數字地球下的地震災情快速評估系統設計與實現

金 航 閆冬梅

(1. 西安科技大學 測繪科學與技術學院, 陜西 西安 710054; 2. 中國科學院空天信息創新研究院 數字地球重點實驗室, 北京 100094)

0 引言

地震災害是我國最主要的地質災害,其活動頻度高、強度大且影響范圍廣,加之當前我國人口、基礎設施和社會財富集中,一旦發生地震災害,造成的損失難以估量[1]。傳統地震震害評估方法如現場調查法、基于遙感影像的評估方法等受限條件多,耗時時間長,均不適合對震情進行快速評估。實際地震應急減災經驗表明,基于模型的快速地震災害評估是各級政府在短時間內開展指揮決策與應急救援的重要基礎,近年來眾多學者在地震快速評估系統的研發中取得了一定的成果[2-3],評估系統在空間分析、評估效率以及決策方式上有極大的改善,但是大多地震應急災害快速評估系統均以基于符號化信息的二維圖形方式描述地震空間數據的空間位置和屬性,存在空間拓撲信息缺失、數據解釋方式無法直觀表達三維空間信息、顯示視野受限及交互操作性欠佳等問題。針對地震快速評估過程中存在的上述問題,本文對相關領域研究成果進行發展與應用,以地震頻繁發生的四川省為例,設計并構建了一套基于數字地球科學平臺(Digital Earth Science Platform, DESP)的地震應急快速評估系統,可以實現大型三維地形的實時渲染、三維場景交互、空間數據分析以及各類數字城市模型的集成,為地震災害快速評估提供科學的技術支持和輔助決策。

1 數據與方法

1.1 災情評估數據集

地震災害快速評估數據集主要包括基礎地理信息數據集、千米格網數據集以及地震專業數據集。

基礎地理信息數據集包括四川省1∶25萬的數字線劃圖數據集(Digital Line Graphic, DLG),采用國家統一的坐標與高程系統,投影系統為高斯-克呂格投影,按6°分帶,1°30′×1°(經差×緯差)分幅,主要內容包括居民地、公路、鐵路、水庫、河流、境界以及輔助要素等;數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數據集采用ASTER DEM,分辨率為30 m,覆蓋全國;全國1 km分辨率土地覆蓋數據集(Land-Use and Land-Co-ver Change, LUCC),包含耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用土地;Landsat8遙感影像分辨率為30 m,對其進行包括裁剪、拼接、輻射及幾何校正等數據預處理,并通過對影像切片得到與DEM數據相匹配的13級切片數據;千米格網數據集包含人口千米格網數據以及經濟千米格網數據;地震專業數據集包含四川省地震背景數據以及四川省地震斷裂帶數據。

1.2 災情損失評估模型

地震災害損失評估模型是地震應急快速評估系統的核心組成,本系統以四川省為例,著重分析總結烈度衰減、人員傷亡以及經濟損失等在快速評估中占主導作用的損失模型。

1.2.1烈度衰減模型

地震烈度是衡量地震影響強弱程度的重要參數,是進行地震應急災害快速評估的基礎。不同地區的烈度衰減規律具有顯著的差異性,汪素云等[4]利用我國豐富的地震烈度等震線資料,確定了我國東西部的烈度衰減關系,得到適用于我國西部地區的地震烈度衰減關系模型;雷建成[5]等基于地震構造環境和震害分布將四川及鄰區劃分為西南地區和四川盆地地區,利用最小二乘法分析得到了適用于四川西南和盆地地區的烈度衰減模型;孫繼浩等[6]綜合考慮震中構造環境及地形地貌等利用統計回歸分析得到川滇及鄰區中強地震烈度衰減關系的烈度衰減模型。在本系統中,集成上述3種模型,用戶可在判別四川地區震后地震影響場范圍時,根據不同模型的特點和適用范圍選擇相應的模型。

1.2.2人員損失模型

人員死亡是災害損失統計的重要指標,目前計算人員傷亡的模型主要有房屋易損性評估法以及基于地震參數的經驗模型法[7]。房屋易損性矩陣評估法需要基于工程實驗及專家經驗獲取房屋地震易損性曲線及矩陣,工作量大且數據可更新程度差,比較適合中長期規劃下的地震災害損失研究[8];基于地震參數的經驗模型法考慮各類地震要素作為參數,可以在不同地域尺度上根據各類算法得到適用于該地區的評估模型,易于實現且可以保證評估時效性,切合地震災情快速評估的應急需求。因此，本系統采用張建等[9]根據美國地質勘探局的地震損失快速評估模型,利用粒子群優化算法得到四川地區各烈度下的人員損失率,如式(1)所示:

(1)

式中,V為地震人員損失率;S為地震烈度;Φ為標準正態分布函數;θ和β為待求的累計分布參數,分別表示烈度測量值的自然對數的平均值和標準差,其中θ取0.152 7,β取12.427 8。

1.2.3人員損失模型

地震造成的經濟損失包括直接經濟損失和間接經濟損失。直接經濟損失主要包括建筑物等的破壞等造成的損失;間接經濟損失是地震直接經濟損失造成的后續影響,該類損失界定不夠明確，難以進行評估。本文僅評估地震造成的直接經濟損失,采用陳堯等[10]利用最小二乘法提出的基于震中烈度和震級的方法對震害造成的直接經濟損失進行快速評估,首先計算得到震級修正系數,再根據震級評估模型計算直接經濟損失,如式(2)～(3)所示:

(2)

lgL=0.599 6Mα+0.401 1

(3)

式中,α為震級修正系數；M為震級；I為震中烈度；L為地震造成直接經濟損失。

2 系統設計

2.1 開發技術方法

綜合考慮不同用戶實際情況,系統運行環境為Windows10環境,開發環境為Microsoft Visual Studio 2017,開發語言為C++編程語言;主程序采用C/S模式以保證數據存取的安全性及系統運行的穩定性;系統主要功能開發基于地理空間數據抽象庫(Geospatial Data Abstraction Library, GDAL)與計算機視覺庫(Open Source Computer Vision Library, OpenCV)等開源庫;開發框架采用Qt(由Qt Company開發的應用程序開發框架)界面開發工具,具有開源、跨平臺及代碼復用性好等優點,滿足風格統一、界面友好以及系統各項功能的需求。

2.2 系統總體設計

系統主程序為地球大數據科學工程“數字地球科學平臺”,該平臺以開源場景圖形庫(Open Scene Graph, OSG)與開源場景地球引擎(Open Scene Graph Earth，OSGEarth)等三維引擎以及GDAL、幾何引擎開源庫(Geometry Engine Open Source, GEOS)、命令行統一資源定位工具(CommandLine Uniform Resource Locator, CURL)以及日志與跟蹤調試庫等開源庫為基礎,統一采用CMake編譯,通過圖形操作界面觸發不同Qt事件實現相應功能,平臺可嵌入海量地理數據實現多分辨率的三維場景表示,同時具有數據加載、數據瀏覽、圖層管理、前后視圖、旋轉縮放等基礎功能。本文基于此二次開發框架平臺為地震災情快速評估開發提供技術支持。

系統總體采用基礎層、數據層、業務層及展示層四層結構:基礎層包括系統軟件與硬件平臺;數據層是震情快速評估過程中所需的各類數據;業務層滿足地震應急災害快速評估的具體功能實現;展示層為數字地球科學平臺主程序,用于地震災區受災情況的三維空間顯示。系統框架結構如圖1所示。

2.3 系統功能設計

在DESP主程序下包含系統管理模塊、地震應急快速評估功能插件模塊以及輔助功能插件模塊。其中系統管理包括在DESP主程序下的插件擴展功能以及線程管理;地震應急快速評估功能模塊由數據操作、災情快速評估以及3D可視化等功能模塊構成;輔助功能模塊包含數據標繪以及距離分析。系統功能結構如圖2所示。

2.3.1地震災情快速評估

(1)三維場景可視化

在初始化數字地球平臺階段中,根據地球文件(.earth)設置地球的空間參考系,指定使用的數據類型、數據緩沖類型與緩沖位置,設置驅動器屬性及驅動的類型等,將源數據轉換為三維場景圖。考慮到整幅影像數據在高分辨率視場下加載過慢的問題,采用金字塔數據集以提高影像加載效率[11],實現在不同空間分辨率下加載不同層級的切片數據。

(2)災情快速評估

手動輸入地震震級、震中經緯度以及震源破裂方向等地震參數,選擇相應的烈度衰減模型,快速定位地震發生地并生成等震線,獲得地震烈度圈的空間分布信息以及烈度影響場方向、尺度、強度等功能。在此基礎上,根據人員損失模型、經濟損失模型及空間分析等計算不同烈度下人員損失情況、經濟損失情況和土地利用受災情況等。

(3)災情簡報生成

在快速評估模塊得到盲估結果的基礎上,統計匯總不同烈度下地理信息空間要素的受災情況,主要包括受災所涉及的境界、居民地、水系、交通以及土地利用等。在此基礎上進一步生成地震影響場、人口損失以及經濟損失專題圖,最終生成災情快速評估簡報,以PDF格式輸出。專題圖采用OpenCV開源庫進行圖像處理生成,災情文檔采用Qt中的QTextDocument類與Qprinter類生成,其中QTextDocument采用超文本標記語言(Hyper Text Markup Language, HTML)對文字進行排版與編輯,Qprinter將文件保存至磁盤并輸出。

2.3.2輔助評估

為輔助地震應急災情快速評估,系統輔助功能主要由數據標繪和距離分析兩方面組成。其中數據標繪提供三維上點、線、多邊形等幾何的創建與編輯等功能,為地震評估動態修改提供支持。距離分析用于統計在不同烈度下地理信息空間要素與震中的距離,本系統根據Haversine公式計算橢球面中最短程曲線。

2.4 系統業務流程設計

應用DESP系統對災情進行評估時,各個功能模塊之間的調用需要按一定的數據流向與流程進行相互調用。基于系統邏輯與功能結構,快速評估業務流程如圖3所示。

圖3 快速評估業務流程

地震發生后,通過手動輸入地震震級、震中經緯度以及震源破裂方向等地震相關參數觸發震情響應,通過下拉選項框選擇符合震區條件的烈度衰減模型,快速定位地震發生地并生成烈度衰減等震線,獲得地震烈度圈的空間分布信息以及烈度影響場方向、尺度、強度等要素,在此基礎上,根據各類評估模型自動計算不同烈度下人員損失以及經濟損失情況,統計不同受災程度下的具體損失數據,同時生成各類災情專題地圖;評估完成后,系統會通過烈度等震線的閉合面與不同DLG數據圖層進行空間疊加分析,最終統計匯總出不同烈度區下受地震影響的各類基礎地理要素,并結合烈度衰減、土地利用、人員傷亡與經濟損失四類專題地圖生成地震災情快速評估文檔,為地震應急服務提供科學依據[12]。

3 系統實現與測試

本系統于2020年11月完成開發并進行了綜合性測試,采用實際數據對系統進行測試,測試數據為2013年4月20日8時02分四川省雅安市蘆山縣7.0級地震,震中位置為(30.3°N,103.0°E),地震破裂方向北偏東33°,地震類型為淺源地震,震源深度13 km。地震衰減模型采用汪素云中國西部地區衰減模型。2020年11月25日17時29分00秒在快速評估系統寫入地震信息,15 s內系統觸發并進行評估,30 s內獲得災區三維空間信息并產出災情報告文檔如圖4所示。

圖4 DESP三維評估

4 結束語

本文在Visual Studio2017平臺上利用C++語言構建了基于數字地球科學平臺的地震應急災害快速評估系統,系統主要功能使用插件化開發模式,將空間數據管理、空間分析以及交互式顯示等融入地震災害評估工作中,實現了三維空間下地震災情數據的3D可視化,解決了以基于符號化信息的二維圖形無法直觀表達的三維空間信息,在三維場景交互以及空間數據分析上為地震災害快速評估提供了科學的技術支持和輔助決策。

本系統僅采用了為數不多的評估模型進行災情定量化表達,在今后發展中,仍需要不斷更新各類評估模型,如建筑物、危險源、次生災害等,從而精細化評估結果,同時,不斷優化操作流程、考察不同需求的必要性以及定時補錄與更新數據庫也是未來系統決策評估的方向。

數字地球廣泛地應用于災害評估、生態變化、水資源管理、城市發展等多個方面,各類模型的數字化、系統運行智能化、大數據整合與挖掘的精細化還需要進行不斷地探索與研究。本文在地震災害快速評估做出了有效的嘗試,系統功能仍然需進一步完善,如改進系統單線程串行分布計算的評估結構降低系統時間代價，添加其他插件如環境、生態插件等同本文地震快速評估插件交叉應用以輔助災情決策依據等,可以更大限度地基于數字地球科學平臺進行地震災情決策評估。