黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統的構建與應用

李孝波，周興浩，薄景山，等.黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統的構建與應用［J］.地震工程學報，2024，46（2）：278285.DOI：10.20000j.10000844.20230105004

摘要：

地震滑坡資料與實際強震動記錄是開展地震滑坡成災機理研究的重要基礎數據，如何科學管理這些數據資料，并最大限度地發揮其科學價值仍然是一個值得探索的問題。文章以黃土高原地區7次典型歷史地震誘發黃土滑坡和125次地震（2001—2018年）的強震動記錄為基礎數據，依托開源GIS平臺+MySQL數據庫，構建黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統。該系統界面規范、友好，參數獲取方便，圖表展示清晰、流暢，不僅為地震滑坡和強震動記錄數據資料的管理與應用提供一個科學便捷的平臺，也為黃土地震滑坡成災機理研究提供堅實的數據基礎，亦對黃土高原地區防災減災工作的開展具有一定的參考價值。

關鍵詞：

黃土高原;地震滑坡;強震動記錄;數據庫管理系統

中圖分類號：P315.9;P315.3文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0278-09

DOI：10.20000j.10000844.20230105004

0引言

數據庫管理系統（DataBaseManagementSystem，簡稱DBMS）由一個互相關聯的數據集合和一組用以訪問這些數據的程序組成，實現了對數據和訪問這些數據所需程序的集中控制。其在為用戶展現抽象數據處理結果的同時，也提供了一個方便高效的信息存儲環境［1］。隨著互聯網時代的快速發展，數據庫管理系統廣泛應用于銀行、航空、電信、金融和制造等行業，并發揮著舉足輕重的作用。如何有效地應對地震災害是我們面臨的一個重大科學問題，地震不僅造成房屋倒塌、交通中斷等破壞，其誘發的滑坡災害也嚴重威脅著人民的生命財產安全［2］。

為探究地震滑坡致災機理，減少滑坡災害造成的損失，國內外學者基于不同滑坡資料構建了多種滑坡數據庫，為滑坡災害的研究提供了重要的數據基礎。例如，Govi［3］通過對比1976年弗里利地震前后的高空航片，識別并繪制了1007處地震滑坡的明顯特征，分析了滑坡分布與地層巖性、局部構造的關系;Harp等［4］提出了詳實的滑坡編目準則和制圖準則，分析了早期滑坡編目圖與數字滑坡編目圖的發展與應用進程，并針對目前地震滑坡危險性制圖存在的問題給出了建議，為進一步研究指明了方向;狄秀玲等［5］在收集陜西省內滑坡數據的基礎上，采用DBaseⅢ程序語言和結構化程序設計技術，構建了由重點滑坡數據庫、滑坡險情數據庫、滑坡災情數據庫以及滑坡綜合數據庫四個子庫組成的陜西省滑坡數據庫，且設置了編輯、檢索、打印及統計等系統功能;吳益平等［6］運用多種語言混合編程開發了具備數據儲存和管理功能的滑坡數據庫管理系統，同時詳細闡述了數據庫管理系統的設計思路、實現方法、結構功能以及系統特點;Wang等［7］基于航片判讀和現場調查資料，建立了1999年集集地震誘發滑坡編錄，分析了地震滑坡與地質構造和斷層距的關系;田宏嶺等［8］在已有滑坡數據庫的基礎上提出了基于主從結構的數據庫構建方案，詳細介紹了數據庫的各功能模塊與研發平臺;陳曉利等［9］在收集地震滑坡數據的基礎上研發了地震滑坡數據庫管理系統，該系統設置了修改、數據錄入、統計分析及檢索查詢等功能，實現了地震滑坡數據的高效管理;Wartman等［10］以2011年日本本州東部的3477處同震滑坡為基礎，構建了滑坡空間數據庫，探究得出地質單元對該地震誘發滑坡具有強烈的控制作用;Gorum等［11］依據多時相遙感的1580個滑坡數據繪制了2002年阿拉斯加MW7.9地震滑坡分布圖，并將其與玉樹地震和智利艾恩峽地震所觸發滑坡編錄進行了對比，認為同震滑坡的規模和空間分布受斷層幾何結構與構造斷裂影響;許沖等［12］基于地震前后遙感影像開展了野外調查工作，構建了2015年尼泊爾廓爾喀MW7.8地震誘發滑坡數據庫，依據此數據庫研究發現，此次地震觸發了47200處滑坡，圈定滑坡分布區域的同時計算了區域內滑坡點密度、面密度以及體積密度;徐岳仁等［13］基于文獻分析、遙感解譯以及野外驗證等方法確定了5019處通渭地震滑坡，構建了黃土高原歷史強震觸發滑坡數據庫，發現滑坡密集分布在通渭斷裂兩側且與等震線吻合;楊元敏等［14］基于Access2019構建了海原地區地震滑坡數據庫系統的基本框架，設置了數據錄入、存儲、更新、查詢與下載功能，簡要介紹了數據庫的維護方法，同時利用數據庫完成了地震滑坡發育特征統計分析工作。然而，現有地震滑坡數據庫大多針對單一震例構建，且數據庫內僅包含地震滑坡基礎信息，缺乏相應震例的強震動記錄。

強震動記錄是構建地震滑坡數據庫的重要補充，可為深入開展地震滑坡致災機理研究提供極大便利［15］。目前，國內外的強震動記錄數據庫主要包括美國的NGA（NextGenerationAttenuation）數據庫、COSMOS（ConsortiumofOrganizationsforStrongMotionObservationSystems）數據庫、CESMD（CenterforEngineeringStrongMotionData）數據庫，歐洲的ESM（EuropeanStrongMotion）數據庫、ITACA（ItalianAccelerometricArchive）數據庫，亞洲的日本NIED（NationalResearchInstituteforEarthScienceandDisasterResilience）數據庫、中國CSMNC（ChinaStrongMotionNetworkCenter）數據庫等［1625］。其中，日本NIED強震動記錄數據庫包括Knet和KiKnet兩個強震臺網，兩個臺網均是開放數據網絡，可通過互聯網獲得強震動記錄，網站提供簡易搜索、單條件篩選、多條件篩選、選擇地震動參數等功能進行檢索下載數據［23］。于海英等［24］詳細介紹了CSMNC強震動記錄數據庫系統結構設計、軟硬件配置、訪問方法、查詢方式以及安全管理等內容，該系統采用了邏輯結構設計，利用Web服務器連接數據源與瀏覽器，數據庫操作在服務器終端執行。

綜上所述，現有地震滑坡數據庫和強震動記錄數據庫的內容均局限于自身領域的基礎信息，融合應用不便。黃土高原地處南北地震帶和青藏高原東北緣地震帶上，地質構造極其復雜，新構造運動強烈，是我國強震多發、特大地質災害頻發的主要地區之一［2629］。黃土地震滑坡是黃土高原最典型的地震地質災害，它嚴重威脅著人民生命財產安全。隨著“一帶一路”倡議和西部大開發戰略的貫徹落實，黃土高原地區城鎮化進程和基礎設施建設的持續穩步推進，地震滑坡災害風險日益增加，如何減少黃土地震滑坡災害的損失和減輕黃土地震滑坡風險是我們需要面對的現實問題［27］。鑒于此，本課題組依托于國家自然科學基金《黃土地震滑坡成災機理與風險評估（U1939209）》和《基于地震黃土滑坡反演地震動研究（51808118）》等項目，基于遙感解譯結果，對黃土高原地區7次歷史地震滑坡開展了野外調查工作，獲取了第一手現場資料，同時收集了2001—2018年發生在黃土高原地區的125次地震的2799條強震動記錄，構建了黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統。

1數據獲取

通過收集洪洞（1303年，8.0級）、華縣（1556年，814級）、天水南（1654年，8.0級）、臨汾（1695年，734級）、通渭南（1718年，712級）、海原（1920年，812級）以及古浪西（1927年，8.0級）等7次地震的基本信息和所在區域空間分辨率為2～5m的遙感影像，采用遙感解譯和現場測繪相結合的方法，構建了包含地理位置、地震烈度、震中距、斷層距以及幾何參數等信息的滑坡編錄;依據《滑坡崩塌泥石流災害調查規范（1∶50000）（DZT0261—2014）》、1∶20萬地質圖、行政區劃圖及氣象水文（三級以上河流及湖泊）等資料，對7次歷史地震觸發的黃土滑坡開展野外現場調查工作，通過測距儀、羅盤、GPS等工具測量完善地震滑坡的基本信息，依照實地情況填寫地震滑坡野外調查表，同時拍攝地震滑坡全貌、后壁、左側壁、右側壁、滑坡體等現場照片，最終確定了2126個地震滑坡，總覆蓋面積為719.16km2。

在中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心的大力支持下，獲得了2001—2018年發生在黃土高原地區的125次地震的2799條強震動記錄，通過提取原始強震動記錄頭文件的信息獲得了地震信息、臺站信息以及記錄信息。地震信息包含地震名稱、震中經緯度、發震時間、震級及震源深度;臺站信息包含臺站名稱、臺站經緯度、臺站代碼、場地條件、記錄器型號及測點位置;記錄信息包含記錄方位、采樣間隔、持續時間、峰值加速度以及峰值加速度對應時間。黃土高原地震震中、地震滑坡及強震臺站的分布如圖1所示。

2數據庫管理系統的構建

黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統的構建基于開源GIS平臺+MySQL數據庫，采用前后端分離的開發方法和MVVM的設計模式，前端Vue框架開發平臺，以SpringBoot作為后臺框架，結合ES6的相關技術及其規范來進行應用開發。在數據展示方面，基于ArcGISAPIforJavaScript實現ArcGISServerRESTAPI接口，嵌入ArcGISOnline提供的地圖資源和調查得到的滑坡、強震數據等shp圖層，應用Echarts+Element+GIS技術和JavaScript開發方法實現了黃土地震滑坡的三維地圖和強震數據展示，應用Element+Form技術結合Validate模塊實現數據管理和數據統計功能。黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統包括地震滑坡模塊、強震動記錄模塊、數據管理模塊、數據統計模塊、圖片管理模塊以及用戶模塊等6個主要模塊，并分為26個子功能模塊。系統模塊的具體結構如圖2所示。

3數據庫管理系統應用

黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統包含黃土高原地震滑坡數據庫和黃土高原強震動記錄數據庫兩個子庫，分為地震滑坡模塊、強震動記錄模塊、數據管理模塊、數據統計模塊、圖片管理模塊和用戶模塊。地震滑坡模塊和強震動記錄模塊為主體模塊，通過數據管理模塊和數據統計模塊實現對地震滑坡和強震動記錄原始信息以及數據統計分析結果的全面展示和功能操作，圖片管理模塊主要展示了現場拍攝的地震滑坡圖片，用戶模塊包含了用戶信息和系統的使用說明。系統的登錄界面如圖3所示。

3.1地震滑坡數據庫

黃土高原地震滑坡數據庫包含地震概況、水文地質、高程、滑坡幾何參數等基礎數據。用戶可以通過點擊主界面左側的“黃土地震滑坡”展開洪洞地震（1303年）、華縣地震（1556年）、天水南地震（1654年）、臨汾地震（1695年）、通渭地震（1718年）、海原地震（1920年）以及古浪地震（1927年）等7個地震選項，選擇所需地震，然后根據需要進行三維地圖數據加載、地圖裁剪導出、搜索定位、三維場景觀看、距離量算、滑坡可視化及滑坡信息窗等操作。

數據庫以遙感影像為底圖，可根據需求疊加地理基礎、地震、河流水系以及高程等信息。其中，地理基礎信息包括滑坡、滑坡輪廓、行政區劃、地質圖以及震中位置;地震信息包括地震烈度圈和活動斷裂;河流水系信息包括三級河流、四級河流、五級河流以及湖泊;高程信息包括寧夏（50m）、寧夏（100m）、甘肅（50m）、甘肅（100m）、青海（100m）、山西（50m）、山西（100m）以及陜西（50m）等8個不同區域、不同精度的等高線矢量數據。另外，還可在右上角根據滑坡名稱進行相關信息查詢。

以海原地震為例，當點擊“海原地震（1920年）”按鈕后，界面如圖4所示。從圖中可以看出，數據庫中有1920年海原地震觸發滑坡568個，滑坡總覆蓋面積123.97km2，最大覆蓋面積為2.63km2;界面下方可查看基礎信息、地震信息、河流水系及高程信息;綠色圓圈為震中符號，點擊震中顯示發震時間、震中位置、震級、震中烈度、震中海拔、震源深度及震中經緯度等基本信息;在右上角搜索欄中搜索需要查找的滑坡，滑動鼠標點擊影像中搜索到的滑坡可獲取滑坡名稱、序號、經度、緯度、地震烈度、滑體長度、滑體寬度、滑體覆蓋范圍、主滑方向、滑坡最大水平距離、滑坡最大垂直距離、原始斜坡坡向、震中距、原始斜坡坡角、相對震中方位角、滑坡平面形態、斷層距以及相應的滑坡實地調查照片等滑坡信息。滑坡數據的下載包括以下兩種方式：一是通過框選圖形進行自由裁剪，框選形式有不規則形、矩形和圓形，點擊框選形式后選擇滑坡并保存，即可完成選定滑坡的基本信息下載;二是通過輸入經緯度和裁剪圖形格式界定范圍裁剪，然后保存并導出滑坡基本信息。滑坡數據下載框選操作如圖5所示。

3.2強震動記錄數據庫

黃土高原強震動記錄數據庫包含了2001—2018年發生在黃土高原上的125次地震的2799條強震動記錄。每條記錄都包括地震名稱、發震時間、震中經緯度、震級、震源深度、臺站名稱、臺站代碼、臺站經度、臺站緯度、場地條件、記錄器型號、測點位置、記錄方位、采樣間隔、持續時間、峰值加速度值及峰值加速度值對應時間等18項基本信息。125次地震震級為2.4～6.7級，其中3級以下地震7次，3級（含3級）到4級地震48次，4級（含4級）到5級地震56次，5級（含5級）到6級地震11次，6級（含6級）到7級地震3次;震源深度4～25km。地震共觸發強震臺站299個（基巖臺18個，土層臺281個），包括四川省15個、甘肅省123個、寧夏回族自治區49個、陜西省29個、山西省34個、內蒙古自治區16個、河南省3個、青海省23個、河北省6個、北京市1個;強震動記錄PGA值范圍-407.667～446.755gal，其中EW向PGA值范圍為-407.667～205.933gal，NS向PGA值為-250.065～446.755gal，UD向PGA值為-158.819～332.688gal。

圖6為強震動記錄模塊界面，窗口中包含地震信息、圖表統計、查詢搜索框以及時間軸等基本信息。底圖中紅色圓圈代表震中位置，點擊右側時間軸底部“開始”按鈕，震中按照年份動態輪播顯示，點擊“匯總”即可加載全部地震震中，單擊所需地震震中可查看該次地震的名稱、發震時間、經緯度、震級及震源深度等信息。在搜索框中輸入地震名稱或者時間等關鍵詞可進行強震動記錄的搜索定位，然后通過點擊震中查看地震信息以及所觸發臺站信息。當查看某一次地震信息時，選擇點擊震中的同時，該次地震觸發的臺站將以淺藍色三角形的符號在底圖中彈出，點擊臺站符號可查看臺站名稱、臺站代碼、臺站經緯度、場地條件、記錄器型號及測點位置等基礎信息。

3.3數據管理與統計

數據管理包括滑坡數據、強震動記錄、降水量數據三個部分，分別為滑坡基本信息、強震動記錄信息和降水量數據的可編輯列表。該模塊實現了數據的更新和下載，使基礎數據資料的管理和使用更加方便有效。以滑坡數據為例，滑坡數據管理子目錄界面如圖7所示，從圖中可以看出，此界面包含上傳新滑坡數據，導出數據，搜索滑坡，以及對指定數據的編輯、刪除等功能。

數據統計是根據數據庫系統基礎資料對不同震級范圍內地震與觸發臺站、地震震級頻度Mt、各地震觸發滑坡數量，以及黃土高原2001—2018年地震頻度Nt的統計。數據統計界面如圖8所示。這為用戶提供了可視化的整體數據成果，為開展相應研究工作提供了便利。

4結論與展望

本研究以黃土高原7次典型歷史地震誘發的2126處黃土滑坡和2001—2018年間黃土高原地區125次地震的2799條強震動記錄為基礎，基于開源GIS平臺+MySQL數據庫構建了黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統。管理系統包含黃土高原地震滑坡數據庫和黃土高原強震動記錄數據庫兩個子庫，并分為地震滑坡模塊、強震動記錄模塊、數據管理模塊、數據統計模塊、圖片管理模塊以及用戶模塊等6個主要模塊，具備數據儲存管理、分析以及更新等功能。管理系統的構建，不僅有利于基礎數據方便快捷、安全有效的存儲與管理，也可為開展黃土高原地震滑坡分布規律、發育特征、形成機理，以及風險評估等方面的研究工作提供重要的數據支撐，同時對推動地震滑坡災害防治研究從減少災害損失向減輕災害風險轉變具有一定的參考價值。

然而，需要說明的是，盡管黃土高原地震滑坡與強震動記錄數據庫管理系統的構建對黃土高原地區防災減災工作的開展具有一定的積極作用，但該系統仍然存在不足之處。例如，滑坡數據可視化簡單，高精度結果獲取不夠便捷，界面流轉不盡流暢以及系統分析能力欠缺等問題，在后續的應用研究中將優化與完善。

致謝：感謝中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心為本研究提供的數據支持。

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（本文編輯：任棟）

收稿日期：20230105

基金項目：國家自然科學基金（U1939209，51808118）;中央高校基本科研業務費專項項目（ZY20215115）;防災科技學院研究生創新基金項目（ZY20230310）

第一作者簡介：李孝波（1985-），男，博士，教授，碩士生導師，主要從事地震滑坡災害、場地地震反應等方面的研究。

Email：xiaoboliiem@sina.cn。