CN103226662B - 一种河网密度空间化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河网密度空间化方法，它首先对区域进行网格划分，其次利用层次分析法，根据不同等级河系的影响范围和致灾效能的不同，确定不同等级河系的影响权重系数，结合GIS(地理信息系统)软件功能获取单位格网内不同等级河网的缓冲面积，然后通过面积加权法计算出空间网格河网密度。该技术方案避免以往方法的局限性，能很好地反映不同等级河系的影响范围和致灾效能，具有较高的学性和合理性。

Description

一种河网密度空间化方法

技术领域

本发明公开了一种河网密度空间化方法，属于气象灾害风险综合区划技术领域。

背景技术

在热带气旋、暴雨洪涝的孕灾环境分析中，河网水系的区域性分布特征是至关重要的影响因素，在很大程度上决定了评价区域遭受洪涝侵袭的难易程度。河网密集程度和河流级别是河网水系的区域性分布特征的两个重要因素，例如在河槽汇流超过河道及水库的蓄洪和排泄能力以后，水流就会向河道周边蔓延、泛滥，假若该地区河网密布且均发生漫堤现象时，就会形成严重且难以抵御的洪涝灾害；传统的方法假定不同级别的河系的影响范围和致灾效能相同，对区域河网密度进行分析和计算，从而实现河网密度的空间化，而实际情况中干流要较一级支流、一级支流较二级支流具有更强的影响范围和致灾效能，所以传统方法对河网密度的空间化具有局限性。

发明内容

为了实现对区域河网密度的空间化，避免以往方法的局限性，提高方法的合理性和适用性，本发明的目的是提供一种利用层次分析法，根据不同等级河系影响范围和致灾效能的不同，确定各等级河系的权重系数，然后通过面积加权法获得单位网格内的河网缓冲区面积，即河网密度，来实现对河网密度空间化方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案，一种河网密度空间化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)利用GIS软件中的网格划分功能对河系所在区域进行网格划分；

步骤(2)引用层次分析法确定不同等级河系的权重系数W_i；

步骤(3)利用GIS软件中的缓冲区分析功能，设置缓冲区半径R_i，分别对不同等级的河系进行缓冲区分析，生成代表该河系的影响范围和致灾效能的河系缓冲区；

步骤(4)利用GIS软件中的叠加分析功能，分别对不同等级河系的缓冲区和网格区域进行求交分析，利用网格单元打断河系缓冲区，即连续的一条河系缓冲区被不同的单位网格分割成若干段；

步骤(5)在进行过求交分析后，从生成的结果数据集中提取相应的网格单元中被打断的河系缓冲区段的面积字段信息area，不同等级河系求交分析后生成的面积字段分别记作area_i，通过GIS软件中的数据集追加列功能把area字段分别赋予给网格区域数据集；

步骤(6)在网格区域数据集中新建河网密度字段，结合GIS软件中的更新列功能，利用面积加权法，计算出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度M；

上述步骤中，i代表河系等级，i的取值范围是自然数。

进一步的，步骤(2)中所述不同等级河系的权重系数W_i的具体计算方式为：

(201)构造判断矩阵:判断矩阵中的元素a_xy采用1-9及其倒数的标度方法，其中x、y均表示河系等级，x、y的取值范围是自然数，a_xy表示第x级河流相对于第y级河流的比较结果，且a_xy＝1/a_yx,相互比较不同等级河流的重要性,用数字化的比值来定义比较结果；

(202)根据判断矩阵，计算判断矩阵的特征根和特征向量：对判断矩阵A，计算矩阵满足AW＝λ_MaxW的最大特征根与特征向量，式中λ_Max为判断矩阵A的最大特征根，W为对应于λ_Max的正规化特征向量，最大特征根λ_Max对应的特征向量归一化为:W＝(W₁，W₂，…，W_i),其中W_i即为各等级河系的权重系数，i代表河系等级，i的取值范围是自然数；

(203)一致性检验：一致性检验涉及一致性指标C.I.，平均随机一致性指标R.I.，一致性比例C.R.，一致性检验的步骤如下：

(2031)计算一致性指标C.I.，其中n为矩阵阶数；

(2032)确定相应的平均随机一致性指标R.I.；

(2033)计算一致性比例C.R.并进行判断，

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受的；

当C.R.>0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行重新修正。

进一步的，步骤(6)中所述河网密度M，其具体计算方式为：

通过公式M＝area₁╳W₁+area₂╳W₂+area₃╳W₃+…+area_i╳W_i，计算出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度M＝(M₁,M₂,…M_t)，其中，t为网格单元编号。

进一步的，所述步骤(1)中对河系所在区域进行网格划分，每个网格单元的划分标准为100m╳100m。

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：

1、传统方法中，河网密度的表达方式主要为单位格网内的河网水系长度，但是在洪涝灾害风险区划中，需要考虑河网缓冲范围以及不同河系等级的致灾效能，所以该技术方案中用单位格网内不同河网等级的缓冲面积来表达河网密度，该技术方案避免以往方法的局限性，提高了方法的合理性和适用性；

2、该技术方案中，利用层次分析法确定不同级别河系的权重，通过面积加权法来求出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度，很好地反映了不同等级河系的影响范围和致灾效能，具有较高的科学性和合理性。

附图说明

图1为河网密度空间化流程图。

图2为河系所在区域网格单元图。

图3为实施例中一级河流的缓冲区图。

图4为实施例中二级河流的缓冲区图。

图5为实施例中三级河流的缓冲区图。

图6为实施例中一级河流缓冲区与网格区域的求交分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

以上海市嘉定区河网密度空间化为例，一种河网密度空间化方法的技术流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、利用GIS软件中的网格划分功能，对上海市嘉定区进行网格划分，每个网格单元的划分标准为100m╳100m，如图2所示，为上海市嘉定区网格单元图；

步骤2、将嘉定区范围内河流分为三个等级，引用层次分析法确定上海市嘉定区一级河流、二级河流和三级河流的权重系数。建立评判数值标准如下：

河系之间比较	量化值
		同等重要	1
稍微重要	3
		较强重要	5

建立构件判断矩阵如下：

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 3& 5\\ \frac{1}{3}& 1& 3\\ \frac{1}{5}& \frac{1}{3}& 1\end{array}\right]$

计算得到最大特征根λ_Max＝3.0385，最大特征向量为(-0.9161，-0.3715，-0.1506)。

计算得到： $C.I.=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-n}{n-1}=\frac{3.0385-3}{2}=0.0192$

查表得到平均随机一致性指标R.I.标准值如下表：

计算得到:

$C.R.=\frac{C.I.}{R.I.}=\frac{0.0192}{0.58}=0.0031<1,$ 通过矩阵一致性判断。

对最大特征向量标准化处理后得到各级河流影响权重：W＝(0.64,0.26,0.10)；

步骤3、利用GIS软件中的缓冲区分析功能，设置缓冲区半径R(R₁＝0.5km,R₂＝1.0km,R₃＝1.5km)，分别对一级河流、二级河流和三级河流进行缓冲区分析，生成河系缓冲区(河系缓冲区代表的是该河系的影响范围和致灾效能)，如图3、图4、图5所示，分别为上海市嘉定区一级河流、二级河流、三级河流的缓冲区图；

步骤4、利用GIS软件中的叠加分析功能，分别对三种等级河系的缓冲区和网格区域进行求交分析，目的是利用网格单元打断河系缓冲区，即连续的一条河系缓冲区被不同的单位网格分割成若干段，如图6所示，为上海市嘉定区一级河流缓冲区与网格区域的求交分析图；

步骤5、在进行过求交分析后，从生成的结果数据集中提取面积area字段信息,area为相应的网格单元中被打断的河系缓冲区段的面积，不同等级河系求交分析后生成的面积字段记作area_i，通过GIS软件中的数据集追加列功能分别把area_i字段赋予给网格区域数据集,如下表所示(局部数据,单位km²):

网格id	area1	area2	area3
				1	0.03	0.07	0.12
2	0.08	1.12	0.18
				…	…	…	…

步骤6、在网格区域数据集中新建河网密度字段M，结合GIS软件中的更新列功能，利用面积加权法，即通过公式M＝area₁╳W₁+area₂╳W₂+area₃╳W₃+…+area_i╳W_i，计算出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度M＝(M₁,M₂,…M_t),t为网格单元编号,如下表所示(单位:km²):

网格id	area1	area2	area3	M
					1	0.03	0.07	0.12	0.052
2	0.08	1.12	0.18	0.364
					…	…	…	…	…

Claims (4)

1.一种河网密度空间化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)利用GIS软件中的网格划分功能对河系所在区域进行网格划分；

步骤(2)引用层次分析法确定不同等级河系的权重系数W_i；

步骤(3)利用GIS软件中的缓冲区分析功能，设置缓冲区半径R_i，分别对不同等级的河系进行缓冲区分析，生成代表该河系的影响范围和致灾效能的河系缓冲区；

步骤(4)利用GIS软件中的叠加分析功能，分别对不同等级河系的缓冲区和网格区域进行求交分析，利用网格单元打断河系缓冲区，即连续的一条河系缓冲区被不同的单位网格分割成若干段；

步骤(5)在进行过求交分析后，从生成的结果数据集中提取相应的网格单元中被打断的河系缓冲区段的面积字段信息area，不同等级河系求交分析后生成的面积字段分别记作area_i，通过GIS软件中的数据集追加列功能把area字段分别赋予给网格区域数据集；

步骤(6)在网格区域数据集中新建河网密度字段，结合GIS软件中的更新列功能，利用面积加权法，计算出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度M；

上述步骤中，i代表河系等级，i的取值范围是自然数。

2.如权利要求1所述的一种河网密度空间化方法，其特征在于，步骤(2)中所述不同等级河系的权重系数W_i的具体计算方式为：

(201)构造判断矩阵:判断矩阵中的元素a_xy采用1-9及其倒数的标度方法，其中x、y均表示河系等级，x、y的取值范围是自然数，a_xy表示第x级河流相对于第y级河流的比较结果，且a_xy＝1/a_yx,相互比较不同等级河流的重要性,用数字化的比值来定义比较结果；

(202)根据判断矩阵，计算判断矩阵的特征根和特征向量：对判断矩阵A，计算矩阵满足AW＝λ_MaxW的最大特征根与特征向量，式中λ_Max为判断矩阵A的最大特征根，W为对应于λ_Max的正规化特征向量，最大特征根λ_Max对应的特征向量归一化为:W＝(W₁，W₂，…，W_i),其中W_i即为各等级河系的权重系数，i代表河系等级，i的取值范围是自然数；

(203)一致性检验：一致性检验涉及一致性指标C.I.，平均随机一致性指标R.I.，一致性比例C.R.，一致性检验的步骤如下：

(2031)计算一致性指标C.I.

其中n为矩阵阶数；

(2032)确定相应的平均随机一致性指标R.I.；

(2033)计算一致性比例C.R.并进行判断

$C.R.=\frac{C.I.}{R.I.}$

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受的，

当C.R.>0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行重新修正。

3.如权利要求1所述的一种河网密度空间化方法，其特征在于，步骤(6)中所述河网密度M，其具体计算方式为：

通过公式M＝area₁╳W₁+area₂╳W₂+area₃╳W₃+…+area_i╳W_i，计算出单位网格内的河网缓冲面积，即河网密度M＝(M₁,M₂,…M_t)，其中，t为网格单元编号。

4.如权利要求1所述的一种河网密度空间化方法，其特征在于：所述步骤(1)中对河系所在区域进行网格划分，每个网格单元的划分标准为100m╳100m。