郁璟貽，陳亞男，譚慶全

(北京市地震局，北京 100080)

0 引言

地震發(fā)生后迅速對(duì)地震造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡做出評(píng)估，第一時(shí)間獲取災(zāi)害損失規(guī)模和空間分布情況，為抗震救災(zāi)指揮部確定救災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域、部署救援隊(duì)伍、分配救災(zāi)任務(wù)，提供地震應(yīng)急科技保障與信息支撐服務(wù)具有十分重要的意義[1，2]。 由于地震發(fā)生后的數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)內(nèi)無(wú)法快速獲得災(zāi)區(qū)的相關(guān)信息，目前應(yīng)急人員主要根據(jù)地震三要素和相關(guān)評(píng)估模型進(jìn)行地震災(zāi)害損失的快速評(píng)估。 對(duì)評(píng)估結(jié)果影響最大的是如何對(duì)地震的烈度影響場(chǎng)進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)估。 烈度影響場(chǎng)一般按照橢圓衰減模型進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，其決定要素有兩個(gè):一個(gè)是長(zhǎng)軸的方向，另一個(gè)是不同烈度區(qū)的長(zhǎng)、短軸的半徑，它們直接決定了受災(zāi)地區(qū)的面積與空間分布[3]。 我國(guó)建成的“區(qū)域地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)”在進(jìn)行影響場(chǎng)快速評(píng)估時(shí)默認(rèn)的影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?yàn)榫嚯x微觀震中最近斷層的走向[4]。 國(guó)內(nèi)許多學(xué)者在研究過(guò)程中也指出影響場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向與地震斷裂方向密切相關(guān)，在建模時(shí)可以把活動(dòng)斷裂的走向作為長(zhǎng)軸的方向[5，6]。

基于現(xiàn)有的研究認(rèn)識(shí)，在絕大多數(shù)快速評(píng)估軟件中，自動(dòng)將離震中最近的斷裂的方向作為影響場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向參與評(píng)估計(jì)算。 隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，GIS 技術(shù)在地震應(yīng)急指揮與地震數(shù)據(jù)處理等方面取得了廣泛的應(yīng)用[7-10]。 本文以北京地區(qū)為例，給出了基于GIS 技術(shù)的地震影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向自動(dòng)判定方法的研究與實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面:一是將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，通過(guò)空間分析判定每個(gè)網(wǎng)格受哪些斷裂的控制，并將網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)合并，形成一套完整的分區(qū)數(shù)據(jù)；二是在分區(qū)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向的自動(dòng)判定，并集成到地震災(zāi)害損失快速評(píng)估系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

1 分區(qū)數(shù)據(jù)的加工

原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括北京地區(qū)斷裂數(shù)據(jù)、北京行政區(qū)域數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均為Shapfile 格式的矢量數(shù)據(jù)，在ArcGIS 軟件中進(jìn)行加工處理，處理流程如圖1 所示。

(1)在歸整基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)每一條斷裂的走向進(jìn)行人工判定，因?yàn)閿嗔褦?shù)據(jù)不是規(guī)則的線段，如果由程序自動(dòng)提取最近的斷裂上某點(diǎn)的方向，將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

(2)在用Fishnet 工具生成網(wǎng)格面矢量數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)生成每個(gè)網(wǎng)格中心對(duì)應(yīng)的點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)，以此點(diǎn)數(shù)據(jù)代表小網(wǎng)格面去計(jì)算最近的斷裂，將會(huì)提高空間分區(qū)的精度。 選擇北京周邊的39°～41°N、115°～118°E 的空間范圍，東西平均距離255km，南北平均距離223km，因而使用Fishnet 工具生成網(wǎng)格時(shí)，colums 和rows 設(shè)定值分別為255 和223，從而得到近似1km×1km 的分區(qū)網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格化示意圖Fig.2 Schematic diagram of spatial grid division

(3)用Near 工具進(jìn)行空間分析，獲得每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離最近的斷裂，并將斷裂ID 自動(dòng)保存到網(wǎng)格中心點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)的屬性表。

(4)通過(guò)Python 代碼獲得斷裂ID 對(duì)應(yīng)的斷裂走向角度值，并將結(jié)果添加到網(wǎng)格中心點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)的屬性表。

(5)用Join 工具將網(wǎng)格中心點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)的屬性信息合并到網(wǎng)格面矢量數(shù)據(jù)的屬性表，從而每個(gè)網(wǎng)格面都得到了最近斷裂的角度值。

(6)用Dissolve 工具進(jìn)一步歸整數(shù)據(jù)，將具有相同斷裂角度值的網(wǎng)格進(jìn)行合并，從而得到更簡(jiǎn)潔的分區(qū)數(shù)據(jù)，相同顏色值的分區(qū)具有相同的斷裂走向，如圖3 所示。

圖3 斷裂走向空間分區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of spatial partition of fault strike

2 分區(qū)數(shù)據(jù)在評(píng)估系統(tǒng)中的集成應(yīng)用

在中國(guó)地震局給各省級(jí)地震應(yīng)急指揮中心統(tǒng)一部署的單機(jī)版快速評(píng)估軟件和“十五”快速評(píng)估系統(tǒng)中，影響場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向由人工指定或由后臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算獲取最近斷裂位置的走向，觸發(fā)界面分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

2018—2019 年，北京市地震局自主研發(fā)了本地化快速評(píng)估與輔助決策系統(tǒng)，觸發(fā)界面如圖4(c)所示，將本文制作完成的斷裂走向空間分區(qū)數(shù)據(jù)集成在評(píng)估系統(tǒng)后臺(tái)，當(dāng)未輸入長(zhǎng)軸方向參數(shù)時(shí)，自動(dòng)獲取長(zhǎng)軸方向值供評(píng)估系統(tǒng)使用，快速評(píng)估流程如圖5 所示。 基于提前制作的分區(qū)數(shù)據(jù)，評(píng)估計(jì)算的效率和評(píng)估精度都得到了提升和改善。

圖4 不同評(píng)估系統(tǒng)地震觸發(fā)界面Fig.4 Trigger interfaces of different evaluation systems

圖5 基于斷裂分區(qū)數(shù)據(jù)的快速評(píng)估流程示意圖Fig.5 Flow chart for rapid evaluation based on fault partition data

3 實(shí)例分析

選擇南口山前斷裂和南口孫河斷裂交匯處的位置，進(jìn)行模擬評(píng)估計(jì)算和對(duì)比分析。 使用許衛(wèi)曉等[12]提出的地震烈度衰減的矩陣模型，模擬5.2 級(jí)地震，烈度衰減公式見(jiàn)式(1)、式(2)。

Ⅵ度區(qū)長(zhǎng)半軸、短半軸:

Ⅶ度區(qū)長(zhǎng)半軸、短半軸:

分別選擇長(zhǎng)軸方向沿北東向和北西向的斷裂進(jìn)行衰減，得到的評(píng)估結(jié)果如圖6 所示；地震影響場(chǎng)與模擬評(píng)估區(qū)域人口公里網(wǎng)格疊加對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。 因模擬“災(zāi)區(qū)”的人口和建筑物分布具有巨大差異，得到的經(jīng)濟(jì)損失和人員死亡評(píng)估結(jié)果差異也非常大。 因而，地震影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?qū)τ诘卣鹂焖僭u(píng)估結(jié)果具有顯著的影響。

圖6 模擬地震評(píng)估結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated seismic evaluation results

圖7 模擬評(píng)估區(qū)域公里網(wǎng)格人口分布對(duì)比Fig.7 Comparison of population distribution of kilometer grids in the evaluation area

4 結(jié)論與討論

面向震后第一時(shí)間的地震災(zāi)害快速評(píng)估需求，本文討論了一種基于GIS 的地震影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向自動(dòng)判定技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法與應(yīng)用。 以北京地區(qū)為例，在斷裂數(shù)據(jù)歸整的基礎(chǔ)上，通過(guò)空間網(wǎng)格化處理，得到長(zhǎng)軸方向空間分區(qū)數(shù)據(jù)；將分區(qū)數(shù)據(jù)集成在北京市本地化快速評(píng)估系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用；并通過(guò)實(shí)例分析不同影響場(chǎng)長(zhǎng)軸方向?qū)υu(píng)估結(jié)果的影響；研究結(jié)果集成應(yīng)用以來(lái)，大大提高了快速評(píng)估系統(tǒng)的計(jì)算效率和評(píng)估精度。

值得注意的是，在影響場(chǎng)的快速評(píng)估計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮斷層規(guī)模、斷層傾向、不同震級(jí)、斷裂交叉位置等多種因素的影響。 由于這方面的研究和應(yīng)用，尚未得到成熟可靠的計(jì)算方法，本文在進(jìn)行震后第一時(shí)間的快速評(píng)估時(shí)，暫且只根據(jù)微觀震中位置來(lái)判斷最近的斷裂走向作為影響場(chǎng)的長(zhǎng)軸方向。

受斷裂探測(cè)精度與屬性信息詳實(shí)程度的限制，基于現(xiàn)有斷裂判定地震的長(zhǎng)軸走向也不完全準(zhǔn)確。 根據(jù)震后的余震、強(qiáng)震、震源機(jī)制解等結(jié)果，需要對(duì)地震影響場(chǎng)進(jìn)行不斷修正后再評(píng)估。涉及震后動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)估以及評(píng)估模型的完善和精細(xì)化問(wèn)題，我們會(huì)在后續(xù)的研究工作中持續(xù)關(guān)注和推進(jìn)。