基于GIS的東莞市地震災(zāi)害評估系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何 萍，陳修吾，何 霆

（廣東省地震局，廣州 510070）

基于GIS的東莞市地震災(zāi)害評估系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何 萍，陳修吾，何 霆

（廣東省地震局，廣州 510070）

地震災(zāi)害評估軟件系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)震后災(zāi)害影響范圍的快速評估，并且較為準(zhǔn)確地評估出影響范圍內(nèi)的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等情況，為政府盡快組織救援提供決策依據(jù)。具體介紹了東莞市地震災(zāi)害評估系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計，研發(fā)過程的技術(shù)思路、應(yīng)用開發(fā)方面的技術(shù)特色等，以供后人參考。

東莞市；地震災(zāi)害評估；GIS；360°全景

0 引言

地震是人類最具威脅的自然災(zāi)害之一，它具有突發(fā)性和不可預(yù)測性[1]。破壞性地震經(jīng)常導(dǎo)致建筑物倒毀、構(gòu)筑物或基礎(chǔ)設(shè)施破壞，并因此造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且地震災(zāi)害經(jīng)常伴隨其它次生災(zāi)害的發(fā)生，如火災(zāi)、有毒有害物質(zhì)污染、泥石流、滑坡和瘟疫等，這些災(zāi)害的發(fā)生，更是加劇了人員的傷亡及財產(chǎn)的損失。從近年發(fā)生的地震事件看來，減少地震人員傷亡的有效途徑之一就是做好震時的地震救災(zāi)工作?？拐鹁葹?zāi)是一個持續(xù)的社會過程，不同地震災(zāi)區(qū)在不同時段對應(yīng)急資源有不同的需求，應(yīng)急資源的獲取、調(diào)度、分配呈一個動態(tài)的梯次配置過程[2]。但是震后初期,災(zāi)害損失預(yù)評估工作對震后的地震應(yīng)急救援決策起到較為重要的作用。作為市縣地震系統(tǒng)工作人員，在災(zāi)情發(fā)生時他們承擔(dān)向地方政府評估報告地震災(zāi)情，制定應(yīng)急措施及救災(zāi)輔助決策意見的職責(zé)。地震災(zāi)害評估系統(tǒng)的建立在某種程度上，可以減輕災(zāi)后他們所面臨的工作壓力，震后第一時間系統(tǒng)將自動快速產(chǎn)出災(zāi)評報告及專題圖件，這些結(jié)果對震后的應(yīng)急救援工作的開展可以起到很好的作用。除此之外，對于地震風(fēng)險較低的城市，如何讓評估系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用，是我們在設(shè)計本系統(tǒng)時所面臨的最大任務(wù)和難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)東莞市防震減災(zāi)的現(xiàn)狀和需求，本系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括：完善東莞市域范圍的地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，填補(bǔ)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的不足，在已有研究成果和經(jīng)驗(yàn)震害預(yù)測模型的基礎(chǔ)上建立震害快速評估軟件系統(tǒng)，用于指導(dǎo)救災(zāi)決策和防震減災(zāi)規(guī)劃。建立東莞市部分地區(qū)重點(diǎn)目標(biāo)的360°全景圖展示系統(tǒng)。此外由于東莞制造業(yè)發(fā)達(dá)，區(qū)內(nèi)工廠林立，地震后可能會造成毒氣擴(kuò)散，從而造成更大的次生災(zāi)害，因此毒氣爆炸擴(kuò)散的評估需求也很突出（圖1）。根據(jù)以上的建設(shè)需求，項目組將該系統(tǒng)的主要功能設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The functional framework diagram of the system

1.1 地震災(zāi)害快速評估模塊

這個模塊主要圍繞地震災(zāi)害預(yù)評估。在這個模塊中包含了四個功能，生成震害影響場，修正震害影響場，打開歷史評估資料、打開當(dāng)前影響場的評估報告以及評估查詢（圖3）。

1.2 地震影響場管理模塊

對已生成的地震影響場進(jìn)行修正管理。這個模塊包括以下幾個功能： “影響場的選擇”，主要用于在圖上選擇影響場要素，要素被選擇后，會處于高亮顯示狀態(tài)，只有選定后的影響場，才能進(jìn)行手動修改。 “清除選擇”，即取消對當(dāng)前影響場的選定。 “手繪主軸方向”可以手繪一個新的主軸方向，重新生成影響場。 “保存編輯”對現(xiàn)有影響場修改后的保存。 “余震回歸分析”，可以導(dǎo)入余震數(shù)據(jù)，通過擬合分析出主震的影響場主軸方向（圖4）。

1.3 毒氣擴(kuò)散模塊

通過設(shè)置毒氣擴(kuò)散模型所需參數(shù)，自動使用模型算法模擬毒氣擴(kuò)散，并在地圖上繪制出毒氣擴(kuò)散的形狀。參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示，毒氣擴(kuò)散形狀效果如圖6所示。

圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行主界面Fig.2 Main interface of software system operation

圖3 “地震快速評估”二級菜單欄Fig.3 The second-level menu of“earthquake rapid assessment”

圖4 “地震影響場管理”二級菜單欄Fig.4 The second-level menu of“earthquake influence field management”

圖5 毒氣擴(kuò)散模型參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Parameter setting interface of gas diffusion model

圖6 毒氣擴(kuò)散示例Fig.6 The example of gas diffusion calculation

1.4 信息查詢模塊

可以查詢數(shù)據(jù)庫中地震影響場范圍內(nèi)的九類信息，地震目錄、電力設(shè)施、水利設(shè)施、交通設(shè)施、物資儲備、供氣設(shè)施、救護(hù)單位、通信設(shè)施以及工業(yè)生產(chǎn)危險源。并可在主窗口中將地震影響場與被查詢信息疊加展示，提供具體查詢界面，并支持導(dǎo)出Excel文件（圖7）。

圖7 “信息查詢”二級菜單欄Fig.7 The second-level menu of"Information Search"

1.5 重點(diǎn)目標(biāo)360°全景查詢

點(diǎn)擊 “全景查詢”，會自動跳轉(zhuǎn)到全景展示網(wǎng)頁http://offmap.gdsin.net/dgpano/。

1.6 專題圖制作模塊

系統(tǒng)已定制一系列的地圖模板，如行政區(qū)劃圖、地形圖、地質(zhì)構(gòu)造圖、交通圖、經(jīng)濟(jì)圖、潛在地質(zhì)災(zāi)害分布圖、人口分布圖、水庫分布圖、學(xué)校分布圖、重大危險源分布圖及地震動參數(shù)區(qū)劃圖等圖件。在 “專題圖制作模塊”中有四種出圖形式，①面影響區(qū)域制圖，主要是制作當(dāng)前影響場范圍內(nèi)主界面內(nèi)顯示的專題圖，②點(diǎn)影響區(qū)域制圖，主要是制作震中100 km范圍內(nèi)當(dāng)前顯示的專題圖。③點(diǎn)距離圖，震中150 km范圍內(nèi)震中與其周邊主要城市的距離專題圖。④一鍵制圖，可以一鍵快速制作產(chǎn)出影響場范圍內(nèi)所有模板的系列專題地圖（圖8）。

圖8 “專題圖制作”二級菜單欄Fig.8 The second-level menu of"Thematic map making"

1.7 救援分析模塊

可以根據(jù)地震評估結(jié)果，通過相關(guān)分析公式計算出災(zāi)區(qū)所需救援力量、醫(yī)療物資以及救災(zāi)物資。支持將統(tǒng)計結(jié)果導(dǎo)出Excel文件（圖9）。

1.8 數(shù)據(jù)管理模塊

在本模塊中可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出操作、模型參數(shù)重新設(shè)置以及軟件用戶的權(quán)限設(shè)制（圖10）。

1.9 地圖操作模塊

在本模塊中可以對當(dāng)前地圖進(jìn)行基本操作，包括地圖的放大縮小平移等，還可以進(jìn)行點(diǎn)的快速定位，兩點(diǎn)間的距離量算等（圖11）。

1.10布局瀏覽模塊

在本模塊中可以對當(dāng)前主界面的地圖進(jìn)行布局瀏覽，并可以進(jìn)行制圖輸出（圖12）。

圖9 “救援分析”二級菜單欄Fig.9 The second-level menu of"Rescue analysis"

圖10 “數(shù)據(jù)管理”二級菜單欄Fig.10 The second-level menu of"data management"

圖11 “地圖操作”二級菜單欄Fig.11 The second-level menu of"map operation"

圖12 “地圖布局瀏覽”二級菜單欄Fig.12 The second-level menu of"Map layout browsing"

2 技術(shù)思路

2.1 開發(fā)環(huán)境的選擇

系統(tǒng)采用Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)工具可以在一個統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計、編碼、調(diào)試和測試工作。開發(fā)語言用C#，C#語言是.net平臺下應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的首選語言。界面開發(fā)采用Microsoft的WPF+Ribbon，可以使界面功能有組織的存放，豐富的命令布局更容易幫助用戶找到所需功能。

2.2 組件式GIS的應(yīng)用

組件式GIS（ComGIS），是指基于組件對象平臺，以一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)通信接口的、允許跨語言應(yīng)用的組件提供的GIS。本系統(tǒng)開發(fā)中采用ESRI的ArcEngine 10.1作為GIS平臺，它是一個完全組件化的GIS平臺，提供了功能豐富、強(qiáng)大的底層開發(fā)接口，如數(shù)據(jù)處理、空間分析、地圖瀏覽和制圖等接口[3]。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

系統(tǒng)功能開發(fā)時，一方面要在橫向上實(shí)現(xiàn)各個分系統(tǒng)的功能，另一方面應(yīng)在縱向上深入分析各個系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系；首先設(shè)計一個具有良好邏輯性的數(shù)據(jù)庫總體框架結(jié)構(gòu)，然后在這個總體框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各項數(shù)據(jù)支持功能。這個總體框架結(jié)構(gòu)應(yīng)使各功能系統(tǒng)能夠方便地使用數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)和中間結(jié)果以及一些功能性服務(wù)，從而使系統(tǒng)真正成為一個有機(jī)整體。平臺體系采用三層架構(gòu)模型，以達(dá)到模塊內(nèi)的高內(nèi)聚，模塊間的低耦合，降低平臺中層與層之間的依賴關(guān)系，使平臺代碼具備可復(fù)用性。通常意義上的三層架構(gòu)是將整個業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為：表現(xiàn)層（UI）、 業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、 數(shù)據(jù)訪問層（DAL）（圖 13）。

（1）表現(xiàn)層（UI）：通俗講就是展現(xiàn)給用戶的界面，即用戶在使用一個系統(tǒng)的時候他的所見所得。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）：針對具體問題的操作，也可以說是對數(shù)據(jù)層的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯處理。

（3） 數(shù)據(jù)訪問層（DAL）：該層所做事務(wù)直接操作數(shù)據(jù)庫，針對數(shù)據(jù)的增添、刪除、修改、更新、查找等。

圖13 系統(tǒng)總體開發(fā)框架Fig.13 Overall development framework of system

3 軟件系統(tǒng)的特色

3.1 多種尺度的地震災(zāi)害評估計算

東莞市處于珠江三角洲地區(qū)， 《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）顯示，除該市萬江街道和南城街道的幾個村的地震基本烈度為Ⅶ度、地震動峰值加速度0.10 g，其余片區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，基本地震動峰值加速度0.05 g，該城市總體地震風(fēng)險水平并不太高。但是東莞經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是全球最大的制造業(yè)基地之一，有世界工廠的美稱，外來人口眾多，周邊甚至全國的破壞性地震災(zāi)害都會對其有不同程度的影響。國內(nèi)任何地方的破壞性地震發(fā)生后，地震部門都必須第一時間向政府主管部門匯報此次地震震中位置，地震造成的初步影響以及是否會對東莞本市造成影響。因此，根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)設(shè)計為可以對發(fā)生在全國任意地點(diǎn)的地震災(zāi)害進(jìn)行預(yù)評估，但是就地震事件本身對本市是否造成影響（以地震影響場度圈是否包含東莞市行政邊界）為依據(jù)，產(chǎn)出兩種不同評估精度的報告。

對東莞造成影響的地震災(zāi)害評估報告分為兩部分：第一部分是此次地震的快速評估報告，報告里包括了三個部分的內(nèi)容：①地震的基本情況；②地震造成的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失預(yù)評估結(jié)果概述；③此次地震對東莞各鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成的影響，以列表形式給出受影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，影響的面積，影響人數(shù)。

第二部分是災(zāi)情基本情況報告，包括六部分內(nèi)容，都是以圖和附表的形式給出（圖14、15）：①地震構(gòu)造及潛在地質(zhì)災(zāi)害源分布以及受影響的潛在地質(zhì)災(zāi)害源詳細(xì)列表；②水庫水系分布及受影響水庫詳細(xì)列表；③學(xué)校、幼兒園的受影響情況；③地震應(yīng)急避難場所分布；④醫(yī)院、消防隊受影響情況；⑤電力設(shè)施受影響情況；⑥水利設(shè)施受影響情況；⑦交通設(shè)施受影響情況；⑧供氣設(shè)施受影響情況；⑨重大危險源單位受影響情況；⑩物資儲備倉庫及避災(zāi)中心受影響情況；11○通信設(shè)施受影響情況；12○救援力量與救災(zāi)物資需求。

對東莞不造成影響的地震災(zāi)害快速評估報告相對比較簡單，主要包括四個部分的內(nèi)容，也是以圖表的形式表現(xiàn)：①地震災(zāi)害的快速評估結(jié)果；②震區(qū)的基本情況，包括震中的空間分置分布，人口、經(jīng)濟(jì)情況，海拔情況，當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r；③震中距離附近主要城市的距離，突出震中距東莞市、廣州市、深圳市的距離；④震區(qū)的地震構(gòu)造分布及歷史地震情況。

3.2 分層次的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是評估軟件的核心基礎(chǔ)，在整個系統(tǒng)中起到主導(dǎo)地位，數(shù)據(jù)的詳實(shí)與否關(guān)系到軟件系統(tǒng)建設(shè)的成敗。根據(jù)多尺度的地震災(zāi)害評估計算的前提要求，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)也是分層次的。包括了三個層次的數(shù)據(jù)庫：全國基本資料數(shù)據(jù)庫、廣東省地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、東莞市地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。為了讓系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境更為靈活，數(shù)據(jù)的更新維護(hù)更為便捷，數(shù)據(jù)庫以小型的ACCESS數(shù)據(jù)庫為主。為了能在程序中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自由調(diào)度，實(shí)際上建立了三個相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，全國基本資料數(shù)據(jù)庫以GeoDataBase形式建庫，廣東地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以文件地理數(shù)據(jù)庫形式建庫，東莞市地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以GeoDataBase形式建庫。

圖14 對東莞造成影響的震害快速評估報告Fig.14 A rapid assessment report of earthquake damage to Dongguan

圖15 對東莞造成影響的災(zāi)情基本情況報告Fig.15 Report on the basic situation of the disaster affecting the Dongguan

全國基本資料數(shù)據(jù)庫包括了全國省、市、縣的行政邊界、道路、河流、人口公里格網(wǎng)、建筑物公里格網(wǎng)、地震目錄、地震斷裂等數(shù)據(jù)。

廣東省地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與省局?jǐn)?shù)據(jù)庫相銜接，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括基礎(chǔ)地理信息、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計、地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程地震資料、災(zāi)害影響背景、災(zāi)害相關(guān)因素、救災(zāi)力量、震時緊急聯(lián)絡(luò)、地震應(yīng)急預(yù)案與法規(guī)等9大類42小類的內(nèi)容[4-5]。

東莞市地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫在內(nèi)容上涵蓋了廣東省地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫全部內(nèi)容，但數(shù)據(jù)精度更高，很多數(shù)據(jù)精度已到街道/村；數(shù)據(jù)范圍也更為廣泛，如東莞市工程地震資料、各社區(qū)的各結(jié)構(gòu)類型的房屋建筑面積及重要工程、生命線工程和地震次生災(zāi)害源的數(shù)量及分布等。

3.3 360°全景式重點(diǎn)目標(biāo)展示

在本系統(tǒng)中嵌入BS架構(gòu)的東莞市境內(nèi)45個重點(diǎn)目標(biāo)的360°全景式展示，這些重點(diǎn)目標(biāo)主要包括有19個政府部門（包括市政府及18個鎮(zhèn)政府）、14個地震監(jiān)測臺站以及34所學(xué)校 （每個鎮(zhèn)選取一所中學(xué)）（圖16），主要反映目標(biāo)周圍環(huán)境及重要內(nèi)部情況的全景，主要功能是展示重點(diǎn)目標(biāo)位置、情況，通過此系統(tǒng)讓公眾更好地了解地震臺站的工作環(huán)境，并為以后的實(shí)時監(jiān)控展示打下基礎(chǔ)，同時也是東莞地震局目前向公眾提供的地震科普信息化產(chǎn)品。

圖16 綜合展示界面Fig.16 Integrated display interface

在45個重點(diǎn)目標(biāo)中，80%是由項目實(shí)施人員利用專業(yè)的全景魚眼鏡頭實(shí)地拍攝，每個重點(diǎn)目標(biāo)的拍攝觀測點(diǎn)都不少于5個，以便較好地反映出重點(diǎn)目標(biāo)內(nèi)、外觀測環(huán)境的全景，拍攝完成后再通過專業(yè)全景圖像轉(zhuǎn)換應(yīng)用軟件Pano2VR完成該目標(biāo)的360°全景圖的制作。大約有20%的目標(biāo)由于受場地及人流密度的影響，現(xiàn)場拍攝效果不好，因此直接引用百度360街景圖片，但在整個展示框架實(shí)現(xiàn)無縫對接，不影響系統(tǒng)的整體呈現(xiàn)效果。整個展示系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，后臺管理采用Apache+PHP方式搭建，網(wǎng)頁前端采用HTML5+WebGL的開發(fā)模式，展示效果好，瀏覽速度快，用戶體驗(yàn)良好，通過設(shè)置熱點(diǎn)，完成不同場景之間的切換。

5 結(jié)語

先進(jìn)的計算機(jī)軟件研發(fā)及高性能計算技術(shù)始終伴隨著地震災(zāi)害預(yù)評估軟件系統(tǒng)的發(fā)展，而災(zāi)害評估模型的本地化，評估結(jié)果的精準(zhǔn)化及產(chǎn)品產(chǎn)出的多樣化則始終是災(zāi)害評估系統(tǒng)研發(fā)的方向和主要目標(biāo)。本文所示例的地震災(zāi)害評估系統(tǒng)主要是面向東莞市地震系統(tǒng)工作人員，其主要功能也是圍繞當(dāng)?shù)氐臉I(yè)務(wù)需求來設(shè)計研發(fā)，希望能給后人起到拋磚引玉的作用。另外在進(jìn)行此類軟件系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計時，根據(jù)不同地區(qū)，不同用戶對象，在系統(tǒng)整體功能設(shè)計及應(yīng)用中應(yīng)有所側(cè)重，這樣才能使軟件系統(tǒng)更貼近實(shí)際需求，在工作中發(fā)揮更大的作用。

[1]袁藝.自然災(zāi)害災(zāi)情評估研究與實(shí)踐進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展， 2010， 25 （1）： 22-32.

[2]趙振東，鄭向遠(yuǎn)，鐘江榮.地震應(yīng)急救災(zāi)與人員傷亡[J].自然災(zāi)害學(xué)報，1999，8（3）：80-86.

[3]焦?jié)h科，黃悅.基于ArcEngine的插件式GIS開發(fā)框架設(shè)計與應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信 息，2017， 40 （1）： 128-131.

[4]聶高眾 ，陳建英.地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)[J].地震.2002， 22 （3）： 105-112.

[5]宮會玲.基于MAPGISRSP的DEM提取和DOM生成[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015(20）：4-5.

Designing and Implementation of Earthquake Disaster Assessment Software System for Dongguan City

HE Ping， CHEN Xiuwu， HE Ting
（Guangdong Earthquake Agency， Guangzhou 514500， China）

The earthquake disaster assessment software system is designed to achieve the fast evaluation of hazard influence,which can quickly and accurately assess the casualties and economic losses within the scope of the earthquake.The assessment results do help the government make rescues decisions as soon as possible.This paper introduces the designing and implementation of the earthquake disaster assessment software system for Dongguan city,and describes in detail the functional framework of the system,the technological thought of the R&D process,and the technical features of the application development.

Dongguan city； Earthquake disaster； GIS； 360°panorama

P315.9

A

1001-8662（2017）03-0009-09

10.13512/j.hndz.2017.03.002

何 萍，陳修吾，何 霆.基于GIS的東莞市地震災(zāi)害評估系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].華南地震，2017，37（3）：9-17.[HE Ping，HE Ting，CHEN

Xiuwu.Designing and Implementation of Earthquake Disaster Assessment Software System for Dongguan City[J].South China journal of seismology，2017，37（3）：9-17.]

2017-01-10

廣東省省級科技計劃項目《地震災(zāi)害人口傷亡耦合因子特征分析研究——以廣東為例》（2016A020224004）

何 萍（1978-），女，高級工程師，研究方向?yàn)?S在地震災(zāi)害研究中的應(yīng)用以及震害快速評估。

E-mail：153880563@qq.com.