基于GIS的區域性地震安全性評價技術服務系統應用研究

肖 斌,曾文敬,朱 慧,王妍婕*

(1.江西省地質博物館,330000,南昌;2.江西省大地數據有限公司,330001,南昌;3.江西省地震局,330001,南昌)

0 引言

區域性地震安全性評價(以下簡稱“安評”)工作作為進一步貫徹落實黨中央、國務院關于深化“放管服”改革、優化營商環境具體舉措,是踐行以人民安全為宗旨的發展理念,確保建設工程抗震設防要求不降低,最大程度地減輕地震災害風險的必然要求;同時,區域性地震安全性評價既是國家防災減災、保障地震安全的重要環節,也是減輕地震災害、避免大地震產生重大人員傷亡與財產損失、避免造成重大的社會經濟影響和環境破壞的有效途徑。近年來,隨著經濟的不斷發展、全國城鎮化不斷推進,科學合理的抗震設防需求成為發展過程中必不可少的要求,地震安全性評價工作越來越得到社會的重視[1]。

在GIS、大數據、物聯網和云計算等先進技術不斷發展的支撐下,自然資源和生態環境行業領域、水利和農業行業領域等不斷涌現出新信息技術應用案例。宋超等[2]提出基于“互聯網+”手段利用GIS技術和大數據在土地衛片執法中的應用;常松[3]提出了基于GIS技術在智慧水務平臺的應用;李忠[4]提出了基于GIS的預警信息“一張圖”,設計了在自然災害預警預報、防災減災及應急中提供輔助決策作用的應用;徐蘭聲[5]、吳紅亞等[6]、李璇瓊等[7]分別提出了基于GIS系統、物聯網技術及無人機技術在地震災害評估和救災應急中的應用;三利鵬和馬海軍[8]提出了作用在環境地質污染信息采集一體化中的GIS技術應用。

通過將GIS技術與地震安評技術相結合,構建出區域性地震安全性評價全要素“一張圖”系統,輔助區域地質安全性評價工作,實現對其基礎地理數據、安評成果數據和鉆孔數據等二三維一體化資源整合和可視化管理,由此對有效提升安評成果應用的便捷性具有重要的意義。

1 GIS技術在安評中的優勢

GIS是通過對地理空間實體以及現象的特征要素進行表達、獲取、處理、管理、分析與應用的計算機空間或時空信息系統,包含對空間數據的采集與輸入、對空間數據的編輯與更新、對空間數據的管理與存儲、對空間數據的查詢與分析、對數據的顯示與應用等功能,可以通過模擬與預測的功能為人類解決現實世界中的規劃和重大決策問題提供支持。近年來,GIS技術已在自然資源管理、環境評估、資源調查、水利、國土空間規劃、公共設施管理、農林牧業等眾多領域得到了廣泛的應用,其在自然災害風險領域中的應用涉及分析、預警、預報、防災減災、輔助決策及協同應急等各個環節[9-11]。基于GIS和空間數據庫技術對區域安評成果數據、基礎地理信息和圖件等資料進行數字化建檔和可視化管理,提升應用服務水平,加強信息之間交換共享。

2 基于GIS和大數據的區域性地震安評系統構建

2.1 總體架構

系統采用SOA架構進行設計,由上至下分為用戶層、服務應用層、數據層、數據庫、運行環境支撐層等,系統架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構設計

圖2 高效可視化動態渲染技術流程

用戶層:包括各業務處室、各級部門、系統管理員和普通用戶。

應用層:包含管理端和用戶端兩塊,其中用戶端包括:地震環境、場地條件、物探、場地地震動參數、地震動參數分區、地震地質災害;管理端包括:角色管理、用戶管理、系統管理、日志管理、項目管理等功能。

數據層:數據層是存儲和提供系統所需處理的數據,本系統基于MySQL數據庫和Redis建立數據層,數據包括基礎地理信息庫、地震動參數數據庫、項目數據、地震地質災害數據庫、用戶數庫、區評數據、圖片數據和文檔資料等數據。

支撐層:包括數據處理中心和數據存儲中心作為數據層的數據支撐,系統運行環境需在JDK8以上版本環境中運行,采用SpringBoot后端框架和Vue前端框架進行構建。

2.2 關鍵技術

1)空間大數據高效可視化技術。為解決數據量大規模前提下,數據顯示效率不高的瓶頸,系統基于海量矢量數據動態快速渲染引擎,對海量矢量數據渲染性能優化提速,解決上述問題,實現了對多源、異構、海量、動態數據等各類時空大數據在一張圖上進行高效可視化表達。

2)GIS二三維一體化技術。充分利用GIS二三維一體化技術,研究多層次、多要素地震數據全空間一體化分析技術,實現地震數據的全空間一體化聯動智能分析和可視化表達,為地震數據的共享應用提供分析和表達的技術支撐。包括地震數據與模型的統一管理、二三維一體化展示、聯動查詢和數全空間一體化聯動檢索、智能分析和動態模擬。

3)智能定制與彈性擴展技術。一是核心功能靈活定制與管理,核心功能設計遵循交互式模板靈活定制的思想,采用定制策略、定制模板等技術思路,滿足數據查詢、綜合統計等相關功能。在查詢分析和統計分析方面,可以定制各種專題查詢和統計模板,自由選擇所需的數據源、字段、范圍和統計方法,從而為各類地震專題數據定制出多種多樣的快速查詢和統計功能,能夠幫助用戶突破專題系統的功能局限,滿足各類數據不斷擴展和綜合管理的需要。二是場景功能的彈性擴展管理,底層場景功能模塊采用插件式開發,所有功能既可插裝,也可卸載,伸縮性強。用戶可以利用標準的插件接口不斷擴展個性功能,有效解決了場景功能平滑擴展的實際難題,實現“高內聚、松耦合”。

2.3 構建安評數據庫

GIS技術在區域性地震安全性評價服務過程中的應用主要體現在安評數據庫的建設,數據庫涉及地理空間數據和非空間數據,具有對空間數據、屬性數據統一管理的功能,針對項目涉及的數據量和服務平臺的功能特點。安評數據庫的主要結構如圖3。

圖3 數據庫結構圖

空間數據庫主要有基礎地理信息和安評專題數據兩部分組成,數據庫以GIS Geodatabase數據庫實現空間數據庫管理,再利用要素編碼或ID號連接屬性數據庫與空間屬性,且空間數據庫坐標系統采用2000大地坐標系。而非空間數據庫主要由行業標準文檔數據和成果圖件數據構成。

2.4 功能設計

平臺的主要功能由安評成果“一張圖”、項目管理和系統管理三部分組成。平臺基于一張圖實現區域性地震安全性評價數據資源整合,實現安評數據的數字化、可視化管理和應用服務。一張圖展示包括GIS基礎功能與基礎數據綜合展示、地圖查詢與分析、可視化查看所有數據資源目錄。

在一張圖的基礎上提供基于GIS空間位置或屬性進行區域地震安全性評價成果查詢輸出功能,包括地層結構不同參數、不同超越概率水準基巖與地表地震動參數成果及圖件等。查詢方式支持GIS地圖點擊查看、條件篩選方式進行查詢信息,以圖表、圖件等方式展示。功能結構設計如圖4所示。

圖4 功能結構設計圖

1)地震環境。地震環境選項包括:區域地震構造圖、近場區域地震構造圖、區域地震震中構造圖、近場區地震震中分布圖四個功能,如圖5。

圖5 地震環境

2)場地條件。場地條件選項包括:工程地質分區圖、工程地質刨面圖、目標區鉆孔柱狀圖、波速測試成果圖4個按鈕菜單。其中,工程地質分區圖和工程地質刨面圖為多選框,勾選后右側地圖區域將會出現相應的圖層;選擇目標區鉆孔柱狀圖或波速測試成果圖則將出現鉆孔選項框,選擇需要查詢的對應的鉆孔即會彈出相應的柱狀圖或成果圖,如圖6。

圖6 場地條件

3)場地地震動參數查詢。利用內嵌地震動參數計算模型及GIS分析與定位能力,實時對設定場點設計地震動參數進行計算,輸入該點位置、工程類型和場地類別后,具備能夠給出基于區域性地震安全性評價結果、符合場地條件和工程結構抗震設計所需要概率水準的地震動參數的功能,包括峰值加速度、加速度反應譜和地震動加速度時程,如圖7～圖10。

圖7 場地地震動參數

圖8 地震動參數模型計算查詢

圖9 地震動加速度時程

圖10 地震動反應圖譜

4)地震地質災害。地震地質災害選項包括:50年63%、50年10%、50年2% 3種概率,其中都包含砂土液化分區圖、軟土震陷分區圖、滑坡崩塌分區圖、活動斷層斷錯分區圖。鼠標左鍵單擊相應的菜單按鈕即會彈出相應的分區圖片,如圖11。

圖11 地震地質災害分區

5)項目管理。項目用于創建新的項目,確認項目所屬地區,方便后期用戶的歸屬。該模塊支持機項目的創建、編輯、刪除、查詢、啟用等操作。

數據錄入及檢查主要提供平臺區評估數據的錄入和質檢,支持錄入目標區數據、鉆孔信息、土層計算模型、反應圖譜數據、時程圖數據、場地地震動參數分區、場地條件、地震地質災害、地震環境、地震危險性概率分析、物探等數據的導入及檢查。

6)系統運維系統。系統管理:包括用戶管理、角色管理、菜單管理、部門管理、字典管理等。

3 結論與展望

本系統實現了對區域性地震安全性評價工作中基礎地理數據和安評成果等數據的一張圖展示、查詢、管理等功能,提高了成果的數字化、可視化水平,實現了對區域性地震安全性評價成果全息可視化管理,提升了安評成果管理與應用的便捷性。現已在江西省震災防治中心上線運行,成功應用于《江西臨川經濟開發區區域性地震安全性評價》等服務項目,能根據臨川設定場址位置和場地工程地質條件,自動計算出該地區50年或100年63%、10%、2%生成對應的設計地震動參數,為地震地質災害初步評價結果提供信息化平臺和數據支撐,取得了較好的社會效益。隨著區域性地震安全性評價工作體系的不斷健全,后續將根據實際應用需求不斷完善功能并進行拓展,使之能夠更好地服務于區域性地震安全性評價工作,實現安評數據的共享融合。