基于GIS的畢節市震后應急決策支持系統設計

邵 爭，游 泳，李付偉，呂昆鵬，曾凡華（畢節市防震減災局，貴州 畢節 551700）

基于GIS的畢節市震后應急決策支持系統設計

邵 爭，游 泳，李付偉，呂昆鵬，曾凡華
（畢節市防震減災局，貴州 畢節 551700）

震后應急決策支持系統是在突發性地震發生后，快速獲取災區的經濟損失、人員傷亡及其空間分布情況等，并通過運算與分析，為抗震救災提供所需的各種決策建議的應急指揮服務系統。以地市級為主要研究尺度，以震后的應急黑箱期為主要關注時段，基于地理信息系統技術，提出建立畢節市震后應急決策支持系統的設計思路和技術方法。首先，根據畢節市防震減災信息化存在的問題，論述了建立地級市震后應急決策支持系統的必要性和主要任務；然后，采用模塊化的整體構架，將系統劃分為基礎數據庫、信息分析與處理、震災損失評估、信息互動平臺、救災輔助決策等5個子系統；最后，對應系統結構體系，重點論述了信息分析與處理、震災損失評估、信息互動平臺、救災輔助決策等功能模塊的設計思路、技術方法和需要實現的主要功能。該研究可為地市級的防震減災信息化建設提供有益的參考。關鍵詞：決策支持系統；災害損失評估；信息互動平臺；輔助決策；地理信息系統

0 引言

中國屬地震多發國，每年發生地震次數約為全世界的1/4[1]，7級以上的強震比例約為1/3[2]。此外，上世紀國內地震的傷亡人數也是世界最多，約為其他國家的總和[3]。震后應急決策作為有效減少震后人員傷亡和經濟損失的重要決定因素之一，其關鍵正是應急決策支持系統設計的科學性。經過幾十年的發展，中國已開展了許多地震應急專用系統的研制和應用[4-6]，各省市也建立了省市級的地震應急管理中心或機構，并完成了地震應急管理信息系統的開發與應用。然而，以上地震應急系統的設計及應用主要處在國家和省級的層面，系統結構完整、功能強大，而地市級地震局（中心）基礎條件薄弱、資料不完善和科技人員水平不足等現實問題，系統的功能難以得到很好的發揮，所以多布設在直轄市或省會地震局（中心），地市級的防震減災管理信息系統的應用則較少。其次，為了突出地震信息系統的前瞻性特點，系統的開發與應用更多的側重震前的預警和震時的應急響應，而震后的應急決策則是在震后成立應急指揮部，由領導小組和專家根據具體情況分析后決策，然后再指揮市（地）、縣的相關部門實施救援，難免存在滯后?；谝陨蠁栴}，本研究基于GIS開發地市級的震后應急決策支持系統，即在地震發生后，快速有效地獲取震后數據信息，對受災區域的受災情況進行評估，并提供初步的救援策略，特別是在國家和省級指揮中心發布有效指揮指令之前，完成有效救援中心選址、救援路徑選擇、救援人員安排、救援物資準備、震后信息的上報與下達、新聞信息的發布等一系列前期初步救援策略，最大限度的保證救援措施的時效性。

1 系統需求分析

1.1 研究區概況

畢節市位于貴州省西北部，黔滇川交界地區，地處南北地震帶南段小江帶東側，活動性斷裂帶密布，歷史最高震級達到5.8級[7]。畢節市內的斷裂帶主要有4條，分別為威寧石門坎斷裂、大方馬場斷裂、金沙巖孔斷裂和赫章埡都—安順紫云斷裂。近半個世紀的觀測記錄顯示：畢節市地震活動非?；钴S，其中4.0級以上的地震已發生了15次，尤其是2009年發生4.5級以上地震2次、2012年又發生5.6級以上地震2次。然而，目前畢節市防震減災信息化幾乎還處于空白狀態[8]，實現包含震前、震中、震后的全方位地震信息預測與管理難度較大。首先，畢節市還沒有建成地震基礎數據庫，以往的地震資料未能有序的存儲和整理，長序列地震數據的分析與處理難以實現；其次，現有的畢節市防震減災信息網站功能單一，僅能實現震情災情、單位工作動態、政策法規、震害防御知識等信息的發布，無法實現防震減災部門與群眾的良好互動；第三，畢節市屬于邊遠欠發達地區，防震減災工作基礎條件薄弱，人才隊伍及資金嚴重短缺，實現震前的預測研究尚不現實。

1.2 系統目標與任務

為了減少震后人員傷亡和經濟損失的根本目的，結合畢節市防震減災信息化的現實基礎，本系統的主要目標是爭取在國家、省級指揮中心及上級有關部門發布有效指揮指令之前，開展行之有效的救援工作，該系統的需求任務主要有：

（1）開發震后應急決策支持系統基礎數據庫，實現基礎空間數據資料的有序存儲和調用，將歷史性的地震數據有序的存儲，為震后相關信息數據的處理及分析、救災輔助決策提供數據支撐。

（2）搭建數據分析與處理平臺，實現空間數據和屬性數據的分析與處理，挖掘隱含于數據內的深層次信息，為防震救災決策提供技術支撐。

（3）提供防震減災信息互動平臺，實現防震減災部門與上級部門、市（縣）政府機關、救援單位、人民群眾的有效聯系，既能收集信息和建議，又能夠針對不同的對象，發布不同級別和內容的通告。

（4）實現地震災害損失評估，震后快速獲取災區人員、建筑物、次生災害、重點地物區的損失情況，迅速判斷應急響應等級，啟動相應的應急預案。

（5）快速形成初步對策建議，為應急指揮中心提供各種救援圖件、救援對策等決策信息。

2 系統結構體系

地震基礎數據具有一個重要而突出的特點：既包含文字、圖片、數字等屬性數據，又包含海量的具有地理坐標的空間數據，需要采用具有空間數據綜合管理和分析功能的軟件平臺[9]。隨著計算機技術和遙感技術的不斷發展，海量數據的存儲和分析也為GIS的發展提供了應用基礎[10]。此外，通過分析震后災區的空間數據信息，GIS可以有效模擬地震發生的場景，評估該區域由于地震引發的潛在損失，快速獲取地震災害嚴重程度的空間分布，提供有效的救援對策。按照系統設計的目標與任務，畢節市震后應急決策支持系統采用模塊化的整體構架，系統結構體系如圖1所示。

（1）基礎數據庫子系統，包含：遙感影像、地形、地質、水系、土地利用等基礎地理空間數據；人口分布、行政區劃、交通道路等社會經濟空間數據；醫院、學校、文物、景區、發電廠等重點地物空間數據；滑坡、水庫、堰塞湖、化工廠等次生災害源空間數據；地震臺網布局、歷史地震目錄、地震等震線、大地構造分區圖、新構造分區圖、區域地震構造圖、近場地震構造圖等地震專業空間數據。

（2）信息分析與處理子系統，實現各類空間數據和屬性數據的可視化交互式查詢、顯示、輸出和打?。粚崿F各類空間數據的坐標轉換、鑲嵌、裁剪、拼接等預處理分析；實現各類空間數據的空間疊加、運算、緩沖區分析等綜合管理和分析；實現歷史性長序列地震數據的分析與管理。

（3）地震災害損失評估子系統，快速模擬災區災情發生的場景，掌握地震災害嚴重程度的空間分布，并實現人員傷亡評估、建筑物破壞評估、次生災害源評估、學校和醫院等重點地物區的損失評估等。

（4）信息互動平臺子系統，震前實現防震減災部門與群眾和相關部門的良好互動，收集防震減災信息及建議；震后實現救援指令發布，災區信息的上報與下達、辟謠、新聞信息的發布等。

（5）救災輔助決策子系統，包括有效救援中心選址、救援路徑選擇、救援人員安排、救援物資準備、醫療服務區圈定等一系列前期初步救援措施。

圖1 系統結構體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure system

表1 系統實現的技術方法

3 震后應急決策支持系統設計

3.1 系統支撐平臺

考慮到地震數據包含海量空間數據和屬性數據的特點，系統除了滿足響應速度的要求，還必須滿足兼容性和穩定性的要求，所以系統在配置方面需要盡量考慮技術上較為成熟或通用的產品，實現的技術方法見表1。在開發模式上，系統采用C/S（Client/Server）+B/S（Browser/Server）的混合系統體系結構，C/S能夠保證信息分析與處理、震災損失評估運算的速度和準確，減輕系統運算的負荷，B/S則是信息互動平臺不可多得的信息發布形式[11]；在開發平臺上，ArcGIS Server 10.1是ESRI公司提供的支持多用戶的企業級GIS應用的平臺，滿足地震基礎數據庫系統產生的空間數據的使用需求；在數據庫平臺方面，考慮地震相關的海量空間屬性數據和非空間屬性數據，采用ArcSDE和Oracle基礎數據庫平臺，訪問空間信息時，ArcSDE可以方便而高效地對防震減災空間數據進行操作，訪問非空間屬性信息時，使用Oracle Objects for OLE技術直接與Oracle數據庫進行連接和操作[12-13]。

3.2 功能模塊設計

對應系統結構體系，設計畢節震后應急決策支持系統的功能模塊。將系統功能模塊集成起來，不同的空間和屬性數據可以交互轉換，實現整個系統的數據共享是該系統設計的重點。應該指出的是，在地震快速響應觸發方面，結合畢節市防震減災部門的現實基礎條件，該系統暫不設定自動觸發模塊，僅在地震發生后設定手工導入觸發。

3.2.1 信息分析與處理功能模塊設計

該模塊是系統最基礎的應用模塊，既需要實現基礎的空間分析功能，又要實現針對防震減災的特殊應用功能。首先，發揮GIS強大的空間查詢、管理和分析功能，既能根據空間信息來查詢其相應屬性信息，也可以根據屬性信息查找和定位與其相對應的空間信息，實現各類空間信息和屬性信息的交互式查詢、瀏覽、顯示、輸出以及管理；其次，由于地震相關海量空間數據的格式不同，需實現遙感影像、圖形信息和屬性信息的各類基礎數據的坐標轉換、鑲嵌、裁剪、拼接等預處理分析；第三，通過對各類基礎數據進行空間疊加、運算和緩沖區分析等操作和處理，挖掘出隱含于各類信息之間的更深層次的相互聯系和影響；第四，實現對基礎數據庫中的地震數據和資料的讀取，實現歷史性長序列地震數據的分析與管理。

根據基礎數據庫子系統的數據類型，該功能模塊又進一步劃分為基礎地理信息管理、社會經濟信息管理、重點地物信息管理、次生災害源信息管理和地震專業信息管理等子模塊，各模塊均可應用GIS技術實現空間信息的綜合管理與分析（圖2）。

3.2.2 地震災害損失評估功能模塊設計

該模塊是在地震發生后，僅僅可以獲得地震三要素（時間、地點、震級）的情況下，能夠在短時間內快速預測得出人員傷亡情況、建筑物損壞情況、重點地物區破壞情況和次生災害情況，由此快速判斷應急響應等級，啟動相應的應急預案。地震災害損失評估的數學模型研究成果較多，也已經較為成熟，往往是根據研究區特點或實際情況選擇，這里不再贅述。但是，評估數學模型在地震管理信息系統中的集成應用，特別是與GIS的集成應用至今還沒有固定的模式，是該功能模塊設計的難點。參照前人研究成果[14]，地震災害損失評估的功能模塊結構如圖3所示：在系統進行地震災害評估時，首先手動輸入地震三要素，生成地震烈度圈（根據地震構造手動修正烈度圈方向），觸發損失評估系統運算；然后，系統自動從模型庫中選取本次評估所需的數學模型，并從基礎數據庫中提取各類模型計算所對應的專題數據進行計算，對人員傷亡情況、建筑物破壞情況、重點地物區損失情況、次生災害情況進行運算評估；最后，系統根據烈度圈和評估結果，輸出地震災害專題評估圖和報表，并判斷該次地震應急響應等級。

圖2 信息分析與處理模塊結構圖Fig.2 Functional module of spatial information analysis and processing

圖3 地震災害損失評估模塊結構圖Fig.3 Functional module of disaster loss assessment

3.2.3 信息互動平臺功能模塊設計

信息互動平臺主要功能是震前實現防震減災部門與群眾、相關部門的良好互動，收集防震減災信息及建議，震后既需要與災區救災單位實時溝通，又要實現災區信息的上報與下達及新聞信息的發布。隨著信息技術的發展，計算機網絡、電話、手機、無線電等通信網絡已非常成熟，本系統僅針對計算機網絡，以“畢節市防震減災信息網”為依托，開發防震減災信息互動平臺。考慮到不同級別和不同內容的應急信息應采用不同方式發布，保證面向不同用戶應急信息的安全[15]。面對公眾發布震情信息、災情信息、次生災害信息、自救和救災知識、平息地震謠傳信息等基本信息；面對行業內部、救援單位和指揮中心，除發布基本信息外，還應發布行業內部使用的震災評估數據、地震現場采集的震害數據、信息地震序列、震情趨勢數據、應急救援決策信息等專業信息。在開發模式上，當面向各個方面信息通告，采用B/S體系結構，后臺配置高性能Web服務器，前端通過瀏覽器查詢信息；面向基礎信息的分析與處理，采用C/S體系結構，后臺配置高性能應用服務器，前端采用圖形工作站作為GIS應用的主力平臺。

3.2.4 救災輔助決策功能模塊設計

救災輔助決策模塊是該系統設計的核心，其主要目的就是在國家、省級指揮中心及上級有關部門發布有效指揮指令之前，初步形成一套救災輔助決策建議，所以在設計重點上并沒有強調功能的全面性，旨在決策提供的科學性和時效性。根據系統設計的主要目的，該功能模塊又劃分為救援信息查詢子模塊和搶險救災決策子模塊，如圖4所示。救援信息查詢子模塊的主要功能是緊急預案、救援力量、醫療救護、物資儲備等救災資源信息的實時查詢、修改、打印輸出。搶險救災決策子模塊應實現兩方面的功能：一方面，僅在獲得地震三要素的情況下，即能快速獲取離震中最近救援中心選址、救援路徑、醫療服務區、可調配的救援隊伍力量和救援物資等一系列前期初步救援措施；另一方面，根據震后獲取的實際情況，在信息分析與處理、震災害損失評估的基礎上，快速提取系統備份的緊急決策預案，并充分利用GIS平臺的強大空間分析功能，通過網絡分析、疊加分析、緩沖區分析等操作，對前期的初步救援措施進行修正，為抗震救災指揮工作的開展提供輔助決策的建議。如：（1）確定救援中心、受災群眾安置等位置的選址；（2）確定次生災害源的位置、可能發生的災情及預防措施等；（3）受災人員從震災區疏散到安置點的最短、最快路徑；（4）救災隊伍趕赴災區、救災物資調撥到災區的最短、最快路徑；（5）確定醫療服務區的圈定，受災傷員到醫院和救死扶傷臨時地點的最短、最快路徑。

圖4 救災輔助決策模塊結構圖Fig.4 Functional module of relief decision supporting

4 結論

震后應急決策支持系統主要是在突發性地震發生后，國家或省級指揮中心發布有效指令之前，快速獲取震后經濟損失和人員傷亡及其空間分布情況等，提供各種決策建議的應急指揮服務信息系統，對減少震后人員傷亡和經濟損失具有極其重要的意義。

首先，畢節市地處南北地震帶南段小江帶東側，區內地質復雜，地震活動較為頻繁，開發畢節市震后應急決策支持系統，將關注時段放在應急黑箱期，能夠在國家、省級指揮中心及上級有關部門發布有效指揮指令之前，開展行之有效的救援工作，具有必要性。

其次，地震相關的基礎數據是震后應急決策支持系統的基礎，而各類基礎數據既包含文字、圖片、數字等屬性數據，又包含海量的具有地理坐標的空間數據，所以必須采用具有空間數據綜合管理和分析功能的GIS軟件平臺，才能滿足震后應急決策支持系統的信息需求。

第三，考慮到畢節市防震減災信息化水平較低，工作基礎條件薄弱的現實，本系統參照已有的防震減災管理信息系統的設計思路，在盡量保證系統完整的基礎上，將系統功能設計的重點主要還是放在數據管理和分析的基礎層面，但在歷史地震信息管理、重點地物區和次生災害源等方面又有所補充。

最后，本研究僅對系統的結構體系和功能模塊的設計框架進行了簡要論述，而基礎數據庫的具體開發設計、地震災害損失評估模型的選擇等具體工作還有待更深入的研究。畢節市防震減災信息化建設是一項從無到有的過程，震后應急決策支持系統尚處在方案設計階段，其可行性和科學性還存在諸多的不足，有待專家的論證和實踐的檢驗。

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Design of Bijie Post-Earthquake Emergency Decision Support System Based on GIS

SHAO Zheng，YOU Yong，LI Fu-wei，LV Kun-peng，ZENG Fan-hua
（Bijie Seismological Bureau, Guizhou Bijie 551700，China）

The post-earthquake emergency decision support system is the information system of emergency command services for fast acquiring economic losses, casualties, disastrous spatial distribution and others in the disaster area and providing various prompt messages for relief headquarters. This paper which is based on GIS technology puts forward design thoughts and technical methods for establishing post-earthquake emergency decision support system in Bijie with prefecture-level city as the main study scale and postearthquake emergency black box period as the main period of concern. Firstly, in accordance with the current situation of earthquake disaster mitigation informationized, it discusses the necessity and main tasks for establishing post-earthquake emergency decision support system in prefecture-level cities. Then by adopting modularized framework, the system is divided into earthquake basic database, information analysis and processing, earthquake disaster loss evaluation, information interaction platform for earthquake disaster mitigation, aid decision-making for disaster relief and other subsystems. Finally, corresponding to the structural system, it emphasizes to discuss the design thoughts, technical methods and main functions to achieve for subsystems including information analysis and processing, earthquake disaster loss evaluation, information interaction platform, aid decision-making for disaster relief and others. This study is used for good reference for establishing management information system of earthquake disaster relief in prefecture-level cities.

decision support systems; disaster loss assessment; interactive platform; relief decision supporting; geographic information system

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.010

1674-8565（2017）02-0059-07

貴州省社會發展科技攻關計劃項目（黔科合SY字[2013]3108號）；畢節市社會發展科技攻關計劃項目（畢科合字[2012]48）

2017-01-30

2017-03-22

邵爭（1978-），男，貴州省畢節市人， 2004年畢業于中央廣播電視大學，本科，助理研究員，現主要從事地震應急技術方面的研究工作。E-mail：dilikexue@aliyun.com