準實時地震災情綜合評估系統的研發1

劉 智 姜 慧 陳焜浩

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準實時地震災情綜合評估系統的研發1

劉 智1，2）姜 慧1，2）陳焜浩1，2）

1）廣東省地震局，廣州 510070 2）中國地震局地震監測與減災技術重點實驗室，廣州 510070

震后如何快速獲取災區震情信息、準確評估地震災情，是震后應急救援的關鍵問題。本研究從縣市地震災害應急救援需求出發，開發了準實時地震災情綜合評估系統，基于MEMS強震臺網的強震觀測數據、縣域承災體基礎數據和手機終端獲取的震后地震現場實時災情信息，綜合采用承災體地震易損性分析方法和災情動態修正算法，實現了縣市地震災區災情準實時評估，為災區地震應急指揮、救援和輔助決策提供科學依據。

準實時 地震災情采集 MEMS強震儀 動態修正 綜合評估

引言

中國是地震災害多發國家，50%的國土位于Ⅶ度以上的地震高烈度區，地震活動主要分布在東南沿海、西南、西北、華北地區以及臺灣地區的23條地震帶上，覆蓋了23個省會城市以及2/3的百萬人口以上的城市。20世紀中期至今，中國大陸發生了445次6.0—7.9級地震、9次8.0級以上地震，死亡約59萬人（陳振拓等，2012），其中包括唐山地震、汶川地震、玉樹地震等幾次災難性地震，給我國的社會和經濟發展造成了不可估量的損失和影響。

大震發生后快速獲取綜合災情信息、評估地震災情，直接關系到震后應急救援部署，是抗震救災的關鍵環節。作為防震減災工作的基層組織，縣市地震工作主管部門在縣域范圍遭遇地震時，迫切需要了解縣域范圍內地震災情程度和影響分布，為政府部門決策支持提供科學依據，回答媒體和社會公眾關切的問題。由于縣市地震工作主管部門缺乏防震減災基礎數據和有力的科技支撐，且縣域面積大，居民點分布不均，地震突然發生時，多源空間信息整合難（陳文凱等，2010），無法做到災情快速評估，嚴重影響了地震災情上報與救災工作。

目前國內地震災情獲取主要依靠震后災情快速評估，災區災情人工調查和遙感影像技術更新災情等。震后災情快速評估，主要是通過匯集地震監測臺網各臺站的波形記錄并計算地震動參數形成震動圖，結合房屋分布粗估災情。該方法在國外多地震、經濟和科技較發達的國家得到了較為廣泛的應用（王玉石等，2008；陳鯤等，2011；王曉青等，2003；徐水森，2012），如美國的ElarmS系統（Allen等，2009）、日本的SIGNAL地震監測與震害快速評估系統（李山有等，2002；張晁軍等，2010），均是基于足夠密度的加速度計或速度計組成的地震監測臺網數據，生成的地震烈度影響場，向公眾發布地震烈度分布信息。我國幅員遼闊，所建地震臺站稀疏，再加上大震記錄限幅等因素（陳鯤等，2010；譚巧等，2010），獲得的震動圖相當粗略。由于震后災情快速評估存在很大隨機性和不確定性，必須配合震后災情人工調查和遙感影像技術作進一步判斷。盡管人工調查方法不斷改進、手段不斷進步，但建筑物破壞、人員傷亡等災情分布范圍廣，地震后天氣和道路條件都會惡化，人工調查工作量大、難度高、時效性差。遙感技術作為一種新的高效技術手段，具有獲取信息快、信息量大、周期短、能多方位和全天候地動態監測等優勢（王曉青等，2008），但也面臨易受天氣干擾、海量圖形處理困難等問題（柳稼航等，2004；澤仁志瑪等，2006）。總體而言，目前的地震災情快速評估方法和技術，難以滿足應急救援對災情快速評估的要求。

為了有效地解決上述難題，本研究利用成熟理論和最新技術成果，開發了準實時地震災情綜合評估系統。該系統集成了MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）強震數據、實時地震災情數據等多源地震災情數據，通過疊加分析等數學運算模型，得到準實時的動態災情評估數據，具備“自動觸發、快速評估、實時更新、綜合產出”的功能特點和優勢，高效整合了基礎承災體數據和震情信息，有效地解決了以往地震災害發生后災情獲取困難、災情評估滯后的難題，實現了地震災情的快速評估，同時基于短距離通信模塊，即使在公共通信癱瘓的情況下，也能傳輸震情信息，實現了災情的實時更新。系統選取四川省丹棱縣開展集成示范，一旦縣域受到危害性地震影響，當地市縣地震工作主管部門能快速獲得較準確的地震災情分布，為地震應急救援決策提供科學依據，爭取寶貴時間。

1 系統功能

準實時地震災情綜合評估系統是一個致力于解決市縣地震工作部門地震應急工作的綜合服務平臺（圖1）。為了滿足震時災情快速綜合評估的需要，根據震時不同時間節點的需求，該系統主要包括如下四大模塊：

（1）生成地震動影響場。產出包括加速度峰值曲線圖和地震烈度散點圖，主要為市縣地震應急處置提供第一手震情資料，也為災情評估提供基本輸入。

（2）地震災情快速評估。產出以鄉鎮為單位的縣域的建筑物破壞評估結果。

（3）災情動態修正。實時更新建筑物破壞、人員傷亡、道路阻塞情況，同時基于采集災情數據對地震災情快速評估結果進行動態修正。

（4）災情綜合評估。基于人員傷亡、建筑物破壞及對應災區的烈度分布3項指標評估對應災區等級，得到以鄉鎮為單位的地震災害程度分布情況。

2 系統模型和算法介紹

模型和算法是系統的核心，直接關系到系統產出效率和準確性。準實時災情綜合評估系統主要模型包括MEMS災情評估模型、災情動態修正模型和災情綜合評估模型。

2.1 MEMS地震災情評估模型

MEMS災情評估模型通過調用后臺數據庫45臺MEMS強震儀峰值加速度數據，融合場地及地形修正算法、插值算法、儀器烈度和峰值加速度轉化公式及建筑物易損性分析，得到加速度峰值散點圖、儀器烈度散點圖、加速度峰值曲線及建筑物震害預測圖。具體流程如圖2。

圖1 準實時災情綜合評估系統功能框圖

圖2 災情評估模塊

2.1.1 考慮場地效應和地形效應的地震加速度峰值修正算法

該系統以四川省丹棱縣作為示范區，該縣北面多為山地地形，南部地勢平坦，地形效應明顯，若采用線性插值算法求解網格節點加速度峰值，會產生較大誤差。同時，考慮到不同場地對地震峰值加速度的影響，在計算丹棱縣網格點峰值加速度值時，必須考慮場地和地形雙重效應。

首先對45臺強震儀記錄的原始加速度峰值A進行場地及地形修正，得到統一于基巖面的儀器加速度峰值：

其中，asi、asj分別為儀器記錄點和插值點的峰值加速度場地修正系數，場地效應可以根據MEMS強震儀實時傳輸的加速度峰值。ati、atj分別為儀器記錄點和插值點峰值加速度地形修正系數，通過地形影響分析得到。示范區丹棱縣地形修正系數如圖3。

圖3 峰值加速度地形修正系數

2.1.2 儀器烈度分布圖生成算法

儀器烈度是震時最快且最能直觀反映地震災情程度的評價指標，對震時應急具有一定的指導意義。系統采用的儀器烈度生成算法沿用美國ShakeMap系統的計算公式，采用峰值加速度PGA和峰值速度PGV雙重指標進行計算。

其中，當Ⅴ≤mm≤Ⅷ時，

mm＝3.66lg(PGA)－1.66 （3）

對低烈度加速度峰值，即當mm<Ⅴ時，

mm＝2.20lg(PGA)＋1.00 （4）

對高烈度加速度峰值，即當mm>Ⅷ時，

mm＝3.47lg(PGV)＋2.35 （5）

首先采用（3）、（4）式計算mm值，當計算結果大于Ⅶ度，則采用（5）式計算烈度值。

2.2 災情動態修正模型

圖4 災情動態修正模型

2.3 災情綜合評估模型

災情綜合評估模型以人員傷亡、房屋建筑破壞和烈度影響作為評估指標，評估得到震后不同時間節點的縣域災區等級和綜合指標。災區等級劃分主要依據地震災害的輕重程度，分為一般災區、較重災區、嚴重災區和極重災區4個等級（表1）。

表1 災區等級評定表

注：人員傷亡等級的量化指標：個別或無人員傷亡指死亡人數1—2人；傷亡輕微指死亡人數3—10人；傷亡較重指死亡人數10—50人；傷亡慘重指死亡人數>50人。

對于特定區域災情程度可用綜合災害指數（AI）評定：

式中，P（）為死亡和失蹤人數影響系數；PI（）為烈度影響系數；HI（）為房屋震害系數；123分別為P（）HI（）PI（）權重系數，根據經驗，123一般取值為0.4、0.3、0.3。

3 系統構架與集成

3.1 系統構架

準實時災情綜合評估系統采用B/S架構，分為前端災情綜合評估系統和后臺數據管理系統兩部分。系統前端顯示界面采用Flex開源框架設計和構建，并應用SpringMVC、MyBatis等JavaEE框架對系統模型層和持久層進行開發，實現了數據調用和災情分析等算法功能，為用戶提供高效、便捷的災情分析和展示服務。

3.2 數據庫設計

準實時災情動態評估系統對應四大功能模塊共設計了5套數據表，用于記錄基礎數據、震時災情數據和災情評估結果數據。表單設計的詳細信息如表2所示。

表2 數據表單設計

以單體建筑物災情采集數據表為例，其數據和字段說明如表3。

表3 Monomer Collection數據表

本系統應用MyBatis框架作為持久層對數據庫進行訪問。MyBatis是一個基于Java的持久層框架，支持定制化SQL查詢，存儲過程和高級映射，優化了數據庫的訪問、編輯和操作等功能。經后臺數據運算，將結果以發布服務的方式給Flex調用，實現了災情信息在前端平臺的實時發布和展示。

3.3 界面設計

根據整體結構層次，準實時災情綜合評估系統用戶交互的界面主要由1個登錄界面和5個功能模塊組成。功能模塊包括MEMS災情評估、災情動態采集、災情動態修正、災情綜合評估、系統介紹。每一功能模塊分為若干子模塊，并根據震時應急需求提供不同的災情信息圖件（圖5）。

圖5 準實時地震災情動態綜合評估系統界面

3.3.1 用戶登錄界面設計

登陸界面采用簡潔的用戶名-密碼登陸模式，結合世界地圖和突出顯示的丹棱縣地域標識作為背景，具有較好的視覺體驗和安全便捷的用戶管理層（圖6）。

圖6 準實時地震災情動態綜合評估系統登陸界面

3.3.2 MEMS災情評估模塊

MEMS災情評估模塊基于災情評估模型，在震后10分鐘內快速得到地震動影響場，評估災區基本災情。MEMS災情評估模塊產出的災情信息圖件包括峰值加速度散點圖、儀器烈度散點圖（圖7）、峰值加速度等值線圖（圖8）和建筑物震害預測圖（圖9）。

該模塊主要產出的災情信息包括：45個MEMS強震儀峰值加速度值、儀器烈度值、以鄉鎮為單位對應不同破壞等級的不同類型建筑物數量及比例。

圖7 儀器烈度圖

圖8 峰值加速度等值線圖

圖9 建筑物震害預測圖

3.3.3 災情動態采集模塊

災情動態采集模塊主要實現震時災情數據的實時更新和展示（圖10）。通過鏈接后臺災情數據庫，一旦災情采集APP有災情數據傳入，系統將自動更新災情數據表，同時系統前端將根據災情數據表每2分鐘自動刷新建筑物災情動態采集圖、道路災情動態采集圖、人員傷亡動態采集圖，并以突出顯示的方式提醒用戶。

該模塊主要產出的災情信息包括：對應不同破壞等級的不同類型建筑物數量及比例、道路破壞點坐標、人員受傷及死亡數量。

圖10 災情動態采集圖

3.3.4 災情動態疊加模塊

災情動態修正模塊是基于災情動態修正模型和算法，通過震時災情采集數據對評估結果進行動態修正與更新。主要產出有建筑物災情動態疊加圖、道路災情動態疊加圖（圖11）。

該模塊主要產出的災情信息包括：基于評估與采集結果的建筑物破壞數量對比、道路破壞分布。

圖11 災情動態修正圖及產出結果對比圖

3.3.5 災情綜合評估模塊

災情綜合評估模塊主要實現震時不同行政區災害等級的綜合評估。主要產出災區災情綜合評估圖，并給出對應行政區的綜合災害指數（圖12）。

圖12 災情綜合評估圖

系統通過后臺數據庫實現了地震動參數及災情數據的錄入、查詢篩選、編輯、導出、保存等功能，并結合五大功能模塊生成災情信息圖集和表單，為城鎮地震防災與應急處置一體化服務系統提供技術支持。

4 結語與討論

本研究基于JavaEE框架，應用Flex開源設計語言開發了準實時災情綜合評估系統，利用承災體基礎數據及易損性曲線、MEMS強震觀測數據和實時地震災情調查數據，通過易損性分析、動態修正、疊加分析等方法，實現了地震災情的快速評估和動態修正，在一定程度改善了地震影響場估計不準、地震災情評估速度慢、可靠性差等問題。該系統產出的準實時綜合災情評估圖，兼顧震后災情信息的緊迫性和準確性。首先，通過MEMS強震儀實測地震動分布和市縣實際房屋現狀及脆弱性曲線快速分析得到災情預測圖，為地震應急指揮和緊急處置爭取寶貴時間。其次，結合現場采集的實際災情數據，動態修正災情預測圖，不斷更新災情動態評估結果，逐步獲得較準確的地震災情分布圖，為地震應急救援提供科學依據。但考慮到實際地震的復雜性，該系統在應用過程中一定會出現很多因考慮不周而導致的問題，在未來的地震災情評估事件中我們將對其進行進一步的完善。

致謝：衷心感謝“城鎮地震防災與應急處置一體化服務系統及其應用示范”項目其他課題組成員對本研究的大力支持和幫助！

陳文凱，何少林，周中紅，2010．基于多源數據的震害快速評估方法探討．西北地震學報，32（1）：76—81．

陳鯤，俞言祥，高孟潭，2010．考慮場地效應的ShakeMap系統研究．中國地震，26（1）：92—102．

陳鯤，俞言祥，高孟潭等，2011．考慮震源破裂過程的青海玉樹地震震動圖研究．中國地震，27（1）：56—64．

陳振拓，李志強，丁文秀等，2012．面向防震減災的人口數據空間化研究——以2007年寧洱地震災區為例．震災防御技術，7（3）：273—284．

李山有，金星，陳先等，2002．地震動強度與地震烈度速報研究．地震工程與工程振動，22（6）：1—7．

柳稼航，楊建峰，魏成階等，2004．震害信息遙感獲取技術歷史、現狀和趨勢．自然災害學報，13（6）：46—52．

譚巧，王建軍，劉冠中等，2010．IPv6地震烈度傳感器網絡管理系統設計．傳感器與微系統，29（10）：103—105，109．

王曉青，邵輝成，丁香，2003．地震速報參數不確定性的應急災害損失快速評估模型．地震工程與工程振動，23（6）：198—201．

王曉青，王龍，王巖等，2008．汶川8.0級大地震應急遙感震害評估研究．震災防御技術，3（3）：251—258．

王玉石，周正華，王偉，2008．基于假設檢驗的地震動強度（烈度）速報方法．地震工程與工程振動，28（5）：49—54．

徐水森，2012．成都市地震烈度速報臺網建設與思考．四川地震，（2）：35—37．

澤仁志瑪，陳會忠，何加勇等，2006．震動圖快速生成系統研究．地球物理學進展，21（3）：809—813．

張晁軍，李衛東，李大輝等，2010．有關地震烈度速報信息化發展的思考．國際地震動態，（4）：23—31．

Allen R. M., Brown H., Hellweg M., et al., 2009. Realtime earthquake detection and hazard assessment by ElarmS across California. Geophysical Research Letters, 36(5): L00B08.

Research on Quasi Real-time Comprehensive EstimationSystem for Earthquake Disaster

Liu Zhi1, 2), Jiang Hui1, 2)and Chen Kunhao1, 2)

1）Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China n 2）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, CEA, Guangzhou 510070, China

Fast acquisition of the seismic information and accurate assessment of the earthquake disaster is the key for emergency rescue after an earthquake. For the earthquake emergency response of the county, a quasi real-time comprehensive evaluation system is developed. Based on monitoring data of the MEMS strong motion network, structure database of the county area and the real-time disaster information by the mobile terminal after an earthquake, fragility analysis method and dynamic correction algorithm are synthetically obtained in the developed system. Real-time evaluation of the seismic disaster in the county region is finally realized to provide scientific basis for seismic emergency command, rescue and assistant decision.

Quasi real-time; Earthquake disaster data collection; MEMS accelerometer; Dynamic correction; Comprehensive estimation

10.11899/zzfy20170412

國家科技支撐計劃（2015BAK18B00）

2017-04-12

劉智，男，生于1987年。博士研究生。主要從事結構、生命線工程抗震方面研究。E-mail：liuzhi8725@126.com

姜慧，男，生于1976年。研究員。主要從事工程抗震和震災防御等方面研究工作。E-mail：13710390996@139.com

劉智，姜慧，陳焜浩，2017．準實時地震災情綜合評估系統的研發．震災防御技術，12（4）：834—844．