基于SMS/GPS/GIS地震災情獲取處理技術研究與實現1

帥向華 鄭 向 劉 欽

1）中國地震臺網中心，北京 100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

基于SMS/GPS/GIS地震災情獲取處理技術研究與實現1

帥向華1)鄭 向2)劉 欽1)

1）中國地震臺網中心，北京 100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

本文研究了基于Windows Mobile的SMS與GPS的嵌入式集成開發技術，以智能移動終端作為地震現場災情獲取與傳輸的手段；同時還研究了 SMS與 GIS 的無縫集成技術，實現災情信息的可視化分析，借助GIS空間分析技術進行地震現場災情空間分布研究。本文建立了基于SMS、GPS和GIS相結合的地震災情獲取處理模式，并基于GSM移動網關和信息機實現了該方法。該方法的模式可以應用于多種遠程信息獲取領域。

地震現場 災情采集 GIS技術 GPS技術 空間分析

引言

地震發生之后，掌握地震現場情況是開展抗震救災工作的關鍵，而地震災情的快速獲取又是掌握地震現場情況的一個核心環節。目前，我國的地震災情獲取主要依靠地震現場工作人員進行的災情收集，而現場收集資料主要以文檔和照片為主，這些資料在送達后方指揮部時，很難在短時間內整理出來并在震區地圖上進行空間定位和災情識別表達，難以從空間上直觀反映災區情況。這種現狀嚴重影響到抗震救災方案的部署工作。汶川地震后，研究人員開始研究利用遙感技術空間觀察模式，來獲取災區災情并進行災情識別處理，但由于震后災區云霧氣象條件和衛星重訪周期的交叉制約，難以及時獲得高幾何分辨率的衛星遙感影像。因此，主要利用低空遙感平臺低高度、云下作業模式，來獲取大比例尺真彩色遙感影像用于災情判斷（秦軍等，2010）。即便如此，一般情況下利用低空遙感平臺的獲取時間是震后6小時。例如，青海玉樹地震中，災區第一批高分辨率遙感圖像是中國科學院對地觀測與數字地球科學中心的遙感飛機于2010年4月14日15時30分獲取的，空間分辨率為40cm，約為震后8.5小時。由此可見，震后2小時之內的災情獲取手段嚴重缺乏。隨著GSM、GPRS、CDMA、3G等無線網絡技術的不斷發展和日趨成熟，以及GIS、GPS等在嵌入式技術方面的發展，使得將無線公網技術和GIS、GPS技術結合起來使用，實現信息無線傳輸與GPS定位識別成為可能，可以在一定程度上基本實現震后2小時內的災情獲取。

為彌補地震災情獲取技術的不足，國家地震社會服務工程項目規劃，到 2020年要建立較為全面的、完善的、多手段結合的天地一體化國家地震災情調查系統，形成集2G/3G、小飛機、遙感、衛星等多手段定點和流動災情采集、監控與處理系統，實現震后0－12小時內快速、實時災情獲取，并對后續次生災害動態監測。本文介紹的采取短信息技術，結合GPRS、GPS、GIS技術實現災情信息的快速獲取，實現了震后0—2小時內的災情獲取和災情識別處理。該項研究是國家地震社會服務工程項目的前期科學研究，為該工程項目的實施奠定了科學研究基礎。

1 關鍵環節研究

實現基于短消息的地震災情獲取處理技術需要考慮的關鍵環節包括，災情的分類與地圖表達、災情的采集方式和采集內容、災情的傳輸方式和災情送達后方后如何進行處理并在空間地圖上進行定位。

1.1 災情分類與表達

地震之后，后方人員最想了解的信息就是地震現場災情，如何較為準確明晰地表達地震災情信息，讓現場人員能夠快速填寫災情并發送給后方，而后方人員又能較為準確的把握傳送到的信息內涵，為此，本文在對地震災情的分類上，采用簡單明確的4類分級方法。主要衡量指標為人的感覺、房屋破壞情況和人員傷亡情況。具體分類為無震感或震感輕；震感強，無破壞；有破壞，無傷亡；破壞重，有傷亡。對于上述4種分類采用數字代碼進行表示，依次為1、2、3、4。這種分類方法非常易于被災情報送人員所掌握。在圖形表達上，根據災害嚴重程度的通常表達方式，分別采用綠色、黃色、橙色和紅色來表達，以便于指揮人員能夠從視覺感官上直觀地理解災情。

1.2 災情采集與傳輸

災情信息的采集與傳送是本文研究的一個關鍵問題，其中災情采集依托智能手機或智能終端（如PDA或其他終端），亦可以是普通手機，相應地，災情采集存在兩種方式，一是在智能手機或智能終端上部署自行開發嵌入式采集軟件；二是使用普通手機按照預定的格式進行災情短信的發送，該種方式是為了滿足普通手機的災情采集需求而設計，主要是規定了災情短信的發送格式，短信中包含了災情代碼信息和地名點信息（鄉鎮或村或街道辦事處名字）。嵌入式采集軟件采用基于Windows Mobile的GPS和SMS研發。Windows Mobile 5.0以后，引入了GPS INTERMEDIATE DRIVER (GPSID) 作為 GPS 接口，對串口操作進行了封裝，使得多個應用程序可以同時訪問同一個 GPS 設備，通過 GPSID解析 NMEA 183信息。NMEA183協議是GPS接收機應當遵守的標準協議，數據串所有字符均為ASCII文本字符。數據傳輸以“語句”方式進行。其常用語句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等（肖遠亮，2003）。本文采用內置GPS進行數據采集，因此，采用通用的Com9串口和默認波特率4800。如通過OpenPort（“com9”，4800）打開端口，然后啟用新線程獲取GPS 數據；根據從端口讀出幀數據，根據協議NMEA183來解析出GPS所包含的信息。主要需要解析GPS DOP and Active Satellites（GSA）當前衛星信息，GPS Satellites in View（GSV）可見衛星信息和 Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息。嵌入式采集軟件主要記錄的信息包括GPS 位置信息、災情代碼信息和附加文本信息。

災情傳送則依托無線公網的SMS技術，SMS短信服務是一種在GSM（global systems for mobile communications）移動網絡上傳送簡短信息的無線應用，也是一種信息在移動網絡上儲存和轉寄的過程。本文中，災情信息的傳送路徑為災情 SMS—GSM 行業短信網關—企業信息機—控制中心。其中，GSM行業短信網關傳送速率可達150條/秒，企業信息機是移動運營商提供的移動數據業務行業端的接入網元。

1.3 災情定位與分析處理

控制中心收到的災情短信包括兩種格式，一種格式為災情代碼+經緯度信息+附加文本信息，通過 GIS直接將帶有經緯度信息的災情點在地圖上定位；另外一種格式為災情代碼+地名點信息，由于地名點信息僅含有鄉鎮或村或街道辦事處信息，因此，地名的定位采用按照震級限定搜索范圍、地址匹配自動和人機交互方式實現。震級限定搜索范圍按照地震的影響范圍進行計算，根據中國地震烈度表對Ⅳ度的定義是“室內多數人、室外少數人有感覺、少數人夢中驚醒”，因此，本文考慮Ⅳ度以上地震所產生的影響范圍。本文僅選取云南、福建及鄰區4.5—7.5不同震級地震烈度等震線作為統計抽樣（鄧起東等，1979；國家地震局，1999；國家地震局，2001），定義R為震級限定搜索范圍的半徑，計算公式為：

式中，bi為不同烈度等震線長軸距離。

對于4.5—6級歷史地震，僅選取具有Ⅳ度歷史等震線記錄數據；對于6—7.5級歷史地震，烈度等震線記錄只有Ⅵ度以上等震線，因此，對于這些地震的Ⅴ度、Ⅳ度等震線長軸，通過地震烈度衰減關系進行外推計算得到。并按照一階指數增長函數進行回歸分析得到：

對于下面兩種情況，則采用式（3）計算：

災情短信定位后形成一系列離散的災情點，通過對這些災情點信息進行插值擬合可以計算出離散點覆蓋區域的災情基本分布。運用泰森多邊形和GIS空間分析方法，對離散點進行面插值分析和邊界修正處理，形成適合計算離散災情采樣點的模型和算法，并借助GIS技術和WebService技術實現該模型和算法（帥向華等，2009）。災情分析處理是一個隨時間變化的二維結果，它動態反映了災情的分布變化。

2 總體技術思路

地震災情獲取處理的總體技術思路是將手機或其他無線通訊終端用戶定義為災情速報人員，地震發生后，短信控制中心首先發出地震災情收集的邀請下行短信，災情速報人員收到該短信后按照約定的格式將所在地區的災情狀況上報給控制中心，控制中心接收到該信息后進行解析，并在全國地圖上進行空間定位，通過對這些點進行擬合分析實現災情的空間區域分布模擬。為滿足上述總體功能要求，系統設計包括3個部分，它們分別為控制中心、遠程訪問和終端采集，如圖1所示。控制中心完成通訊控制、數據處理和數據分析應用服務；遠程訪問完成對控制中心的交互操作；終端采集完成災情數據的采集與傳輸。系統的體系結構設計為多層混合體系結構，分別為終端/應用服務端和客戶端/應用服務端/數據庫服務端，其中前者主要是完成手機或其他無線通訊終端和后臺應用服務的信息傳遞功能，為C/S架構；后者主要是完成客戶端向后臺應用服務端所發出的各種請求的處理，為B/S架構。

圖1 地震災情獲取與處理的基本結構Fig. 1 Basic framework of earthquake disaster data collection and processing

圖2說明了1次地震事件地震災情獲取處理的技術流程。其中，圖2（a）為短信下行流程；圖2（b）為短信上行及處理流程。具體說明如下：

（1）對于地震災情數據通過建立地震事件索引進行管理，地震事件索引定義采用發震日期+發震時刻+震中位置，如200805121428四川汶川。

（2）根據震級計算短信發送范圍，實際上就是按照震級限定搜索范圍的計算方法求出本次地震需要發送短信的區域范圍，并自動定位該范圍內的災情速報人員。

（3）GPS手機定位、輸入災情代碼和轉化為SMS發送災情信息是移動智能終端軟件的功能。

（4）甄別短信息，根據短信息預定格式來區別哪些短信息是（或否）符合要求的災情短信息，對于符合要求的短信息直接提交給災情定位處理模塊，不論何種格式短信息，在通過進行關鍵字過濾處理后都保存到災情數據庫。用戶可以通過訪問與此地震事件相關的災情短信來人工提取一些有效災情信息。

（5）地名匹配定位按照省、地市、縣、鄉鎮和村莊層次，在震級限定搜索范圍內將短信地名信息與不同行政級別的地名點進行逐級匹配，如果只有一個與之匹配的地名點，則直接在地圖上將災情點采用GIS定位；如果出現多個與之匹配的地名，則將這些地名以列表形式顯示出來，其中包含每個地名的經緯度信息，用戶通過點選列表中的地名在地圖上進行顯示，通過人工判斷來選定災情點位置。

圖2 地震災情獲取處理流程Fig. 2 Flowchart of earthquake disaster data collection and processing

（6）生成災情點空間分布圖：按照上行短信的位置和災情分類代碼在地圖上以點圖層表示，各點以災情分類的地圖表達顏色顯示。

（7）當災情點達到一定數量時，就可以根據系統提供的插值擬合算法進行插值計算。這個計算過程是一個動態過程，隨著災情點數量的變化，計算結果也隨之動態變化，及時反應災情的變化。理論上，當點數為大于等于1時，就可以進行計算。

3 系統軟件功能實現

目前，該項研究已經應用于國務院抗震救災指揮部和示范區域中心，建成了12322地震災情短信息速報平臺。當地震發生時，根據地震災害應急響應級別，國家中心或區域中心系統確定地震位置和震級后，通過該平臺發送災情收集邀請短信至地震現場的災情速報人員，地震災情速報人員通過手機或部署終端軟件的移動災情上報終端，上報災情代碼及位置信息到控制中心。這樣可使國家中心和區域中心能夠及時了解地震現場震情、災情變化，為應急指揮提供初步的基礎數據和信息，同時為災情統計、分析、專題圖顯示提供輔助參考數據。

該系統可實現短信速報控制中心和移動災情上報終端系統的功能。

（1）短信控制中心功能

地震事件管理：地震觸發；自動定位短信發送范圍及人員；短信下發；災情短信接收、定位；災情分布插值計算（每個插值計算結果以1個視圖保存并展示，對于1次地震，可以在不同時段生成不同的災情分布結果）；災情短信收發統計；通訊狀態統計。

歷史地震事件管理：地震事件時間戳管理；地震事件相關災情短信息查詢（包含上行短信和下行短信）及地圖瀏覽。

圖表統計分析：災情分布圖表統計（如餅圖、直方圖等）。

災情速報數據庫管理：三網一員及業余災情上報員編輯管理；人員分組管理；短信發送分組；地震事件編輯；發送短信管理；接收短信管理。

系統管理：用戶管理；版面功能靈活設置。

數據同步：國家中心向區域中心同步數據；區域中心向國家中心同步數據。

地圖操作功能：地圖基本操作、專題圖自動生成、地圖打印。

如圖3為國務院抗震救災指揮部12322地震災情短信息速報平臺的主界面之一。該界面是在IE瀏覽器中打開，分別劃分為3個區域：菜單區、列表區、地圖區。其中，菜單區列出常用操作菜單；列表區分別列出各個地震事件（以震中位置和地震編號表達）、短信回復比率（表示某個選中地震時間的收發短信比率）、某個地震事件的短信回復人員姓名和電話號碼等；地圖區最上面分別顯示當前地震信息和系統常用功能工具條。

（2）移動災情上報終端系統功能

該終端軟件可以運行在具有 GPS模塊的智能手機上，或部署在其他智能信息采集終端上。當地震發生后，災情速報人員或其他應急人員會收到短信速報控制中心發布的災情收集指令信息，災情速報人員或其他應急人員利用終端軟件獲取所在位置的空間坐標，并根據預先設置的災情代碼類別向短信速報控制中心上報災情。圖4（a）和圖4（b）分別為終端收到短信速報控制中心災情收集信息界面和災情采集界面。

圖3 國務院抗震救災指揮部12322地震災情短信息速報平臺的主界面Fig. 3 Main interface of 12322 earthquake disaster short message report platform for the state earthquake disaster mitigation headquarter

圖4（a） 收到短信速報控制中心災情收集信息界面Fig. 4 (a) Interface of receiving disaster data collection message from the control center

圖4（b） 災情采集界面Fig. 4 (b) Interface of disaster data collection

4 結語

在我國地震災情信息的快速獲取是防震減災領域的重點難題，尤其是地震后 0—2小時內的災情信息獲取，基本處于空白階段。本文提出了采用無線公網，利用廣泛的手機資源來實現地震現場災情的及時傳輸、定位和處理等工作，可以作為地震災情信息快速獲取的一個手段。同樣，該項研究中的關鍵環節、處理技術和實現流程，也可以應用于其它行業的無線傳輸和信息實時獲取。

鄧起東，張裕明，環文林等，1979. 中國地震烈度等震線圖集. 北京：地震出版社.

國家地震局，1999.中國近代地震目錄（公元1912—1990年MS≥4.7）.北京：中國科學技術出版社.

國家地震局，2001.中國大陸地震災害損失評估匯編（1996—2000）.北京：地震出版社.

秦軍，曹云剛，耿娟，2010. 汶川地震災區道路損毀度遙感評估模型. 西南交通大學學報，45（5）：768—774.

帥向華，侯建盛，劉欽，2009. 基于地震現場離散點災情報告的災害空間分析模擬研究. 地震地質，31（2)：321—332.

肖遠亮，2003. NMEA-183數據標準在GPS技術中的應用. 物探裝備，13（2）：127—133.

Reality and Study of Earthquake Disaster Data Collection and Processing Based on SMS/GPS/GIS

Shuai Xianghua1), Zhen Xiang2)and Liu Qin1)
1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
2) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

Embedded integrated development technology of SMS and GPS based on windows mobile was studied in this paper. In this technology, intelligent mobile terminal was utilized as a means of acquisition and transmission of earthquake disaster. Seamless integration technology of SMS and GIS was also utilized in order to realize the visualized analysis of disaster information.With the help of spatial analysis in GIS, spatial distribution of the earthquake disaster is studied.Finally, mode of earthquake disaster data acquisition and transmission based on SMS, GPS and GIS was built and realized by the Mobile gateway and information machine. This method can be applied to many fields of acquiring remote information.

Earthquake site; Disaster data collection; GIS; GPS; Spatial analysis

帥向華，鄭向，劉欽，2011. 基于SMS/GPS/GIS地震災情獲取處理技術研究與實現. 震災防御技術，6（2）：164—171.

國家科技支撐計劃項目專題（2006BAC13B03-05）和（2006BAK01A28-01）資助

2011-04-12

帥向華，女，生于1973年。碩士，副研究員。主要從事震害預測、地震災害應急及GIS應用研究。E-mail:shuaixhua@sina.com