離線式地震災害快速評估與應急制圖系統研發及應用＊

譚慶全

1) 中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080

2) 地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080

3) 北京市地震局，北京 100080

引言

我國是世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一。20世紀的統計數據表明，我國大陸地震次數占全球大陸地震的1/3，地震造成的人員死亡數量占全球的1/2。我國地震活動具有頻度高、強度大、震源淺、分布廣、損失重等特點[1-3]。地震發生后，在最短的時間內對災情進行評估、產出各類應急專題圖件，為政府抗震救災決策部署提供依據，是地震應急工作的首要任務。隨著經濟社會的發展，尤其是2018年應急管理部組建之后，中央和各級政府對地震應急工作都提出了更高的要求。各類應急技術系統要求運行穩定、計算高效、操作簡便、功能實用。因此，開展地震災害損失快速評估與應急綜合制圖技術研究，為震后應急處置提供關鍵技術支撐，意義重大[4-8]。

在過去的幾十年，隨著計算機技術和以遙感與地理信息系統為代表的空間信息技術的發展，地震災害快速評估系統與應急制圖技術也得到了長足的進步。在 “十五” 期間，中國地震局組織建設了地震應急指揮技術系統，分別部署于中國地震局應急指揮中心和各省級地震局應急指揮中心，實現的地震應急業務包括地震快速觸發、災害評估、輔助決策、綜合信息查詢、信息管理與發布等[9-13]。2011年，原中國地震局震災應急救援司針對破壞性地震應急處置工作的需要，對震后5個時段（1小時、2——3小時、3——4小時、5——8小時、8小時以后）共計27類專題圖的快速產出提出了規范要求。在 “十二五” 和 “十三五” 期間，許多省（市）都開展了本地化地震災害快速評估與應急指揮技術系統的建設。目前，絕大多數快速評估與應急制圖技術系統的共同特點是，基于提前部署好的后臺數據庫與專業GIS軟件平臺，輸入地震參數后，進行在線計算地震災害損失結果并輸出相應專題圖件。此類技術系統具有一次部署，多個終端用戶同時訪問使用的優勢，可以滿足大多數情況下的地震應急處置工作需求[14-16]，但是，在以下方面存在不足：

（1）不能滿足任意場景情況下的地震應急應用。系統的運行依賴于提前部署好的后臺數據庫與專業GIS軟件平臺，一般是固定部署在地震應急指揮中心或實驗室內，對于地震現場應急工作隊、地震現場應急指揮部或其他臨時應急場所，則無法應用。因而，無法為前方指揮部提供有效的技術支撐，不能滿足任意場景下的應用需求。

（2）開發部署相對復雜、成本高。系統運行需要提前部署專用的數據庫與GIS軟件，系統開發部署周期長，對系統維護和使用人員的專業要求高；同時，會產生大額的第三方商業軟件購買費用或系統開發部署的委托費用。因而，系統開發部署周期長、成本高，系統的升級擴展與推廣應用也比較困難。

（3）運行穩定性和計算效率得不到保證。由于涉及第三方商業軟件平臺或網絡環境的部署，系統對軟硬件環境有比較苛刻的要求，系統運行穩定性受到一定挑戰。另外，系統主要是基于第三方軟件平臺二次開發部署，其計算效率的提高和性能優化受到一定限制。地震發生后，尤其是大震巨災情況下，網絡環境受到破壞，各項應急工作繁忙開展。因而，傳統在線評估與制圖系統的運行穩定性和計算效率得不到保證。

本文介紹的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統，解決了傳統技術方法的不足，基于關鍵技術的自主研發，在不依賴在線數據庫與第三方商業GIS軟件的情況下，實現一種運行穩定、計算高效、隨時隨地即插即用的應用系統，作為現有 “在線” 應用系統的有效補充或替代，為地震應急處置工作提供更有力的技術保障[17]。

1 技術思路與主要功能

1.1 基本原理

針對地震應急工作對評估結果與專題圖件越來越高的時效性需求，設計實現了一種新型的完全自主知識產權的離線式地震災害快速評估與應急制圖全鏈條技術體系（圖1），包括：離線評估與制圖數據的生成、存儲、管理、更新方法，地圖切片坐標換算與索引技術、可視化專題圖配置與批量輸出技術、自定義報告模版配置與一鍵生成技術，多場景部署應用等。

圖1 離線式地震災害評估與應急制圖技術體系示意圖Fig.1 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technology system

該 “離線” 技術的特征表現在3個方面： ① 從數據層面看，不需要連接基礎數據庫，不需要基礎地理數據的實時疊加和渲染，基于離線的預緩存數據即可進行快速評估計算和可視化制圖表達； ② 從軟件平臺層面看，不需要商業GIS平臺軟件及后臺數據庫軟件的支撐，不需要安裝任何第三方插件，基于自主研發的軟件和算法即可完成所有工作； ③ 從應用層面看，所研發的軟件和離線數據可以部署于移動存儲設備，不依賴特定的軟硬件環境，針對不同應用場景，在普通PC機上即可實現即插即用。

離線式地震災害評估與應急制圖技術原理如圖2所示。

1.2 關鍵技術

1.2.1 數據預處理

本文討論的數據預處理，主要是將京津冀地區基礎地理數據與重要涉震數據進行融合處理，基于細節層次模型（LOD）的地圖顯示原理，根據制作專題圖的需要，提前生成多級預緩存離線地圖數據。離線存儲的地圖數據保留了原來所有圖層疊加和渲染顯示的效果，以固定大小瓦片的形式存儲（一般是256×256像素），在使用時直接讀取目標區域的瓦片進行拼接使用，因為不再需要圖層實時疊加和渲染的空間處理過程，因此大大提高了制圖效率。由于離線存儲的地圖瓦片丟失了空間屬性信息，這就需要在每個地圖瓦片的存儲位置和其空間坐標范圍之間建立可相互轉換的計算規則。為此，我們提出一個5層文件目錄結構的命名規則[14]，實現了存儲位置和空間坐標之間的相互轉換。

1.2.2 評估模型構建與損失預評估

根據圖2所示的離線評估計算原理，將京津冀地區在所有破壞烈度作用下的損失結果進行提前評估計算，在實際使用時，只需要抽取地震影響范圍內相應烈度的預評估結果即可，由于省去了實時評估計算過程，因此大大提高了評估效率。為了便于計算存儲和空間分析，以經度0.01°×緯度0.01°的網格作為基本評估計算單元，針對每個基本單元，結合人口、GDP、土地利用、設防烈度和行政區劃等主要影響因素建立了本地化抗震能力分區分類模型[18]，如公式（1）所示：

圖2 離線式地震災害評估與應急制圖技術原理示意圖Fig.2 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technical principle

式中，Cd為綜合影響因子值；Hdi為不同影響因素的影響系數；i為影響因素個數；d為某研究區域； γdi為各影響因素的權重，其中

在分區分類基礎上分別利用經驗震害矩陣的完善方法、建筑物地震直接經濟損失分析模型和人員傷亡模型得出較為符合京津冀地區的預評估結果。將每一個網格的計算結果以及此網格對應的屬性信息（經緯度范圍、行政區劃名稱、面積、人口、GDP等），作為一條記錄存儲于離線數據庫中。在離線評估計算時，只需要從數據庫中按條件檢索統計即可得到需要的結果，因而進一步提高了計算效率。

1.2.3 離線數據存儲管理

本文討論的離線數據存儲管理主要包括3部分數據。 ① 為了滿足離線評估和制圖需要的預評估結果數據和離線地圖數據。如前文所述，預評估結果數據以離線數據庫的形式進行保存，離線地圖數據以分層目錄結構的形式進行保存。為了便于數據的快速檢索和更新，針對大量的離線數據，建立了基于地理空間分區的離線存儲管理機制。每個地理空間分區具有固定的經緯度范圍，實際使用時，根據需要從相鄰的幾個地理分區中提取數據即可。 ② 為了滿足生成評估報告和決策分析需要的各類POI數據。此類數據的管理較為簡單，只需要提前分析處理每條數據的經緯度坐標并將其存儲在離線數據庫中，在使用時，檢索對應范圍對應的數據，并進行實時點圖層疊加和顯示處理即可。 ③ 為了滿足其他震害分析與可視化需要的矢量圖層數據。基于對矢量格式數據的底層解析，開發了點、線、面矢量數據文件的實時加載、編輯和可視化接口，實現了離線運行狀態下的矢量數據文件的管理和應用。

1.2.4 面向對象編程開發

基于面向對象編程和圖形圖像處理技術，利用Visual Studio集成開發工具，實現了地震災害損失快速評估、應急專題圖批量制作及數據管理和可視化的一體化軟件集成開發。通過對所有底層應用接口的自主研發和封裝，軟件可在普通Windows電腦上 “即插即用” ，同時提供了直觀友好的可視化交互操作界面，因而最大限度提高了軟件的應用場景和應用便捷性。

1.3 主要功能模塊

針對實際應用需求，實現了全鏈條關鍵技術及軟件功能的開發，按照功能分類，軟件的功能模塊主要包括以下幾部分：

（1）離線數據生成與存儲管理功能：地震災害損失預評估結果的生成與離線存儲管理；應急專題圖地圖數據多圖層疊加渲染、切片數據生成與離線存儲管理；離線存儲數據的坐標換算、快速索取、快速更新等。

（2）快速評估計算功能：根據地震參數和烈度衰減模型生成地震影響場；最高烈度評估計算；地震影響范圍評估計算；地震災害損失評估計算；救災對策評估計算；地震影響重點目標評估計算等。

（3）專題圖批量制作功能：根據地震影響范圍和專題圖制作分類自動批量生成應急專題圖；震中位置專題圖定制輸出；距離專題圖定制輸出；震中影像專題圖定制輸出；震后動態信息專題圖定制輸出；自定義標注專題圖定制輸出等。

（4）自動生成報告功能：根據評估計算結果自動生成快速評估報告、輔助決策報告；自動生成修正評估報告、修正輔助決策報告等。

（5）模板管理功能：快速評估報告模板個性化定制；輔助決策報告模板個性化定制；應急專題圖模板個性化定制等。

（6）信息標繪功能：災情分布動態標繪；救災進展動態標繪；現場工作動態標繪；震后調查信息動態標繪；自定義文字或圖片標繪等。

（7）數據管理與可視化功能：歷史地震數據管理；避難場所數據管理；重點目標數據管理；城市地名數據管理；其他POI數據管理；預評估結果數據空間查詢與可視化表達；地震烈度分布可視化表達；離線專題圖數據瀏覽與可視化表達等。

（8）參數設置及軟件管理功能：評估模型參數設置；烈度衰減模型參數設置；評估計算規則設置；輔助決策規則設置；制圖類別設置；自動制圖參數設置；距離制圖參數設置；影像制圖參數設置；自動觸發計算設置；可視化表達設置；用戶管理；權限分配管理等。

2 實際應用效果

近年來，北京及周邊地區發生多次北京市有感地震。根據北京市地震局地震應急預案，凡是有感地震均要啟動地震應急響應工作。表1列出了2019——2021年北京市地震局啟動應急的地震事件。

表1 2019——2021 年北京啟動應急地震事件列表Table 1 Earthquake events affecting Beijing from 2019 to 2021

基于自主研發的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統，在上述地震應急工作中，值班員第一時間完成了評估報告與專題圖件的產出。而且，整個操作過程只需要將地震參數輸入軟件，在可視化操作界面點幾下鼠標，不到一分鐘即可完成評估報告的產出與幾十張專題圖件的制作，可為震后應急處置提供重要的信息支持。根據公開文獻報道，本系統評估計算和制圖速度是全國同類軟件系統中最快的。圖3和圖4分別給出了某次地震評估計算時的系統界面及生成的部分專題圖件。

圖3 某次地震評估計算界面Fig.3 The software interface for an earthquake assessment

圖4 某次地震生成的部分專題圖Fig.4 Thematic maps generated for an earthquake

除了可以提供震后快速評估與應急制圖等核心業務功能以外，本系統還提供了相關專業數據的管理與查詢顯示。基于可視化交互界面，實現了歷史地震、學校、醫院、危險源、避難場所、政府機關、鄉鎮、村莊、旅游景點、重點目標等POI數據的查詢、修改、批量導入/導出功能。而且，只要按統一規則新增加到系統目錄下的POI數據，軟件都可以自動識別與管理。另外，評估計算所依賴的人口、建筑物、生命線數據，以及在不同烈度作用下的損失結果數據，可以按行政區或空間區域進行快速查詢與可視化展示。圖5給出了某空間區域人口分布數據的查詢結果及渲染顯示界面。

圖5 人口分布數據查詢與渲染顯示界面Fig.5 Display interface for population distribution data

3 總結與討論

本文實現的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統，從初步構想、試驗研究、集成開發到列裝應用，歷時將近10年時間。目前，已經完成全鏈條關鍵技術的攻關和軟件系統的自主研發。在京津冀協同發展國家戰略大背景下，本系統實現了京津冀一體化地震災害快速評估與應急制圖功能。快速評估的結果，可以具體到京津冀每一個區縣，可以產出京津冀總體損失評估報告，也可以定制生成每一個行政區的評估報告。

該 “離線” 技術無論從數據層面、軟件平臺層面還是應用場景層面，都較傳統技術方法具有顯著優勢。另外，該 “離線” 軟件除了支持在普通PC機上即插即用外，還可以部署為后臺軟件支持遠程Web頁面或APP的訪問。目前，軟件已經在實際地震應急工作中發揮了重要應用實效。筆者認為，結合其他應急工作需求，替換相應的專業數據與模型后，該技術方法在其他各類自然災害與突發事件應急處置中也具有廣闊的應用前景。

在后續工作中，我們將加強本技術方法的推廣應用，進一步完善和優化系統功能，以期發揮更大的應用價值。關鍵要圍繞以下3個方面開展相關工作：

（1）全流程自動化功能的實現。目前，軟件基于人工輸入的地震參數，可以實現評估報告與系列專題圖件的自動生成，也可以通過手機APP遠程查看和下載相關結果。為了進一步提高應急響應速度以及系統自動化水平，需要實現與地震速報信息的自動對接，滿足應急條件時自動計算生成評估報告和專題圖件；需要將自動生成的結果向指定的用戶進行自動遠程推送；需要與應急指揮中心的應急指揮技術系統（如大屏幕投影系統、視頻會議系統、打印輸出系統等）進行自動對接，實現相關技術系統的自動啟動與評估結果的自動呈現。

（2）與區域特征相匹配的評估方法的集成應用。目前，軟件以京津冀區域為例進行了示范應用。為了實現在不同地區的推廣應用，需要定制覆蓋該區域的離線地圖數；需要根據區域特征定制相匹配的評估模型和應急應用場景。目前，軟件實現了統一的地圖存儲與檢索規則，不同地區的地圖數據可以無縫集成應用；但是，針對特定的評估模型和應用場景，還需要根據實際情況開展相關研究工作。

（3）震后動態跟蹤制圖功能的實現。目前，應急專題圖的批量制作是基于評估模型生成的地震影響場與預存儲的專題圖地圖相疊加后生成的。針對震后不同應急時段生成的動態信息（如余震序列、災情分布、救災進展等），還需要定制數據交互接口，實現數據的自動獲取、自動解析、自動渲染和動態跟蹤制圖。

最后，筆者結合近幾年地震應急工作的經歷，談兩點應急領域技術系統研發方面的思考：

（1）實用至上。應急應用軟件必須運行穩定高效、操作直觀便捷、產出實用好用。隨著各類新技術的涌現， “跟風” 成為一種常態。有些系統為了大數據而大數據，為了上云而上云，為了區塊鏈而區塊鏈，即便制造困難也要用上新技術。新技術的先進性是毋庸置疑的，但是，筆者認為針對實際問題選擇最適合的技術才是可行之道。

（2）底線思維。應急領域的問題，往往都是關系到人民群眾生命財產安全的大事。應急應用軟件的重要性是毋庸置疑的。但是，它區別于實驗室產品，不能只懷有最好的預期，而是要作 “最壞的打算”? 在事件最極端的情況下系統是否可以正常運轉？正是以這種思維為前提，面對地震災害，我們提出了本文介紹的這種新穎又實用的技術體系和實現方法。筆者相信，多一些這種 “底線思維” 的考量，各類應急應用軟件就能更好地發揮應用實效，面對突發事件的應急處置，我們才能從容不迫。

致謝

本系統所使用的人員傷亡與經濟損失的評估模型由中國地震局工程力學研究所孫柏濤課題組提供，在此深表感謝！審稿專家對本文的修改提出了建設性的指導意見，在此深表感謝！