科研用地評估方法精選(九篇)

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第1篇：科研用地評估方法范文

關鍵詞：環(huán)境一號 遙感影像 分析

0 前言

環(huán)境一號A/B星是我國第一個遙感衛(wèi)星小星座，從2008年9月發(fā)射至今已經(jīng)在軌運行6年，超期服役3年，為我國環(huán)境保護、土地利用、農(nóng)林監(jiān)測和水資源保護等工作提供了大量遙感數(shù)據(jù)。

環(huán)境一號A /B星的壽命即將終止，本文根據(jù)多個科研項目，評估環(huán)境一號星A /B的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分析其應用范圍，為我國未來中分辨率遙感衛(wèi)星規(guī)劃提供參考。

1 環(huán)境一號遙感衛(wèi)星星系概況

環(huán)境一號衛(wèi)星遙感減災衛(wèi)星星系由環(huán)境一號A星和B星組成，兩顆衛(wèi)星于2008年9月6日發(fā)射升空并于2009年4月在軌交付使用。

A星和B星采用相同的衛(wèi)星平臺，A星和B星都搭載了分辨率達30m的CCD高分辨率相機，另外，A星還搭載了一臺 RSI相機，B星搭載一臺HSI相機。

由于單顆衛(wèi)星的衛(wèi)星周期時間是4天，A星與B星軌道差180度，因此兩顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星系，其獲取地球上同一點的CCD影像周期是兩天。

CCD相機是兩顆衛(wèi)星的統(tǒng)一裝備，從影像用途上看，CCD高分辨率遙感影像是應用范圍最廣的設備，因此分析環(huán)境一號遙感衛(wèi)星星系的CCD影像，對于推廣環(huán)境一號遙感數(shù)據(jù)的普及應用都有重要意義。

2.影像特點和處理流程

環(huán)境一號A/B遙感衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)多光譜數(shù)據(jù)包括4個波段的光譜，即第1藍光波段、第2綠光波段、第3紅光波段和第4近紅外波段。一般真彩遙感影像均通過3、2、1三波段影像合成和4、3、2影像合成獲得最終影像。本次研究主要采用了3、2、1波段合成影像。

影像數(shù)據(jù)處理過程包括光譜影像合成、影像糾正、影像增強處理和DEM融合，各個步驟主要工作如下：

（1）影像融合

利用3、2、1三個光波段的影像，分布置于紅、綠、藍處理端，進行影像合成操作，獲得接近真彩影像的合成影像；

（2）影像幾何糾正

環(huán)境一號衛(wèi)星影像的原始數(shù)據(jù)（二級產(chǎn)品）定位誤差較大，需要利用控制點成果對影像進行重新糾正，本次研究項目所有影像糾正都是每幅影像利用7個以上的地面特征點進行二次多項式糾正。影像幾何糾正后的精度約為2――3個像元精度，實際定位精度在30――90米。

（3）影像增強

由于遙感影像在獲取過程中受到大氣或者天氣以及相機因素的影響，帶有少量噪聲或者對比度不夠等，因此需要對影像進行增強處理，包括輻射增強、直方圖均衡化、降噪處理、空間域增強和頻率域增強等。

（4）DEM融合

利用DEM柵格數(shù)據(jù)和遙感影像融合，可以提高影像解譯能力。本次研究采用了美國NASA的全球DEM數(shù)據(jù)融合，取得較好效果。

3.影像評估

3.1 影像評估方法

遙感影像質(zhì)量影響因素包括：環(huán)境（如大氣散射）、隨機誤差或系統(tǒng)故障、地面處理問題等。因此本次影像分析處理采用以下幾種方式對影像的質(zhì)量：

（1）影像直方圖中單個亮度值出現(xiàn)頻率分析

（2）影像中某一位置或區(qū)域像元亮度值評估分析

（3）一元或多元統(tǒng)計分析，判斷影像數(shù)據(jù)正常性

（4）多元統(tǒng)計量確定波段時間相關

（5）目視判讀識別物

本次研究抽取了一幅典型的影像進行分析，通過綜合分析評估影像平均質(zhì)量。

3.2 影像評估過程

3.2.1 直方圖評價

直方圖是影像亮度值頻率統(tǒng)計的圖形表達方式 橫坐標（x）是影像某波段值的量化等級，縱坐標（y）代表這些亮度值出現(xiàn)的頻率。直方圖分析是一種原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價方式，同時也是評價光學多光譜影像和其他類型遙感影像的主要方法。

圖1 是影像的四個波段直方圖。

從四個波段的直方圖上評價，各個波段的曲線比較穩(wěn)定，RGB的極值相差不大，其光譜反射角均衡。

3.2.2 影像的一元統(tǒng)計和多元統(tǒng)計

影像的一元統(tǒng)計和多元統(tǒng)計分析可以從影像中分析影像質(zhì)量集中趨勢測度和離散度的統(tǒng)計。其中最主要的多方式是遙感數(shù)據(jù)集中趨勢測度計算，包括采用中值分布曲線計算方法，采用所有亮度觀測值和綜合除以觀測值個數(shù)來度量集中趨勢。單波段影像均值 由n個亮度值 計算獲得，其公式如公式1所示。

（1）

式中 是總體均值的無偏估計。

（1） 離散度

分布均值的離散度可以提供影像有用信息，如遙感載荷的可靠性和CCD相機穩(wěn)定性等因素，離散度計算最常用的方法是樣板方差計算方法，其計算方法如公式2 所示。

（2）

式中 代表離差平方和。

同時可以采用標準差方法計算單波段影像像元亮度值

標準差小則表示觀測值比較緊密集中于中心值周，標準差大則表示觀測值比較分散，影像質(zhì)量不穩(wěn)定。

（2） 多元統(tǒng)計

多波段遙感數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)方差分析

利用不同像元的遙感光譜觀測值分析影像演化的相同點，獲得一個波段的亮度值變化與另一個波段亮度值變化的關系。因此計算它們的相關性以獲得不同波段之間的關聯(lián)關系。

首先需要計算離均差乘機和，計算公式如公式3 所示

（3）

其中 是第k波段第i個亮度值，研究區(qū)域由n個像元組成。第k波段和第l波段的均值分別是 和 。同時可以利用公式4 提高計算效率。

（4）

稱為非離均差乘積和。如果k和l相同，則得到 與離差平方和，即

=

則第k波段和第l波段的亮度值協(xié)方差 等于

多波段遙感數(shù)據(jù)相關分析

為了不受量綱影響的方法評價變量間，可以采用皮爾遜積矩相關系數(shù)分析界定多波段遙感數(shù)據(jù)。公式 中采用了兩個波段（k和l）之間之間的協(xié)方差和標準差乘積來界定。

根據(jù)以上計算方法，此次研究中應用了一幅九級以上無云層影像進行分析，分析結果如表 所示。

環(huán)境一號4個波段影像統(tǒng)計分析

表2

波段號

1（0.43-0.52） 2（0.52-0.60） 3（0.63-0.69） 4（0.76-0.90）

一元統(tǒng)計量

平均值 48.25 23.48 21.45 26.30

標準差 8.25 4.32 5.68 14.52

方差 94.89 35.45 57.64 214.72

最小值 48 19 13 7

最大值 198 112 143 115

方差――協(xié)方差矩陣

1 98.25

2 54.32 34.12

3 67.75 42.88 62.32

4 71.24 46.57 34.49 197.25

相關矩陣

1 1

2 0.97 1

3 0.89 0.89 1

4 0.52 0.62 0.69 1

由于藍光波段的瑞利散射和米氏大氣散射影像，是第一波段的亮度值變化最大。在北部灣海洋水體地區(qū)，水體吸收了大多數(shù)近紅外輻射通量，因此部分地區(qū)近紅外（第四波段）的最小值接近于0。1、2、3波段之間有很高的相關性（rR0.95），說明這幾個通道存在大量的冗余光譜信息。第四波段與1、2、3波段之間的相關性較低。

3.2.3目視判讀

本次對環(huán)境一號321三波段影像四幅影像進行了目視判讀，主要分析影像中各種地物的可判辨度、信息獲取量以及影像判讀難度等。

環(huán)境一號遙感影像中，通過目視判讀分析其數(shù)據(jù)質(zhì)量獲得各種信息，本次研究采用了環(huán)境一號影像中質(zhì)量差、中、好三類影像進行目視判讀分析。

環(huán)境一號CCD影像對各種地面物和屬性的識別程度如表3 所示。

4 結論

4.1 影像質(zhì)量和優(yōu)勢

從數(shù)據(jù)分析結果和人工目視判讀結果，“環(huán)境一號”的影像平均質(zhì)量較佳，其質(zhì)量可以達到landsat5衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量水平。但是波段數(shù)較少，數(shù)據(jù)質(zhì)量波動較大。但是由于A/B兩顆衛(wèi)星構成的星座最快更新周期為兩天，且每顆衛(wèi)星都采用雙CCD相機模式，相機幅面寬，宏觀性好?？梢詫崿F(xiàn)快速對地觀測。

4.2 影像可用范圍

根據(jù)實際對比分析和分類，以及在實際中的應用效果，在環(huán)境一號A/B星CCD遙感影像的應用領域評估中，得到以下評估結論：

（1）1：25萬地形圖編繪和更新能力

環(huán)境一號A/B 星由于其畸變差較大，且缺少相關參數(shù)，因此無法實現(xiàn)異軌立體成像，同時對1：25萬成圖要求的地物識別能力有限，因此無法直接進行1：25萬圖的編繪。但是由于影像對道路、地塊和大型水體有一定的識別能力，因此具備對1：25萬地形圖要素一定的更新能力；

（2）水質(zhì)分析

由于環(huán)境一號A/B星CCD影像波段數(shù)較少，較難獲得基于水體的基本信息，對于精確分析水質(zhì)情況比較困難，但是可以分析一些重污染，如填海的泥沙污染、海上溢油以及生物污染等，如對云南滇池水藻污染的分析和墨西哥灣油污染監(jiān)控等。

（3）土地利用監(jiān)測

環(huán)境一號CCD影像出色的時間分辨率和中等空間分辨率以及較大的幅面寬，因此可以監(jiān)測大規(guī)模的土地變化，如工業(yè)用地變化、農(nóng)業(yè)用地變化、林地變化和城市擴展等，但是不能詳細計算出變化面積，變化量測精度在0.3平方千米左右。

（4）海岸帶監(jiān)測

環(huán)境一號CCD影像對海岸帶變化監(jiān)測分析能力主要體現(xiàn)在對海岸工程和海岸線大規(guī)模變化的監(jiān)測，同時可以監(jiān)測海岸生物帶特別是紅樹林的長勢。

（5）道路規(guī)劃

在環(huán)境一號CCD影像上，可以分辨高速公路、一級公路、部分二級公路和鐵路。由于對山體和水體等道路規(guī)劃中有影響的地物能夠進行比較清晰分辨，因此可以用于高等級公路的概括性規(guī)劃。

（6）災害損失評估

在大型災害，如泥石流、洪災和旱災后，對受災地區(qū)和淤泥堆積情況以及水稻、玉米、甘蔗等農(nóng)作物損失情況進行評估。評估精度可以達到20%以上。

4.3 影像缺點

（1）分辨率較低

環(huán)境一號A/B衛(wèi)星CCD相機的分辨率是30米，雖然相幅比較寬，但是30米的分辨率仍然處于中分辨率和高分辨率之間，對地物識別能力較差，對村一級居民地、普通公路和三級以上水系等重要地物識別比較困難。

（2）二級產(chǎn)品定位精度較差

環(huán)境一號A/B衛(wèi)星CCD相機的二級產(chǎn)品定位是通過衛(wèi)星CCD傳感器參數(shù)和衛(wèi)星軌道參數(shù)計算，計算精度差，且未能用地面DEM進行影像糾正，影像定位精度較差，其精度在300m――1200m之間，二級產(chǎn)品應用一般要利用地面控制點進行重新定位配準。

（3）波段較少

環(huán)境一號CCD影像相機只有4個波段，對地物識別能力精確度不足，而Landsat5和Landsat7衛(wèi)星多光譜CCD傳感器的光譜段達7個，EO-1衛(wèi)星的CCD相機的光譜段達9個，通過反射光譜對地物識別準確率很高。

5 結論

環(huán)境一號衛(wèi)星雖然在最高分辨率、影像最佳質(zhì)量、光譜分辨率上與美國最新的Landsat8中分辨率遙感衛(wèi)星還有一定的差距，但是其擁有周期短、寬像幅等特點。在相同周期內(nèi)，其可用數(shù)據(jù)要遠高于Landsat8，其優(yōu)勢也是非常明顯的。

中分辨率衛(wèi)星遙感影像的信息宏觀性和時間分辨率要優(yōu)于高分辨率衛(wèi)星遙感影像，故即使在今天，其作用仍然是不可替代的。未來我國應該繼續(xù)大力發(fā)展10米-20米的中分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率遙感衛(wèi)星，其應用潛力廣泛。

參考文獻：

第2篇：科研用地評估方法范文

關鍵詞：地方標準，成熟技術，創(chuàng)新成果，地域特色，可持續(xù)發(fā)展

 

技術標準（含規(guī)范、規(guī)程、規(guī)定）是工程勘測、設計、施工、養(yǎng)護、管理的技術依據(jù)，是保證工程安全、耐久和衡量工程質(zhì)量的重要尺度。

我國地域遼闊，氣候、水文地質(zhì)南北東西差異較大，在國家標準、行業(yè)（部頒）標準、協(xié)會標準的基礎上編制地方標準更符合地域工程實際，是十分迫切的、必要的。

我國地方標準規(guī)范編制工作，開展較早的是城鄉(xiāng)建設系統(tǒng)。交通地方標準編制起步較晚，近幾年，部分?。ㄊ校┮殉雠_一些內(nèi)容較有特點的地方標準（含規(guī)程、技術要求、指南），如江蘇省交通廳編寫的《高速公路養(yǎng)護質(zhì)量檢驗評定》（DB32/T944-2006）、《高速公路大中修工程質(zhì)量檢驗評定》（DB32/T945-2006）;上海市公路管理處編寫的《公路瀝青路面預養(yǎng)護技術規(guī)程》（SZ-G-D01-2007）；河南省交通廳主編的《河南省高速公路技術要求》、《河南省公路養(yǎng)護管理決策支持系統(tǒng)》；新疆交通廳主編的《鹽漬土地區(qū)公路設計與施工技術指南》；吉林省交通廳主編的《公路工程抗凍性設計與施工技術指南》；廣東省交通廳編寫的《路面典型結構（系列）》等。

2008年山東省交通廳將我省交通基礎設施建設地方標準編制列入行業(yè)“四化管理”重要實施內(nèi)容，以貫徹落實科學發(fā)展觀，將近年來我省交通創(chuàng)新成果迅速轉(zhuǎn)化為先進生產(chǎn)力，展示我省交通最新技術水平和技術成就。

現(xiàn)將本人在編制辦工作實踐的體會和收獲小結如下。

1.地方標準工作是創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為先進生產(chǎn)力的重要途徑

我省交通基礎設施建設，自改革開放以來取得了長足發(fā)展，尤其是山東的公路勘察設計、建設、養(yǎng)護、管理的綜合技術二十多年來一直居于國內(nèi)領先水平，許多科研、工程重大創(chuàng)新成果，已積累和奠定了編制地方標準的技術基礎。。

1.1《大粒徑透水性瀝青混合料設計及施工技術指南》（省公路局主編）

針對我國傳統(tǒng)的半剛性基層的干縮和溫縮裂縫引起瀝青面層的反射裂縫，同時，由于半剛性基層材料抗沖刷能力較差，而密實型的瀝青混凝土又不具備層間排水功能，在荷載和水的共同作用下極易產(chǎn)生常見的、多發(fā)的路面早期病害，為探索高等級瀝青路面早期結構性破壞的關鍵因素，我省于2001年即立項進行研究，在國內(nèi)率先開發(fā)了具有排水和應力吸收作用的新型路面結構材料-大粒徑透水性瀝青混合料LSPM（Large Stone Porous asphalt Mixture）和基于LSPM的新型路面結構，其具有良好的透水性，抗車轍，抗反射裂縫和抗疲勞性，既能發(fā)展半剛性基層強度高、造價低的優(yōu)勢，又能克服其易開裂、易發(fā)生水損害的缺陷，大大延長了路面的使用壽命。通過7年的試驗觀測，取得了良好的效果，積累了豐富的基礎資料。

1.2《舊水泥混凝土路面碎石化應用技術指南》（省公路局主編）

我省約有7000公里水泥混凝土路面，全國30余萬公里。隨著使用年限的增長和超載車輛的破壞作用，出現(xiàn)了不同程度的各種類型的路面結構損傷破壞，傳統(tǒng)的改造技術（重鋪、沖擊壓穩(wěn)后補強），造價高、環(huán)境污染嚴重，且反射裂縫消除不理想。碎石化改造技術隨著多錘碎石化設備MHB（Multiple-Head Breaker）的引進使用，破碎的舊水泥混凝土板塊具有明顯不同的顆粒組成，形成咬合嵌擠狀態(tài)，其硬度均勻性好，可改善加鋪路面的受力狀態(tài)，避免產(chǎn)生反射裂縫。通過大量試驗研究和工程實踐，已形成一系列成套的應用技術。

1.3《斜拉橋換索設計與施工指南》（省交通規(guī)劃設計院主編）

斜拉橋是大跨徑橋梁主要橋型之一，其設計基準期為100年，而斜拉索的設計壽命只有25~50年。我國上世紀已建成的40余座斜拉橋中，65%已全部或部分更換了拉索，今后仍將有大量斜拉索需要更換。換索工程涉及量測與評價技術、結構分析計算，材料防護、伴生的梁塔加固，換索工藝及施工控制等多專業(yè)。由于至今國內(nèi)外尚無此領域方面的規(guī)范，致使部分換索工程索力紊亂，梁塔次生內(nèi)力變化異常，主梁線型起伏，嚴重影響著結構的正常使用壽命和耐久性。1995年，省交通規(guī)劃設計院、原省公路工程總公司和原省交通工程總公司承擔了我國乃至亞洲首座斜拉橋（濟南黃河公路橋）換索工程，在精心設計、合力攻關和嚴細監(jiān)控下，取得了國內(nèi)首創(chuàng)工程實踐經(jīng)驗。經(jīng)過近十多年來國內(nèi)換索工程中關鍵和先進技術經(jīng)驗積累形成的指南，將有效地指導換索設計和施工。

1.4《預應力混凝土連續(xù)梁式橋養(yǎng)護指南》（省交通規(guī)劃設計院主編）

預應力混凝土連續(xù)梁式橋（包括連續(xù)梁、連續(xù)剛構、剛構-連續(xù)組合體系）約占我國大橋、特大橋數(shù)量的2/3，是大橋、特大橋的主力軍。然而該橋型中相當數(shù)量的橋跨結構在運營不足十年內(nèi)即出現(xiàn)大量裂縫和跨中下?lián)?，提前進入維修加固期。而目前橋梁養(yǎng)護部門結構病害診斷技術力量薄弱，檢測手段落后，考慮結構損傷影響的承載力評估方法還不完善，維修加固技術深度不夠，且往往忽略了橋梁帶載加固受力的特點，缺乏預防性養(yǎng)護理念，甚至失養(yǎng)，致使運營不足十年即衰變成三、四類橋。本指南在總結東明黃河大橋等多座橋的養(yǎng)護、維修加固技術的基礎上，并從設計源頭解析，提出檢查評估、養(yǎng)護維修加固及運營管理技等技術要求和規(guī)定，內(nèi)容涵蓋了國內(nèi)近年來科研成果，較現(xiàn)行橋梁養(yǎng)護規(guī)范更具有先進性、針對性和可操作性。。

2.地方標準建設是可持續(xù)發(fā)展重要技術載體

標準規(guī)范要認真執(zhí)行國家的有關技術方針政策和法律法規(guī)，引導行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展，以滿足設計建設和養(yǎng)護需求，同時應提升至資源節(jié)約、環(huán)境友好，體現(xiàn)以人為本的高度。我省近二十年來修建高速公路的實踐中已積累了大量典型示范設計工程示例，為可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。

2.1《山東省高速公路人本化設計》（省交通規(guī)劃設計院主編）

根據(jù)工程的實際，合理運用各項技術指標并創(chuàng)造性地進行公路總體設計，使線形幾何設計、路基路面設計、橋梁及路線交叉設計、交通工程與沿線設施更加符合人的行為習慣、生理結構、心理情況、思維方式等，在原有設計基本功能的基礎上，對設計進行優(yōu)化，科學確定技術標準、靈活合理地運用技術指標及其組合，避免隨意性，給司乘人員以安全、舒適、方便、環(huán)保的出行環(huán)境和條件。是設計中的人文關懷，是對人性的尊重。

2.2《山東省高速公路節(jié)約土地設計指南》（省交通規(guī)劃設計院主編）

高速公路設計應貫徹“節(jié)約用地”的設計理念。在高速公路設計中，根據(jù)公路在路網(wǎng)中的地位和功能，科學、準確的調(diào)查和預測公路交通量，合理確定公路等級、設計速度和路基寬度等技術標準。合理布設路線，盡量避繞基本農(nóng)田或者高產(chǎn)田、充分利用老路進行改造、合理運用技術指標、合理控制互通立交和服務區(qū)規(guī)模等，以達到合理利用土地資源，減少公路用地，實現(xiàn)公路用地集約化的目標。

2.3《山東省廢胎橡膠粉瀝青及瀝青混合料設計施工技術指南》（山東高速工程咨詢公司主編）

橡膠瀝青混合料具有良好的路用性能，而廢輪胎、舊輪胎橡膠粉的再生可以變廢為寶，既保護了環(huán)境，又節(jié)約了資源。。廢舊橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青中，對基質(zhì)瀝青的高、低溫性能、抗衰老化性能有重要的影響。為此，該技術標準，從山東本地廢舊輪胎橡膠粉理化指標入手，對不同橡膠粉的路用性能影響規(guī)律的研究，解決了橡膠瀝青混合料級配組成設計、拌和成型工藝中的關鍵技術，此指南將對我省迅速推廣該項新技術起到積極的作用。

第3篇：科研用地評估方法范文

關鍵詞 地面沉降；風險指數(shù)；風險評估；風險區(qū)劃

中圖分類號 U456.33 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104(2008)04-0028-07

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區(qū)域性地面標高降低的 一種緩變性地質(zhì)災害，是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失，是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)破壞所導 致的惡果［1］。國內(nèi)外對地面沉降的研究主要集中在成因分析、監(jiān)測方法、經(jīng)濟損 失評估、時空分布、預測、危害及防治對策等領域［2～7］。有些學者對地面沉降危 險性分級標準進行了探討［8～9］；部分學者采用模糊數(shù)學層次分析法和相應的指標 體系對廣州市地面沉降危險性進行了評價［10］；Ki-Dong Kim等運用GIS技術［ 11］評估了廢棄地下煤礦的地面沉降危害性；魏風華［12］進行了河北省唐山市地 面沉降危險性區(qū)劃和地面沉降物質(zhì)財富風險區(qū)劃研究。然而，地面沉降災害風險評估與區(qū)劃 尚無成熟先例。地面沉降災害風險是地面沉降對人類社會及其生存環(huán)境所造成危害或不利影 響的可能性及不確定性的描述。為了對地面沉降災害風險進行有效管理，減小損失發(fā)生的影 響，必須進行地面沉降災害風險評估與區(qū)劃。天津市是我國地面沉降比較嚴重的區(qū)域之一， 地面沉降給天津市造成了多方面的危害，如建筑物下沉變形、開裂乃至破壞；市政給排水管 線的破壞；海水倒灌造成的地下水質(zhì)破壞；地面標高損失，風暴潮災害加??；河流泄洪能力 的喪失；土壤的鹽漬化等。研究區(qū)人口密集、經(jīng)濟發(fā)達，地面沉降嚴重，并具備比較完整的 監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，選擇該區(qū)域進行地面沉降災害風險評估與區(qū)劃具有較大的理論與實踐 意義。

1 研究區(qū)概況

天津市位于九河下梢，渤海灣西岸。整個天津和鄰近地區(qū)處于華北斷塊盤地的東北部，從構 造分區(qū)上看西部為滄東隆起的一部分，東部則包括了黃驊凹陷的一大部分，由古近紀以前的 沉積巖層和古老的結晶基底，組成了本區(qū)的地質(zhì)構造基礎，長期以來緩慢下降，沉積了巨厚 的松散沉積物。

研究區(qū)包括天津市和平、河東、河西、南開、河北和紅橋市內(nèi)六區(qū)，以及東麗、西青、津南 和北辰四區(qū)，總面積2 054.01km2(見圖1)。2005年底，總人口518.96萬人 ，地區(qū)生產(chǎn)總值760.30億元［13］。

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，由于過量開采地下流體資源，地面沉降已經(jīng)成為研究區(qū)最為嚴重 的災害之一，該區(qū)域1985-2005年累計地面沉降量最大達2.93m；累計地面沉降量超過1 000mm 的面積達623.88km2，占總面積的

30.37%；1985-2005年平均地面沉降速率為29.99mm 天津市控制地面沉降工作辦公室.1986-2006天津市地面沉降年報。。

2 研究方法

2.1 自然災害風險指數(shù)法

自然災害系指自然變異超過一定的程度，對人類和社會經(jīng)濟造成損失的事件。自然災害風險 指未來若干年內(nèi)可能達到的災害程度及其發(fā)生的可能性。自然災害風險評估（Risk Assessm ent of Natural Disaster）是指通過風險分析的手段或觀察外表法，對尚未發(fā)生的自然災 害之致災因子強度、潛在受災程度,進行評定和估計，是風險分析技術在自然災害學中的應 用［14］。

胡蓓蓓等：天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害風險評估與區(qū)劃中國人口•資源與環(huán)境 2008年 第4期[HT] 一定區(qū)域自然災害風險是由自然災害危險性(hazard)、承災體的易損性(vulnerability)兩 個因素相互綜合作用而形成的［15］。近年來，一些學者認為防災減災能力(emergen cy response & recovery capability)也是制約和影響自然災害風險的因素［16～17］ 。

自然災害危險性，是指造成災害的自然變異的程度，主要是由災變活動規(guī)模(強度)和活動頻 次(概率)決定的。一般災變強度越大，頻次越高，災害所造成的破壞損失越嚴重，災害的風 險也越大。承災體的易損性，是指在給定危險地區(qū)存在的所有任何財產(chǎn)由于潛在的危險因素 而造成的傷害或損失程度，其綜合反映了自然災害的損失程度。一般承災體易損性愈低，災 害損失愈小，災害風險也愈小。防災減災能力表示受災區(qū)在長期和短期內(nèi)能夠從災害中恢復 的程度，包括應急管理能力、減災投入、資源準備等，一般分為工程性防災減災措施和非工 程性防災減災措施。防災減災能力越高，可能遭受潛在損失就越小，災害風險越?。?8 ］。

基于以上認識，自然災害風險數(shù)學計算公式為：

式中：Dr-災害風險；H-危險性；V-易損性；R-防災減災能力。

2.2 GIS空間分析方法

主要運用ArcGIS空間分析中的內(nèi)插分析、重分類和柵格運算等。內(nèi)插分析（Interpolate to

Raster）對矢量點數(shù)據(jù)進行內(nèi)插產(chǎn)生柵格數(shù)據(jù)，每個柵格的值根據(jù)其周圍（搜索范圍）的 點的值計算。ArcGIS柵格分析模塊中，通過柵格插值運算生成表面主要有三種實現(xiàn)方式：反 距離權重插值（IDW）、樣條函數(shù)插值（Spline）和克里克插值（Kriging）。重分類（Recl assify）即基于原有數(shù)值，對原有數(shù)值重新進行分類整理從而得到一組新值并輸出；重分類 一般包括新值替代、舊值合并、重新分類和空值設置四種基本類型。柵格運算（Raster Cal culator）指兩個以上層面的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)以某種函數(shù)關系作為復合分析的依據(jù)進行逐網(wǎng)格 運算，從而得到新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的過程。對多個柵格數(shù)據(jù)進行運算，常用于綜合評價 ［19］。國外學者利用GIS空間分析方法對地面沉降災害時空變化進行了科學預測［2 0］，Ki-Dong Kim等［11］利用該方法對廢棄地下煤礦的地面沉降危害進行了可靠 評估，本研究將借鑒他們的成功經(jīng)驗首次對地面沉降災害風險進行評估與區(qū)劃。

2.3 加權綜合評價法(WCA)

加權綜合評價法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，是把各個具體的指標的優(yōu)劣綜 合起來，用一個數(shù)量化指標加以集中，表示整個評價對象的優(yōu)劣，因此，這種方法特別適合 于對技術、決策或方案，進行綜合分析評價和優(yōu)選，是目前最為常用的計算方法之一［ 17,18］，計算公式為：

式中：Vj是評價因子的總值；Wi是指標i的權重；Dij是對于因子j的指標i的歸一 化值；n是評價指標個數(shù)。

3 地面沉降災害風險評價指標體系

3.1 地面沉降災害系統(tǒng)模式的構建

基于自然災害系統(tǒng)理論［21］，區(qū)域自然災害系統(tǒng)是由孕災環(huán)境、致災因 子和承災 體共同組成的地球表層異變系統(tǒng)，災情是這個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)相互作用的結果（見圖2）。

地面沉降孕災環(huán)境主要受區(qū)域地貌類型、含水巖系、

水文地質(zhì)構造條件和地下流體資源等共同影響，這些環(huán)境條件在一定程度上能加強或減弱地面沉降致災因子，直接影響災情。

地面沉降災害影響因素非常復雜，總體可以歸納為自然和人為兩大因素。自然因素中， 包括 構造活動引起的沉降、軟弱土層形成的沉降以及地震活動等引起的沉降；人為因素中，過量 開采地下流體資源以及大規(guī)模的工程建設等均可引起地面沉降。許多研究表明，天津地區(qū)地 面沉降最主要的致災因子是過量開采地下流體資源和現(xiàn)代構造沉降［2,22］。

地面沉降災害承災體主要包括地面沉降影響地區(qū)的建筑物、地面標高、市政給排水管線等生 命線工程和人口等，他們的數(shù)量和質(zhì)量（脆弱性強度）是地面沉降成災的重要因素。

地面沉降災害災情是地面沉降致災因子、孕災環(huán)境和承災體相互綜合作用的產(chǎn)物，主要包括 建筑物下沉變形、市政給排水管線受損等生命線工程受損，以及由其間接導致的風暴潮災害 加劇、土壤鹽漬化、地下水質(zhì)破壞和洪澇加劇等。

3.2 地面沉降災害風險評價指標體系的建立

從系統(tǒng)論觀點出發(fā)，根據(jù)自然災害風險指數(shù)法的理論，遵循科學性、綜合性、主導性、層次 性、動態(tài)性和可操作性原則，地面沉降災害風險指標體系包括危險性、易損性和防災減災能 力三個因素，在此基礎上根據(jù)地面沉降災害的特點確定因子層。

與地震等突發(fā)性災害不同，地面沉降是緩發(fā)性并逐年累積的，因此累計地面沉降量是反映地 面沉降危險性的主要指標。此外，有些學者還用地面沉降速率來劃分地面沉降危險性［ 9,12］。1986年以來，天津市通過控制淺層地下水開采量、調(diào)整開采層位和人工回灌等措 施，地面沉降趨勢得以緩解；因此，年代越近的地面沉降速率越能反映地面沉降發(fā)展趨勢 。為了反映地面沉降未來發(fā)展趨勢，我們對1985-1990年、1990-1995年、1995-2000年 和200 0-2005年的地面沉降速率進行加權求和計算出加權算術平均速率，采用特爾斐法確定其權重 依次為0.1、0.2、0.3和0.4。此外，由于地下水開采是研究區(qū)地面沉降最主要的致災因子， 雖然近年來研究區(qū)逐年壓減地下水開采量，但是由于生產(chǎn)生活需要，在一定時期內(nèi)研究區(qū)仍 將開采地下水，因此，地下水開采強度也是研究區(qū)地面沉降危險性的一個重要指標。

一般認為社會經(jīng)濟條件可以定性反映區(qū)域的災損敏度，即易損性的高低。社會經(jīng)濟發(fā)達的地 區(qū)，人口、城鎮(zhèn)密集，產(chǎn)業(yè)活動頻繁，承災體的數(shù)量多、密度大、價值高，遭受災害時人員 傷亡和經(jīng)濟損失就大。值得注意的是，社會經(jīng)濟條件較好的地區(qū)，區(qū)域承災能力相對較強， 相對損失率較低，但區(qū)域絕對損失率和損失密度都不會因此而降低。同樣等級的災害，發(fā)生 在經(jīng)濟發(fā)達、人口密布的地區(qū)可能造成的損失往往要比發(fā)生在經(jīng)濟落后、人口稀少的地區(qū)大 得多。社會經(jīng)濟易損性分析一般以一定行政單元為基礎，從而可直接利用各類統(tǒng)計報表與年 鑒［23］。由地面沉降災害系統(tǒng)模式可知，地面沉降災害主要承災體是建筑物、市政 給排水管線等生命線工程、地面標高等，地面沉降對這些承災體造成的破壞和損失，會直接 或間接影響到區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活；因此，本文選取了人口密度、單位面積GD P及建設用地比重三個因子來反映地面沉降災害易損性。

天津市控沉工作主要圍繞監(jiān)測和壓縮地下水開采量展開，因此，每平方公里水準測量公里數(shù) 和地下水壓采量占開采量的比重是影響防災減災能力的兩個主要因子；此外，隨著一個區(qū)域 城市化水平的提高，區(qū)域人口素質(zhì)、文明程度、居民防災減災意識、區(qū)域科研水平、經(jīng)濟發(fā) 展水平以及政府執(zhí)政管理能力等都會相對提高，區(qū)域總體防災減災能力也將隨之提高，因此 ，在一定程度上城市化水平也能反映區(qū)域防災減災能力。

具體評價指標體系及其權重見表1，各因子的權重利用特爾斐法確定。

3.3 指標的量化

地面沉降災害風險評價的目標集分為5級，即低級、較低級、中等級、較高級和高級。評價 指標是數(shù)學模型中的變量，必須量化。因此，表1中的指標應進行無量綱處理和定量轉(zhuǎn)化。首先根據(jù)對地面沉降災害風險的貢獻率大小，在Spatial Analyst中選擇Reclassify進行重 新分類，將每個指標分為1、2、3、4和5五等，分別對應的風險等級為低級、較低級、中等級、較高級和高級（見表2）。如將累計地面沉降量分為＜300mm、300～600mm、600～900mm、900～1 200mm和＞1 200mm 5個 等級，當某個評價單元累計地面沉降量為＜300mm時，即重新分類 后 的取值為1，該指標對應的地面沉降風險性評價目標是低級；當某個評價單元累計地面沉降 量為＞1 200mm時，即重新分類后的取值為5，該指標對應的地面沉降風險性評價目標是高級 ；其他依此類推。

3.4 數(shù)據(jù)來源

天津市自1986年開始實施三年一期的控沉措施，并在國家原有高程控制網(wǎng)的基礎上逐年增設 水準測量點，現(xiàn)已形成覆蓋全市范圍的地面沉降水準測量網(wǎng)。截至2006年11月，全市范圍 內(nèi)共有一等水準測量路線1 520.2km，二等水準測量路線4 855km，共有2 003個水準測 量點①。本文選 取19 85－2005年天津市水準測量點監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得到每個監(jiān)測點的累計地面沉降量和地面沉降 速 率，并利用ArcGIS9.1 中Spline插值法進行空間插值，柵格單元大小為200m×200m，地下水 開采強度由1985-2005年地下水開采量計算整理所得；按區(qū)統(tǒng)計的人口、經(jīng)濟數(shù)據(jù)根據(jù)《天 津市統(tǒng)計年鑒》相關數(shù)據(jù)整理計算所得［13］；按區(qū)統(tǒng)計的建設用地面積來自《天津 市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)匯編》②；防災減災能力由截至2005年底水準測量數(shù)據(jù)和1985-2005年地下水 開采量計算整理所得。為保證良好的空間重合性，各評價因子數(shù)據(jù)圖均在濱海新區(qū)地形圖的 基礎上進行數(shù)字化，形成統(tǒng)一的坐標系和投影系統(tǒng)。由于GIS空間分析功能采用柵格數(shù)據(jù)結 構為基礎，實現(xiàn)各種代數(shù)和邏輯運算［24］，因此本文利用ArcGIS中F eatures to Raster功能將數(shù)字化后的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。

4 天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害風險評估與區(qū) 劃

對于地面沉降災害風險的評估應當遵循地面沉降災害的形成機制，結合GIS技術分別對 形成 地面沉降風險的3個因子――危險性、易損性和防災減災能力進行分析。首先利用ArcGIS的 空間分析方法對各個因素的因子進行疊加分析，得到地面沉降災害危險性、易損性和防災減 災能力分區(qū)圖（圖3～圖5）；在此基礎上，采用加權綜合評價法(WCA)，通過柵格運算得到 地面沉降災害風險區(qū)劃圖(見圖6)。

4.1 天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害危險性、易損性和防災減災能力

綜合考慮了1985-2005年累計地面沉降量、地面沉降速率和地下水開采強度得到 天津市區(qū)及 近郊區(qū)地面沉降危險性分區(qū)圖（見圖3），由圖3可知：天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降高危 險區(qū)和較高危險區(qū)主要位于津南區(qū)和西青區(qū)，低危險區(qū)和較低危險區(qū)主要位于市內(nèi)六區(qū)和東 麗區(qū)， 1985年之前地面沉降嚴重的市內(nèi)六區(qū)情況逐漸好轉(zhuǎn)，市區(qū)地面沉降漏斗逐漸消失，初步分析 其原因主要是1986年至今市區(qū)采取了大量壓縮地下水開采量等措施，多年來中心市區(qū)地下水 開采量維持在較低水平，地下水開采量已經(jīng)低于可開采量；而津南區(qū)和西青區(qū)地面沉降危險 性大主要原因是地下水開采以及地熱大規(guī)模的開發(fā)利用。目前，津南區(qū)主要沉降漏斗分布 于咸水沽鎮(zhèn)、津南經(jīng)濟開發(fā)區(qū)至葛沽鎮(zhèn)一帶，基本與圖中津南區(qū)高危險區(qū)分布一致；西青區(qū) 主要沉降漏斗分布于楊柳青鎮(zhèn)、辛口鎮(zhèn)、張家窩鎮(zhèn)、南河鎮(zhèn)和大寺鎮(zhèn)，基本與圖中西青區(qū) 高危險區(qū)分布一致。

綜合考慮人口密度、地均GDP和建設用地比重得到天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降易損性分 布圖（見圖4），由圖4可知：總體來說，市區(qū)的易損性比近郊區(qū)大，因為市區(qū)承災體的數(shù)量 多 、密度大、價值高，一旦地面沉降達到一定程度導致建筑物倒坍、生命線中斷等災難時人員 傷亡和經(jīng)濟損失就大。其中高易損區(qū)為市中心的和平區(qū)，低易損區(qū)為北辰區(qū)和西青區(qū)。和平 區(qū)是天津市經(jīng)濟最發(fā)達、人口最密集、商業(yè)最繁榮的區(qū)，2005年和平區(qū)的人口密度達43 845 人/km2，單位面積生產(chǎn)總值59 379.69萬元/km2；而北辰區(qū)和西青區(qū)相對來說人口稀疏 、經(jīng)濟落后 ，西青區(qū)是研究區(qū)人口最稀疏的區(qū)，人口密度為556人/km2，北辰區(qū)是研究區(qū)建設用地比 重最低的區(qū)，其比重為32.87%。

單位面積生產(chǎn)總值綜合考慮每平方公里水準測量公里數(shù)、地下水壓采量占開 采量的比重和城市化水平得到天

津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降防災減災能力分區(qū)圖（見圖5），由圖5可知：總體來說市區(qū)防災減災能 力強于近郊區(qū)，這與研究區(qū)實際控沉工作相符；此外，隨著城市化水平的提高，相對來說， 市區(qū)人口素質(zhì)高、防災減災意識強、政府管理能力強，并且財政收入高，防災減災有充足的 資金保證。

4.2 天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害風險區(qū)劃

根據(jù)自然災害風險數(shù)學計算公式和表1中的指標體系和權重，計算了天津市區(qū)及近郊區(qū)地面 沉降災害系統(tǒng)的風險度，應用GIS技術，編制了天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害風險區(qū)劃圖 （見圖6），并對地面沉降災害風險進行了分析。綜合考慮各因子指數(shù)編制的地面沉降災害 風 險分布有以下特點：津南區(qū)咸水沽鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)和葛沽鎮(zhèn)等地遭受地面沉降災害的風險最 大，應該加強防御；地面沉降災害風險次高值主要分布在津南區(qū)最高值的及西青區(qū)的楊 柳青鎮(zhèn)、辛口鎮(zhèn)、張家窩鎮(zhèn)、南河鎮(zhèn)，這些區(qū)域地面沉降災害危險性大，防災減災能力較弱 ，因此地面沉降災害風險較大；東麗區(qū)東北部和北辰區(qū)東北部是研究區(qū)地面沉降災害風險度 最小的區(qū)域，這些區(qū)域地面沉降危險性較小，人口相對較少、經(jīng)濟相對落后，因此風 險度最小。

5 結 論

綜合考慮危險性、易損性和防災減災能力，形成了一套基于GIS的從數(shù)據(jù)采集空間屬性數(shù) 據(jù)庫建立指標體系選擇評價分析地面沉降災害風險區(qū)劃的技術路線和方法體系；構建 了地面沉降災害系統(tǒng)模式；建立了地面沉降災害風險區(qū)劃的基本評價指標體系，并提出了其 數(shù)量化方法。以天津市區(qū)及近郊區(qū)為研究區(qū)，構建了與地面沉降災害相關的1:1 000 000比 例 尺空間圖形數(shù)據(jù)庫；以200m×200m的區(qū)劃單元對地面沉降風險進行了空間分析，最終編制了 研究區(qū)的地面沉降災害風險區(qū)劃圖。

地面沉降危險性評價表明，高危險區(qū)主要位于津南區(qū)和西青區(qū)；易損性評估表明，高易損區(qū) 主要位于和平區(qū)；防災減災能力評價表明，市區(qū)防災減災能力相對較強，而近郊區(qū)相對較弱 ；風險區(qū)劃表明高風險區(qū)主要位于津南區(qū)咸水沽鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)和葛沽鎮(zhèn)等地。由研究結果可 以看出，目前津南區(qū)和西青區(qū)應該成為天津市區(qū)及近郊區(qū)地面沉降災害防御的重點。

本研究主要是用來為天津市區(qū)及近郊區(qū)政府機構制定資源分配、制定高級防御管理計劃決策 、提高公眾對地面沉降災害成因和控制方法的認識等提供幫助。但由于資料和水平有限，難 免有考慮不足之處。

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第4篇：科研用地評估方法范文

關鍵詞：盲人 大場景空間表征 定向行走 研究范式

分類號：G761

大場景空間表征是個體頭腦中關于物置與空間關系的表現(xiàn)和存在形式，是個體對大場景空間環(huán)境（large-scale space）所形成的內(nèi)部表征。對環(huán)境形成精確的內(nèi)部表征是個體行走導航的關鍵。空間范圍包括小場景空間（small-scale space）和大場景空間，小場景空間是指人身體不動，視線或軀體能夠接觸到的范圍，這種范圍內(nèi)的空間表征往往涉及的區(qū)域較小，如地圖、桌面布局等；而大場景空間是指人需要通過移動，空間更新才能接觸到的環(huán)境，這種范圍往往較大，如社區(qū)、商場等。盲人大場景空間表征的研究范式是主要以盲人為研究對象（明眼人作為對照），采用系統(tǒng)的研究程序、有效的數(shù)據(jù)收集方式考察盲人利用非視覺渠道（聽覺、觸覺、本體覺等）對日常生活環(huán)境形成內(nèi)部表征的研究方式。研究盲人的大場景空間表征對于盲人的定向行走具有重要意義，通過對盲人空間表征特點的研究，我們可以為盲人的定向行走教學提供理論信息，同時為盲人行走輔具開發(fā)提供智力支持。

盲人大場景空間表征的研究發(fā)軔于國外上世紀80年代初期的明眼人空間表征研究，同時這些研究也借鑒了盲人定向行走的相關教學方法，之后融匯了多個學科的研究方法和技術，逐漸形成了今天多學科交叉的研究范式。目前，國外關于盲人大場景空間表征的研究比較成型，已經(jīng)較為系統(tǒng)地探討了盲人在各種環(huán)境下的空間表征特點，并根據(jù)這些特點設計出了輔助盲人定向行走的設備，如TALK SIGNS，Sonic Guide，Personal Guiding System等，這些設備較為有效地幫助盲人在日常生活環(huán)境中行走探路。而空間表征具有文化特征，我們不能把國外關于盲人空間表征的特點的結論直接移植到我國的盲人群體，國內(nèi)目前關于盲人大場景空間表征的實證研究非常缺乏，更多的是從理論探討的角度入手，這種現(xiàn)狀不利于我們客觀地了解我國盲人的空間表征特點，不利于我們開展定向行走工作。通過對近三十年來的文獻梳理，筆者發(fā)現(xiàn)自上世紀80年代以來，國外盲人空間表征研究主要的研究方法為實驗法、問卷法、訪談法等，其中實驗法最為盛行，也是主流的研究方法。本文將介紹國外實驗法中運用較多的幾種研究范式，為我國研究盲人大場景空間表征提供參考，從而促進我國盲人大場景空間表征的研究，為今后的定向行走訓練提供理論基礎和策略支持。

1、基于實地導航的現(xiàn)場研究范式

實地導航的研究范式是盲人大場景空間表征研究最為普遍的一種范式，是一種典型的現(xiàn)場研究（6eldresearch）。Downs和Stea于1973年探討了明眼人空間表象理論及相關內(nèi)容之后，諸多研究開始在實地環(huán)境中探究人們空間表征的特點，這種范式逐漸成熟，于20世紀80年代中期逐漸被應用于盲人定向行走領域，之后更廣泛出現(xiàn)于地理行為學、環(huán)境心理學等學科領域，尤其是美國加州大學圣巴巴拉分校的地理行為學家Golledge等人運用該范式對盲人進行了大量研究。該研究范式包括行走路徑和空間任務測試兩部分。一般程序是首先讓被試在現(xiàn)實環(huán)境中行走一段路程，這一段路程是由主試帶領被試行走的，在帶領的過程中，主試告知被試行走路徑上的地標，走到終點之后，主試帶領被試從另外一條路徑回到起點。剩下幾輪由被試自己獨立行走這一段路徑，主試在被試后面保證他的安全并記錄其探路表現(xiàn)，包括離線行為，如迷路、走到岔口，也包括行走時間。除了探路表現(xiàn)，最主要的是測試被試的空間表征情況，如地標知識、路徑知識和場景知識的測量。

實地導航的研究范式一般包括兩種環(huán)境下的研究，一是自然環(huán)境，二是人工環(huán)境。自然環(huán)境是指日常生活的環(huán)境，如居民區(qū)、商場、校園等，這類環(huán)境貼近我們的生活，也是我們每天需要接觸的，研究起來很有價值，對于盲人定向行走指導意義較大。如Gollege，Bla-des和Kitchin等人分別在美國的圣巴巴拉和英國的貝爾法斯特的戶外場地進行了兩個實驗研究，這兩段路徑都是居民區(qū)，長度分別為2千米和1.6千米，岔口分別為15個和16個，街道形狀分別為格子狀和不規(guī)則狀。實驗是逐個進行的，兩個實驗各自有4輪，第一輪由主試帶領被試行走，主試告知被試行走路徑上需要識記的地標，行走結束后，主試將明眼人的眼睛用眼罩蒙起來，從另外一條路徑返回起點，然后剩下的三輪由主試獨自行走，行走的過程中，明眼人將眼罩取下來，在行走的過程中主試在后面保證被試的安全，并測試他們的表現(xiàn)，測試包括指向和走捷徑，之后還在實驗室完成地標再認、路徑距離估計、言語描述路徑和擺模型等任務，綜合考察被試的地標知識、路徑知識和場景知識。研究結果發(fā)現(xiàn)，盲人在獨自行走第一輪的表現(xiàn)弱于明眼人，但是在最后一輪已經(jīng)與明眼人沒有差異了，研究者認為盲人也可以對現(xiàn)實的復雜環(huán)境形成場景表征。人工環(huán)境的研究，往往是在人工迷宮中進行。在人工迷宮中，主試可以任意設置行走路徑的布局，包括在形狀、難度等方面進行調(diào)整。如Passni等人在室內(nèi)設置了一個大型的人工迷宮，讓盲人和明眼人在迷宮中行走，被試需要完成8個任務，包括學習新路徑、返回起點、整合路徑、場景轉(zhuǎn)換、指向、走捷徑、心理旋轉(zhuǎn)和空間協(xié)調(diào)等，然后從三個方面收集數(shù)據(jù)，包括完成任務成功與失敗的次數(shù)，每個任務所犯的錯誤及所需要的時間，結果發(fā)現(xiàn)先天盲被試的表現(xiàn)最好。Schi-nazi在大學校園的空地上設置了一個大型的迷宮，迷宮長和寬為100米和50米，然后利用該迷宮測試盲人的空間表征知識和探路行為，前者的測量包括指向、距離估計和模型建構，而后者的測量利用GPS追蹤儀測評被試的行走軌跡以及探索模式。

基于實地導航的現(xiàn)場研究范式是考察盲人大場景空間表征的有效方式，該研究的生態(tài)效度較高，與盲人的定向行走訓練聯(lián)系緊密，其中的研究程序多來自于盲校的定向行走教學，研究得出的結論可有效地支持盲人定向行走訓練。如，已有研究發(fā)現(xiàn)盲人偏好以自我中心參照框架編碼環(huán)境信息，那么在給盲人指路時，應該以盲人中心的角度來為其指路，如“公交車站就在你的右手邊”，而不應該以環(huán)境中心的方式指路，如“公交車站在銀行的南部方向”。另外，基于實地導航的研究發(fā)現(xiàn)觸覺地圖可以有效支持盲人戶外定向行走，那么可以在公共場合，如公園、商場設置觸覺地圖，讓盲人形成對該區(qū)域的精確表征，對整個環(huán)境布局提前感知，從而有效地在其中探索行走。與此同時，該類型研究的考察指標較多，不僅包括空間表征指標，而且還包括行走探路指標，多指標的匯聚增加了整個研究的效度和說服力。目前，該范式的一個發(fā)展特點是利用一些先進的導航設備（如GPS導航儀），輔助盲人定向行走，比較不同設備提升盲人空間表征及行走探路的作用，鑒定相關導航設備的適用性。當然，實地導航的研究范式也存在一定弊端，如額外變量的控制、研究工作耗時耗力，尤其是額外變量的控制最為艱難，在戶外環(huán)境研究，會遇到較多不可控的情況，而人工環(huán)境的研究雖然可以相對控制好額外變量，但弊端是生態(tài)效度不如自然環(huán)境研究好。此外，它的研究過程也比較繁瑣，因為是逐個單獨進行實驗，被試是盲人，行走不方便，主試需要一對一操作，每個被試需要用時1到2個小時，幾十個被試就需要很大的工作量。針對以上問題，為了研究盲人的空間表征，有人提出了基于言語描述的空間心理模型研究范式和基于計算機的虛擬技術虛擬環(huán)境研究范式。

2、基于言語描述的空間心理模型研究范式

空間心理模型（spatial mental model）是個體根據(jù)言語描述在內(nèi)心建構的關于文本所指環(huán)境的空間結構?；谘哉Z描述的空間心理模型研究范式也是來源于明眼人的研究，這種研究比較新穎。Noodingz等人于2006年在盲人群體利用言語描述的方式探究盲人的大場景空間表征，之后這類研究逐漸被研究者所認可。這類研究是在實地導航范式基礎上發(fā)展起來的，實地導航的范式需要個體在現(xiàn)實環(huán)境中經(jīng)歷一段路徑，然后再進行空間表征任務的測試，而基于言語描述的空間心理模型研究范式是通過言語描述的方式讓被試在內(nèi)心建構心理表征的過程，研究的目的是探究盲人利用言語描述建構空間表征的特點以及影響因素。這類研究一般會涉及到兩種角度的言語描述：路徑角度（route perspective）和場景角度（survey perspective），前者是從地面導航者的角度進行描述的，如“銀行就在你的左手邊”，而場景角度從地形圖的角度來描述的，一般會涉及到主方向（cardinal direction）的闡述，即東西南北，或者是場景物體之間的相互關系，相應的描述為“銀行目前在你的西邊”，“銀行在郵局的斜對角”。路徑角度的描述基于自我中心參照框架，而場景角度的描述基于環(huán)境中心參照框架。空間心理模型范式的典型研究程序是讓被試聽兩種角度類型的言語描述，言語描述包括了環(huán)境空間結構的布局，然后測試被試建構的空間心理模型。測試包括判斷描述環(huán)境結構的句子正確與否，建構文本描述中的物理模型等。

Schmidt和Tinti等人讓先天盲和明眼人聽取兩個地方的言語描述，每個地方的描述包含路徑和場景角度，即被試一共要聽取四段言語描述，其中某個地方的路徑角度描述為“沿著公路一直往前走，有一個湖泊在你的右邊，一個小鎮(zhèn)在你的左邊”；而某個地方的場景角度描述為“景點坐落在一個湖泊的旁邊，它的邊界就是通向北方的五號高速公路”，聽完之后，被試需要回答30個陳述句所闡述的內(nèi)容是否正確，正確和錯誤的句子各占一半，其中語言描述內(nèi)容包括了空間結構組織，如果被試僅表面上記住了語言內(nèi)容，并不能正確回答所有的問題，因為有的問題還需要空間推斷或空間計算。如，“當你沿著公路向前走，會發(fā)現(xiàn)湖泊在你的右邊，而在大山的山腳，也就是在你的左邊，有一個溫泉，在溫泉的前方，有一個大型醫(yī)療中心”，在句子判斷任務中，你需要判斷“在你到達醫(yī)療中心之前，會發(fā)現(xiàn)溫泉在你的左邊”這個句子是否正確。做完句子任務之后，被試需要將言語描述環(huán)境的空間布局用木塊在一個白板上擺出來，研究者通過坐標系統(tǒng)計算被試擺放模型的精確性。之后，研究者還通過訪談探究被試編碼空間言語信息運用的策略，策略分為言語記憶策略和想象策略兩類，前者是努力記住文本信息的方法，后者是想象地標或者自己身居環(huán)境中的方法。結果發(fā)現(xiàn)，明眼人在句子判斷正確性和擺放模型精確性上都比盲人好，運用策略方面，在場景角度的語言描述中，明眼人更傾向于使用想象策略，而盲人較多使用言語記憶策略。但是部分盲人也使用了想象策略，使用這種策略的盲人在以上兩個任務的表現(xiàn)明顯比使用言語記憶策略的盲人好，這些使用想象策略盲人的表現(xiàn)與明眼人相似。Noodingz，Zuidhoek和Postma的研究欲考察盲人是否可依靠語言描述形成關于環(huán)境的空間心理模型，該研究采用了再認，啟動（recognition/priming task）、直線距離比較（a bird flight distance com-parison task）和空間物理模型任務（a scale model task）的方式考察盲人的表征特點，即到底是空間表征還是言語表征。在再認，啟動任務中，研究評估被試是空間啟動還是言語序列啟動，如果是空間啟動，那么被試建構的是空間表征，反之，則是言語表征。在直線距離判斷任務中，被試需要判斷言語描述中的兩段距離，如果這兩段距離差異越大，被試的反應時和正確率指標表現(xiàn)越好，那么他們建構的是空間表征，因為被試是根據(jù)空間距離來判斷的；如果兩段距離差異越大，被試的反應時和正確率的表現(xiàn)沒有提升，說明被試是依據(jù)言語距離（兩個句子之間隔的字數(shù)）來判斷的，他們建構的是言語表征。在模型放置任務中，被試如果能夠正確擺出物體之間的空間位置，說明他們的表征類型為空間表征。研究還考察了盲人是否更偏愛路徑角度的語言表述形成空間表征。總的結果發(fā)現(xiàn)，盲人和明眼人都能夠根據(jù)言語描述形成空間表征，而盲人基于路徑角度言語表述的空間任務操作得更好。

個體對空間環(huán)境形成內(nèi)部表征，不僅可通過直接的方式，如實地行走，還可通過間接的方式，如言語描述、地圖閱讀等途徑。通過這類研究，研究者可以了解盲人的空間表征特點，即盲人是否在借助于語言的情況下，也可形成對環(huán)境的精確表征；相對于場景角度描述，盲人是否更加偏愛路徑角度的語言描述；盲人在記憶語言文本時，采取了哪些策略，這些策略的使用是否影響空間表征的形成?；谘哉Z描述研究范式的優(yōu)勢是可借助于語言描述在較為節(jié)省時間和精力的條件下獲得對盲人大場景空間表征的評估；另外，這類研究的無關變量控制好，內(nèi)部效度較高，因為是在實驗室借助于計算機進行的，免去了戶外環(huán)境額外因素的干擾，數(shù)據(jù)收集也比較準確、高效。但是，以往這些研究也存在一定弊端，語言描述都是基于研究者假想的環(huán)境，這些環(huán)境往往是精心設想的，是為研究目的服務的，如Noodingz，Zuidhoek和Postma的研究里面涉及到的各個地點，都很巧合，研究者比較容易印證自己的研究假設，而現(xiàn)實的環(huán)境往往比較復雜，從這種研究得出的結論是否可推廣到現(xiàn)實環(huán)境還值得商榷。盡管如此，該類研究還是值得認可，因為盲人平時接觸的語言描述比較多，通過語言描述就能夠在短時間內(nèi)比較方便、快捷地獲得對環(huán)境的空間表征。如果以后這類研究增加生態(tài)效度，考察基于真實環(huán)境語言描述的空間表征將會更有意義。這類研究也可與認知神經(jīng)科學相結合，了解基于言語描述條件下盲人建構空間表征的神經(jīng)網(wǎng)絡激活現(xiàn)象，從生理層次揭示盲人空間表征的加工機制。

3、基于計算機虛擬技術的虛擬環(huán)境研究范式

虛擬技術理念是上個世紀美國著名的計算機學家Ivan Sutherland于1965年提出的，后來美國VIaL公司的創(chuàng)始人之一Jaron Lanier于80年代初最先提出虛擬現(xiàn)實概念（Virtual Reality）。90年代以來國外研究人員紛紛利用虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology）進行多個領域的研究，包括航天、醫(yī)療、教育、心理和休閑娛樂等，其中殘疾人康復方面的研究引人注目。此類研究范式也是在實地導航的研究范式基礎上發(fā)展起來的，盲人因為缺乏視覺，導致行動不便，所以研究者利用計算機虛擬技術對環(huán)境進行模擬，讓盲人提前在虛擬環(huán)境中方便快捷地感知環(huán)境，形成對環(huán)境的精確表征，然后再過渡到實地環(huán)境中行走導航。同時，該研究范式的提出也是為了克服實地導航研究范式中的一系列問題，如現(xiàn)場研究不容易操縱環(huán)境變量，也不容易控制額外變量等問題，而在虛擬環(huán)境中，這些問題基本都可以得到解決。所以目前此范式在空間導航研究中得到了廣泛地采用。Lahvav和Miodusr于2004年首次利用該范式對盲人虛擬環(huán)境的空間表征進行了研究，開始研究模擬的環(huán)境為小場景環(huán)境，之后Merabet和Sanchez也對盲人大場景的現(xiàn)實環(huán)境進行了研究。

這類研究分為兩類，一類是盲人在模擬現(xiàn)實的虛擬環(huán)境中進行導航，然后測試其在虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)，研究一般考察的是他們對于虛擬技術的使用情況，同時考察對模擬現(xiàn)實環(huán)境的空間表征情形；另一類是轉(zhuǎn)化研究（transfer research），因為任何的訓練支持，其效果終究要在現(xiàn)實的環(huán)境中接受檢驗，此類研究是針對其在虛擬環(huán)境中獲得的場景性表征應用于現(xiàn)實空間任務的情況。第二類研究越來越多，也更加具有應用價值。

對于第一類研究，比較有代表性的是Huang的研究，該研究目的是調(diào)查盲人在3D性質(zhì)的虛擬環(huán)境探索的過程，同時調(diào)查對虛擬環(huán)境的空間表征情況。研究過程包括3個階段：學習期、測試期和訪談期。在第一個階段，被試需要在主試的指導下，熟悉虛擬技術系統(tǒng)，在經(jīng)過不斷地學習了解了實驗的目的之后，就進入了測試期；在測試期，被試需要完成兩種任務，包括尋找物體和走出迷宮；最后讓被試回答相關的問題，包括虛擬技術的使用情況及空間表征情形。研究結果顯示所有人都能夠在聲音及觸覺線索的提示下完成任務，通過言語描述的形式，了解到盲人能夠?qū)γ詫m形成較好的場景性表征。Huang另外的研究環(huán)境是模擬的現(xiàn)實生活環(huán)境，包括學校、工作場所和室內(nèi)建筑。研究目的與她前一個研究相似。被試為5名成年盲人，皆為全盲，所有被試要完成三種條件下的兩種任務，即在基于聽覺、觸覺、聽覺和觸覺結合技術的虛擬環(huán)境中完成尋找物體和走完路線的任務。研究程序與上一個研究一樣。結果發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的被試都能夠較好地完成任務，形成對模擬現(xiàn)實環(huán)境的場景性表征，只是聽覺和觸覺結合的情況下，被試完成得最好。

對于第二類研究，Lahav等人將31名盲人分為兩組，實驗組為21人，控制組10人，實驗組通過虛擬環(huán)境的練習，之后過渡到實地陌生環(huán)境中進行空間定向任務的完成；而控制組則直接在實地環(huán)境中練習，之后在實地環(huán)境中完成空間定向任務。結果發(fā)現(xiàn)，實驗組盲人的認知地圖普遍較好，他們對房間的物置描述更清楚，而控制組遺漏了較多的物件；在最后的現(xiàn)場空間任務中，包括尋找物件和路線確認，結果控制組的表現(xiàn)顯著比實驗組差，控制組在此過程中表現(xiàn)出了更多的停頓、情緒煩亂現(xiàn)象，并且更多人沒有完成任務。另外的一個研究，被試包括明眼人和盲人兩組各4名，明眼人需要用眼罩包住眼睛。實驗任務有兩個：一是繪制認知地圖。先進行虛擬地圖的探索，然后用磁鐵棒在磁鐵板上擺放虛擬環(huán)境中的空間線路，通過對擺放的線路及物件的準確性進行評估。二是在陌生的真實環(huán)境中定向行走。也是先在虛擬環(huán)境中進行線路探索，之后形成認知地圖，再到現(xiàn)實環(huán)境中行走，通過前一階段形成的認知地圖導航探路。結果發(fā)現(xiàn)第一個任務所有被試都能完成，但是盲人的認知地圖擺放得更快，在第二個任務當中，盲人中有3人完成，僅有1人不能完成。說明虛擬技術可以幫助盲人形成良好的認知地圖，并且在現(xiàn)實環(huán)境中可以較好地定向行走。

以上研究指出盲人可借助虛擬技術進行空間表征的建構，甚至通過建構的內(nèi)部表征指導實際的行走導航，這些研究不僅呈現(xiàn)了實驗的數(shù)據(jù)結果，而且還呈現(xiàn)了詳細的定性結果，如被試的作品、心理感受等，這可讓研究結果得到交叉驗證。此外，這類研究往往讓被試在計算機虛擬環(huán)境中探路導航，比較安全、快捷，它的內(nèi)部效度高，數(shù)據(jù)收集方便，是一種有效研究盲人空間表征的研究范式。但這類研究也有一些問題。首先，這些研究模擬的環(huán)境都比較簡單，在這些虛擬環(huán)境下建構的空間表征往往與現(xiàn)實環(huán)境的空間表征存在一定差距，虛擬環(huán)境缺乏真實環(huán)境行走條件下的本體覺、前庭覺線索，而這兩種線索對于盲人建立空間表征至關重要，盲人可能并不適應這種虛擬環(huán)境的探索，那么建立的空間表征也不完善；其次，樣本量少，結果的說服力不夠強，結論的推廣性較差；再次，多是探索性研究，對額外的變量控制不夠好，比如被試以往的3D游戲經(jīng)驗，有的人玩的3D游戲比較多，他能夠很熟練地在虛擬環(huán)境中行走探索，建立對環(huán)境的精確表征，而有的人從來沒有玩過虛擬環(huán)境游戲，不能很好地在虛擬環(huán)境中探索，不能理解虛擬環(huán)境的空間布局，影響了空間表征的形成；最后，在研究內(nèi)容上，缺乏對傳統(tǒng)的觸覺地圖對比研究，因為盲人傳統(tǒng)依靠觸覺地圖可以較好地探索未知空間領域，形成對環(huán)境的精確表征。雖然有學者指出虛擬技術建立的空間表征相對于傳統(tǒng)的觸覺地圖、言語描述要好，但實證研究闕如。近年來，基于計算機虛擬環(huán)境的研究逐漸與腦科學研究相結合，探討虛擬環(huán)境導航中盲人的空間表征表現(xiàn)和生理機制。

4、基于腦科學的認知神經(jīng)科學研究范式

以往諸多研究都是間接地從行為特征推知盲人內(nèi)部的空間表征，其可信度往往受到質(zhì)疑，近些年的研究逐漸結合行為和腦神經(jīng)科學研究來探討盲人空間表征背后的大腦生理機制。特別是Fortin，Voss和Lord等人利用腦功能成像技術對盲人的海馬（負責空間表征加工）進行了測量，發(fā)現(xiàn)海馬與被試的先前空間探路行為存在顯著相關。該研究發(fā)表于2008年的Brain雜志，之后激發(fā)了一些研究者從事該領域的研究，但總體上這類研究不多。這類研究一般包括行為和腦科學研究兩個部分，前者呈現(xiàn)被試外顯的行為表現(xiàn)，后者是在行為結果的生理層面上解釋。下面是兩個典型的研究。

Fortin，Voss和lord等人的研究首先讓盲人和明眼人在人工迷宮中行走導航，行走的環(huán)境為四個難度依次遞增的人工迷宮，先由主試帶領被試行走一次，之后由被試獨自行走，在這個過程中測試被試的空間表征及探路行為，結果發(fā)現(xiàn)盲人的空間表征任務表現(xiàn)要優(yōu)于蒙眼明眼人，而之后的刪研究發(fā)現(xiàn)，盲人的海馬體積顯著大于明眼人，海馬在個體對空間環(huán)境的記憶和表征領域扮演著重要的角色，研究還發(fā)現(xiàn)盲人在復雜迷宮的空間表現(xiàn)與其海馬體積呈顯著相關，在簡單迷宮中的表現(xiàn)與海馬體積的關系不明顯。Kupers等人也進行了盲人空間導航的神經(jīng)機制研究，該研究首先讓盲人學習觸覺一視覺轉(zhuǎn)換設備（vision-to-tactile sensory substitution device），利用該設備，可以將虛擬環(huán)境的視覺表象以電觸覺（electrotaetile）脈沖刺激的形式傳遞到盲人舌頭上，盲人通過舌頭獲得對環(huán)境的了解，從而在虛擬環(huán)境中行走導航。在該研究中，被試連續(xù)四天學習這個設備，然后完成路徑繪制任務，即被試要在一張紙上畫出所行走的路徑，通過繪制路徑的精確性考察被試的空間表征，同時被試還要完成路徑再認任務。研究者首先讓被試在一個虛擬環(huán)境行走，再在兩個備選環(huán)境中選擇一個剛才行走過的路徑，計算被試的再認正確率。結果在實驗開始階段，明盲沒有差異，在最后的試次中，盲人的表現(xiàn)超過了明眼人。之后進行fMRI研究，被試仍然完成行為實驗中的路徑再認任務，結果明盲的再認表現(xiàn)沒有差異，但盲人的神經(jīng)網(wǎng)絡激活狀態(tài)與明眼人存在很大的差異，盲人大腦右半球旁海馬的血氧水平出現(xiàn)了增多的現(xiàn)象，同時，在后頂葉皮層的上部和下部、楔前葉、前扣帶回、前島和小腦都出現(xiàn)了激活現(xiàn)象。

腦神經(jīng)科學研究可以探究盲人空間表征的生理機制，為打開盲人空間表征大腦神經(jīng)機制的“黑匣子”帶來了希望，但是這類研究還很缺乏，并且這些研究所探討的環(huán)境都是人工環(huán)境或者說是虛擬環(huán)境，目前幾乎沒有腦神經(jīng)研究可以探討盲人在日常生活環(huán)境中行走導航時大腦神經(jīng)激活狀態(tài)，所以今后探討盲人在日常生活環(huán)境中導航時空間表征的生理機制非常有必要。從目前已有的研究來看，我們并不能清晰地了解盲人空間表征的深層內(nèi)部機制。缺乏視覺刺激，盲人在借助聽覺、觸覺、本體覺和前庭覺等非視覺感知渠道編碼空間信息的神經(jīng)激活現(xiàn)象如何？空間表征是否是超通道的（Amodal）？盲人大腦神經(jīng)網(wǎng)絡是否具有可塑性？借助于語言描述，盲人形成空間表征的神經(jīng)激活狀況又是怎么樣的？許多問題還需要研究者去解決。

5、討論

以上幾種研究范式是目前研究盲人大場景空間表征的主要方式，通過這些研究范式的探究，研究者已經(jīng)獲得了盲人空間表征的相關信息。這些研究范式有一個共同特點，它們基本上都源于明眼人的研究。另外，一些研究范式是在其它范式基礎上發(fā)展起來的，是對前者的優(yōu)化或者補充，如計算機虛擬技術范式是在考慮實地導航范式中自變量不易操縱、額外變量不易控制等問題的基礎上發(fā)展起來的，而空間心理模型研究范式不同于實地導航范式，它考察了盲人基于言語描述下的空間表征情況，算是一個補充，而認知神經(jīng)科學的研究范式更是在考慮前面幾個范式不能探究盲人空間表征行為背后的生理機制這一基礎上發(fā)展起來的。

綜合近些年的發(fā)展趨勢，筆者發(fā)現(xiàn)國外盲人大場景空間表征的研究有以下發(fā)展趨勢。

一是多個學科交叉結合。盲人大場景空間表征研究中學科交叉的兩個典型學科為地理學和心理學，研究心理學的托爾曼早在1948年就開始研究老鼠的空間表征，也即認知地圖。之后有研究者將認知地圖的研究與地理環(huán)境的研究結合起來，探討人與環(huán)境互動過程中的心理特點，逐漸產(chǎn)生了環(huán)境心理學，而實地導航的研究范式便是環(huán)境心理學非常普遍的一種研究范式。心理學和地理學的結合不僅產(chǎn)生了心理學的分支，而且還產(chǎn)生了地理學的一個分支——地理行為學，美國圣巴巴拉大學的Golledge是該分支學科的創(chuàng)始人。他主張運用地理學的研究方法，探究在人在地理環(huán)境中的感受，該學校的地理行為學研究團隊運用地理學和心理學相關研究方法進行了大量的盲人大場景空間表征研究。之后，其他學科加入研究盲人空間表征的行列，包括語言學、計算機技術、人工智能學等，這些學科不僅利用自身學科的優(yōu)勢方法進行研究，而且還結合其他學科實現(xiàn)跨學科的合作，研究盲人的大場景空間表征，如空間心理模型的研究范式便是心理學、語言學的結合，計算機虛擬技術的研究范式便是心理學、計算機技術和人工智能學的產(chǎn)物。認知神經(jīng)科學的研究范式是腦科學與虛擬環(huán)境相結合的產(chǎn)物。

二是逐漸重視各種范式、各個環(huán)境的結合。如在計算機虛擬技術的研究中，不僅重視虛擬環(huán)境對于盲人空間表征的建構，而且還重視將這種建構的空間表征運用到現(xiàn)實環(huán)境中去，如Lahav and Mioduser等人的研究就很好地結合了計算機虛擬技術和實地導航兩種研究范式，這種有機結合有利于盲人建構對環(huán)境的精確表征，從而利用這種表征為現(xiàn)實的行走導航服務。英國的Schinazi運用了實地導航的范式探討了兩種環(huán)境下盲人的空間表征，一種環(huán)境是熟悉的環(huán)境，也就是被試熟悉的大學校園，另一種是被試陌生的人工迷宮環(huán)境，研究者通過對兩種環(huán)境的比較，分析盲人在不同熟悉環(huán)境下的空間表征特點。

三是運用多個指標對研究結果進行交互印證。其實較早考察盲人空間表征的指標為指向和距離估計，但是到后來研究者發(fā)展出了多種評估方法，如地標再認、地標再現(xiàn)、言語描述、走捷徑、擺出空間模型等方式，這些評估方法的綜合運用，不僅可以全面評估盲人大場景空間表征的知識，也可以對研究結果交叉驗證。

第5篇：科研用地評估方法范文

關鍵詞 二氧化碳;氣候變暖;環(huán)境惡化;地質(zhì)封存;可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號 P467:P5:X1 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104(2010)03-0009-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.002

由氣候變化引發(fā)的天氣異常和極端災害事件已經(jīng)初見端倪,盡管各國都在積極開發(fā)太陽能、核能、風能、水能、潮汐能、生物質(zhì)能等新能源,但這些新能源所占比例較有限,以煤、石油、天然氣為主的化石能源仍將在21世紀人類能源消費結構中占主體地位。這就意味著本世紀直接消耗化石燃料所產(chǎn)生的溫室氣體排放量將持續(xù)增加,如不采取措施加以遏制,由此引發(fā)的全球氣候變暖、環(huán)境惡化狀況將繼續(xù)加劇。為避免全球氣候變暖給人類和整個地球環(huán)境系統(tǒng)帶來的災難性后果,積極采取減緩全球氣候變暖和地球環(huán)境惡化的措施迫在眉睫。目前,減緩全球氣候變暖與環(huán)境惡化的關鍵問題就是要大量減少以CO2為主的溫室氣體排放,其中施行二氧化碳捕集與地質(zhì)封存(CCS)是大量減小溫室氣體排放最有效的途徑。本文主要論述我國CO2地質(zhì)封存潛力及可行性,分析CO2地質(zhì)封存與實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的關系。

1 CO2地質(zhì)封存原理和條件

CO2地質(zhì)封存實質(zhì)上就是把CO2這一主要的溫室氣體壓縮至超臨界狀態(tài)(溫度高于31.1℃,壓力高于7.38MPa),并注入到地下深處具有適當封閉條件的地層中進行長期安全(千年至萬年尺度)的封存和隔離。其目的是在一段時間內(nèi)減少大氣中CO2排放量,減緩全球變暖與地球環(huán)境惡化,為開發(fā)新的可再生清潔能源利用技術提供充足的緩沖時間。

CO2地質(zhì)封存主要包括物理封存和化學封存兩種基本機制。其中,物理封存機制就是通過地層構造壓力、地下水動力、流體密度差、蓋層巖石孔隙毛細壓力及礦物(煤層)吸附等共同作用下,將超臨界CO2捕獲于儲層頂部孔隙中。被捕獲于儲層中的一部分CO2以溶解態(tài)分布于地下水中并隨地下水以極低的速度運移,另一部分可能會被吸附于特殊巖層(煤層)表面?；瘜W封存機制就是指儲層中巖石礦物、地下水溶液與注入的超臨界CO2流體在一定的溫度和壓力條件下發(fā)生緩慢的化學反應,生成碳酸鹽礦物(碎屑巖儲層)或碳酸氫根離子(HCO3-)(碳酸鹽巖儲層),從而把二氧化碳轉(zhuǎn)化為新的物質(zhì)固定下來。其中,物理封存機制在很大程度上受地質(zhì)構造、地應力狀態(tài)、地下水動力特征及工程活動擾動等制約,單純的物理捕獲CO2流體只是將CO2暫時封堵在地下巖層中,在地質(zhì)時期存在泄漏的風險?；瘜W捕獲方式是最有利于長期安全固碳的,但是,目前化學方式封存CO2要求儲層具備的條件較為苛刻,合適的儲層較為有限,因為這種方式可以將CO2通過化學反應轉(zhuǎn)化成新的巖石礦物成分,基本不存在泄漏的問題,其固碳容量極為有限。一般來講,較為理想的CO2地質(zhì)封存箱(封存儲層)應該是物理機制和化學機制共同作用的環(huán)境,這樣有利于最大限度發(fā)揮其封存和固碳容量。

為確保CO2流體長期安全封存于地層,就需要尋求適宜的儲層條件。理想的CO2地質(zhì)封存箱所需要的條件主要有[1-2]:

(1)有效的儲層空間:儲層埋藏深度一般應大于800 m,此時地層壓才能確保CO2處于超臨界狀態(tài),便于大量CO2流體安全封存;儲層一般應具備較大厚度、水平延展長度及較大孔隙度,以確保具備大規(guī)模封存CO2的空間和能力。此外,儲層的水文動力環(huán)境應較穩(wěn)定,區(qū)域滲透率一般要較低一些,以保證CO2在儲層中緩慢、平穩(wěn)的運移,確保超臨界CO2流體在地層中有足夠長的滯留時間。若儲層中含有能與超臨界CO2流體發(fā)生化學反應的地下水溶液或巖石礦物,且具有高孔隙度、低滲透率的特征,則是較為理想的儲層。

崔振東等:中國CO2地質(zhì)封存與可持續(xù)發(fā)展中國人口•資源與環(huán)境 2010年 第3期(2)致密、完整的蓋層巖石:目標封存箱必須具備致密、完整的區(qū)域性蓋層巖石圈閉,蓋層巖石應具備較低的孔隙率和滲透率,節(jié)理、裂隙等結構面不發(fā)育且連通狀況差。另外,蓋層巖石應具備較好的抗壓、抗拉、抗剪強度及抗斷裂性能(以巖石斷裂韌度為指標)。這樣才能降低CO2流體透過蓋層巖石泄漏的風險。

(3)穩(wěn)定的水文地質(zhì)環(huán)境:所選封存區(qū)域降水補給與徑流、排泄應達到動態(tài)均衡,具備穩(wěn)定的區(qū)域性含水層和隔水層(或弱透水層),含水層的孔隙水壓力較平衡(水頭差不明顯),地表水與深部含水層地下水之間的滲流體系較連續(xù),而且地下水的流速、流向與蓋層巖石一般應有利于構成完整的封閉系統(tǒng)。此外,深部目標封存箱含水層與淺部淡水(人類飲用)含水層之間的水力聯(lián)系應較少,以防止污染到淺部淡水含水層,最好封存于地下咸水含水層(礦化度較高)。

(4)穩(wěn)定的區(qū)域構造地質(zhì)背景和內(nèi)、外動力環(huán)境:一般來講,目標“封存箱”所處地層的區(qū)域構造活動應該較少,斷層、裂縫不發(fā)育或發(fā)育較少,所選封存儲層應盡量遠離大的穿透性斷裂構造、活動斷層、活火山及破壞性地震頻發(fā)區(qū);地表的地貌應處于低勢能區(qū),降雨和人類工程活動誘發(fā)的滑坡、泥石流等災害不應過多,因為這些外動力因素可能導致地表井口密封設備的失效而使CO2泄漏。

綜上所述,目前比較適合實施CO2地質(zhì)封存的地下空間主要有:油藏儲層和廢棄的油氣層、無開采價值的深部煤層(包括煤層氣和未開采的煤層)中大的空洞、開采過的大洞穴、鹽丘、深部咸水含水層等[3-4]。

2 中國CO2地質(zhì)封存潛力和可行性

2.1 中國CO2地質(zhì)封存潛力

判別CO2地質(zhì)封存技術在我國是否可行,首要任務就是要進行我國CO2地質(zhì)封存潛力評估,其主要指標是地質(zhì)“封存箱”的有效存儲容量。只有存在足夠大存儲容量的地質(zhì)“封存箱”,才是進一步討論地質(zhì)封存技術可行性和經(jīng)濟可行性的前提。

根據(jù)沉積盆地和層序地層學研究成果,中國主要大型盆地分布廣、容積大,沉積了多層組合的沉積體系和層序地層格架,層與層之間的相對隔水層或弱透水層構成相對較好的密封CO2的條件[5]。這些沉積盆地蘊藏著我國絕大多數(shù)已探明的煤、石油、天然氣等化石能源,表明這些盆地是地質(zhì)歷史時期自然形成的優(yōu)勢存儲空間,具備良好的儲層和蓋層體系,且存儲空間容量較為可觀,應該成為CO2地質(zhì)封存箱的優(yōu)先選擇區(qū)域。

根據(jù)國外學者提供的CO2地質(zhì)儲存的容量計算方法[6-7],我國學者對我國主要的潛在地質(zhì)“封存箱”(油氣藏、煤層、深部咸水層等)的CO2存儲容量進行了初步估算。估算結果表明[3-4,8-9]:我國CO2地質(zhì)封存總容量為14 548億t。其中,24個主要沉積盆地深部咸水層可埋存CO2約14 350億t,46個含油氣盆地可埋存CO2約78億t,68個主要煤層區(qū)可埋存CO2約120億t。按2002年中國CO2總排放量為33億t的1/3計算,地下空間容量可供中國CO2地質(zhì)埋存使用1 000年以上[4]。除此之外,我國還存在大量的鹽巖空腔、砂巖透鏡體構造等地下空間都存在較大的存儲潛力。

當然,由于目前CO2地質(zhì)封存容量評估方法研究剛剛起步,估算過程中簡化和忽略了某些因素,估算公式尚需要進一步完善,再加上地質(zhì)勘查工作的局限,估算出的CO2封存容量難免有較大誤差。但估算結果大體表明我國現(xiàn)有的地質(zhì)狀況具備大規(guī)模封存CO2的潛力。

2.2 中國CO2地質(zhì)封存的可行性

CO2地質(zhì)封存的可行性評估是一個系統(tǒng)工程,涉及到一個國家的綜合國力和和社會發(fā)展水平。除了探明具備大存儲容量的儲層和良好的“封存箱”儲層-蓋層系統(tǒng)外,還應主要從科學技術能力、人才儲備、經(jīng)濟成本及效益預算、相關管理和運營體制、相關法律法規(guī)等方面進行評估。

在CO2地質(zhì)封存技術方面,發(fā)達國家已有十幾年的研究歷史和實踐經(jīng)驗,很多國家如美國、歐洲、澳大利亞和日本等都開展了相關的可行性研究及現(xiàn)場封存試驗、監(jiān)測工作[10-13]。國際上已有的相關研究成果使我國的CO2地質(zhì)封存理論和技術研究具備了很高的研究起點和很強的前沿性。近年來,在國家政策的大力支持下,我國在CO2地質(zhì)封存技術方面的研究工作已經(jīng)起步,已經(jīng)設立了“863”和“973”等相關課題進行專門的CO2封存地質(zhì)學理論和技術可行性研究,并很快將進行CO2地質(zhì)封存的現(xiàn)場注入試驗,這表明我國CO2地質(zhì)封存具備了政策和資金保障。相關科研院所(中國科學院、中國地質(zhì)科學院等)、高校(中國石油大學等)及煤炭類(神華集團等)、石油類(中國石油、中國石化)等大型國企都已積極參與到這一前沿領域,為我國CO2地質(zhì)封存理論、技術研究和應用提供了充足的資金、人才和科技保障。此外,我國各大油氣田在油氣工業(yè)的發(fā)展過程中,積累了很多技術(勘探、儲層描述、模擬、容量評估、鉆采與注水、地層監(jiān)測、管道設備等)、運行管理經(jīng)驗以及關于儲層-蓋層系統(tǒng)的知識,這些都可以直接應用于CO2封存工程的封存點鑒別和選址。從經(jīng)濟分析角度來講,我國具備人力資源優(yōu)勢,勞動力成本較低,在我國油氣田和煤田實施CO2-EOR(CO2驅(qū)替采油)、CO2-EGR(CO2驅(qū)替采天然氣)及CO2-ECBM(CO2驅(qū)替采煤層氣)等項目有較大的利潤空間,配套的CO2捕集、運輸設備也有很好的基礎,并在逐漸完善,這些都能降低我國CCS(碳捕集與封存)計劃的成本。從政治體制來看,我國在國際上是一個負責任的大國,各項政策具有高度的集中性和導向性,有集中力量(人力、財力、物力)辦大事的體制優(yōu)勢,這有利于我國迅速組織較大規(guī)模的CO2地質(zhì)封存研究和技術攻關隊伍與相關項目,為我國CO2地質(zhì)封存事業(yè)提供強大的支撐。

綜上所述,我國CO2地質(zhì)封存是切實可行的,各方面的條件有利于有效減少我國CO2排放量,使我國早日實現(xiàn)低碳經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展模式。

3 中國CO2地質(zhì)封存與可持續(xù)發(fā)展

3.1 CO2等溫室氣體可能引發(fā)的氣候和環(huán)境災害

國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對以二氧化碳為主的溫室氣體排放和全球氣候變暖可能帶來的嚴重后果進行了科學預測和論證?？赡芤鸬沫h(huán)境氣候災害歸納起來主要有[1,14]:

(1)全球變暖將改變海陸水汽交換和循環(huán)過程,進而導致全球降水量呈現(xiàn)出區(qū)域分布不均的規(guī)律,使我國局部地區(qū)水量過多而引發(fā)洪澇、滑坡、泥石流等災害,而局部缺水地區(qū)干旱狀況會加劇。

(2)季節(jié)氣候變化和天氣出現(xiàn)異常,如氣溫變化、災害天氣和季節(jié)更替等出現(xiàn)異常。

(3)冰川繼續(xù)消融,冰蓋面積和厚度逐步萎縮,影響極地及海-陸系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境,導致某些生物物種的滅絕。據(jù)科學網(wǎng)報道,全世界一些冰川正在消融,而全球變暖加劇了這一趨勢。例如,在美國蒙大拿州冰川國家公園,1850年時有150座冰川,而如今只有26座冰川。專家估計,如果當前的全球變暖趨勢延續(xù)下去,僅存的26座冰川將會在2030年時全部消失。

(4)全球海平面不均勻上升,沿海海拔較低區(qū)域、三角洲及島嶼將面臨沉降和被海水淹沒的風險,沿海的相關產(chǎn)業(yè)鏈及原有的經(jīng)濟和生活方式將隨之改變。美國科羅拉多大學一份最新研究報告表明,全球33個人口密集的大型三角洲地區(qū)中,有三分之二正面臨“地陷海升”(地面下陷、海平面上升)的雙重威脅,而中國的長江三角洲、珠江三角洲及黃河三角洲將面臨極為嚴重的洪水威脅(科學時報,2009)。

(5)氣候變化導致的大規(guī)模人口遷移、災害頻發(fā)、糧食短缺、生態(tài)惡化、疾疫流行等后果將嚴重影響世界和平與地區(qū)社會穩(wěn)定,引發(fā)一系列人道主義危機。

上述“全球變化”的潛在后果表明:人類活動可以導致氣候變化,而氣候變化又牽制了人類活動,人類必須限制自己的行動,走可持續(xù)發(fā)展道路。我國作為能源消費大國,更應積極采取措施減少向大氣中排放CO2氣體。

3.2 中國能源消費結構與溫室氣體排放狀況

我國正處于快速發(fā)展時期,能源消費強度很高,但能源消費整體上屬于粗放型能源利用方式,能源消費結構不太合理。就我國近年來能源消費結構(表1)來看,中國將長期主要依賴化石燃料(特別是煤)作為能源[15],這種能源消費狀況易于造成能源浪費和環(huán)境污染,使我國面臨嚴峻的環(huán)境壓力。為了保持我國能源、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展,(2008)提出走“中國特色新型能源發(fā)展道路”。其主要涵義是:“堅持節(jié)約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)保、科技先行、國際合作,努力建設一個利用效率高、技術水平先進、污染排放低、生態(tài)環(huán)境影響小、供給穩(wěn)定安全的能源生產(chǎn)流通和消費體系”[16]。

中國不合理的能源消費結構使我國向大氣排放的CO2總量迅速增加。2002年中國CO2總排放量達33億t,占世界總排放量的13.6%,已經(jīng)成為世界上僅次于美國的第二大溫室氣體排放國。根據(jù)我國應用自行研制的中長期能源需求和CO2排放系統(tǒng)(CErCmA)預測,我國2010年CO2排放為1.33-1.57Gt碳,將比2003年提高57%-85%;2020年CO2排放為1.543-2.174Gt碳,比2003年提高82%-156%[17]。預計到2025年,中國將超過美國成為世界上溫室氣體排放第一大國[5]。上述能源消費結構和CO2排放狀況意味著我國未來將承擔更大的CO2減排壓力。

3.3 CO2地質(zhì)封存對中國可持續(xù)發(fā)展的意義

我國不合理的能源消費結構和持續(xù)增長的CO2排放量,使得開展CO2地質(zhì)封存的科研和試驗工作、建立適合中國國情的碳隔離技術體系迫在眉睫,這對實現(xiàn)我國能源、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義:

(1)CO2地質(zhì)封存項目中的CO2-EOR(CO2驅(qū)替采油)、CO2-EGR(CO2驅(qū)替采天然氣)及CO2-ECBM(CO2驅(qū)替采煤層氣)等能有效促進剩余油、氣資源的挖潛開采,提高油氣田和煤田的采收率。既增加了我國化石能源的有效開采量,延長現(xiàn)有非可再生能源的使用年限,為新能源的開發(fā)和利用提供時間和空間,促進我國能源的可持續(xù)發(fā)展,同時又能封存一部分CO2。

(2)我國與世界其他國家共同實施CO2地質(zhì)封存,能短期內(nèi)有效地減少大氣中CO2排放量,減緩全球變暖進程,降低海平面上升速度,這樣能大大降低我國三角洲、沿海低地及島嶼被海水淹沒的風險,保證我國沿海地區(qū)人口、經(jīng)濟、資源、生態(tài)環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展。

(3)實施CO2地質(zhì)封存,緩解氣候變暖,改善我國地理區(qū)域內(nèi)小氣候環(huán)境,有利于遏制我國極端天氣狀況,緩解降水量分布不均的問題,減少因降水問題引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災害、物種滅絕與生態(tài)退化等現(xiàn)象,進而有利于我國保持可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境。

(4)與世界其他國家一起推行CO2地質(zhì)封存和減緩全球變暖進程的措施,有利于避免因氣候變化和環(huán)境、地質(zhì)災害造成的人道主義危機,有利于維護世界和平與地區(qū)穩(wěn)定,進而為我國的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步提供穩(wěn)定的國際環(huán)境,為我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供良好的國際政治保障。

4 結 語

大量的科學證據(jù)表明,來自化石燃料的二氧化碳排放導致了氣候變化,大量減少這些排放對于降低未來的破壞性效應是必要的[18]。CO2地質(zhì)封存是目前國際公認最有效的減緩全球氣候變暖進程的技術手段。已有的地質(zhì)研究和勘查資料表明我國具備大規(guī)模封存CO2的儲層潛力,且對經(jīng)濟、技術、人才、管理和運營體制等方面初步評估表明我國實施CO2地質(zhì)封存項目是切實可行的。

但是,我國CO2地質(zhì)封存的相關理論和技術研究起步較晚,落后于發(fā)達國家20多年,關于CO2封存的基本框架和配套政策、法規(guī)尚未形成。我國CO2地質(zhì)封存工作任重道遠,我國應該積極組織專項研究課題,運用地質(zhì)學、地球化學、地球物理學等理論,研究CO2地質(zhì)封存相關的科技問題,闡明CO2地質(zhì)封存機制,確定CO2封存與利用方案,并開展廣泛的國際交流與合作,在借鑒國外相關技術及管理經(jīng)驗的基礎上,逐步建立適合中國國情的碳隔離技術體系,為我國低碳經(jīng)濟等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施做出積極貢獻。

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Geological Sequestration of CO2 and China's Sustainable Development

CUI Zhendong1 LIU Daan1 ZENG Rongshu1 TIAN Tian2

(1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Engineering Geomechanics Laboratory, Beijing 100029, China; 2. China University of Mining and Technology, School of Mechanics and Civil Engineering, Beijing 100083, China)