王斐斐 韓貞輝 樊 華 宋鵬展

（河南省地震局, 鄭州 450016）

引言

地震給人類生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重威脅，地震發(fā)生后快速獲取災(zāi)情并用于應(yīng)急指揮決策成為地震應(yīng)急工作的重中之重。河南省地震局現(xiàn)有的地震災(zāi)情獲取手段包括12322 熱線、12322短信平臺(tái)和應(yīng)急通災(zāi)情上報(bào)系統(tǒng)APP（王斐斐等，2018）等，而這些手段均需等待人員上報(bào)消耗時(shí)間，嚴(yán)重影響了震后災(zāi)情處置效率。通過(guò)向?yàn)?zāi)情速報(bào)員撥打電話可主動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取災(zāi)情，使該手段成為震后快速獲取災(zāi)情的重要手段。

以震中所在位置紙質(zhì)地圖為基礎(chǔ)，選取該區(qū)域?yàn)?zāi)情速報(bào)員電話通訊錄（屬性數(shù)據(jù)）進(jìn)行人工撥打，無(wú)法得知該災(zāi)情速報(bào)員與震中的實(shí)際位置，且耗時(shí)耗力，工作效率低，無(wú)法滿足地震應(yīng)急工作對(duì)災(zāi)情快速獲取的工作要求，因此實(shí)現(xiàn)災(zāi)情速報(bào)員電話號(hào)碼屬性數(shù)據(jù)空間化，快速定位其位置信息，并撥打地震影響范圍內(nèi)災(zāi)情速報(bào)員電話，成為亟需解決的問(wèn)題。

隨著屬性數(shù)據(jù)空間化技術(shù)（廖順寶等，2003，2009；李明杰等，2008；李亞龍等，2019）和信息分類處理方法（董曼等，2014；王琳等，2019；鄧樹(shù)榮等，2019）的廣泛應(yīng)用及GIS 開(kāi)發(fā)的信息管理系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于遙感、林業(yè)、航空、航海、氣象、市政等領(lǐng)域，有關(guān)技術(shù)逐漸在地震行業(yè)得到應(yīng)用（許時(shí)光等，2009；周鋒等，2009；帥向華等，2014；屈佳等，2014）。但商業(yè)GIS 軟件的高額費(fèi)用在一定程度上限制了其推廣與普及。20 世紀(jì)90 年代，開(kāi)源GIS 具有免費(fèi)、可跨平臺(tái)（Linux、Windows）性能，使開(kāi)源GIS 成為GIS 研究和應(yīng)用創(chuàng)新的重要領(lǐng)域（Boulos 等，2006；Curtis 等，2006；Vanmeulebrouk 等，2008；薛杰，2012；郭建興等，2013；鄧欣等，2016；張土金，2017；左天惠等，2017；吳熙彥，2017；劉俊等，2018；吳珍云等，2020）。其中，QGIS 以其用戶界面友好且支持Python、C++等語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)，已在地震行業(yè)得到了應(yīng)用（陳燁等，2017）。與此同時(shí)，微信小程序以其占用內(nèi)存小、開(kāi)發(fā)框架簡(jiǎn)單、無(wú)須安裝、便于后期維護(hù)升級(jí)、可在iOS 和安卓系統(tǒng)手機(jī)上運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，在氣象、水利、林業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用（原世偉等，2016；胡寒冰，2019；陳靜嫻，2020；何瑞娜等，2020；李查瑋等，2020），在地震行業(yè)得到了初步應(yīng)用（王琛等，2018；肖本夫等，2020），但在地震災(zāi)情收集與處置中的應(yīng)用較少。

因此，需建立基于開(kāi)源GIS 的地震災(zāi)情速報(bào)信息收集與處置系統(tǒng)，以最快的速度實(shí)現(xiàn)災(zāi)情速報(bào)員屬性數(shù)據(jù)空間化及撥打電話的自動(dòng)任務(wù)分配，將通過(guò)撥打電話獲取的災(zāi)情信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展布到開(kāi)源GIS 系統(tǒng)（QGIS）中，快速生成地震有感范圍圖和地震災(zāi)情信息匯總報(bào)告，并將其部署在微信小程序中，為河南省防震抗震指揮部提供決策支持，在少震、弱震省份地震應(yīng)急及提高災(zāi)情處置效率方面發(fā)揮作用，為地震系統(tǒng)應(yīng)急管理人員工作提供便利。

1 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

1.1 基于地圖API 的信息展布

采用微信小程序自帶的騰訊地圖作為底圖，基于地圖API 實(shí)現(xiàn)首頁(yè)重置、地圖切換、手機(jī)定位、行政區(qū)劃顯示等基本功能，支持全省災(zāi)情速報(bào)人員、斷裂帶分布、地震事件位置等數(shù)據(jù)展布于地圖上，災(zāi)情速報(bào)員可自動(dòng)填報(bào)當(dāng)前地址，實(shí)現(xiàn)了基于精細(xì)位置的災(zāi)情數(shù)據(jù)上報(bào)，為后續(xù)精準(zhǔn)的災(zāi)情評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1.2 震后影響范圍象限圖自動(dòng)生成

依據(jù)地震三要素和斷裂帶數(shù)據(jù)，選用圓形或橢圓模型（圖1），估算地震影響范圍，作為震后災(zāi)情調(diào)查人員分配任務(wù)的重要依據(jù)。

圖1 震后影響范圍計(jì)算流程Fig. 1 Flow chart for calculating post earthquake influence range

在地震影響范圍繪制過(guò)程中，采用Shapely 包作為計(jì)算機(jī)幾何學(xué)處理工具，實(shí)現(xiàn)地震有感范圍圖生成、橢圓形變換等。Shapely 為Python 包，其實(shí)現(xiàn)的幾何對(duì)象基本類型是點(diǎn)、曲線和曲面，用于設(shè)置平面特征的理論分析和操作。

地震影響范圍確定后，以斷裂走向?yàn)榛鶞?zhǔn)，在圓形或橢圓形內(nèi)按照等面積原則劃分為4 個(gè)象限（圖2），自動(dòng)提取4 個(gè)象限內(nèi)災(zāi)情速報(bào)員信息（姓名和電話），用于災(zāi)情調(diào)查工作人員向4 個(gè)方向分配撥打任務(wù)。

圖2 四象限圖Fig. 2 Four quadrant diagram

1.3 有感范圍圖自動(dòng)繪制

將震后相關(guān)速報(bào)信息的填報(bào)結(jié)果進(jìn)行有感范圍匯總，分別統(tǒng)計(jì)有感、受災(zāi)和極災(zāi)的上報(bào)位置，并對(duì)位置集合進(jìn)行最小凸多邊形、緩沖區(qū)等空間分析，分類生成并繪制受災(zāi)范圍圖。采用PostGIS 直接對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，操作便捷，提高了空間分析操作效率。

1.4 災(zāi)情報(bào)告自動(dòng)生成

災(zāi)情上報(bào)以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，地震后自動(dòng)匯總受災(zāi)情況，使用docxtpl 包通過(guò)加載word 文檔模板，實(shí)現(xiàn)對(duì)其修改，產(chǎn)出地震災(zāi)情首報(bào)和續(xù)報(bào)，可在線查看與下載災(zāi)情報(bào)告文檔。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了災(zāi)情收集表、地震事件表、人員信息表、地震影響表、有感范圍采樣點(diǎn)表、有感范圍表、災(zāi)情報(bào)告表、當(dāng)前人員信息表、用戶賬號(hào)信息表等，并研究了數(shù)據(jù)庫(kù)表之間的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)為3 層結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層與應(yīng)用層（圖3）。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)時(shí)空數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并定時(shí)在中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)同步地震三要素信息。服務(wù)層提供執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢、篩選與匯聚功能及基于微信API 的人員權(quán)限認(rèn)證和快捷登陸服務(wù)、震后影響范圍分析服務(wù)、地震災(zāi)情匯總統(tǒng)計(jì)服務(wù)、地震報(bào)告生成等服務(wù)。應(yīng)用層包括地震災(zāi)情一張圖、震后影響范圍專題圖、災(zāi)情上報(bào)與報(bào)告、系統(tǒng)管理功能等，通過(guò)微信小程序?yàn)榈卣馂?zāi)后管理人員提供快捷的數(shù)據(jù)上報(bào)、災(zāi)情管理等功能。

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig. 3 System logic architecture

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于成熟性、穩(wěn)定性和易維護(hù)性原則，設(shè)計(jì)“首頁(yè)”“災(zāi)情速報(bào)”和“我的”功能模塊（圖4），以微信小程序?yàn)榭蚣?，采用開(kāi)源GIS 組件實(shí)現(xiàn)近鄰、緩沖區(qū)等空間分析，疊加災(zāi)情速報(bào)人員、地震事件和斷裂帶等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地震事件災(zāi)情上報(bào)與匯總統(tǒng)計(jì)，同時(shí)具有用戶登陸、權(quán)限管理、日志記錄等功能。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)Fig. 4 System function module design structure diagram

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

開(kāi)發(fā)環(huán)境為Windows 7 及以上版本系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)工具為Python 3、QGIS、PostgreSQL 11、PostGIS。其中QGIS 用于提供數(shù)據(jù)顯示、編輯、分析和導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)功能，PostgreSQL11 用于實(shí)現(xiàn)事務(wù)、子選擇、觸發(fā)器、視圖、外鍵引用完整性和復(fù)雜鎖定等功能，Post-GIS 用于存儲(chǔ)、管理空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)OpenGIS 的相關(guān)規(guī)范。

3.2 功能模塊的實(shí)現(xiàn)

“首頁(yè)”模塊按照交互友好、操作便捷、界面簡(jiǎn)潔的要求，聚合了互聯(lián)網(wǎng)電子地圖、遙感影像、災(zāi)情速報(bào)人員信息、省界及各地市界等區(qū)劃范圍、斷裂帶及歷史地震事件等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)情一張圖（表1）。

“災(zāi)情速報(bào)”模塊是本系統(tǒng)的核心功能模塊，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)同步到地震災(zāi)情后，可實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)情信息急速上報(bào)、地震影響范圍預(yù)估評(píng)判和災(zāi)情信息匯總統(tǒng)計(jì)等（表1）。

“我的”模塊實(shí)現(xiàn)了用戶權(quán)限、歷史記錄等系統(tǒng)功能，并可手動(dòng)增加地震信息，以彌補(bǔ)地震事件遺漏、滿足地震演練開(kāi)展等需求（表1）。

表1 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)功能Table 1 Function table of each module of the system

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品各功能模塊及實(shí)施結(jié)果進(jìn)行功能測(cè)試，檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到說(shuō)明書(shū)要求及系統(tǒng)用戶界面是否友好等。針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)集成后提供服務(wù)的能力進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，包括易用性、可靠性、安全性、可維護(hù)性等。系統(tǒng)易用性測(cè)試結(jié)果如表2 所示，由表2 可知，該系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，各模塊相對(duì)穩(wěn)定，滿足工作需求。

表2 系統(tǒng)易用性測(cè)試結(jié)果Table 2 Table of platform usability test results

3.4 實(shí)際應(yīng)用

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試和試運(yùn)行后，在河南省真實(shí)地震案例中發(fā)揮了積極作用（圖5、圖6）。

圖5 系統(tǒng)主要功能展示界面Fig. 5 Main function displayinterface of the system

圖6 系統(tǒng)主要災(zāi)情信息收集處置功能Fig. 6 Schematic diagram of main disaster collection functions of the system

4 結(jié)語(yǔ)

本文在詳細(xì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，深入研究了本文架構(gòu)的系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，解決了以下實(shí)際問(wèn)題：

（1） 結(jié)合地震災(zāi)情應(yīng)急實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了以微信小程序?yàn)檩d體的地震災(zāi)情速報(bào)信息收集與處置平臺(tái)，可便捷、高效地收集與處置災(zāi)情數(shù)據(jù)。

（2） 采用開(kāi)源GIS 手段，在地震發(fā)生后的第一時(shí)間獲取災(zāi)情信息，自動(dòng)化評(píng)估影響范圍，選取四象限范圍內(nèi)速報(bào)人員，為災(zāi)情調(diào)查工作人員自動(dòng)分配工作任務(wù)提供參考。

（3） 隨著災(zāi)情數(shù)據(jù)收集工作的有序推進(jìn)，實(shí)時(shí)繪制地震有感范圍圖，統(tǒng)計(jì)受災(zāi)情況，自動(dòng)生成災(zāi)情報(bào)告。

本文架構(gòu)的系統(tǒng)極大程度地提高了震后地震災(zāi)情收集效率，滿足河南及鄰區(qū)小震、弱震較多地區(qū)地震應(yīng)急、應(yīng)急演練工作需求，可在省、市、縣地震應(yīng)急及震后提高災(zāi)情信息收集處置效率方面發(fā)揮作用，也為其他應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)提供參考。但本文未研究影響范圍模型、震后災(zāi)情追蹤、快速獲取周邊應(yīng)急避難所及路徑、應(yīng)急調(diào)度等，今后將開(kāi)展有關(guān)研究。