層次分析法和GIS技術(shù)在河南省雷電災(zāi)害風險區(qū)劃中的應(yīng)用

摘要 根據(jù)自然災(zāi)害風險評估理論，利用閃電定位資料、地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)以及雷電災(zāi)情等數(shù)據(jù)，采用層次分析法（AHP法），從致災(zāi)因子的危險性、承災(zāi)體的暴露度和承災(zāi)體的脆弱性方面，研究雷電災(zāi)害風險評估及區(qū)劃方法，建立起評價指標與風險評估的定量關(guān)系，形成了河南省雷電災(zāi)害風險評估的方法.同時，結(jié)合GIS技術(shù)，形成了致災(zāi)因子危險性分布圖、承災(zāi)體的暴露度分布圖和承災(zāi)體的脆弱性分布圖，最終疊加形成河南省雷電災(zāi)害綜合風險區(qū)劃圖.區(qū)劃結(jié)果表明：高風險區(qū)主要位于豫東和豫西北大部分地區(qū)，低風險區(qū)主要位于豫北和豫西南部分地區(qū).

關(guān)鍵詞 層次分析法;GIS技術(shù);雷電災(zāi)害;風險區(qū)劃

中圖分類號 P429

文獻標志碼 A

0 引言

雷電災(zāi)害是一種嚴重的自然災(zāi)害，能夠造成人畜傷亡、建筑物損壞和電子設(shè)備受損，還可能誘發(fā)火災(zāi)和爆炸等次生災(zāi)害[1].目前對雷電災(zāi)害的研究以雷電防護技術(shù)為主，如雷電起電機理、雷電產(chǎn)生過程等，而雷電現(xiàn)象的大氣物理機制研究則為雷電預(yù)報預(yù)警和防雷減災(zāi)工作提供了基礎(chǔ)理論支持.然而雷電災(zāi)害風險評估和預(yù)警研究還沒有形成一個系統(tǒng)的理論體系或評估方法，就目前的預(yù)報水平而言，還不能實現(xiàn)雷電的精確預(yù)報.因此，雷電災(zāi)害評估與區(qū)劃對防雷減災(zāi)具有重要意義，雷電災(zāi)害評估和預(yù)警也將成為雷電研究的熱點[2].

2010年4月1日起實施的《氣象災(zāi)害防御條例》規(guī)定：“縣級以上地方人民政府應(yīng)當組織氣象等有關(guān)部門對本行政區(qū)域內(nèi)發(fā)生的氣象災(zāi)害的種類、次數(shù)、強度和造成的損失等情況開展氣象災(zāi)害普查，建立氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，按照氣象災(zāi)害的種類進行氣象災(zāi)害風險評估，并根據(jù)氣象災(zāi)害分布情況和氣象災(zāi)害風險評估結(jié)果，劃定氣象災(zāi)害風險區(qū)域.”因此，劃定以雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的雷電災(zāi)害風險區(qū)域是履行氣象主管機構(gòu)行政職能的迫切需要.通過雷電災(zāi)害風險區(qū)劃，可以為氣象災(zāi)害綜合風險區(qū)劃充實內(nèi)容，并為氣象災(zāi)害防御規(guī)劃的編制奠定必要基礎(chǔ).

近年來，隨著閃電定位系統(tǒng)的建立，雷電觀測由人工觀測轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣佑^測，雷電風險區(qū)劃更多地開始采用閃電定位系統(tǒng)資料作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù).相關(guān)文獻確定風險區(qū)劃指標權(quán)重的方法主要有“經(jīng)驗法”、“專家打分”及“層次分析法”等[3-8]，其中，層次分析法能更加明確各指標所起作用的差異性.根據(jù)自然災(zāi)害系統(tǒng)理論和自然災(zāi)害風險評估理論對雷電進行風險區(qū)劃研究相對較少，而關(guān)于雷電災(zāi)害風險區(qū)劃的研究也大多是以縣為單元的分析[9-11]，精細化程度不高.隨著 GIS 技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息數(shù)據(jù)在氣象領(lǐng)域發(fā)揮著越來越廣泛的應(yīng)用，把 GIS 技術(shù)用于氣象災(zāi)害風險區(qū)劃中，將大大提高氣象災(zāi)害風險區(qū)劃的準確性.本文把層次分析法和GIS中柵格分析應(yīng)用于河南省雷電災(zāi)害風險區(qū)劃中，使權(quán)重確定更為科學，柵格化的風險區(qū)劃分析更為精細.

河南地處中緯度地帶，位于我國的中東部，地形復(fù)雜，有山地、平原、丘陵等.河南地跨暖溫帶和北亞熱帶兩大自然單元，處于我國東部

季風區(qū)內(nèi)，四季分明、雨熱同期、氣候復(fù)雜多樣，雷電是常見的氣象災(zāi)害之一，每年都會造成較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[11].為了有效規(guī)避風險，達到優(yōu)化資源配置，并為防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論支持，開展雷電災(zāi)害風險區(qū)劃研究是非常必要的.

1 資料來源與歸一化處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的資料有：1）閃電資料來源于中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心提供的ADTD閃電監(jiān)測定位資料（2007—2017年），其19個ADTD閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)探測子站（雷擊探測儀）分布于河南省不同地理位置;2）人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒2017》發(fā)布的2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù);3）雷災(zāi)資料（2007—2017年）來源于河南省各市記錄上報的雷電災(zāi)害事故，由人工統(tǒng)計;4）地理信息數(shù)據(jù)包括地面高程、行政區(qū)劃、土壤電導率、土地利用等數(shù)據(jù)均來源于河南省氣象科學研究所.

1.2 多種資料歸一化處理

雷電災(zāi)害風險區(qū)劃需要對多種指標進行加權(quán)綜合，為了消除各指標的量綱差異，對每一個指標值進行歸一化處理，各指標歸一化計算公式為

其中Dij是 j 站（格） 點第 i 個指標的歸一化值，Aij是 j站（格）點第i個指標值，mini和maxi分別是第i個指標值中的最小值和最大值.

2 雷電災(zāi)害風險區(qū)劃的理論和方法

2.1 區(qū)劃模型的建立

自然災(zāi)害風險指若干年內(nèi)可能達到的災(zāi)害程度及其發(fā)生的可能性.一般而言，自然災(zāi)害風險是危險性、暴露性和脆弱性相互綜合作用的結(jié)果.根據(jù)標準自然災(zāi)害風險數(shù)學公式，結(jié)合雷電災(zāi)害風險概念框架，利用加權(quán)綜合評價法（WCA）和層次分析法（AHP），建立如圖1所示雷電災(zāi)害風險指數(shù)模型.

其中：LDRI為雷電災(zāi)害風險指數(shù)（其量值記為ILDR）;H為致災(zāi)因子危險性，α為致災(zāi)因子危險性權(quán)重;E為承災(zāi)體暴露度，β為承災(zāi)體暴露度權(quán)重;F為承災(zāi)體脆弱性，γ為承災(zāi)體脆弱性權(quán)重;δ、ε、ξ、η、θ、ι、κ、λ、μ、ν分別為相應(yīng)指標的權(quán)重.

2.2 AHP法

雷電災(zāi)害風險區(qū)劃的關(guān)鍵是指標及其權(quán)重的確定.目前在風險區(qū)劃中確定權(quán)重最廣泛也最理想的是AHP法（層次分析法），它是一種定性分析和定量分析有機結(jié)合在一起的系統(tǒng)分析和決策的新方法[12].用AHP法進行分析主要有以下幾個步驟：

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型：將問題所包含的因素分層，可以劃分為最高層、中間層、最低層.最高層表示解決問題的目的;中間層是為實現(xiàn)總目標而采取的措施、方案、政策，一般分為策略層、約束層、準則層等;最低層是用于解決問題的各種措施、政策、方案等.

2）構(gòu)造判斷矩陣：建立遞階層次結(jié)構(gòu)之后，就需要對處于上層某一元素支配的所有元素構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣.

3）標度的確定：層次分析方法在建立判斷矩陣時所用的標度有多種形式，本文采用Saaty[13]提出的1～9之間整數(shù)及其倒數(shù)比例標度法進行標度.

4）層次單排序和層次總排序：解出標度后的判斷矩陣的最大特征值λmax及其對應(yīng)的特征向量，并對特征向量進行標準化處理，這一過程稱為層次單排序，標準化的特征向量就是該層次的指標權(quán)值;層次總排序就是層次單排序的加權(quán)組合，即該層指標權(quán)值與上一層指標權(quán)值的乘積.

5）一致性檢驗：當矩陣的階數(shù)大于3時，可能會出現(xiàn)矩陣計算結(jié)果的非一致性，此時必須對判斷矩陣進行一致性檢驗.一致性檢驗指標為CI=〖SX（〗λmax-n〖〗n-1〖SX）〗，其中，n為判斷矩陣的階數(shù).而一致性比例為CR=CI/RI，其中RI是平均隨機一致性指標.當CR<0.1時，判斷矩陣有較好的一致性.

2.3 權(quán)重的確定

由圖1雷電災(zāi)害風險區(qū)劃層次模型可以看出，計算每個指標的權(quán)重，共需建立4個判斷矩陣，分別是A-B矩陣、H-C1矩陣、E-C2矩陣、F-C3矩陣，其中E-C2矩陣是二階矩陣，本文采用熵值法判斷其權(quán)重，人口密度的權(quán)重為0.359，GDP密度的權(quán)重為0.641.致災(zāi)因子危險性矩陣H-C1及其一致性檢驗結(jié)果如表1所示.其中一致性比例CR<0.1，說明該判斷矩陣具有較好一致性.

承災(zāi)體的脆弱性矩陣F-C3及其一致性檢驗結(jié)果如表2所示.其中一致性比例CR<0.1，說明該矩陣具有較好一致性.

雷電災(zāi)害風險指數(shù)矩陣A-B及其一致性檢驗結(jié)果如表3所示.其中一致性比例其中一致性比例CR<0.1，說明該矩陣具有較好一致性.

計算出各層次判斷矩陣中指標的單層次排序（即單層次權(quán)重）后，需要進行層次總排序，即計算同一層次所有因素對于最高層次的相對重要性.如表4所示，計算所得權(quán)重表示各指標在總評估過程中的相對重要性.

3 雷電災(zāi)害風險分析及區(qū)劃

3.1 Arcgis的運用

目前有很多災(zāi)害管理與評估系統(tǒng)是以GIS為基礎(chǔ)而集成的.地理信息系統(tǒng)（GIS）在空間數(shù)據(jù)的分析和管理上具有強大優(yōu)勢，因此本文借助Arcgis平臺，對河南省雷電災(zāi)害風險進行空間區(qū)劃分析.具體步驟如下：

1）沿河南省行政邊界將河南省地區(qū)劃分為約1.8萬個方形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.03°×0.03°.統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)的地閃頻次，除以資料年限，得到網(wǎng)格內(nèi)的地閃密度，并進行歸一化和插值處理，形成地閃密度柵格數(shù)據(jù).

2）采用分位數(shù)法將地閃強度劃分為5個等級，利用Arcgis中的捕捉柵格功能，按照式（6）計算網(wǎng)格內(nèi)的地閃強度，形成地閃強度柵格數(shù)據(jù).

式中：Ln為地閃強度，F(xiàn)i為雷電流幅值為i等級的地閃頻次的歸一化值.

3）對土壤電導率資料、高程資料和土地利用資料進行插值處理，形成歸一化的土壤電導率柵格數(shù)據(jù).其中土地利用數(shù)據(jù)按表5進行賦值.

4）采用“鄰域分析”工具對高程數(shù)據(jù)進行處理，計算以目標柵格為中心、大小為0.03°×0.03°柵格的方形范圍內(nèi)高程的標準差，形成歸一化的地形起伏柵格數(shù)據(jù).

5）對于人口密度、GDP密度、生命損失指數(shù)、經(jīng)濟損失指數(shù)等以縣域為單元的矢量數(shù)據(jù)，采用“要素轉(zhuǎn)柵格”工具轉(zhuǎn)換為0.03°×0.03°的柵格數(shù)據(jù).

6）將每個柵格內(nèi)經(jīng)過處理后的10項因子和表4計算出的權(quán)重代入式（3）—（5），即得出河南省各0.03°×0.03°柵格內(nèi)的致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體暴露度和承災(zāi)體脆弱性指數(shù);再利用Arcgis中的Kriging法將各指數(shù)插值成全省范圍內(nèi)的柵格面狀數(shù)據(jù);最后采用分位數(shù)法進行等級劃分，得到河南省致災(zāi)因子危險性分布圖、承災(zāi)體暴露度分布圖和承災(zāi)體脆弱性分布圖.

7）利用式（2）和已得到的致災(zāi)因子危險性指數(shù)、承災(zāi)體暴露度指數(shù)和承災(zāi)體脆弱性指數(shù)，最終得到全省1.8萬個柵格內(nèi)的雷電災(zāi)害風險指數(shù).利用Arcgis中的分位數(shù)法將全省雷電災(zāi)害劃分為4個風險區(qū)，得到河南省雷電災(zāi)害風險區(qū)劃圖.

3.2 致災(zāi)因子的危險性分析

致災(zāi)因子是指可能導致災(zāi)害發(fā)生的危險源[14].由表4的權(quán)重系數(shù)可知，致災(zāi)因子的危險性主要來自地閃密度和地閃強度的影響，權(quán)重系數(shù)分別為0.534和0.273，閃電頻次多、強度大更容易造成雷災(zāi).土壤電導率、海拔高度和地形起伏相對影響較小，權(quán)重系數(shù)分別為0.079、0.064和0.050.根據(jù)式（3）計算出全省的致災(zāi)因子的危險性H指標范圍為（3.381，4.573）.本文采用分位數(shù)法將脆弱性指標分為4級：低危險性（3.381，4.338]、中危險性（4.338，4.394]、高危險性（4.394，4.455]、極高危險性（4.455，4.573）.

如圖2所示：河南省雷電致災(zāi)因子極高危險區(qū)主要分布在豫東和濮陽大部分地區(qū);高危險區(qū)主要分布在豫西北、豫中和信陽的部分地區(qū);中危險區(qū)和低危險區(qū)主要分布在豫西南以及鄭州和焦作、新鄉(xiāng)的交界延伸至開封和新鄉(xiāng)的交界處，及其他的一些零星分布.

3.3 承災(zāi)體暴露度分析

承災(zāi)體的暴露度是指暴露在致災(zāi)因子影響范圍之內(nèi)的承災(zāi)體數(shù)量或者價值.雷電造成的損失與地方人口、地方經(jīng)濟密切相關(guān)，人口越密集、經(jīng)濟越發(fā)達的地區(qū)暴露度會越高.由表4可知人口密度和GDP密度的權(quán)重分別為0.359和0.641，根據(jù)式（4）計算出全省的承災(zāi)體暴露度指標E的范圍為（1.948 7，1.975 5）.本文采用分位數(shù)法將脆弱性指標分為4級：低暴露度（1.948 7，1.949 3]、中暴露度（1.949 3，1.950 0]、高暴露度（1.950 0，1.950 7]、極高暴露度（1.950 7，1.975 5）.

如圖3所示：河南省雷電承災(zāi)體的極高和高暴露度地區(qū)主要分布在豫中偏西北，以鄭州為中心一些地區(qū)，以及各地市的市區(qū);中暴露度地區(qū)主要分布在從豫北到豫東的大部分地區(qū)和其他地區(qū)的一些不連續(xù)分布等;低暴露度地區(qū)主要分布從豫西到豫南的大部分地區(qū).

3.4 承災(zāi)體脆弱性分析

承災(zāi)體的脆弱性是指面對自然災(zāi)害襲擊時易于受災(zāi)的程度，它是能夠反映防災(zāi)減災(zāi)能力的一項指標.本文把河南省歷史雷災(zāi)中的生命損失、經(jīng)濟損失和土地利用指數(shù)作為影響脆弱性的分析指數(shù).由于土地利用類型中建設(shè)用地、農(nóng)用地和未利用地對雷電的防護能力差別很大，一般建設(shè)用地大多具有雷電防護裝置，防護能力會高一些.農(nóng)用地（耕地、草地、林地、農(nóng)村居民點）防護能力會相對較弱，而未利用地則沒有防護能力.由表4可知生命損失指數(shù)、經(jīng)濟損失指數(shù)和土地利用指數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別為0.731、0.188和0.081，根據(jù)式（5）計算出全省的承災(zāi)體脆弱性指標F的范圍為（1.863，2.881）.本文采用分位數(shù)法將脆弱性指標分為4級：低脆弱性（1.863，2.777]、中脆弱性（2.777，2.781]、高脆弱區(qū)（2.781，2.797]、極高脆弱性（2.797，2.881）.

如圖4所示：河南省雷電承災(zāi)體的極高脆弱性區(qū)位于豫西北太行山和王屋山沿線的安陽、新鄉(xiāng)西部、焦作、濟源和洛陽部分地區(qū)，以及豫中以漯河地區(qū)為中心一些不連續(xù)分布的縣域;高脆弱性區(qū)分散于全省除濮陽和漯河以外的各個地區(qū);中脆弱性地區(qū)除豫西北較少外，其他地區(qū)都有分布;低脆弱性地區(qū)位于以鄭州為代表的各地市市區(qū).

3.5 綜合風險區(qū)劃

雷電災(zāi)害風險是致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體暴露度和承災(zāi)體脆弱性3個因素綜合作用的結(jié)果.由表3可知致災(zāi)因子的危險性、承災(zāi)體的暴露度和承災(zāi)體的脆弱性指數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別為0.592、0.333和0.075，根據(jù)式（2）計算出全省的承災(zāi)體脆弱性指標范圍為（2.931，3.681）.本文采用分位數(shù)法將脆弱性指標分為4級：低風險區(qū)（2.951，3.802]、中風險區(qū)（3.802，3.825]、高風險區(qū)（3.825，3.847]、極高風險區(qū)（3.847，3.912）.

如圖5所示：河南省雷電災(zāi)害的極高風險區(qū)主要位于豫東大部分地區(qū)，以及豫西北從三門峽到濮陽的不連續(xù)分布;高風險區(qū)主要位于豫西北的山區(qū)、豫北大部分地區(qū)，以及豫東南駐馬店和信陽的東部;中風險區(qū)主要位于豫西洛陽的南部和南陽的北部以及信陽的中部地區(qū);低風險區(qū)主要位于豫中南部駐馬店和平頂山大部分地區(qū)、南陽和信陽部分地區(qū)，以及以城市為中心向外輻射的部分地區(qū)，還有其他的一些不連續(xù)分布.

4 結(jié)論與討論

1）本文基于災(zāi)害風險形成理論，系統(tǒng)分析了雷電災(zāi)害致災(zāi)因子、承災(zāi)體暴露度、承災(zāi)體脆弱性與災(zāi)害形成的關(guān)系，構(gòu)建了地閃密度、地閃強度、海拔高度、土壤電導率、地形起伏、人口密度、GDP密度、生命損失指數(shù)、經(jīng)濟損失指數(shù)、土地利用指數(shù)等具有明晰邏輯關(guān)系和多層次結(jié)構(gòu)的雷電災(zāi)害風險評價指標體系.

2）將層次分析法（AHP）應(yīng)用于各風險指標權(quán)重的確定中.通過建立模型、構(gòu)造判斷矩陣、確定標度、層次排序和一致性檢驗，最終確定了各風險指標的權(quán)重.

3）運用Arcgis平臺，將風險因子進行歸一化、柵格化和疊加處理，并運用插值分析和分位數(shù)法等，最終形成了河南省致災(zāi)因子危險性分布圖、承災(zāi)體暴露度分布圖、承災(zāi)體脆弱性分布圖和雷電災(zāi)害綜合風險區(qū)劃圖.

4）河南省雷電災(zāi)害風險區(qū)劃結(jié)果分析表明：河南省的雷電災(zāi)害極高風險區(qū)主要位于豫東和豫西北沿省界部分地區(qū);高風險區(qū)主要位于豫北安陽、鶴壁、濮陽和新鄉(xiāng)大部分地區(qū)及豫西、豫南少部分地區(qū);中風險區(qū)主要位于豫西南的洛陽和南陽交界地區(qū)和豫南信陽部分地區(qū);低風險區(qū)主要位于豫中南、以城市為中心向外輻射的部分地區(qū)，以及其他地區(qū)的一些不連續(xù)分布.

5）由于雷電災(zāi)害的形成是一個非常復(fù)雜的過程，影響因素眾多，要完全定量準確地分析雷電災(zāi)害風險還存在一定難度.本文將層次分析法（AHP）和GIS技術(shù)用于雷電災(zāi)害風險區(qū)劃中，在風險指數(shù)的研究方面做了一定的探索，但在指標選取、權(quán)重確定、評估模型等方面還需要進一步的研究、優(yōu)化，使區(qū)劃結(jié)果與實際更加吻合.

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The application of analytic hierarchy process （AHP） and

geographic information system （GIS） in lightning

disaster risk-zoning in Henan province

CHENG Lidan1

1 Meteorological Disaster Prevention Technology Center of Henan，Zhengzhou 450003

Abstract

Under the guidelines of the natural disaster system theory，this study aims at a methodology for the risk zoning of thunder and lightning in Henan province.Specifically，this study utilizes the AHP method and uses meteorological，geo-informational，socioeconomic，and thunder and lightning disaster data to establisha quantitative relation between the assessment indexes and the risk zoning of thunder and lightning.Considering the disaster-inducing factors，environment of breeding disasters and hazard-bearing bodies.based on the GIS platform，Distribution of the disaster-inducing factors，Vulnerability of Hazard-affected Body，frangibility of Hazard-affected Body were formed.Finally，the result of risk zoning of thunder and lightning over Henan province was achieved via superposition.The results show that ahigh risk of thunder and lighting is mainly in East and Northwest Henan，while low risk is mainly in parts of North Henan and Southwest Henan.

Key wordsanalytic hierarchy process （AHP）;geographic information system（GIS）;lightning disaster;risk zoning