魏艷旭，劉曉丹，賈軍鵬

(河北省地震局，河北　石家莊　050021)

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基于GIS的地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏艷旭，劉曉丹，賈軍鵬

(河北省地震局，河北石家莊050021)

摘要：主要介紹基于GIS的河北省地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的總體思路、原理、系統(tǒng)功能。通過該技術(shù)系統(tǒng)能在震后第一時(shí)間獲取震情信息、災(zāi)情評(píng)估報(bào)告、輔助決策信息及活動(dòng)斷裂、交通、人口分布等一系列專題圖，為政府了解災(zāi)情和制定前期的救災(zāi)方案提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地震應(yīng)急；應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)；GIS

0引言

地震災(zāi)害是造成人員傷亡最多、財(cái)產(chǎn)損失最大的自然災(zāi)害之一。地震一旦發(fā)生，當(dāng)?shù)厥锌h立即成為地震應(yīng)急的重點(diǎn)。建設(shè)城市地震應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)可以在震后第一時(shí)間獲得地震震情、快速評(píng)估災(zāi)情損失，提供一系列科學(xué)的救災(zāi)及調(diào)度方案給決策者參考，在未接到上級(jí)命令前先期進(jìn)行必要的抗震救災(zāi)工作。

在全國“九五”重點(diǎn)項(xiàng)目中開展了“大中城市防震減災(zāi)示范研究”，“十五”期間進(jìn)行了“河北省數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目”，通過該項(xiàng)目的應(yīng)急分項(xiàng)建設(shè)，部署完成河北省地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，并在邯鄲和邢臺(tái)兩個(gè)城市建設(shè)市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，部署大中城市應(yīng)急決策反應(yīng)系統(tǒng)公用軟件[1-2]。但是除邢臺(tái)市、邯鄲市的其余九個(gè)地市相關(guān)指揮技術(shù)系統(tǒng)相對(duì)落后，急需建設(shè)城市地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)支撐地市的地震應(yīng)急工作。

國家級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、區(qū)域級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)形成了多層次、全方位的中國地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)體系(見圖1)。該體系結(jié)合了國家、省、地市級(jí)的救災(zāi)力量，提高了政府應(yīng)對(duì)地震的能力[2-5]。

地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)本著“災(zāi)情上報(bào)、應(yīng)急指揮為目的、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依托、現(xiàn)場(chǎng)信息為基礎(chǔ)”的原則，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，迅速啟動(dòng)地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及一系列專業(yè)模型對(duì)地震的影響范圍、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等情況進(jìn)行預(yù)評(píng)估，并得出抗震救災(zāi)輔助決策報(bào)告及一系列的災(zāi)區(qū)專題圖，輔助決策者進(jìn)行先期的救災(zāi)活動(dòng)。

圖1　中國地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)體系構(gòu)成圖Fig.1　Constitution of China earthquake emergency command technology system

1系統(tǒng)原理

1.1地震烈度衰減模型

系統(tǒng)采用林金瑛的烈度衰減關(guān)系，林金瑛等[6]選取華北地震區(qū)5級(jí)以上地震21次共88組等震線，回歸統(tǒng)計(jì)得到該地區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系。

Ia=4.649 6+1.466 7M-

1.754 3ln(Ra+12)σ=0.503 8

Ib=3.009 2+1.461 8M-

1.576 9ln(Rb+12)σ=0.547 8

其中，I為烈度，M為震級(jí)，R為震中距。

系統(tǒng)利用橢圓烈度衰減關(guān)系模型生成烈度圈，結(jié)合距震源最近的斷層方向確定長(zhǎng)短軸走向，最終確定烈度范圍。

1.2人員傷亡計(jì)算模型

尹之潛等根據(jù)我國發(fā)生大震中的人員死亡率資料，以房屋毀壞比、發(fā)震時(shí)間、室內(nèi)人員密度等為主要參數(shù)，提出了人員傷亡計(jì)算模型。下面為死亡人數(shù)模型的計(jì)算公式：

ND=ρ(A1·RD1+A2·RD2+A3·RD3)，

式中，ND是評(píng)估區(qū)域的死亡人數(shù)；ρ是室內(nèi)人員密度，即單位面積的平均人數(shù)，它隨著地域(城市和農(nóng)村)和發(fā)震時(shí)間的不同而變化；A1是倒塌房屋的面積；RD1是倒塌房屋內(nèi)的人員死亡率；A2是嚴(yán)重破壞房屋的面積；RD2是嚴(yán)重破壞房屋內(nèi)的人員死亡率；A3是中等破壞房屋的面積；RD3是中等破壞房屋內(nèi)的人員死亡率。

受傷人數(shù)模型類似于死亡人數(shù)模型。

1.3損失計(jì)算模型

目前，計(jì)算地震災(zāi)害損失主要是計(jì)算人工建筑、各種設(shè)施和室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的破壞造成的損失，即第一類損失。在計(jì)算中，往往將建筑物按照結(jié)構(gòu)和易損性分為高層鋼結(jié)構(gòu)房屋、高層鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)、磚混、單層鋼結(jié)構(gòu)廠房、單層磚柱廠房、塊石灰泥沙漿砌筑結(jié)構(gòu)、土坯房等等。每種房屋都有其結(jié)構(gòu)易損性指數(shù)。

地震建筑物的損失=建筑物破壞比×損失比×建筑物總面積×建筑物單價(jià)[7]。

地震經(jīng)濟(jì)損失，是建筑物遭受地震破壞的直接經(jīng)濟(jì)損失。在烈度圈內(nèi)分別計(jì)算各個(gè)烈度下各種建筑結(jié)構(gòu)類型的破壞損失值，所有烈度下的損失值之和便是建筑直接經(jīng)濟(jì)損失。公式如下：

式中，L(I)為各烈度內(nèi)所有烈度經(jīng)濟(jì)損失之和；P(i)表示i烈度下的建筑經(jīng)濟(jì)損失率；Bs表示第s類結(jié)構(gòu)建筑的面積；Ps表示第s類結(jié)構(gòu)建筑重置單價(jià)。

2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫格式采用“區(qū)域級(jí)抗震救災(zāi)指揮部地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫格式規(guī)范”的格式。與國家級(jí)及區(qū)域指揮中心地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫保持一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便以后交換或更新數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地震行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程地震資料數(shù)據(jù)、災(zāi)害影響背景數(shù)據(jù)、震時(shí)各方聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)、地震應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)等42大類數(shù)據(jù)共71項(xiàng)數(shù)據(jù)表[8]。

3系統(tǒng)功能

城市地震應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)主要由城市災(zāi)情獲取及上報(bào)子系統(tǒng)、地市級(jí)地震快速評(píng)估與動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)、地市級(jí)地震應(yīng)急指揮輔助決策系統(tǒng)、地市級(jí)地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成(見圖2)。

圖2　地市級(jí)地震應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)示意圖Fig.2　Sketch map of city earthquake emergency technology system

3.1災(zāi)情上報(bào)子系統(tǒng)

利用圖片采集設(shè)備、GPS定位儀、海事衛(wèi)星便攜式通信終端、便攜機(jī)，在遭到地震襲擊時(shí)，及時(shí)將地震破壞情況快速傳遞到地震應(yīng)急指揮部及當(dāng)?shù)卣?，能獲取區(qū)域抗震救災(zāi)指揮部的快速響應(yīng)信息及救災(zāi)命令。GPS定位儀用于測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)緯度方位，海事衛(wèi)星便攜式通信終端一方面可以在當(dāng)?shù)赝ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)遭到破壞時(shí)利用海事衛(wèi)星作為通信電話使用，另一方面可將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片及時(shí)傳回到應(yīng)急指揮中心，供指揮者了解災(zāi)情及決策參考。

3.2城市地震快速評(píng)估與動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)

在地震快速評(píng)估系統(tǒng)中輸入地震三要素，系統(tǒng)根據(jù)地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和專業(yè)模型，計(jì)算出地震的影響范圍、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害情況，并形成災(zāi)情報(bào)告文檔，并可以根據(jù)修正后的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。主要功能包括地理信息瀏覽、地震快速評(píng)估、災(zāi)情報(bào)告產(chǎn)出、現(xiàn)場(chǎng)信息跟蹤處理、災(zāi)情文檔管理、評(píng)估結(jié)果二次修正、系統(tǒng)日志等功能模塊(見第24頁圖3)。

(1) 災(zāi)區(qū)范圍顯示。

系統(tǒng)結(jié)合地震災(zāi)害評(píng)估模型、GIS空間查詢和分析技術(shù)可以快速計(jì)算出災(zāi)區(qū)的范圍并以可視化的方式顯示評(píng)估計(jì)算結(jié)果。包括：

① 破壞性地震影響范圍顯示。

② 災(zāi)區(qū)分布。系統(tǒng)可以在地圖上突出顯示災(zāi)區(qū)所在的縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃范圍。

③ 地震地質(zhì)背景等資料信息。系統(tǒng)采用GIS空間查詢定位技術(shù)，通過對(duì)采取范圍的地圖圖層進(jìn)行疊加分析，可以為工作人員提供災(zāi)區(qū)的活動(dòng)斷裂等地震地質(zhì)背景資料信息。

圖3　河北省地市級(jí)地震快速評(píng)估與動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)界面Fig.3　Interface of city earthquake fast evaluation and dynamic tracking system

(2) 人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失查詢顯示。

系統(tǒng)根據(jù)災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，結(jié)合評(píng)估計(jì)算模型和GIS空間分析技術(shù)，可以給出破壞性地震造成的人員死亡、受傷、無家可歸的人數(shù)及人員分布情況、直接經(jīng)濟(jì)損失情況，各評(píng)估計(jì)算結(jié)果精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，展示了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的分布情況。

(3) 災(zāi)害規(guī)模。

根據(jù)地震的震級(jí)以及快速評(píng)估產(chǎn)生的人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失情況，初步確定該地震屬于一般破壞性地震、嚴(yán)重破壞性地震或造成特大損失的嚴(yán)重破壞性地震，供指揮者參考并及時(shí)采取相應(yīng)的地震應(yīng)急方案。

(4) 災(zāi)情報(bào)告。

系統(tǒng)給出可以上報(bào)的有關(guān)地震固定格式的災(zāi)情報(bào)告，內(nèi)容包含震中經(jīng)緯度、宏觀震中、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

(5) 快速評(píng)估結(jié)果修正。

系統(tǒng)提供災(zāi)情動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)估功能。根據(jù)地震震源參數(shù)校正、選擇不同地區(qū)的衰減關(guān)系模型、修正各類建筑物破壞比、動(dòng)態(tài)修正災(zāi)情快速評(píng)估結(jié)果，為指揮者提供更加接近事實(shí)的地震災(zāi)害損失評(píng)估。

(6) 災(zāi)情文檔管理。

地震應(yīng)急快速響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)過程中，形成的震情資料、災(zāi)情資料、地震災(zāi)害快速評(píng)估及動(dòng)態(tài)修正結(jié)果等文字、圖件等信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理，以供查詢。

(7) 數(shù)據(jù)計(jì)算。

數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)軟件相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更新，系統(tǒng)軟件直接調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的資料信息，進(jìn)行計(jì)算。

3.3地震應(yīng)急指揮及輔助決策系統(tǒng)

通過評(píng)估子系統(tǒng)完成災(zāi)害評(píng)估后可通過消息通知的方式自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急指揮系統(tǒng)產(chǎn)生輔助決策。

地震發(fā)生后，觸發(fā)地震應(yīng)急指揮及輔助決策系統(tǒng)，根據(jù)所發(fā)地震損失評(píng)估結(jié)果及地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫結(jié)合專業(yè)模型，快速產(chǎn)生供地震現(xiàn)場(chǎng)指揮人員參考的輔助決策報(bào)告。并通過本系統(tǒng)進(jìn)行交互的震區(qū)專題查詢顯示。主要功能有：地圖交互操作、讀入(地震快速評(píng)估結(jié)果)數(shù)據(jù)、輔助計(jì)算及數(shù)據(jù)生成、輸出報(bào)告、生成專題圖(見第25頁圖4)。

(1) 顯示基于烈度范圍的災(zāi)區(qū)專題圖，專題圖分辨率為300DPI。具體包括震區(qū)重點(diǎn)目標(biāo)分布圖、震區(qū)歷史地震目錄分布圖、震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖、震區(qū)危險(xiǎn)源專題圖、震區(qū)斷裂分布圖、震區(qū)交通分布圖、震區(qū)水庫分布圖、震區(qū)人口分布圖、震區(qū)經(jīng)濟(jì)分布圖、震區(qū)次生災(zāi)害源分布圖、震區(qū)DEM圖等。專題圖下方有以數(shù)據(jù)表形式給出的各種專題災(zāi)情信息。

(2) 輸出輔助決策意見PPT文檔，其中包括道路通行建議、救援力量的分別情況、醫(yī)院的分布情況。

(3) 完成地圖配置和地震相關(guān)專題圖靈活定制。

(4) 以專題圖形式顯示查詢地震災(zāi)害相關(guān)信息，包括空間信息和屬性信息的雙向查詢。

(5) 實(shí)現(xiàn)專題圖分類儲(chǔ)存和管理。

(6) 應(yīng)急預(yù)案生成。

3.4地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

圖4　地市級(jí)地震應(yīng)急指揮輔助決策系統(tǒng)界面Fig.4　Interface of city earthquake emergency command assistant decision system

在數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)的支持下，按照地震系統(tǒng)確定的統(tǒng)一的建庫標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)規(guī)范，建立適合于地市的應(yīng)急指揮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。利用城市地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，可以對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行查看及編輯處理(見圖5)。

圖5　城市地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)界面Fig.5　Interface of city earthquake emergency basic database management system

(1) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匹配，建立拓?fù)潢P(guān)系。使空間數(shù)據(jù)具備拓?fù)湟恢滦?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的匹配。

(2) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)查詢檢索、修改、標(biāo)準(zhǔn)化顯示輸出的功能，具有數(shù)據(jù)更新接口、數(shù)據(jù)庫同各種應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口等，具有統(tǒng)一的管理界面。

(3) 通過數(shù)據(jù)庫管理使各類數(shù)據(jù)達(dá)到層間匹配。在數(shù)據(jù)顯示中，須按照比例尺的不同自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容。

(4) 通過空間位置和屬性信息進(jìn)行互相查詢。

(5) 生成專題圖及實(shí)現(xiàn)編輯功能。

4結(jié)語

地市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)可對(duì)河北境內(nèi)發(fā)生的各類地震事件進(jìn)行快速響應(yīng)、災(zāi)情快速評(píng)估，提出初步的應(yīng)急救災(zāi)輔助決策意見及各種災(zāi)情專題圖，為設(shè)區(qū)市政府開展地震應(yīng)急指揮、災(zāi)情快速處置提供有力的支撐平臺(tái)。顯著提升了設(shè)區(qū)市的地震應(yīng)急指揮能力，有力地促進(jìn)了河北省的防震減災(zāi)工作。

目前石家莊、唐山、廊坊、衡水、保定、張家口、滄州七個(gè)市局參與完成了市級(jí)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)，在2014年10月14日河北省唐山市灤縣3.3級(jí)地震、2014年9月6日河北省張家口市涿鹿縣4.3級(jí)地震中，指揮技術(shù)系統(tǒng)快速產(chǎn)出了初步的災(zāi)評(píng)報(bào)告及一系列輔助決策信息和災(zāi)情專題圖，在地震應(yīng)急指揮中發(fā)揮了一定作用。

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文章編號(hào)：1000-6265(2016)02-0022-05

收稿日期：2015-10-26

第一作者簡(jiǎn)介：魏艷旭(1984—)，女，河北省滄州人。2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)，碩士研究生，工程師。

中圖分類號(hào)：P315.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and Implement of City Earthquake Emergency Command Technology System Based on GIS

WEI Yan-xu, LIU Xiao-dan, JIA Jun-peng

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050021, China)

Abstract:The general idea, principle, system function of design and implement of city earthquake emergency command technology system in Hebei Province based on GIS are introduced in the paper. Through the system, a series of thematic maps about seismic information, disaster assessment report, assistant decision information, active fault, traffic and population can be obtained in the first hours after earthquake. They provide scientific and reliable basis for the government to understand the disaster situation and to make the disaster relief plan.

Key words:Earthquake emergency; Emergency command technology system; GIS