基于ArcEngine的地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田恒宇 ， 簡(jiǎn) 季* ， 李為樂

(成都理工大學(xué) a.地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

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基于ArcEngine的地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田恒宇a， 簡(jiǎn) 季a*， 李為樂b

(成都理工大學(xué) a.地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

地震災(zāi)害的信息化管理是實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)防的基礎(chǔ)。為了滿足評(píng)價(jià)過程中對(duì)不同模型數(shù)據(jù)與因子數(shù)據(jù)的管理需求，結(jié)合ArcEngine二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了集災(zāi)害數(shù)據(jù)分析、災(zāi)害評(píng)價(jià)模型管理、模型應(yīng)用與評(píng)價(jià)結(jié)果可視化等功能于一體的地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于蘆山地震滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定完成不同模型下數(shù)據(jù)的分析與輸出，有效地提高災(zāi)害信息提取的工作效率，為抗災(zāi)減災(zāi)贏取時(shí)間。

地震災(zāi)害評(píng)價(jià)； 滑坡； 地理信息系統(tǒng)； ArcEngine； 二次開發(fā)

0 引言

地震導(dǎo)致的山體滑坡是我國地質(zhì)災(zāi)害中最為嚴(yán)重的一類[1]，國內(nèi)、外有不少針對(duì)其成災(zāi)機(jī)理及對(duì)預(yù)測(cè)的研究工作，其評(píng)價(jià)模型經(jīng)歷了定性模型、半定量模型和定量模型的發(fā)展，定量模型基于控制災(zāi)害要素與地質(zhì)災(zāi)害之間的數(shù)學(xué)表達(dá)，采用二元或多元回歸等方法獲得地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)結(jié)果[2]。法國專家提出的ZERMOS理論，該理論利用兩種控制因素建立滑坡危險(xiǎn)性分區(qū)的數(shù)學(xué)模型，并以法國局部山區(qū)為例，進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性分區(qū)研究[3-4]；Finlay P.J.和Fell Robin[5-6]對(duì)香港滑坡進(jìn)行了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究，建立了預(yù)測(cè)滑坡災(zāi)害水平運(yùn)動(dòng)距離的多元回歸模型；John R Dymond等[7]用GIS研究了暴雨條件下滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率，建立了評(píng)價(jià)模型；李家存等[8]建立的用于區(qū)域滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的概率指數(shù)模型；李為樂等[9]建立了汶川地震次生地質(zhì)敏感性評(píng)價(jià)模型。

數(shù)據(jù)處理與表達(dá)是各種評(píng)價(jià)模型應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，因此，GIS和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為地震地質(zhì)災(zāi)害提供了平臺(tái)，可以將GIS的空間分析與預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，完成地質(zhì)災(zāi)害各影響因子的空間疊加，快速進(jìn)行災(zāi)害的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。GIS技術(shù)作為工具，主要是利用其空間數(shù)據(jù)庫、空間分析以及可視化等功能，針對(duì)輸入的各評(píng)價(jià)因子的柵格圖層作某種函數(shù)疊加運(yùn)算，從而很方便的得出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性和損失等方面的評(píng)價(jià)及相應(yīng)的災(zāi)害區(qū)劃[10]。

在國內(nèi)已經(jīng)有不少城市或地區(qū)針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害建立起了相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)[11]，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大多面向于某一特定區(qū)域或者某一個(gè)模型的應(yīng)用，缺少應(yīng)用區(qū)域的擴(kuò)展性和災(zāi)害模型的選擇性。作者從地震地質(zhì)災(zāi)害滑坡數(shù)據(jù)與模型管理角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用GIS技術(shù)的圖形圖像功能，實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)測(cè)結(jié)果的直觀可視化表達(dá)，用戶可以方便地對(duì)不同模型進(jìn)行編輯保存，完成模型中各種因子數(shù)據(jù)的管理操作。

1 需求分析

地震災(zāi)害評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)處理涉及到空間分析操作，根據(jù)用戶需求，運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)處理效率高、使用簡(jiǎn)潔是系統(tǒng)開發(fā)的總體要求。結(jié)合系統(tǒng)用例模型圖(圖1)，總結(jié)歸納出該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

1)因子數(shù)據(jù)讀取。其中涉及多種格式單波段柵格數(shù)據(jù)，以及用戶對(duì)柵格值的區(qū)間劃分，新值的輸入等，數(shù)據(jù)的顯示以及操作以表格的方式呈現(xiàn)。

2)因子數(shù)據(jù)重分類。系統(tǒng)需要能夠依照用戶輸入的表格及輸出路徑等參數(shù)完成重分類工作。

3)不同影響因子的空間疊加。用戶可以自由選擇因子圖層，將其添加到評(píng)價(jià)模型式中，并根據(jù)模型公式完成致災(zāi)因子疊加運(yùn)算得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

4)災(zāi)害模型的選擇、編輯、存儲(chǔ)。用戶在進(jìn)行區(qū)域地震災(zāi)害評(píng)價(jià)過程中可能會(huì)用到多種災(zāi)害模型，不同模型會(huì)產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，系統(tǒng)應(yīng)該滿足用戶對(duì)于多種災(zāi)害模型的選擇要求，并能使其完成模型公式的自定義。

5)地圖顯示、瀏覽、渲染、輸出。系統(tǒng)應(yīng)提供地圖顯示以及放大、縮小、平移等瀏覽功能，還有根據(jù)柵格顏色顯示自定義等數(shù)據(jù)渲染及輸出功能。

圖1 地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)用例模型圖Fig.1 The use case diagram of rapid earthquake disaster evaluation system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ArcEngine的地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)屬于空間型信息系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為核心，使用C#語言在ArcEngine及Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，緊密結(jié)合地震災(zāi)害評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，并結(jié)合地圖可視化方案呈現(xiàn)地理信息評(píng)價(jià)結(jié)果，為決策人員提供決策支持。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于滑坡等災(zāi)害模型的管理及應(yīng)用，利用ArcEngine中封裝的各種功能組件作為軟件的開發(fā)工具，災(zāi)害評(píng)價(jià)模型可以被寫入系統(tǒng)代碼中實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析，幫助地震災(zāi)害評(píng)估預(yù)測(cè)。系統(tǒng)整體框架(圖2)分為三層：①基于柵格、矢量數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫層；②系統(tǒng)功能層；③用戶層。

系統(tǒng)不同部分的交互可以描述為：功能組件從空間數(shù)據(jù)庫中讀取模型文檔，用戶對(duì)讀取的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編輯操作，根據(jù)模型因子再從數(shù)據(jù)庫中選擇因子數(shù)據(jù)，執(zhí)行后面的一系列基于模型的操作，包括因子分類賦值、評(píng)價(jià)模型建立。結(jié)果數(shù)據(jù)包括參數(shù)修改后的模型文檔、柵格數(shù)據(jù)、圖片，這些數(shù)據(jù)都保存在空間數(shù)據(jù)庫中。最終用戶通過交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中地圖數(shù)據(jù)的瀏覽。

圖2 地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The architechure of rapid earthquake disaster evaluation system

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

滑坡等地震災(zāi)害的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)工作涉及多源、多時(shí)相數(shù)據(jù)，主要包括：

1)行政區(qū)劃、交通、地形地貌等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

2)地層巖性、斷層、河流水系等地質(zhì)水文數(shù)據(jù)。

3)地震峰值加速度等災(zāi)害數(shù)據(jù)。

4)災(zāi)害評(píng)價(jià)模型數(shù)據(jù)。

為了便于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的安全、高效管理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用ESRI的地理數(shù)據(jù)模型Geodatabase中的個(gè)人Geodatabase進(jìn)行管理[12]。Geodatabase是一種采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型，它可以將空間數(shù)據(jù)(矢量、柵格、影像、三維地形等)及其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBM中，對(duì)于小型的GIS項(xiàng)目和工作組來說，個(gè)人Geodatabase是非常理想的工具。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所述，本系統(tǒng)功能模塊及一系列工具組成，所有工具都被整合進(jìn)一個(gè)圖形用戶界面(GUI)。在系統(tǒng)UML序列圖(圖3)描述了用戶端與系統(tǒng)各個(gè)單元之間的信息交互，功能模塊的信息輸入包括柵格數(shù)據(jù)、模型公式。不同單元之間有不同的信息反饋，包括表格、列表、文本、圖片。

圖3 系統(tǒng)UML序列圖Fig.3 The UML sequence diagram of the system

2.3.1 因子分類賦值模塊

因子分類賦值模塊主要功能是，參照已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分類賦值。交互界面包括載入因子數(shù)據(jù)路徑、分類屬性表格及其功能按鈕、因子分類輸出路徑、因子分類賦值輸出功能按鈕，根據(jù)用戶需求，因子分類賦值分為兩種模式：①區(qū)間賦值；②唯一值賦值。

其組織結(jié)構(gòu)圖(圖4)表示了該模塊七個(gè)單元的相互關(guān)系，其中RasterWorkspaceFactory與RasterWorkspace是ArcEngine中用于柵格數(shù)據(jù)操作的類，RasterWorkspaceFactory實(shí)現(xiàn)了IrasterWorkspaceFactory接口，RasterWorkspace類實(shí)現(xiàn)了IRasterWorkspace接口，這兩個(gè)接口定義了用于打開和設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)集對(duì)象，CreateRasterDataset方法用于產(chǎn)生一個(gè)新的基于文件的柵格數(shù)據(jù)集對(duì)象，這個(gè)數(shù)據(jù)格式可以為GRID、TIFF和ERDAS Image之一，讀取的數(shù)據(jù)由GetGeodataset單元轉(zhuǎn)換成ArcEngine中的geodataset類型。RasterStatistics作為ArcEngine DataSourceRaster類庫中的普通類，封裝了用于柵格像元值統(tǒng)計(jì)的方法，這些方法通過IrasterStatistics接口實(shí)現(xiàn)，其返回結(jié)果臨時(shí)保存到表文件中，由DataGridView單元進(jìn)行讀取并顯示。該表文件與geodataset類型數(shù)據(jù)作為方法參數(shù)傳遞給RasterReclassOp單元。RasterRecalssOp作為ArcEngine GeoAnalyst類庫中的普通類，封裝了用于柵格數(shù)據(jù)分析的方法，包括Lookup、Reclass、ReclassByASCIIFile、ReclassByRemap、Slice，因子分類賦值模塊的分類賦值功能由Reclass方法實(shí)現(xiàn)[13]。ToolStrip是用于表格數(shù)據(jù)編輯的輔助工具集，包括插入行、刪除行、清空表格、增加區(qū)間數(shù)、減少區(qū)間數(shù)、唯一值賦值、數(shù)據(jù)顯示等工具。

圖4 因子分類賦值模塊組織結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The organization chart of factor classification and assignment module

2.3.2 評(píng)價(jià)模型建立模塊

評(píng)價(jià)模型建立模塊包括：①圖層；②經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；③模型編輯；④評(píng)價(jià)結(jié)果輸出與顯示四個(gè)組成部分。組織結(jié)構(gòu)圖(圖5)顯示了在程序執(zhí)行過程中各個(gè)單元的連接關(guān)系。LayerManager單元用于因子圖層的管理；Calculator包括數(shù)字鍵和基本運(yùn)算符；ModelExpressionEditor是Visual Studio 2010中的Textbox控件，此單元可以讀取LayerManager中的圖層名稱和ModelManager中的模型公式，ToolStrip工具為用戶提供了添加、刪除、顯示因子圖層按鈕；RasterMapAlgebraOp單元是ArcEngine SpatialAnalyst類庫中用于柵格運(yùn)算的組件類，該類封裝了ImapAlgebraOp接口，接口提供三個(gè)方法BindRaster、Execute、UnbindRaster，當(dāng)用戶執(zhí)行計(jì)算輸出時(shí)，BindRaster方法將傳遞的Geodataset綁定到ModelExpression的因子名稱，然后Execute方法讀取ModelExpression開始運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果保存到指定路徑中。

圖5 評(píng)價(jià)模型建立模塊組織結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The organization chart of evaluation model building module

用戶可以通過該模塊自由靈活的完成模型的新建、修改、刪除、保存，實(shí)現(xiàn)多模型管理的需求。如圖6所示，添加模型至經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，可以在模型編輯中做任意調(diào)整修改，此處將該模型公式中的“因子1”刪除，并重新保存修改后的模型公式，命名為“自定義模型”。

圖6 評(píng)價(jià)模型管理系統(tǒng)界面圖Fig.6 The interface of evaluation model management

2.3.3 數(shù)據(jù)顯示與渲染模塊

數(shù)據(jù)顯示與渲染窗口為用戶提供了圖層管理、地圖瀏覽、坐標(biāo)定位、距離測(cè)量、地圖渲染、圖片導(dǎo)出、地圖保存功能。為了讓用戶快速方便的對(duì)因子分類賦值、評(píng)價(jià)模型建立兩個(gè)模塊中的數(shù)據(jù)執(zhí)行顯示操作，共設(shè)置了五個(gè)功能按鈕關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)顯示與渲染窗口，分別用于當(dāng)前載入數(shù)據(jù)顯示、分析結(jié)果數(shù)據(jù)顯示。在地圖渲染中，用戶可以對(duì)不同分類區(qū)間設(shè)置不同顏色以增強(qiáng)差異顯示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

在本文所建立的評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，圖層管理在圖形數(shù)據(jù)庫的管理中是一主要的特征，此種情況下，圖層為空間處理和分析的基本單元。在由ArcGIS創(chuàng)建的個(gè)人數(shù)據(jù)庫中，把空間數(shù)據(jù)按照評(píng)價(jià)因子圖層進(jìn)行劃分管理，其中包括過程數(shù)據(jù)以及最終因子數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型可以是矢量，也可以是柵格。以汶川地震次生地質(zhì)敏感性評(píng)價(jià)模型為例，由于蘆山地震震后災(zāi)區(qū)影像資料匱乏，為了能大致掌握地震地質(zhì)災(zāi)害可能的分布范圍，利用該模型對(duì)“4·20”蘆山地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，對(duì)應(yīng)急救災(zāi)有一定的指示意義。汶川地震地質(zhì)災(zāi)害敏感性多元回歸模型公式如下[9]：

(1)

式中：Ls為崩塌滑坡發(fā)生可能性，取值范圍為0～1；d為到發(fā)震斷層的距離；α為地形坡度；L為地層巖性；r為到水系距離；h為海拔高度；A為地震峰值加速度(PGA)。

在將模型評(píng)價(jià)因子載入系統(tǒng)前，數(shù)據(jù)的預(yù)處理及建立數(shù)據(jù)庫工作在ArcGIS中進(jìn)行，包括坐標(biāo)系定義、緩沖區(qū)分析、矢量柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

以地形坡度因子為例[9]，按照分類賦值標(biāo)準(zhǔn)將其值分為六個(gè)區(qū)間(表1)，執(zhí)行因子分類輸出并將分類結(jié)果添加到評(píng)價(jià)模型建立模塊；按照此步驟加載其余五個(gè)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)；選擇經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸芾韱卧械你氪Ｐ?，模型編輯單元中出現(xiàn)此模型的表達(dá)式；在圖層單元中雙擊已添加的地形坡度數(shù)據(jù)，將其加載到模型表達(dá)式中；依次加載其余五個(gè)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)；選擇評(píng)價(jià)結(jié)果輸出路徑并計(jì)算輸出執(zhí)行程序；查看分析結(jié)果并在數(shù)據(jù)顯示界面中唯一值渲染(圖7)。

表1 汶川地震次生地質(zhì)敏感性評(píng)價(jià)模型中坡度分類賦值表[9]

圖7 蘆山地震次生地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)流程圖Fig.7 The flow chart of evaluation process

圖8為系統(tǒng)操作界面，為了對(duì)比系統(tǒng)輸出結(jié)果，將汶川地震地質(zhì)災(zāi)害敏感性多元回歸模型中的地形坡度、海拔高度、到發(fā)震斷層距離因子做三次參數(shù)修改并保存至經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，分別命名為“自定義模型1”、“自定義模型2”、“自定義模型3”，并計(jì)算出三次結(jié)果，生成結(jié)果渲染圖(圖9)，其差異反映出三種模型對(duì)同一地區(qū)不同評(píng)價(jià)結(jié)果。從模型修改、保存到因子分類與疊加再到數(shù)據(jù)顯示與渲染，整個(gè)過程系統(tǒng)運(yùn)行流暢，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確。

圖8 地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)界面圖Fig.8 The interface of rapid earthquake disaster evaluation system

4 結(jié)束語

作者基于ArcEngine二次開發(fā)，在Visual Studio2010平臺(tái)上利用C#語言構(gòu)建了地震災(zāi)害快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)從地理信息系統(tǒng)角度，將空間數(shù)據(jù)管理、空間分析模型融入到地震災(zāi)害評(píng)價(jià)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同致災(zāi)因子數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)模型的管理操作，極大地簡(jiǎn)化了在評(píng)價(jià)過程中數(shù)據(jù)處理流程，為滑坡模型實(shí)驗(yàn)研究提供有效依據(jù)，能夠滿足地震災(zāi)害評(píng)價(jià)的應(yīng)用需求。但其系統(tǒng)框架是初步的，在面向不同地區(qū)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立、評(píng)價(jià)模型的表達(dá)等方面需要不斷的完善。

圖8 三種模型輸出結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Comparison of output results in three models

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Design and realization of rapid earthquake hazard evaluation system based on ArcEngine

TIAN Heng-yua, JIAN Jia*, LI Wei-leb

(Chengdu University of Technology a.Key Laboratory of Geoscience Spatial Information Technology, Ministry of Land and Resources of the China, b.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment of Protection,Chengdu 610059,China)

The information management of earthquake hazards is the foundation of earthquake prediction, forecasting and prevention. In order to meet the administrative requirements of different models and factor data in the process of evaluation, we designed and implemented a rapid earthquake hazard evaluation system based on ArcEngine, which combined the disaster data analysis with the management and application of disaster models and the visualization of evaluation results. It was then used in the evaluation process of Lushan earthquake geological hazard. The test results prove that the system can complete the analysis and output task using different models fastly and steadily, which greatly improves the efficiency to extracting information from disasters areas.

geological hazard assessment; landslides; GIS; ArcEngine; secondary development

2015-07-13 改回日期：2016-03-21

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(41202210)

田恒宇(1989-)，男，碩士，研究方向?yàn)榈貓D制圖與地理信息工程， E-mail：hengyu.hengyu@163.com。

*通信作者：簡(jiǎn)季(1972-)男，教授，研究方向?yàn)楦吖庾V遙感和地理信息工程，E-mail：jianji@21cn.com。

1001-1749(2016)05-0708-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.22