数据，以及来源于全球科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站i 跚的 3 0 m 分辨率的长三角地区的d e m ( 数字高程模型) 数据。 3 灾情资料：2 0 0 6 年2 0 0 9 年沪宁高速公路因气象灾害引起的交通管制时 间汇总。 图2 a m w 自动气象监测站点分布图 8 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 2 3 关键技术 2 3 1 技术路线 1 根据设定的条件用v b n e t 语言编写程序，在连续的气象监测数据中筛 选出雾过程数据。 2 对雾过程数据进行统计分析，得到沪宁高速公路雾天的时空分布特征。 3 建立雾灾危险性评价模型，对雾灾危险性进行评价并利用g i s 技术完成 危险性区划。 4 建立雾灾暴露性评价模型，对雾灾暴露性进行评价并利用g i s 技术完成 暴露性区划。 5 基于g i s 技术最终完成雾灾风险的评价与区划。 图3 技术路线图 9 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 2g i s 技术 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计算机软硬 件支持上，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位及与之相 关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统 5 5 3 。 地理信息系统的基本特征主要有嗍： 1 地理信息系统在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数 据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理 现象的一种新的思维方法； 2 地理信息系统强调空间分析，通过利用空间解析式模型来分析空间数据， 地理信息系统的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计； 3 地理信息系统的成功应用不仅取决于技术体系，而且依靠一定的组织体 系( 包括系统管理员、技术操作员、系统开发设计者等) ； 4 虽然信息技术对地理信息系统的发展起着重要的作用。但是，实践证明， 人的因素在地理信息系统的发展过程中越来越具有重要的影响作用，地理信息 系统许多的应用问题已经超出技术领域的范畴。 地理信息系统可实现的基本功能有 5 7 1 ： 1 数据采集、检验与编辑； 2 空间数据管理和制图功能； 3 查询、检索、统计、计算功能； 4 空间查询与空间分析功能； 5 地形分析功能； 6 数据显示与输出数据显示。 正是g i s 的上述功能和特性，使其成为解决人类所面临的资源与环境问题 的重要工具，并越来越广泛地应用于水资源评价与管理、环境影响评价与污染 防治网、土地利用规划与场地选址【5 9 1 、自然灾害的评价与风险管理【6 晰1 】等领域。 值得一提的是g 坞的空间插值功能。本文中多次运用a r c g i s 软件中的空间 1 0 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 插值功能来进行雾灾的空间分布显示及进行区划。空间插值就是使用有限样本 值去推测未知位置值的过程，即从分布在某一区域内的一组具有已知值的样本 点计算未知位置的值，未知单元与已知单元间的距离影响最后的预测值。使用 很少的样本点就能获得完整的表面，但要得到细致的表面就需要更多的样本点。 一般情况下，要求样本点很好地分布在整个研究区。但在一些现象发生变化或 聚集的地方需要更多的样本点。 常用的空间插值方法有： 1 反距离权重插值 反距离权重插值通过对邻近区域的每个单元值平均运算来获得单元值。距 离预测单元中心越近的点，其权重越大，这是一个均分过程。该方法比较适合 应用于样本点比较多而且分布均匀的情况，但该方法没有考虑数据变化的趋势。 如：一个实际表面在南北方向比东西方向的变化要剧烈，但其插值结果平均了 这种差别，而没有维持这个趋势。 2 样条法插值 样条法插值通过将一个使表面整体曲率减为最小的数学函数来估算单元 值，所得表面较为平滑。样条法就如同拉伸一片橡皮膜使之通过所有样本点并 保证整体曲率最小。这种方法适宜于变化的表面，在样本点没有包含最大、最 小值时的适用性较好。但是，当样本距离较近，并且样本值之间差异较大时， 拟合效果不好。因此该方法较适用于高程、水位高度或污染物浓度这样的渐变 曲面。 3 克里格法插值 克里格插值是一种基于地统计学的插值方法，这种方法建立在包括自相关 ( 已知点之间的统计关系) 统计模型的基础上。因此，该方法不仅能生成一个 预测表面，而且还可以给出预测结果的精度或确定性的度量。克里格插值与反 距离权重插值相似，都是给已知的样本点赋权重来计算出未知点的预测值。在 反距离权重插值中，权重仅取决于距预测位置的距离。然而，在克里格插值中， 权重不仅建立在已知点和预测点位置间距的基础上，而且还要依据样点的位置 南京信息工程大学硕士学位论文 和样点值的整体空间分布和排列。克里格插值的权重取决于样点的拟合模型、 距预测点的距离和预测点周围样点间的空间关系嘲 a r e g i s 空间分析模块提供了上述3 种插值方法。选择所使用的插值方法依 赖许多因素。不能假定哪种方法最好，应该试验不同的方法，并通过结果比较 来确定特定项目的最好插值方法。对工作目标、掌握的数据等相关真实地理知 识的理解将影响插值方法的选择。但无论选择哪种插值方法，样本点越多，样 本点分布越广，插值结果越接近实际值。 本论文中，用计算得到的沪宁高速公路沿线2 6 个自动气象站点的不同等级 浓雾的持续时间和危险性指数来进行空间插值。由于样本点比较多并且较为均 匀地分布在高速公路上，理论上运用反距离权重法效果比较理想。在实际的操 作中，比较了三种方法的插值效果，事实证明，确是反距离权重法的插值结果 比较理想，接近实际情况，出图效果直观清晰。 2 3 - 3v b n e t 语言 v b n e t 是v i s u a lb a s i c n e t 的简称，是微软最新平台技术， 是n e t f r a m e w o r k s d k 的一种语言。v i s u a ls t u d i o 是微软公司推出的开发环境， 是目前最流行的w i n d o w s 平台应用程序开发环境。目前已经开发到1 0 0 版 本，也就是v i s u a ls t u d i o2 0 1 0 。v i s u a ls t u d i o 可以用来创建w m d o w s 平台下 的w i n d o w s 应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备 应用程序和o f f i c e 插件。n e t 的通用语言框架机制( c o m m o nl a n g u a g e r u n t i m e ，c l r ) ，其目的是在同一个项目中支持不同的语言所开发的组件。所有 c l r 支持的代码都会被解释成为c l r 可执行的机器代码然后运行。v i s u a l b a s l e 、v i s u a lc - h 都被扩展为支持托管代码机制的开发环境，且v i s u a l b a s i c n e t 更是从v i s u a lb a s i c 脱胎换骨，彻底支持面向对象的编程机制。 本文即采用基于v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 8 平台的v b n e t 语言编制程序对常规气象 要素观测数据进行方便快速地处理，根据雾天的气象要素特征设置并输入雾天 识别条件，从而实现对每一次雾过程的识别，在海量的每分钟的气象观测数据 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 中筛选出每一次成雾的过程，记录下雾的生成、消散、最低能见度出现时刻、 雾过程的持续时间和最低能见度大小等重要的信息。 2 3 4 层次分析法 本文中利用层次分析法确定各个评价指标的权重。层次分析法( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是一种对一些较为复杂、较为模糊的问题做出决 策的简易方法，它特别适用于那些难于完全定量分析的问题。它是美国运筹学 家、匹兹堡大学萨蒂( t l s a a t y ) 教授于2 0 世纪7 0 年代初期提出的一种简便、 灵活而又实用的多准则决策方法。 运用层次分析法建模，大体上可按下面四个步骤进行f 6 3 】： 1 建立递阶层次结构 ( 1 ) 最高层：这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或 理想结果，因此也称为目标层。 ( 2 ) 中间层：这一层次中包含里为实现目标所涉及的中间环节，它可以由 若干层次组成，包括所需考虑的准则，子准则，因此称为准则层。 ( 3 ) 最底层：这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案 等，因此也称为措施层或方案层。 2 构造判断矩阵 层次结构反应了因素之间的关系，但准则层中的各准则在目标衡量中所占 的比重在决策者的心目中，它们各占有一定的比例。 s a a t y 等人建议可以采取对因子进行两两比较建立成对比较矩阵的方法，即 每次取两个因子x i 和x j ，以绚表示x i 和x j 对z 的影响大小之比，全部比较结果 用矩阵t - ( a i j ) n n 表示，称t 为z x 之间的成对比较判断矩阵( 简称判断 矩阵) 。关于如何确定a i j 的值，s a a t y 等人建议引用数字1 - 9 及其倒数作为标度。 如表1 列出了1 - 9 标度的含义： 南京信息工程大学硕士学位论文 表1 标度的含义 标度含义 表示两个因素相比，具有相同的重要性 表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要 表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要 表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要 表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要 倒数因素i 与因素j 相比得b i ，且j 与i 比判断为l ，b i i 2 ，4 ，6 ， 8 分别为上述相邻判断的中值 根据表3 得到判断矩阵t ： t = = b l la 2 kk 吒，瓦： 6 i 。 6 2 m 6 肭 3 层次单排序及一致性检验 对于判断矩阵a 对应与最大特征值k 的特征向量w ，经归一化后即为同 一层次相应因素对应上一层次某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层 次单排序。 对判断矩阵需要一致性检验。 ( 1 ) 计算一致性指标c i - ( 2 ) ( 2 ) 查找相应的平均随机一致性指标砒： 用随机方法构造5 0 0 个样本矩阵：随机从1 - 9 及其倒数中抽取数字构造正互 反矩阵，求得最大特征根的平均值刀一平均随机一致性指标砒计算方法为： 1 4 ， 3 5 7 9 馓 第二章研究区域背景、资料来源与关键技术 r = 圣：堕二! n 一1 ( 3 ) 计算一致性比例c r ： 以：旦 脚 当c r 0 1 0 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的， 做适当修正。 4 计算结果分析 计算判断矩阵的特征向量，这个特征向量即为权重w 。 ( 3 ) ( 4 ) 否则应对判断矩阵 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章沪宁高速公路雾灾灾情评价 低能见度大雾经常造成严重的交通事故，据统计，沪宁高速公路上因低能 见度浓雾的影响造成的交通事故，大约占事故总数的1 4 左右，雾天高速公路 的事故率是平常的1 0 倍，例如最严重的一次事故发生在2 0 0 1 年2 月1 0 日清晨 5 时至8 时多，沪宁高速公路镇江至丹阳段发生1 0 0 多辆汽车相互追尾事故。有 两辆汽车被烧毁，4 人死亡，至少4 6 人受伤州。另外浓雾还经常造成高速公路 的封路，直接导致交通运输中断，给地方经济和高速公路自身经济效益造成极 大的损失。由于高速公路的网络化，沪宁公路的封闭常常导致其它公路或周边 小城镇出现交通堵塞，甚至交通瘫痪。由于浓雾所引起的交通事故所造成的损 失和由其导致的交通中断给地方经济所造成的直接和间接的经济损失以及雾对 人体健康的影响评价缺乏必要的数据支持而且也难以定量的评价，所以本文只 以浓雾导致高速公路封路所造成的直接经济损失来简单评价沪宁高速公路雾灾 的灾情。 3 1 浓雾导致封路的次数 由于尚无特别有效的大雾交通事故预防措施，或由于投资方面的原因，关 闭高速公路是目前经济欠发达国家普遍采用的防止高速公路大雾交通事故的一 种较为有效的方法。但在具体做法上，各个国家高速公路管理部门可能对于关 闭高速公路所对应的能见度值有不同的规定。沪宁高速公路通常在能见度低于 5 0 m 的情况下采取封路措施。 据不完全统计，2 0 0 6 年2 0 0 9 年沪宁高速公路因低能见度、路面结冰等气象 灾害原因共封路6 9 次，其中因发生浓雾封路共有5 7 次，占到总次数的8 3 ， 可见浓雾已成为影响高速公路正常运营的最主要的灾害性天气。四年中，1