基于熱圖技術(shù)的地震應(yīng)急基礎(chǔ)圖件研究

劉敬華+畢雪梅+左天惠+申俊

摘 要：針對(duì)地震應(yīng)急專題圖件的不同需求，研制了地震應(yīng)急專題圖中要素空間分布與專題屬性歸一化模型，并基于Python語(yǔ)言在QGIS軟件下研究開發(fā)了熱圖快速制作插件，最后利用該插件制作如學(xué)校分布、人口、經(jīng)濟(jì)分布等地震應(yīng)急專題圖。本文探索并總結(jié)了如何利用熱圖技術(shù)快速制作地震應(yīng)急專題的方法，并將該技術(shù)積極推廣到實(shí)際地震應(yīng)急工作中。

關(guān)鍵詞：熱圖 地震應(yīng)急 專題圖 QGIS

中圖分類號(hào)：P315-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（b）-0039-03

目前地震應(yīng)急專題圖的展示主要通過(guò)點(diǎn)方式來(lái)表現(xiàn)地理要素空間分布或者地理要素屬性，一般一張圖只能表達(dá)一個(gè)要素的1～2個(gè)專題屬性信息。如果將多個(gè)地理要素空間分布或者地理要素屬性表達(dá)在一個(gè)專題圖時(shí)就會(huì)出現(xiàn)互相壓蓋情況，比較難突出所想要表達(dá)的意思，影響到真實(shí)反映出該地區(qū)的地理要素空間分布或者地理要素屬性的關(guān)系。例如：學(xué)校分布圖，只能單一地以點(diǎn)的形式表達(dá)出學(xué)校的位置，卻不能顯示出該學(xué)校的師生人數(shù)。

熱圖技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題。在熱圖上，可以同時(shí)將學(xué)校數(shù)量和學(xué)校內(nèi)的人數(shù)表達(dá)在同一張圖上。利用熱圖表達(dá)，不僅比單純的點(diǎn)要素顯示要時(shí)髦，相關(guān)配色和地圖相適應(yīng)，炫目的效果更易吸引眼球，還更容易顯示多維信息，熱圖技術(shù)還使地震專題圖具有很強(qiáng)的創(chuàng)新表達(dá)能力，讓讀者很直觀地讀出制圖人的意圖，可以廣泛地應(yīng)用于地震救災(zāi)中，如災(zāi)情信息上報(bào)情況分析，利用該技術(shù)，可以直觀地展示出災(zāi)情分布情況和受災(zāi)嚴(yán)重情況。本研究基于開源QGIS平臺(tái)開發(fā)快速制作熱圖插件，以學(xué)校分布圖、醫(yī)院分布圖、救援力量分布等地震應(yīng)急專題信息為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)將熱圖技術(shù)應(yīng)用于制作地震應(yīng)急專題圖，以提高專題圖的美觀度和信息豐富度[1]。

1 QGIS平臺(tái)與HeatMap技術(shù)

1.1 QGIS平臺(tái)

QGIS是目前國(guó)內(nèi)外較為流行的開源GIS組件，其用戶界面友好GIS，可在Linux、Unix、Mac OSX和Windows等多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行。QGIS是基于QT，使用C++開發(fā)的一個(gè)用戶界面友好、跨平臺(tái)的開源版桌面地理信息系統(tǒng)[2]。最重要的是其重構(gòu)了QGIS的API庫(kù)，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，它修改了矢量圖層的透明和反鋸齒，增強(qiáng)了矢量數(shù)據(jù)編輯，包括復(fù)制、剪切、粘貼和捕捉等功能，并且支持GRASS的算法接口。由于QGIS基于QT跨平臺(tái)類庫(kù)開發(fā)，因此，QGIS是目前支持操作系統(tǒng)最為廣泛的桌面GIS，可以支持Linux、Unix、Mac OSX和Windows等，這是其他很多桌面GIS軟件所難以實(shí)現(xiàn)的。

它的主要功能包括：（1）支持多種格式的文件，如Image、Grid、Shapefile、TIN、DBF；（2）圖形瀏覽、標(biāo)注、設(shè)置顯示風(fēng)格；（3）數(shù)據(jù)查詢；（4）動(dòng)態(tài)標(biāo)繪；（5）存取數(shù)據(jù)；（6）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。

1.2 HeatMap技術(shù)

熱圖（Heat-Map）技術(shù)是目前數(shù)據(jù)可視化（Information Visualization）中最新的制圖方法之一。1991年，科馬克金尼（Cormac Kinney）最先用熱圖技術(shù)描述了一個(gè)二維顯示描繪的實(shí)時(shí)金融市場(chǎng)信息[3]。熱圖技術(shù)，是一種將二維屬性表中的數(shù)據(jù)以一定色彩空間（如HSL）的漸變色系進(jìn)行圖形顯示的方法，通過(guò)調(diào)整色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）、亮度（Lightness）及漸變色的疊加來(lái)表現(xiàn)離散數(shù)據(jù)（事件或事物）的分布及其相互關(guān)系等的熱度變化。其中，HSL代表色調(diào)、飽和度和亮度，亮色一般代表事件發(fā)生頻率較高或要素分布密度較大，暗色反之[4，5]。由于HSL標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，因而成為目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。

常見的熱圖專題圖有基因熱圖、點(diǎn)擊熱圖（顯示了一個(gè)網(wǎng)頁(yè)中哪些區(qū)域被點(diǎn)擊的頻率高低）、Heat-Map API（在豆友地圖中應(yīng)用過(guò)）等。熱圖目前被應(yīng)用于交通事故發(fā)生率、犯罪發(fā)生率、電信基站分布、流行疾病發(fā)生分布、零售店分布、球員活動(dòng)分布統(tǒng)計(jì)等專題圖的制作。

2 研究區(qū)域和內(nèi)容

本次研究區(qū)域?yàn)閺V西區(qū)及其鄰近地區(qū)位于東南沿海地震帶的西段，其地震活動(dòng)為東南沿海地震帶西段的地震活動(dòng)所控制。廣西區(qū)內(nèi)近代歷史上曾發(fā)生6級(jí)以上地震3次。該區(qū)自公元288年有地震記載以來(lái)至1969年，共記載3.0級(jí)以上歷史地震400余次，其中5.0～5.9級(jí)地震16次，6.0～6.9級(jí)地震3次。3次6級(jí)以上地震分別是1875年6月8日樂(lè)業(yè)6.5級(jí)地震，1890年8月29日陸川6級(jí)地震和1936年4月1日靈山6.8級(jí)地震。該區(qū)自1970年開始有地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)記錄以來(lái)至2009年，陸區(qū)最大地震是1977年10月19日平果5.0級(jí)地震，海區(qū)最大地震是北部灣1994年、1995年發(fā)生的6.1、6.2級(jí)地震。此次研究將歷史地震、人口、經(jīng)濟(jì)、學(xué)校等地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)相對(duì)密集，專題制圖較難表達(dá)的地理空間數(shù)據(jù)通過(guò)HotMap熱圖技術(shù)更好地展現(xiàn)出來(lái)，給地震應(yīng)急決策者提供科學(xué)、直觀的專題信息。

3 基于QGIS的HeatMap插件開發(fā)

本研究采用Python語(yǔ)言進(jìn)行QGIS插件開發(fā)，利用QGIS開發(fā)插件大多采用C++。與C++相比，利用Python語(yǔ)言開發(fā)更快捷、方便，也更易于理解和發(fā)布。

3.1 利用Python研制熱圖制作的插件

利用Python語(yǔ)言制作熱圖插件的原理簡(jiǎn)單概括為4個(gè)步驟。

（1）為離散點(diǎn)設(shè)定一個(gè)半徑，創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)。

（2）參照特定的屬性歸一化模型計(jì)算的值，對(duì)每個(gè)離散點(diǎn)的緩沖區(qū)，使用漸進(jìn)的灰度帶（完整的灰度帶是0～255）從內(nèi)而外，由淺至深地填充。

（3）由于灰度值可以疊加（值越大顏色越亮，在灰度帶中則顯得越白，在實(shí)際中，可以選擇ARGB模型中任一通道作為疊加灰度值），從而對(duì)于有緩沖區(qū)交叉的區(qū)域，可以疊加灰度值，因而緩沖區(qū)交叉的越多，灰度值越大，這塊區(qū)域也就越“熱”。但對(duì)于有些特殊事物和現(xiàn)象，低值緩沖區(qū)無(wú)論怎樣疊加，其代表的仍是低值，不該變熱，灰度值不能無(wú)限制地簡(jiǎn)單疊加增大。如多個(gè)人口密度低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)和周邊人口稠密城市的緩沖區(qū)疊加，疊加后的灰度值不該變熱接近或者超過(guò)人口稠密的城市的灰度則通過(guò)將地理要素屬性設(shè)置為-9999等人工干預(yù)的方法進(jìn)行處理。endprint

（4）以疊加后的灰度值為索引，從一條有256種顏色的色帶中（例如彩虹色）映射顏色，并對(duì)圖像重新著色，從而實(shí)現(xiàn)熱圖（見圖1）。

3.2 地震專題屬性歸一化處理模型

為了提高熱點(diǎn)技術(shù)對(duì)地震應(yīng)急專題要素的空間分布和屬性分布的直觀性、形象性和準(zhǔn)確性的表現(xiàn)力度，需對(duì)專題要素的空間關(guān)系進(jìn)行概念化處理，并使其選擇的參數(shù)合理地反映出要素之間的固有關(guān)系。對(duì)要素在空間中彼此交互方式構(gòu)建的模型越逼真，其結(jié)果就越準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)地震專題要素屬性歸一化處理，把以前枯燥的數(shù)據(jù)變得更為直觀、生動(dòng)，呈現(xiàn)一些原本不易理解或表達(dá)的數(shù)據(jù)，比如：密度、頻率、溫度等，使我們更便于分析、比較各種地震專題要素的變化及其相互關(guān)系。

Getis-Ord局部統(tǒng)計(jì)可表示為：

其中xj是要素j的屬性值，wij是要輸i 和j 之間的空間權(quán)重，n為要素總數(shù)，且

G *i統(tǒng)計(jì)是z得分，因此無(wú)需做進(jìn)一步的計(jì)算。數(shù)據(jù)集中的每個(gè)要素返回的 G *i統(tǒng)計(jì)就是z得分。對(duì)于具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的正的z 得分，z 得分越高，高值（熱點(diǎn)）的聚類就越緊密[6]。

首先利用MapSIS下載的歷史震例進(jìn)行處理，生成Excel數(shù)據(jù)并導(dǎo)入ArcGIS生成SHP格式數(shù)據(jù)，然后利用歸一化模型進(jìn)行處理，對(duì)震級(jí)進(jìn)行歸一化處理，主要是通過(guò)研究中一些學(xué)者往往僅對(duì)地震頻次、震級(jí)（能量）進(jìn)行分別研究。將震級(jí)和頻次合理地進(jìn)行綜合時(shí)，利用吳佳翼（1983）等提出的將A（b）值作為描述各地區(qū)地震活動(dòng)性的定量參數(shù)，該參數(shù)考慮了一個(gè)地區(qū)的地震活動(dòng)性、震級(jí)和頻次各方面的因素，定量地反映了地震活動(dòng)的“活躍性”或“平靜性”[7]。

根據(jù)吳佳翼（1983）的定義：

這里，b為該區(qū)域的b值，Mi為地震震級(jí)。由上式知，A（b）值的本質(zhì)是一個(gè)地震集合的折合震級(jí)，它的主要成分是該集合中的較大地震震級(jí)。同時(shí)它與該集合的b值有關(guān)，b值越小，A（b）值越大， 反之亦然。

4 研究結(jié)果與討論

利用該技術(shù)對(duì)廣西2013年2月20日百色市平果縣、田東縣交界4.5級(jí)地震發(fā)震前后全區(qū)所有3級(jí)以上歷史地震進(jìn)行地震能量分布制圖。

圖2中，顏色越深代表地震能量釋放的越多，顏色越淺，直至空白表明該地區(qū)地震能量釋放越少，本研究目標(biāo)就是通過(guò)熱圖技術(shù)與某一地區(qū)歷史地震時(shí)間結(jié)合，向不同用戶直觀地展示出該地區(qū)的地震能量釋放情況，同時(shí)也能反映出該地區(qū)地震的活動(dòng)性及其與地震活動(dòng)斷裂帶之間的關(guān)系。

最后將歸一化處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入QGIS平臺(tái)，利用開發(fā)的熱圖制圖插件對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，生成歷史地震熱圖數(shù)據(jù)。

本文通過(guò)研究，認(rèn)為熱圖技術(shù)不僅能提高地震專題圖表達(dá)形式的創(chuàng)新能力，讓讀者很直觀地讀出制圖人的意圖，還能更為準(zhǔn)確地表達(dá)地震應(yīng)急要素之間內(nèi)在關(guān)系，深入挖掘應(yīng)急數(shù)據(jù)的使用，在今后的地震救災(zāi)中能廣泛的被采用，如利用該技術(shù)對(duì)災(zāi)情信息上報(bào)情況進(jìn)行分析，可以直觀地展示出災(zāi)情分布情況和受災(zāi)嚴(yán)重情況，對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)和學(xué)校等數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖表達(dá)，能更為簡(jiǎn)單直觀地為領(lǐng)導(dǎo)救災(zāi)部署輔助決策提供第一手資料，但該技術(shù)在應(yīng)用各類地震應(yīng)急要素專題圖制圖過(guò)程中，歸一化模型的選擇及其熱點(diǎn)數(shù)學(xué)模型參數(shù)設(shè)置仍需大量實(shí)戰(zhàn)中不斷總結(jié)，使得該技術(shù)表達(dá)準(zhǔn)確性不斷提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張俊濤，王蜜蜂，李曉明，等.基于HTML5的Heat Map Web專題地圖研究[J].測(cè)繪與空間地震信息，2012，35（5）：214-215.

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[4] United States Patent and Trademark Office， registration #75263259[Z].1993-09-01.

[5] Wikipedia：HeatMap[EB/OL].（2013-11-25）.http：//wwwen.wikipedia.org/wiki/Heat_map.

[6] Ord， J.K.，A.Getis.局部空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)：分布問(wèn)題和應(yīng)用[J].地理分析，1995（4）：27.

[7] 吳佳翼，曹學(xué)鋒.地震活動(dòng)性定量化問(wèn)題[J].地震，1983（6）：13-17.endprint