基于天地圖的地震災情綜合研判系統設計與實現

郭紅梅 張瑩 趙真 張翼

摘要：闡述了基于天地圖的地震災情綜合研判系統建設目的、系統設計以及系統功能實現，并將該系統應用于2017年九寨溝7.0級地震。結果表明：該系統實現了災區基礎背景信息與快速評估結果的查詢和可視化，多源災情信息匯聚，災區范圍、次生災害、交通震害等主題綜合研判，以及研判成果產出等功能，為開展災情協同綜合研判提供了便捷的工具，為震后地震應急指揮決策提供了重要災情信息支持，有效支撐了地震應急工作。

關鍵詞：地震應急;災情信息;天地圖;綜合研判

中圖分類號：P315.952 ??文獻標識碼：A ??文章編號：1000-0666（2019）02-0210-08

0 引言

地震應急是準軍事化行動，具有時間緊迫、事關重大等特點（鄧硯等，2005）。在最短的時間內做出科學合理的決策并有效實施，是保障地震應急工作高效有序的關鍵（帥向華等，2011;聶高眾等，2012）。地震災情信息可以定義為：一切反映由于地震直接或間接造成的房屋和其他工程結構、設施、設備、物品等物質破壞及人員傷亡的各種要素、物質和過程的文字、數字、圖形、圖像、影音等資料和知識的總稱（曹彥波等，2010）。按照其涵義，可以分為宏觀災情信息和具體災情信息：宏觀災情包括災區范圍分布、人員傷亡規模等，這些決定了地震的救災規模和響應級別;具體災情信息決定了救援隊伍救援位置、行進路徑的設置和物資分配等細節。地震災情信息是從應急指揮決策、救災方案制定到具體救援力量部署、救援目標指引、救災物資調運等一切政府救災決策和行動的支撐，也是地震應急響應和應急處置期最重要的需求（聶高眾，徐敬海，2018）。

近年來，學者們紛紛致力于與地震災情信息的獲取和研判相關的研究工作。這些研究工作可以總結為兩個方面：一是地震災情快速盲評估精度的提高（安基文等，2015;何少林等，2014），二是豐富和擴展震后災情信息獲取手段和方式（張小詠等，2018;李東平等，2017;曹彥波等，2017;Shibayama et al，2008）。其中，提高盲評估精度的相關研究包括應急基礎數據的精細化、引入分烈度震害損失圖層、引入損失區間、影響場評估模型優化、損失評估模型優化等。現代高新技術的發展給災情信息獲取工作帶來了更多的渠道，形成了空天地災情信息獲取網絡：空基和天基災情獲取手段包括衛星遙感、無人機航拍等;地基災情獲取手段包括災情上報終端、災情上報APP、短信、互聯網、電網監控、移動基站退服信息等。雖然地震災情獲取和研判工作取得了一定的進步，但仍然存在一些問題，其中最大的問題在于未能有效整合各種災情信息獲取手段，不能充分發揮各種災情信息獲取手段的優點;各專家、各部門、前方和后方之間缺乏災情協同研判技術平臺，不能充分發揮各領域專家所長（姜立新等，2012）。針對這個問題，本文依托天地圖地圖服務，開展地震災情綜合研判系統研究，通過業務的分布式集成，快速構建地震災情綜合研判系統。

1 建設目的

快速準確地判定地震災情分布，需要綜合考慮災區地形地貌、建筑物抗震能力等各種背景信息，匯集多種災情獲取手段獲取的災情信息，在此基礎上，由專家通過協同綜合研判完成。該系統的建設目標是構建一套由多種災情信息源協同、多方面研究領域專家互補性協同、后方和現場協同的地震災情綜合研判系統，為地震應急工作提供更為及時、全面、準確和翔實的地震災情信息。系統建設主要目的如下：

（1）實時匯集基于群智感知技術的多源災情信息，包括災情信息員上報、基站退服信息、電網節點破壞、熱力圖、輿情監控與分析、遙感災情提取信息、現場災情調查信息等;接入烈度速報信息、震源機制、地震破裂方向、余震序列等基于地震專業臺網的多源信息，將這些信息統一匯聚到天地圖臺。

（2）提供災區地形地貌、人口分布、重點目標、學校醫院、危險源、歷史地震案例等基礎背景信息的查詢以及災情預評估結果的查詢。

（3）為便于專家協同研判災情分布提供一些基礎操作，包括測量距離、路徑分析、烈度表查詢、多種方式的統計等。

（4）提供災區范圍地質災害、交通震害、救援目標等研判工具，實現不同領域、不同地域、前后方專家之間的分布式協同，達到快速準確地提供災區范圍分布、人員傷亡數量及分布、重災區位置、次生災害及危險程度分布、交通震害分布、救援目標及優先程度分布等災情信息。

（5）提供災情研判結果產出功能，以報告文檔和專題圖的方式產出研判結果。

基于天地圖的地震災情綜合研判系統主要采用基于B/S的3層體系架構，分為應用層、服務層和數據層，如圖 1所示。

2.1.1 應用層

地震災情綜合研判系統應用層即界面層，用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種直接交互式操作的界面。系統充分利用網絡地圖與用戶交互性強的特點，以天地圖為背景，以Web客戶端的形式提供背景信息查詢、災情信息匯聚、數據加載、數據統計、災區范圍研判、地質災害分布研判、交通震害研判、救援目標分布研判、研判成果產出等應用工具，為不同地區、不同領域的地震應急專家進行災情協同研判時提供各類背景信息、災情信息和研判工具。

2.1.2 服務層

該系統的服務層即業務邏輯層，它一方面接受瀏覽器端的信息服務請求，根據請求對各類空間數據或屬性數據進行處理、地圖操作;另一方面處理相應的數據請求，維護管理系統信息。服務層提供的服務包括空間信息服務和應用服務：空間信息服務是指地圖服務、空間查詢、空間分析等，根據應用層的請求返回對應的地理信息;應用服務指各種查詢分析、緩沖分析、疊加分析、統計分析、聚類分析等，將各類空間信息服務和應用服務按照業務流程組合起來，從而為瀏覽器端的信息服務請求返回結果。如利用空間數據、人口數據、經濟數據、重點目標數據、居民地數據等疊加，分析承災體的受災特征，輔助進行災情研判;利用空間數據、災情數據、余震數據、強震數據等進行疊加分析，分析災區范圍分布、重災區分布等。

2.1.3 數據層

數據層的任務是解析服務層發出數據請求，提供服務層所需要的數據，并對數據進行維護、訪問、更新等。考慮天地圖數據現勢性強、地理底圖統一的優勢，該系統將天地圖作為基本空間數據來源和數據匯聚的平臺，所需的基礎地理空間數據如道路、學校、居民點、行政區劃等，主要通過天地圖API提供。將社會經濟數據、人口統計數據、地震地質背景、危險源、次生災害隱患點等應急基礎數據，基于群智感知和地震專業臺網等災情數據，將快速評估結果等各類數據匯聚于天地圖平臺，統一為統計分析、災情研判提供研判數據支撐。

2.2 功能設計

該系統功能主要包括基礎操作、信息查詢、數據加載、數據統計、災情研判、成果產出以及其他功能，其他功能包括地震觸發、事件管理和用戶管理，如圖2所示。

（1）基礎操作：提供基本的地圖操作，為地圖瀏覽以及災區背景信息、多源災情信息的可視化提供基本保障。提供距離和面積測量等基礎工具，提供路徑分析、地震烈度表查詢、震級與能量轉換、儀器烈度轉換、屏幕截圖等功能，為專家開展災情協同綜合研判提供基礎操作和工具。

（2）信息查詢：以報表和圖的形式提供震區背景、快速評估結果、輔助決策結果、災情上報數據等查詢。震區背景查詢可以根據輸入的距離要求提供所需范圍內的鄉鎮駐地、居民地、學校、醫院、重點目標、歷史地震、救援力量、應急物資、疏散場地、危險源等分布信息。快速評估結果查詢提供地震災害損失快速評估系統產出的所有快速評估結果，如建筑物破壞、人員傷亡、經濟損失等。輔助決策結果查詢提供系統產出的各類輔助決策信息。災情上報數據查詢可提供基站退服信息、電網節點破壞、熱力圖、輿情監控與分析等基于社會源的災情信息，全省“三網一員”人員通過災情上報APP查詢災情信息，遙感災情提取信息以及現場災情調查信息等。

（3）數據加載：提供各類矢量數據和統計數據的加載功能，包括評估影響場、現場烈度圈、余震數據、強震數據、現場烈度點、基礎地理數據和其他外部數據。

（4）數據統計：提供多種方式的數據統計功能，包括按照行政區劃、烈度圈以及自定義的統計，為災情綜合研判提供靈活的數據統計功能。

（5）災情研判：提供災情標繪和反饋、烈度圈修正（災區范圍研判）、次生地質災害研判、交通震害研判、救援目標分布研判等功能。災情標繪與反饋功能是在天地圖底圖背景上，采用點、線、面結合的方式實現多源災情信息的實時標繪，還提供常用的標注工具，便于專家手動標注災情。烈度圈修正以預評估的地震烈度圈為基礎，結合災情上報信息、烈度速報信息、現場調查信息等多源災情數據以及余震展布和災區背景信息，采用烈度圈勾畫、平移、方向修改、縮放、抽稀、圓滑等工具，通過人機交互實現烈度圈的動態修正。次生地質災害研判基于修正后的烈度圈、地形地貌、坡度、巖性和地質災害隱患點等基礎數據，通過空間分析給出次生地質災害風險評估結果，再結合多源災情信息中的地質災害信息，人機交互最終給出地質災害研判結果。交通震害研判功能基于修正的烈度圈、次生地質災害分布和交通道路基礎數據，通過空間分析評估道路震害分布，再結合多源災情信息中的交通道路破壞信息，最終確定交通道路的震害分布。救援目標分布研判功能以修正的烈度圈、次生地質災害研判結果、居民地分布基礎數據為基礎，結合多源災情信息中的人員傷亡數據，確定救援目標的分布，以點或面的方式在地圖上展示。

（6）成果產出：以專題圖和報告文檔兩種方式生成。專題圖包括基礎背景信息圖、歷史災情分布圖、現場調查信息分布圖、災情上報分布圖、災區范圍分布圖、人員傷亡分布圖、次生災害分布圖、交通震害分布圖、救援目標分布圖等。基于研判的災情信息，采用圖文結合的方式，產出災區范圍綜合研判報告、次生災害分布及處置對策報告、交通震害分布及處置對策報告、人員傷亡與救援目標分布綜合研判報告以及救援目標指引報告。

（7）其他：地震觸發提供手動觸發地震功能，包括真實地震、地震演練和聯調測試3個模式。事件管理提供震害事件設定、結束等管理功能。版本管理提供不同級別用戶災情研判成果版本管理功能。用戶管理提供與用戶信息相關的管理功能。

2.3 業務流程

基于天地圖的地震災情綜合研判系統應用場景為破壞性地震應急救援，其系統業務流程如圖3所示。

（1）從EQIM平臺自動獲取破壞性地震的地震三要素信息，創建震害事件，自動快速觸發災情快速評估系統、災情采集上報系統，同時快速產出災區基礎背景信息、歷史災情信息專題圖和震區滑坡風險分布預測圖。

（2）實時匯集基于群智感知技術的多源災情信息，包括災情上報信息、基站退服信息、電網節點破壞、熱力圖、輿情監控與分析、遙感災情提取信息、現場災情調查信息等。經過災情數據清洗，災情信息將被實時標繪在天地圖底圖上，便于后續綜合研判和重大災情處置應用，并分批次產出各種來源災情信息分布圖。重大災情處置即對于人員傷亡、重大次生災害等重要災情信息的處置，包括下發至災情上報員進行復核，以及一鍵上報到指揮長。

（3）將烈度速報信息、震源機制、地震破裂方向、余震序列等基于地震專業臺網的多源信息，統一匯聚到天地圖平臺。災情快速評估計算完成后，災情協同綜合研判系統將自動加載評估結果并進行狀態提示。

（4）結合基于群智感知技術的多源災情信息、基于地震專業臺網的多源信息、災情快速預評估結果和災區基礎背景信息，研判專家利用系統提供的研判工具包，在震后0.5，1，2，4，6，12，24 h等時間節點依次開展烈度圈修正、次生地質災害研判、交通震害研判和救援目標分布研判等協同工作。之后，系統依次自動產出災區范圍分布圖、人員傷亡分布圖、次生災害分布圖、交通震害分布圖、救援目標分布圖等專題圖，并生成災區范圍綜合研判報告、次生災害分布及處置對策報告、交通震害分布及處置對策報告、人員傷亡與救援目標分布綜合研判報告以及救援目標指引報告，為地震應急救援工作提供動態、全方位的災情信息支持。

3 系統實現和應用案例

3.1 系統實現

基于天地圖的地震災情綜合研判系統采用B/S體系結構，GIS平臺選擇ArcGIS，數據庫軟件選擇Oracle 11g，以Visio Studio 2013（C#）為集成開發平臺。系統服務層采用地理信息公共平臺發布的符合OGC（Open Geospatial Consortium，開放地理空間信息聯盟）標準的地圖及要素服務，應用層采用JavaScript，HTML，CSS設計，界面簡潔美觀，人機交互友好。數據層從EQIM（EarthQuakes Instant Messenger，全國地震速報信息共享與服務系統）獲取地震速報數據，從天地圖獲取地圖底圖數據，從地震應急基礎數據庫獲取災區政府駐地、居民地、學校、醫院、重點目標、歷史地震、救援力量、應急物資、疏散場地、危險源、交通道路、水系、水庫、斷裂帶等基礎數據，從災情上報數據庫獲取多源災情信息，從應急共享數據庫獲取余震展布、震源機制、破裂過程、強震等地震臺網產出的數據，從應急產品庫獲取預評估結果。

該系統主界面如圖4所示。界面頂端的白色區域為滾動顯示條，滾動顯示當前地震事件基本信息。界面左邊的窗口上半部分為參與協同研判的專家列表，下半部分為系統獲取到的動態災情信息實時列表以及研判成果列表。界面主體為地圖窗口，為災情研判、協同標繪和各類信息的可視化提供底圖。地圖窗口右上方為系統主要功能菜單條，包括基礎操作、信息查詢、數據加載、數據統計、災情研判、成果產出以及其他功能;右下方為即時消息通訊窗口，為專家協同研判提供文字、語言和圖片交流工具。界面左邊的窗口和右下方的即時消息窗口可以縮小隱藏，也可以靈活拖曳。

3.2 應用案例

2017年8月8日21時19分，四川省九寨溝縣發生7.0級地震，此次地震的最大烈度為Ⅸ度，等震線長軸總體呈NNW走向，Ⅵ度區及以上總面積為18 295 km2，造成四川省、甘肅省共8個縣受災，包括四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣、若爾蓋縣、紅原縣、松潘縣和綿陽市平武縣;甘肅省隴南市文縣以及甘南藏族自治州舟曲縣、迭部縣。

九寨溝7.0級強烈地震發生后，基于天地圖

的地震災情綜合研判系統立即啟動，系統應用界面如圖5所示。該系統于震后5 min內產出了歷史災情分布、震區滑坡風險分布等圖件。震后2 h左右，四川省地震局災情綜合研判小組利用該系統，根據災情上報數據和余震數據重新對災區范圍進行綜合分析，由于余震和災情數據均朝NNW向展布，專家根據經驗快速將預評估的NWW向，調整成NNW向。估計極震區烈度達到Ⅸ度，Ⅸ度區面積為58 km2，災區總面積為17 098 km2。

考慮到九寨溝地區大部分房屋嚴格按照Ⅷ度設防標準進行了抗震設防，專家判定此次地震造成房屋整體垮塌的可能性小，但可能會因為房屋附屬設施破壞而造成一定的人員傷亡。震區次生地質災害風險極高，但由于地震發生在夜晚，震時多數民眾在室內，因此判定不會因地質災害造成大規模的人員傷亡。基于上述分析，評估得出本次地震死亡人數為20～30人，受傷人數為830～1 080人，需緊急安置人數為10 500～12 400人的結論。

在災區范圍分布研判的基礎上產出了綜合研判報告和無人機航拍區域建議等圖件和文檔。隨著災情信息的增多，綜合考慮余震分布、災情上報信息、地質災害遙感解譯結果、現場烈度調查點分布等，災情綜合研判組再次進行了動態研判，產出了災區范圍分布、災區范圍分布（圖6）、次生地質災害分布、交通震害分布等圖件和研判報告（圖7）。

由于綜合考慮了多源災情信息、余震展布以及對震區背景進行了詳細分析，災情綜合研判結果與實際災情情況吻合度良好，為抗震救災工作提供了重要的災情信息支持。

4 結論與討論

本文介紹了基于天地圖的地震災情綜合研判系統研究的背景和意義，闡述了系統研究的目標，系統的結構設計、功能設計和業務流程設計，最后給出系統實現結果。該系統實現了多種災情信息源協同、多方面研究領域專家互補性協同、后方和現場協同的災情研判，在九寨溝地震中的得到了實際應用，為地震應急處置工作提供了重要參考。

該系統雖然實現了多源災情信息的匯集，為專家協同研判提供了工具和平臺，但尚未應用人工智能、大數據技術等實現多源災情信息的自動融合和分析，目前的研判工具包缺乏智能化的工具，這些問題將在下一步的工作中展開研究。

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