曹彥波 李永強 張方浩 蔣飛蕊

摘要：破壞性地震發(fā)生后，對地震極災(zāi)區(qū)的快速判定有利于政府各部門實施精準(zhǔn)化的搜救和物資保障。以2021年漾濞MS6.4地震為例，對依據(jù)烈度衰減模型、儀器烈度、余震序列、鐵塔斷電站點數(shù)據(jù)等方法判定的極災(zāi)區(qū)進行多源數(shù)據(jù)融合，快速判定漾濞地震極災(zāi)區(qū)大小及空間分布范圍。結(jié)果表明：基于多源數(shù)據(jù)融合的極災(zāi)區(qū)判定方法除了考慮地震本身物理參數(shù)外，還融合了鐵塔通信基站破壞狀況，擬合得出的極災(zāi)區(qū)大小、方向、質(zhì)心坐標(biāo)等空間分布與實際災(zāi)害調(diào)查繪制結(jié)果基本一致，可為地震救援決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：漾濞MS6.4地震;多源數(shù)據(jù);極災(zāi)區(qū)

中圖分類號：P315.9?? 文獻標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0472-09

0 引言

破壞性地震發(fā)生后，快速判定災(zāi)害規(guī)模、搶救人民生命財產(chǎn)、轉(zhuǎn)移安置災(zāi)民、最大程度減輕災(zāi)害損失是抗震救災(zāi)工作首要任務(wù)。尤其是在重特大地震發(fā)生后，破裂范圍隨著震級和震源機制不同，覆蓋十幾至數(shù)百千米，破裂延續(xù)時間可以從十幾秒到數(shù)百秒（張勇等，2013;岳漢等，2020），導(dǎo)致地震極災(zāi)區(qū)通信、電力設(shè)施設(shè)備受損，極大影響災(zāi)情信息的迅速獲取。因此，在震后2? h的災(zāi)情黑箱期內(nèi)，利用通信基站、余震序列、儀器烈度等物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)來判斷地震極災(zāi)區(qū)的分布范圍、展布方向，可為政府部門確定重點救援區(qū)域、調(diào)派救援力量和物資提供重要的信息支撐和決策依據(jù)（聶高眾等，2012;曹彥波等，2018）。

目前，基于地震烈度衰減的數(shù)學(xué)模型方法是國內(nèi)地震部門各級應(yīng)急指揮中心軟件系統(tǒng)集成的主流算法之一（汪素云等，2000;張方浩等，2016），該算法主要利用地震參數(shù)快速計算地震影響范圍，生成以微觀震中為圓心的觀側(cè)等效破裂的橢圓（線源）面，最高烈度區(qū)就是極災(zāi)區(qū)的影響范圍，極災(zāi)區(qū)長軸初判方向一般為離震中最近的活動斷裂方向。由于地震烈度衰減關(guān)系是通過對歷史地震烈度長短軸回歸分析得到，無法體現(xiàn)出由于震源破裂過程不同而導(dǎo)致的地震災(zāi)害分布差異，因此，用烈度衰減關(guān)系估計的最高烈度、極災(zāi)區(qū)大小、方向和宏觀震中位置往往與實際烈度分布存在較大偏差（王德才等，2013）。2010年玉樹7.1級地震計算出的影響場震中位于人煙稀少的無人區(qū)，而實際宏觀震中卻位于人口稠密的結(jié)古鎮(zhèn);在2014年魯?shù)?.5級地震影響場快速評估過程中，由于災(zāi)區(qū)活斷層數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致初期快速評估計算出的影響場長軸是NE向，最高烈度計算值僅為Ⅷ度，而實際的長軸是NW向，最高烈度計算值為Ⅸ度。針對上述問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了震后極災(zāi)區(qū)判定技術(shù)方法研究。代表性的方法主要有：①基于強震動觀測數(shù)據(jù)判定方法（李山有等，2002;梁永朵等，2015;Kodera et al，2018;關(guān)曙淵等，2020;段洪杰等，2020），如美國的ShakeMap系統(tǒng)，在高密集監(jiān)測臺網(wǎng)支持下，利用震級、烈度與PGA、PGV的關(guān)系進行擬合生成儀器烈度分布圖（Wald et al，1999）;②基于震源機制和余震序列數(shù)據(jù)方法（白仙富等，2011;王偉錁等，2011;張?zhí)K平等，2013;鄭韻等，2015，2018），楊天青等（2015）利用震后數(shù)小時的余震序列數(shù)據(jù)和震源機制解，通過分析數(shù)據(jù)時空展布特征，插值擬合快速判定極災(zāi)區(qū)范圍和展布方向;③基于地震參數(shù)評估方法，聶高眾和徐敬海（2018）通過分析極震區(qū)烈度與地震參數(shù)的相關(guān)性關(guān)系，擬合了一種以正式發(fā)布的地震震級、震源深度為輸入?yún)?shù)的極震區(qū)烈度快速評估模型。近年來，隨著空間對地觀測技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，有部分學(xué)者基于遙感技術(shù)（王曉青等，2015a，b;張景發(fā)等，2018;李金香等，2018;郭建興等，2020），基于無人機影像識別技術(shù)（許建華等，2017;周洋等，2017;杜浩國等，2018;李金香等，2020）、監(jiān)控視頻源識別技術(shù)（李東平等，2017，2019;郭志宇，2017;Li et al，2021）、社交媒體感知技術(shù)（徐敬海等，2015;曹彥波等，2017;薄濤等，2018）、互聯(lián)網(wǎng)IP地址定位技術(shù)（李兆隆等，2017;吳艷梅等，2019）、手機信令數(shù)據(jù)（張勇等，2018;張小詠等，2018;龐曉克，2019）以及震感、人員傷亡、房屋破壞等多源地震災(zāi)情信息融合方法（胡素平，帥向華，2012;郭紅梅等，2015;楊天青等，2016;李芋均等，2020）等多種大數(shù)據(jù)時代的技術(shù)方法進行地震極災(zāi)區(qū)的識別和提取。本文在參考前人研究基礎(chǔ)上，以2021年5月21日漾濞MS6.4地震為例，利用多源數(shù)據(jù)融合方法快速判定極災(zāi)區(qū)范圍和展布方向，為地震應(yīng)急處置工作提供信息支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)源

1.1 技術(shù)路線

本文以云南地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、余震序列數(shù)據(jù)、災(zāi)情數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先基于衰減模型、儀器烈度、余震序列、通信基站斷電、多源數(shù)據(jù)融合5種方法生成地震極災(zāi)區(qū)子集，然后利用有限集容斥算法對每一個子集進行合并，提取融合范圍內(nèi)受影響的居民點數(shù)據(jù)集，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓差方程擬合生成極災(zāi)區(qū)。最后采用平均絕對百分比誤差從極災(zāi)區(qū)大小、方向、宏觀震中、空間位置分布狀況等方面對這5種方法擬合結(jié)果與實際調(diào)查評估結(jié)果進行對比，分析產(chǎn)生誤差的原因（圖1）。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)橢圓差算法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓差算法完成基于不同數(shù)據(jù)源的極災(zāi)區(qū)范圍擬合。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓算法是由美國南加州大學(xué)社會學(xué)教授韋爾蒂·利菲弗在1926年提出的度量地理空間分布的一種經(jīng)典算法。該算法利用一系列離散數(shù)據(jù)點，通過坐標(biāo)系變換的方法，使原坐標(biāo)系中的離散數(shù)據(jù)點在新的坐標(biāo)系下的標(biāo)準(zhǔn)差距離最小，從而反映點集的方向和分布趨勢。該方法主要步驟如下：

（1）確定橢圓圓心。根據(jù)不同數(shù)據(jù)源，利用算數(shù)平均中心來計算橢圓的圓心，算法如下：

Cx=∑ni-1（xi-X）2n

Cy=∑ni-1（yi-Y）2n（1）

式中：Cx和Cy表示橢圓圓心x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，xi和yi是單個點要素的空間位置坐標(biāo)，X和Y是算數(shù)平均中心。

（2）確定橢圓方向性。根據(jù)不同數(shù)據(jù)源空間分布狀況，以x軸為準(zhǔn)，正北方（12點方向）為0度，順時針旋轉(zhuǎn)，算法如下：

tanθ=∑ni-12i-∑ni-12i）+（∑ni-12i-∑ni-12i）2+4（∑ni-1ll）22∑ni-1ll（2）

式中：θ表示橢圓旋轉(zhuǎn)角度;l和l表示平均中心和x、y坐標(biāo)的差。最后確定x、y軸的長度，算法如下：

Dx=2∑ni=1（lcosθ-lsinθ）2n

Dy=2∑ni=1（lsinθ-lcosθ）2n（3）

式中：Dx和Dy分別表示橢圓的x、y軸的長度。

（3）數(shù)據(jù)子集融合。利用有限集容斥原理對不同數(shù)據(jù)源生成的多個子集進行合并，提取影響區(qū)域居民點要素，把合并計數(shù)時重復(fù)計算數(shù)排斥出去，形成不同數(shù)據(jù)源融合范圍內(nèi)居民點要素集合，容斥算法如下：

設(shè)S為有限集，則：

AiS（i=1，2，…，n，n≥2），S=A1∪A2∪…∪Am

∪ni-1Ai=∑nk-1（-1）k-1∑1≤i1

式中：S表示多個集合相并的有限集;Ai表示某一子集。

（4）生成極災(zāi)區(qū)。根據(jù)融合范圍內(nèi)的居民點集合，利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方程擬合計算地震極災(zāi)區(qū)，確定極災(zāi)區(qū)空間分布和展布方向（圖2）。

1.2.2 擬合結(jié)果精度校驗

采用平均絕對百分比誤差方法對5種方法生成的地震極災(zāi)區(qū)評估值和真實值進行精度對比分析。計算數(shù)值越小，說明擬合算法精確度越好。具體算法如下：

M=1n∑nt=1A（t）-F（t）A（t）×100%（5）

式中：M表示表示平均絕對百分比誤差;A表示真實值;F表示預(yù)測值。

1.3 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文分析采用的數(shù)據(jù)包括云南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、活動構(gòu)造數(shù)據(jù)、震區(qū)鐵塔通信基站斷電站點數(shù)據(jù)、余震序列數(shù)據(jù)等9類（表1）。除地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫支撐的結(jié)構(gòu)化矢量數(shù)據(jù)外，采集到的部分數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的文本文檔、電子表格和圖片數(shù)據(jù)，在進行空間分析前需進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。筆者對原始數(shù)據(jù)進行檢查整理，剔除錯誤值、異常值和無經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用GIS軟件對余震序列、儀器烈度、地震烈度圖等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在地圖上進行空間定位配準(zhǔn)，定義坐標(biāo)系，形成可進行空間分析、空間統(tǒng)計建模的矢量數(shù)據(jù)，見表1。

2 研究結(jié)果

2021年5月21日21時48分34秒，云南省漾濞縣（25.67°N，99.87°E）發(fā)生MS6.4地震，震源深度8 km。地震發(fā)生后，云南地震災(zāi)害應(yīng)急指揮中心快速響應(yīng);震后2 min，基于地震烈度衰減模型，利用評估系統(tǒng)快速計算生成了地震極災(zāi)區(qū)的空間分布范圍和方向;震后20 min，根據(jù)預(yù)警工程烈度速報產(chǎn)出結(jié)果，提取儀器烈度極災(zāi)區(qū)影響范圍;震后30 min到1 h，利用漾濞震區(qū)鐵塔通信基站斷電站點分布和余震序列分布空間數(shù)據(jù)點集擬合得到兩種數(shù)據(jù)源的極災(zāi)區(qū)空間分布狀況。

基于烈度衰減模型、儀器烈度、余震序列和鐵塔斷電站點4種方法擬合得到極災(zāi)區(qū)，結(jié)果如表2、圖3所示。

（1）根據(jù)烈度衰減模型計算，此次地震微觀震中位于大理州漾濞縣蒼山西鎮(zhèn)花椒園村，初判發(fā)震構(gòu)造為維西—喬后斷裂，影響場長軸方向為NW向，極災(zāi)區(qū)最高烈度為Ⅷ度，面積約為251.8 km2，覆蓋了漾濞縣白章村、花椒園村、秀嶺村、太平鄉(xiāng)4個居民點。

（2）根據(jù)儀器烈度統(tǒng)計，此次地震微觀震中位于花椒園村，烈度區(qū)長軸方向NW向，向東靠近維西—喬后斷裂，極災(zāi)區(qū)最高烈度為Ⅷ度，面積約303.1 km2，極災(zāi)區(qū)覆蓋了白章村、花椒園村等12個居民點。

（3）從震后1 h余震序列空間分布看，余震主要分布在維西—喬后斷裂西側(cè)，沿著微觀震中向ES方向單側(cè)展布，余震區(qū)長度約25 km，寬度約5 km。根據(jù)擬合結(jié)果，極災(zāi)區(qū)面積155 km2，方向為NNW向，質(zhì)心坐標(biāo)位于微觀震中東南向9.4 km處沙河村與秀嶺村附近，極災(zāi)區(qū)覆蓋了花椒園村、秀嶺村、沙河村、仁民街社區(qū)、河西村5個居民點。

（4）此次地震造成鐵塔基站斷電站點一共有24處，主要分布在Ⅷ度區(qū)范圍內(nèi)，主要集中在微觀震中東側(cè)人口較為密集的縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近，沿紫陽村—淮安村—仁民街社區(qū)—河西村—石坪村一線呈NW向分布。根據(jù)擬合結(jié)果，極災(zāi)區(qū)面積186 km2，方向為NW向，質(zhì)心坐標(biāo)位于微觀震中東側(cè)9.8 km處的河西村附近，覆蓋了秀嶺村、白羊村、淮安村等13個居民點。

（5）根據(jù)上述有限集容斥原理和標(biāo)準(zhǔn)橢圓差方法，對烈度衰減模型、儀器烈度、余震序列、

3 討論

根據(jù)云南省地震局（2021）發(fā)布的漾濞MS6.4地震烈度圖，地震最高烈度為Ⅷ度，地震發(fā)震構(gòu)造為維西—喬后斷裂，沿斷裂西側(cè)呈北NW展布。Ⅷ度區(qū)面積約170 km2，主要涉及漾濞縣蒼山西鎮(zhèn)、漾江鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。筆者采用平均絕對百分比誤差（MAPE）對上述5種方法評估結(jié)果和實際調(diào)查評估結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4、5，表3、4所示：

（1）從極災(zāi)區(qū)大小和空間分布對比分析看：極災(zāi)區(qū)范圍最大評估值來自儀器烈度方法，面積為303.1 km2，約為實際面積2倍，誤差率78.29%，其余方法擬合面積與實際相比誤差率在10%左右。極災(zāi)區(qū)長軸擬合長度除烈度衰減模型方法外其余4種方法與實際結(jié)果相比誤差率均小于15%，余震序列方法長軸與實際基本相符，極災(zāi)區(qū)短軸擬合長度與實際結(jié)果整體有一定偏差，烈度衰減模型方法擬合結(jié)果接近實際。從極災(zāi)區(qū)空間分布情況看，烈度衰減模型和儀器烈度擬合范圍與實際位置相比向西側(cè)偏移，約一半面積重合;鐵塔斷電和余震序列方法所得結(jié)果則向南偏移，約三分之一面積重合。數(shù)據(jù)融合方法擬合的極災(zāi)區(qū)范圍與實際范圍重合面積142 km2，分別占各自面積的74%和84%，兩者空間擬合分布基本一致。從極災(zāi)區(qū)影響的居民點數(shù)量和空間分布看，數(shù)據(jù)融合方法生成的極災(zāi)區(qū)覆蓋居民點與實際較為接近，該方法擬合的極災(zāi)區(qū)包含了15個居民點，實際調(diào)查結(jié)果包含14個居民點，兩個區(qū)域重疊部分有13個居民點，吻合度達到了90%以上。

（2）從極災(zāi)區(qū)展布方向?qū)Ρ确治隹矗簶O災(zāi)區(qū)旋轉(zhuǎn)角評估值最大的是儀器烈度方法，旋轉(zhuǎn)角為152.8°，誤差率僅為0.46%，與實際調(diào)查評估結(jié)果方向基本吻合;評估值最小的是余震序列方法，旋轉(zhuǎn)角為136.6°，誤差率為10.19%。鐵塔斷電和數(shù)據(jù)融合方法方向與實際相比誤差率小于5%，極災(zāi)區(qū)方向判定與實際結(jié)果基本一致。

（3）從極災(zāi)區(qū)質(zhì)心坐標(biāo)與微觀、宏觀震中對比分析可以看出：烈度衰減模型和儀器烈度方法所得極災(zāi)區(qū)質(zhì)心坐標(biāo)與微觀震中位置一致，但從實際調(diào)查繪制的極災(zāi)區(qū)質(zhì)心坐標(biāo)來看，地震宏觀震中與微觀震中存在位置偏差，宏觀震中位于微觀震中EN方向約4.6 km的白羊村附近，x軸向西偏移4.2 km，y軸向北偏移2.1 km。而余震序列、鐵塔斷電、數(shù)據(jù)融合3種方法擬合的質(zhì)心坐標(biāo)都位于微觀震中東側(cè)，接近實際宏觀震中位置。質(zhì)心與宏觀震中偏移量最小的是數(shù)據(jù)融合方法所得結(jié)果，x軸向西偏移1.7 km，y軸向南偏移2.2 km，位于淮安村和漾濞縣城仁民街社區(qū)附近。

這5種方法擬合的極災(zāi)區(qū)大小方向、質(zhì)心坐標(biāo)等空間分布與實際結(jié)果存在一定的偏差，造成誤差的主要原因如下：

（1）從極災(zāi)區(qū)大小和方向評估結(jié)果看（圖6）：利用烈度衰減模型方法生成極災(zāi)區(qū)誤差的原因與衰減模型構(gòu)建時歷史震例樣本數(shù)和采用回歸方法密切相關(guān)，災(zāi)區(qū)活斷層數(shù)據(jù)精度也會影響方向判定準(zhǔn)確性。儀器烈度大小和方向與地震臺網(wǎng)密度和插值方法密切相關(guān)，鐵塔斷電擬合范圍和方向也與破壞站點的數(shù)量和空間分布相關(guān)。從云南臺網(wǎng)震后1 h的余震序列空間分布和震源機制解結(jié)果看，節(jié)面I：走向139°/傾角76°/滑動角-165°，節(jié)面II：走向45°/傾角75°/滑動角-15°。離震中最近的主要活動斷裂為NNW向維西—喬后斷裂，余震序列呈NW向分布，呈現(xiàn)明顯的NNW條帶狀，與斷層節(jié)面I滑動方向一致?？傮w來說，在本次地震中，利用多源數(shù)據(jù)擬合后的極災(zāi)區(qū)大小和方向與實際調(diào)查評估繪制結(jié)果基本一致，能滿足震后2 h災(zāi)情黑箱期快速評估需求。

（2）從極災(zāi)區(qū)宏觀震中和微觀震中偏移情況看（圖5）：這5種方法擬合所得的極災(zāi)區(qū)宏觀震中與實際結(jié)果都存在不同程度的偏移。烈度衰減模型、儀器烈度、余震序列3種方法主要是考慮了地震震級、位置、余震、PGA、PGV等參數(shù)進行擬合，對區(qū)域內(nèi)承災(zāi)體空間分布狀況和震害破壞情況估計不足，導(dǎo)致與宏觀調(diào)查烈度存在差異。對于云南地區(qū)來說，高原山地特征顯著，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地震活動背景等孕災(zāi)環(huán)境多樣復(fù)雜，社會經(jīng)濟、人口等承災(zāi)體時空分布差異性顯著，多次震例表明，調(diào)查烈度、宏觀震中往往與評估烈度、微觀震中存在差異。從漾濞MS6.4實際震害調(diào)查結(jié)果看，極災(zāi)區(qū)（Ⅷ度）宏觀震中位置位于淮安村附近，災(zāi)區(qū)范圍東起漾濞縣蒼山西鎮(zhèn)河西村，西至蒼山西鎮(zhèn)大爛壩，南自蒼山西鎮(zhèn)沙河村，北達漾江鎮(zhèn)彎坡村—桑不老村一帶。在實際地震極災(zāi)區(qū)判定中，除了考慮地震本身物理參數(shù)外，還要融合地面多種承災(zāi)體實際破壞情況，極災(zāi)區(qū)判定才會更加精準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文以2021年5月21日漾濞MS6.4地震為例，基于地震烈度衰減數(shù)學(xué)模型、儀器烈度、余震序列、鐵塔基站斷電等數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)橢圓差方程和容斥算法，通過多源數(shù)據(jù)擬合得出漾濞地震極災(zāi)區(qū)范圍及空間分布。從5種擬合方法與實際結(jié)果的對比分析可以看出，基于多源數(shù)據(jù)融合的極災(zāi)區(qū)判定方法除了考慮地震本身物理參數(shù)外，還融合地表鐵塔通信基站斷電實際破壞情況，擬合得出的極災(zāi)區(qū)大小、方向、質(zhì)心坐標(biāo)等空間分布與實際災(zāi)害調(diào)查繪制結(jié)果基本一致，可為地震救援決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

由于云南地區(qū)孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體時空差異大，地震災(zāi)情多因子耦合關(guān)系復(fù)雜，無論哪一種極災(zāi)區(qū)判定方法都存在一定的局限性和適用范圍，應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高新技術(shù)，快速獲取災(zāi)情，接入動態(tài)實時的行業(yè)大數(shù)據(jù)，進一步提高地震極災(zāi)區(qū)研判精度。

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Determination of the Worst-hit Zone in the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4Earthquake-stricken Area Based on Multi-source Data

CAO Yanbo，LI Yongqiang，ZHANG Fanghao，JIANG Feirui

（Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

The rapid estimation of the worst-hit zone of the earthquake-afflicted area of a destructive earthquake will facilitate the governments precise search and rescue and allocation of relief supplies.In this paper，we integrate the multi-source data of the worst-hit zone in the Yangbi MS6.4 earthquake-stricken area estimated according to the intensity attenuation model，the instrumental intensity，the aftershocks sequence，and the power-outage data of transmission towers，and rapidly determine the area and spatial distribution of the worst-hit zone of the Yangbi earthquake.Our method of multi-source data fusion integrates the physical parameters of the earthquake with the data of the power-outage transmission towers，and gives the area，distribution direction，and the coordinates of the center of the worst-hit zone.These results are in good agreement with the worst-hit zone decided by field investigation.

Keywords：the Yangbi MS6.4 earthquake;multi-source data;the worst-hit zone