基于ArcGIS平臺的蘆山地震房屋震害數(shù)據(jù)分析

王世元，黎大虎

(四川省地震局，四川成都 610041)

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CNEC，http://www.cenc.ac.cn/)，北京時間2013年4月20日08時02分，四川省蘆山縣發(fā)生 Ms7.0 強烈地震，矩震級6.6 級左右，震中位于蘆山縣境內(nèi)(30.314°N，102.934°E)，震源深度12.3～15 km，震源斷層走向N40°E，傾角約35°［1-2］。地震重災區(qū)為蘆山縣、寶興縣與天全縣。地震造成震區(qū)大量的房屋建筑物被破壞，尤其是位于本次地震的Ⅸ度區(qū)(極震區(qū))和Ⅷ度區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)房屋受損嚴重。Ⅸ度區(qū)內(nèi)的龍門、清仁、雙石、太平和寶盛5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的房屋多數(shù)嚴重破壞，少數(shù)倒塌;Ⅷ度區(qū)內(nèi)房屋少數(shù)倒塌，多數(shù)嚴重破壞或中等破壞;Ⅶ度區(qū)內(nèi)房屋普遍輕微破壞，多數(shù)中等破壞，少數(shù)嚴重破壞，個別老朽房屋傾倒;Ⅵ度區(qū)內(nèi)房屋多數(shù)輕微破壞，少數(shù)中等破壞，個別老朽房屋嚴重破壞?？傊敬蔚卣稷龆葏^(qū)以上總面積為18 682 km2，僅雅安災區(qū)遭嚴重破壞、倒塌或損毀的農(nóng)房達15.58萬戶［3］。

筆者在震后第一時間參加地震災害評估與應急科學考察，并對震區(qū)高烈度區(qū)內(nèi)房屋給出Ⅸ度區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的房屋破壞比，以及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的房屋毀壞面積和主要結構的破壞比［4］。據(jù)考察結果，蘆山地震震區(qū)內(nèi)房屋的主要結構類型為磚混結構、磚木結構，城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)房屋主要為自建房，一般是磚混結構和磚木結構的二層建筑，少量土木結構房屋。本文將數(shù)據(jù)分析整理、復核后仍發(fā)現(xiàn)一些異常值。這些異常值或離群值如果是真實可靠的，則很可能就是研究和理解數(shù)據(jù)的關鍵所在。因此本文基于ArcGIS平臺，對蘆山地震時搜集的房屋破壞點進行探索性數(shù)據(jù)分析，提取數(shù)據(jù)離群值，分析其離群的因素，研究房屋破壞特征及其原因。

1 數(shù)據(jù)來源及預處理

蘆山地震發(fā)生后，中國地震局立即啟動Ⅰ級地震應急預案和應急科學考察，組織了共計180余人270多組次對蘆山縣等21個縣(市、區(qū))256個鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行地震宏觀烈度調查和房屋建筑災害損失評估，執(zhí)行標準為GB/T18208.3-2000《地震現(xiàn)場工作第三部分:調查規(guī)范》。截至2013年5月6日，筆者搜集整理房屋建筑災害損失評估資料，共計360個調查點和231個抽樣點，以此為基礎，對一些重要的調查點進行了復核，最終形成勾繪破壞調查點分布(圖1a)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建筑物破壞數(shù)據(jù)見表1。蘆山地震烈度圈取自中國地震局頒布的四川省蘆山“4·20”7.0級強烈地震烈度圖［5］，主要斷裂取自全國第五代區(qū)劃圖、汶川地震和蘆山地震后科學考察工作修訂的成果。筆者參考了2011年四川省年鑒資料［6］中的人口、房屋建筑面積數(shù)據(jù)，算出房屋建筑破壞率，將破壞率分配給所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，導入ArcGIS軟件中進行圖件渲染和數(shù)據(jù)分析準備(圖1b)。

圖1a 蘆山地震房屋破壞調查點分布

圖1b 蘆山地震房屋毀壞率

表1 蘆山地震部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑物破壞數(shù)據(jù)

2 研究方法

ArcGIS平臺具有強大的探索性空間數(shù)據(jù)分析處理功能，能夠結合統(tǒng)計學和圖形、圖表顯示對空間數(shù)據(jù)進行描述和歸納性研究［7］，而探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)是ArcGIS模塊中集成得很成熟的數(shù)據(jù)分析方法，在區(qū)域經(jīng)濟、農(nóng)林產(chǎn)業(yè)和中國SARS疫情等方面的空間數(shù)據(jù)分析領域都有很好的運用［8-11］，其方法、原理和算法已在相關文獻中有介紹［12］，本文不再贅述。本文利用ArcGIS提供的探索性空間數(shù)據(jù)分析工具，對蘆山地震房屋破壞調查數(shù)據(jù)進行分析，可以檢驗數(shù)據(jù)的分布特征，查找異常值、極端值或離群值，檢驗數(shù)據(jù)分布趨勢，能更好地從空間和圖形角度認識、理解房屋破壞數(shù)據(jù)。

3 結果與分析

3.1 直方圖(Histogram)

將蘆山地震震區(qū)的房屋震害調查點整理計算后，按照經(jīng)緯度導入ArcGIS平臺，經(jīng)科學計算，分配整合導入各調查點所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，繪制數(shù)據(jù)直方圖(圖2a)，可見，數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布。在標準差為7左右的條件下，直方圖右側有三個較明顯的離群值，經(jīng)點擊對應的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為清仁鄉(xiāng)、龍門鄉(xiāng)和建山鄉(xiāng)。經(jīng)對數(shù)變換后的數(shù)據(jù)如圖2b，數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，清仁、龍門、建山的離群現(xiàn)象不明顯，在最左側的低值部分，出現(xiàn)負值，對應的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為紫石鄉(xiāng)和張場鎮(zhèn)。

圖2a 毀壞率直方圖

圖2b 對數(shù)變換后的直方圖

3.2 Normal QQplot圖

對房屋震害調查點原始數(shù)據(jù)不做變換，直接生成Normal QQplot圖，結果見圖3a，經(jīng)對數(shù)變換后生成Normal QQplot圖，結果見圖3b。由圖可知，原始數(shù)據(jù)并不服從正態(tài)分布，在最右側有明顯的離群值，查看這些離群值所對應的點，清仁鄉(xiāng)、龍門鄉(xiāng)和建山鄉(xiāng)是離群值最大的點，其次是雙石鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)和蒙頂山鄉(xiāng)，低值部分為紫石鄉(xiāng)、嚴道鎮(zhèn)、大田壩鄉(xiāng)、廖場鄉(xiāng)和張場鎮(zhèn);將數(shù)據(jù)進行對數(shù)變換后，可以擬合為線性關系;僅從采樣點值的分布看，在小值區(qū)域存在個別離群點值，而在大值區(qū)域未見明顯的離群現(xiàn)象。特別值得注意的是，在大值區(qū)域，在未經(jīng)變換時離群最大的清仁鄉(xiāng)，離群現(xiàn)象小于龍門鄉(xiāng)和建山鄉(xiāng)。

圖3a Normal QQplot圖

圖3b 經(jīng)對數(shù)變換后的Normal QQplot圖

3.3 半變異協(xié)方差函數(shù)云圖

將房屋破壞原始數(shù)據(jù)生成半變異協(xié)方差函數(shù)云圖，結果見圖4。由圖4所示，云圖上方有三個梯次的與離群點值相對應的浮點，表明有明顯的離群點值;下方的云圖表面圖顯示，沿北東側兩側為房屋破壞的集群區(qū)域。框選圖4中的浮點得出的映射結果表明，所對應的點值為清仁鄉(xiāng)、龍門鄉(xiāng)、建山鄉(xiāng)。

3.4 Voronoi地圖與普通QQP分布圖

對強震臺站的東西向記錄原始數(shù)據(jù)生成Voronoi地圖，并疊加蘆山地震等震線，結果見圖5a。由圖可知，房屋破壞的密集度呈北東展布，集中在兩個條帶區(qū)域，兩條帶中間有一弱密集度區(qū)。圖5b是破壞率與人口戶數(shù)的普通QQPlot分布圖，破壞率與人口戶數(shù)呈線性關系，可以用一個一元一次方程擬合。

圖4 半變異協(xié)方差函數(shù)云圖

圖5a 房屋破壞率的Voronoi地圖

圖5b 破壞率與人口戶數(shù)的普通QQPlot分布圖

4 結論與討論

(1)探索性空間數(shù)據(jù)分析結果顯示，蘆山地震房屋建筑破壞率的原始數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，位于圖1中A區(qū)的清仁鄉(xiāng)、龍門鄉(xiāng)和B區(qū)的建山鄉(xiāng)離群現(xiàn)象較明顯。A區(qū)破壞率高與這些房屋多建于相距震中較近的河谷沉積盆地，具有一定的場地效應有關;建山鄉(xiāng)所在的B區(qū)位于龍門山前展式斷裂的前緣，破壞率異?？赡芘c該次地震的發(fā)震構造為大邑斷裂有一定的關聯(lián)，具有明顯的斷層上盤效應［13-15］。原始數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)變換后，呈現(xiàn)良好的正態(tài)分布，離群現(xiàn)象不明顯，數(shù)據(jù)具有良好的線性特征，而在大值區(qū)域未見明顯的離群現(xiàn)象。特別值得注意的是，在未經(jīng)變換時離群最大的清仁鄉(xiāng)，離群現(xiàn)象小于龍門鄉(xiāng)和建山鄉(xiāng);低值部分出現(xiàn)負值，對應的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為天全縣紫石鄉(xiāng)和丹棱縣張場鎮(zhèn)，前者可能與房屋所處的寶興雜巖體上有關，后者可能與處于斷層下盤且相距較遠有關。

(2)房屋建筑物破壞率與所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口戶數(shù)對比分析表明，人口戶數(shù)與破壞率呈一定的線性關系，這表明，在蘆山震區(qū)廣大區(qū)域，地震后的房屋破壞與房屋建筑棟數(shù)有直接的關系，由此推斷這些區(qū)域的建筑物抗震性能差異不大，抗震性能均較差并和地方居民聚居特點有關。建議未來的人口集中居住區(qū)，應該摒棄老舊的建筑方式和格局，提高建筑物的抗震性能，在地震多發(fā)地區(qū)，特別是活動斷裂通過區(qū)域，應將居民點零星分布，避免房屋的集群破壞。

［1］劉超，許力生，陳運泰.2013年4 月 20 日四川蘆山 7.0 級地震(1.0 版).［EB/OL］.(2013-04-20)［2013-04-20］.www.cea-igp.ac.cn/jjxcdsxj/266826.shtml.

［2］USGS.M6.6-56km WSW of Linqiong，China［EB/OL］.(2013-04-20 00:02:47 UTC)［2013-04-21］.http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usb000gcdd#summary.

［3］四川科技報.“4·20”蘆山地震房屋應急評估報告出爐.［EB/OL］.(2013-05-08)［2013-05-09］.http://sckjb.newssc.org/html/2013-05/08/content_1842263.htm.

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