基于GIS的地市級地震應急指揮技術系統設計與實現

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的地市級地震應急指揮技術系統設計與實現

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的河北省地市級地震應急指揮技術系統設計與實現的總體思路、原理、系統功能。通過該技術系統能在震后第一時間獲取震情信息、災情評估報告、輔助決策信息及活動斷裂、交通、人口分布等一系列專題圖，為政府了解災情和制定前期的救災方案提供科學可靠的依據。

關鍵詞：地震應急；應急指揮技術系統；GIS

0引言

地震災害是造成人員傷亡最多、財產損失最大的自然災害之一。地震一旦發生，當地市縣立即成為地震應急的重點。建設城市地震應急技術系統可以在震后第一時間獲得地震震情、快速評估災情損失，提供一系列科學的救災及調度方案給決策者參考，在未接到上級命令前先期進行必要的抗震救災工作。

在全國“九五”重點項目中開展了“大中城市防震減災示范研究”，“十五”期間進行了“河北省數字地震觀測網絡項目”，通過該項目的應急分項建設，部署完成河北省地震應急指揮技術系統，并在邯鄲和邢臺兩個城市建設市級地震應急指揮技術系統，部署大中城市應急決策反應系統公用軟件[1-2]。但是除邢臺市、邯鄲市的其余九個地市相關指揮技術系統相對落后，急需建設城市地震應急指揮技術系統支撐地市的地震應急工作。

國家級地震應急指揮技術系統、區域級地震應急指揮技術系統、地市級地震應急指揮技術系統與現場地震應急指揮技術系統形成了多層次、全方位的中國地震應急指揮技術系統體系(見圖1)。該體系結合了國家、省、地市級的救災力量，提高了政府應對地震的能力[2-5]。

地市級地震應急指揮技術系統本著“災情上報、應急指揮為目的、基礎數據為依托、現場信息為基礎”的原則，當地震發生時，迅速啟動地市級地震應急指揮技術系統，系統根據地震應急基礎數據庫及一系列專業模型對地震的影響范圍、人員傷亡、經濟損失等情況進行預評估，并得出抗震救災輔助決策報告及一系列的災區專題圖，輔助決策者進行先期的救災活動。

圖1　中國地震應急指揮技術系統體系構成圖Fig.1　Constitution of China earthquake emergency command technology system

1系統原理

1.1地震烈度衰減模型

系統采用林金瑛的烈度衰減關系，林金瑛等[6]選取華北地震區5級以上地震21次共88組等震線，回歸統計得到該地區的地震烈度衰減關系。

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，R為震中距。

系統利用橢圓烈度衰減關系模型生成烈度圈，結合距震源最近的斷層方向確定長短軸走向，最終確定烈度范圍。

1.2人員傷亡計算模型

尹之潛等根據我國發生大震中的人員死亡率資料，以房屋毀壞比、發震時間、室內人員密度等為主要參數，提出了人員傷亡計算模型。下面為死亡人數模型的計算公式：

ND=ρ(A1·RD1+A2·RD2+A3·RD3)，

式中，ND是評估區域的死亡人數；ρ是室內人員密度，即單位面積的平均人數，它隨著地域(城市和農村)和發震時間的不同而變化；A1是倒塌房屋的面積；RD1是倒塌房屋內的人員死亡率；A2是嚴重破壞房屋的面積；RD2是嚴重破壞房屋內的人員死亡率；A3是中等破壞房屋的面積；RD3是中等破壞房屋內的人員死亡率。

受傷人數模型類似于死亡人數模型。

1.3損失計算模型

目前，計算地震災害損失主要是計算人工建筑、各種設施和室內財產的破壞造成的損失，即第一類損失。在計算中，往往將建筑物按照結構和易損性分為高層鋼結構房屋、高層鋼筋混凝土框架剪力墻結構、磚混、單層鋼結構廠房、單層磚柱廠房、塊石灰泥沙漿砌筑結構、土坯房等等。每種房屋都有其結構易損性指數。

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[7]。

地震經濟損失，是建筑物遭受地震破壞的直接經濟損失。在烈度圈內分別計算各個烈度下各種建筑結構類型的破壞損失值，所有烈度下的損失值之和便是建筑直接經濟損失。公式如下：

式中，L(I)為各烈度內所有烈度經濟損失之和；P(i)表示i烈度下的建筑經濟損失率；Bs表示第s類結構建筑的面積；Ps表示第s類結構建筑重置單價。

2基礎數據庫建設

數據庫格式采用“區域級抗震救災指揮部地震應急基礎數據庫格式規范”的格式。與國家級及區域指揮中心地震應急數據庫保持一致的數據結構，方便以后交換或更新數據庫。數據庫包含基礎地理數據、社會經濟和人口等統計數據、地震行業基礎數據、工程地震資料數據、災害影響背景數據、震時各方聯絡數據、地震應急預案數據等42大類數據共71項數據表[8]。

3系統功能

城市地震應急技術系統主要由城市災情獲取及上報子系統、地市級地震快速評估與動態跟蹤系統、地市級地震應急指揮輔助決策系統、地市級地震基礎數據庫管理系統構成(見圖2)。

圖2　地市級地震應急技術系統示意圖Fig.2　Sketch map of city earthquake emergency technology system

3.1災情上報子系統

利用圖片采集設備、GPS定位儀、海事衛星便攜式通信終端、便攜機，在遭到地震襲擊時，及時將地震破壞情況快速傳遞到地震應急指揮部及當地政府，能獲取區域抗震救災指揮部的快速響應信息及救災命令。GPS定位儀用于測定現場人員的經緯度方位，海事衛星便攜式通信終端一方面可以在當地通信網絡遭到破壞時利用海事衛星作為通信電話使用，另一方面可將現場拍攝的照片及時傳回到應急指揮中心，供指揮者了解災情及決策參考。

3.2城市地震快速評估與動態跟蹤系統

在地震快速評估系統中輸入地震三要素，系統根據地震應急基礎數據庫數據和專業模型，計算出地震的影響范圍、人員傷亡、經濟損失、次生災害情況，并形成災情報告文檔，并可以根據修正后的參數進行動態評估。主要功能包括地理信息瀏覽、地震快速評估、災情報告產出、現場信息跟蹤處理、災情文檔管理、評估結果二次修正、系統日志等功能模塊(見第24頁圖3)。

(1) 災區范圍顯示。

系統結合地震災害評估模型、GIS空間查詢和分析技術可以快速計算出災區的范圍并以可視化的方式顯示評估計算結果。包括：

① 破壞性地震影響范圍顯示。

② 災區分布。系統可以在地圖上突出顯示災區所在的縣鄉鎮行政區劃范圍。

③ 地震地質背景等資料信息。系統采用GIS空間查詢定位技術，通過對采取范圍的地圖圖層進行疊加分析，可以為工作人員提供災區的活動斷裂等地震地質背景資料信息。

圖3　河北省地市級地震快速評估與動態跟蹤系統界面Fig.3　Interface of city earthquake fast evaluation and dynamic tracking system

(2) 人員傷亡和經濟損失查詢顯示。

系統根據災區基礎地理信息數據庫，結合評估計算模型和GIS空間分析技術，可以給出破壞性地震造成的人員死亡、受傷、無家可歸的人數及人員分布情況、直接經濟損失情況，各評估計算結果精確到鄉鎮，展示了人員傷亡和經濟損失的分布情況。

(3) 災害規模。

根據地震的震級以及快速評估產生的人員傷亡和直接經濟損失情況，初步確定該地震屬于一般破壞性地震、嚴重破壞性地震或造成特大損失的嚴重破壞性地震，供指揮者參考并及時采取相應的地震應急方案。

(4) 災情報告。

系統給出可以上報的有關地震固定格式的災情報告，內容包含震中經緯度、宏觀震中、人員傷亡和經濟損失。

(5) 快速評估結果修正。

系統提供災情動態跟蹤評估功能。根據地震震源參數校正、選擇不同地區的衰減關系模型、修正各類建筑物破壞比、動態修正災情快速評估結果，為指揮者提供更加接近事實的地震災害損失評估。

(6) 災情文檔管理。

地震應急快速響應和實現過程中，形成的震情資料、災情資料、地震災害快速評估及動態修正結果等文字、圖件等信息進行分類存儲管理，以供查詢。

(7) 數據計算。

數據庫與系統軟件相對獨立，數據可動態更新，系統軟件直接調用基礎數據庫的資料信息，進行計算。

3.3地震應急指揮及輔助決策系統

通過評估子系統完成災害評估后可通過消息通知的方式自動觸發應急指揮系統產生輔助決策。

地震發生后，觸發地震應急指揮及輔助決策系統，根據所發地震損失評估結果及地震應急基礎數據庫結合專業模型，快速產生供地震現場指揮人員參考的輔助決策報告。并通過本系統進行交互的震區專題查詢顯示。主要功能有：地圖交互操作、讀入(地震快速評估結果)數據、輔助計算及數據生成、輸出報告、生成專題圖(見第25頁圖4)。

(1) 顯示基于烈度范圍的災區專題圖，專題圖分辨率為300DPI。具體包括震區重點目標分布圖、震區歷史地震目錄分布圖、震區地質災害分布圖、震區危險源專題圖、震區斷裂分布圖、震區交通分布圖、震區水庫分布圖、震區人口分布圖、震區經濟分布圖、震區次生災害源分布圖、震區DEM圖等。專題圖下方有以數據表形式給出的各種專題災情信息。

(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、醫院的分布情況。

(3) 完成地圖配置和地震相關專題圖靈活定制。

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

(5) 實現專題圖分類儲存和管理。

(6) 應急預案生成。

3.4地震應急基礎數據庫管理系統

圖4　地市級地震應急指揮輔助決策系統界面Fig.4　Interface of city earthquake emergency command assistant decision system

在數據庫和地理信息系統的支持下，按照地震系統確定的統一的建庫標準和數據規范，建立適合于地市的應急指揮基礎數據庫管理系統。利用城市地震應急基礎數據庫管理系統實現對地震應急基礎數據的管理，可以對空間數據、屬性數據進行查看及編輯處理(見圖5)。

圖5　城市地震應急基礎數據庫管理系統界面Fig.5　Interface of city earthquake emergency basic database management system

(1) 實現數據匹配，建立拓撲關系。使空間數據具備拓撲一致性，同時實現空間數據與屬性數據的匹配。

(2) 數據庫管理系統具有實時查詢檢索、修改、標準化顯示輸出的功能，具有數據更新接口、數據庫同各種應用軟件數據標準接口等，具有統一的管理界面。

(3) 通過數據庫管理使各類數據達到層間匹配。在數據顯示中，須按照比例尺的不同自動顯示數據內容。

(4) 通過空間位置和屬性信息進行互相查詢。

(5) 生成專題圖及實現編輯功能。

4結語

地市級地震應急指揮技術系統可對河北境內發生的各類地震事件進行快速響應、災情快速評估，提出初步的應急救災輔助決策意見及各種災情專題圖，為設區市政府開展地震應急指揮、災情快速處置提供有力的支撐平臺。顯著提升了設區市的地震應急指揮能力，有力地促進了河北省的防震減災工作。

目前石家莊、唐山、廊坊、衡水、保定、張家口、滄州七個市局參與完成了市級地震應急指揮技術系統建設，在2014年10月14日河北省唐山市灤縣3.3級地震、2014年9月6日河北省張家口市涿鹿縣4.3級地震中，指揮技術系統快速產出了初步的災評報告及一系列輔助決策信息和災情專題圖，在地震應急指揮中發揮了一定作用。

參考文獻：

[1]姜立新，帥向華，張建福，等.地震應急指揮管理信息系統的探討[J].地震，2003，23(2)：115-120.

[2]姜立新，聶高眾，帥向華，等.我國地震應急指揮技術體系初探[J].自然災害學報，2003，12(2)：25-33.

[3]盛家倫，劉在濤.地震應急指揮系統關鍵技術和總體設計[J].地震地磁觀測與研究，2005，26(4)：107-116.

[4]高惠瑛.城市抗震應急指揮信息系統框架研究[J].世界地震工程，2004，20(2)：30-34.

[5]宋俊高，朱元清.GIS技術應用于城市防震減災工作[J].西北地震學報，2002，24(1)：85-91.

[6]林金瑛，蔡華昌，趙軍.河北及鄰近地區地震動衰減關系的分析與確定[J].華北地震科學，1993，11(3):19-29.

[7]李樹楨，尹之潛.地震損失評估與數據庫系統[J].中國地震，1993,9(3):264-275.

[8]聶高眾，陳建英，李志強，等.地震應急基礎數據庫建設[J].地震，2002，22(3)：105-112.

文章編號：1000-6265(2016)02-0022-05

收稿日期：2015-10-26

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

中圖分類號：P315.99

文獻標志碼：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