基于格網的全國尺度地震災害損失預測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

丁香 王曉青 竇愛霞 袁小祥 丁玲

中國地震局地震預測研究所，北京 100036

0 引言

地震災害風險評估和震后快速評估業(yè)務化運行已有20多年的歷史。早期由于評估所需的各種基礎數(shù)據較宏觀，缺少空間上較為準確的分布信息，因而在地震災害損失預測中假設基礎數(shù)據在較大的空間（如縣級行政區(qū)）上是平均分布的，因此，所預測的結果存在較大的不確定性。近年隨著遙感技術、GIS技術的廣泛應用和人口普查數(shù)據、建筑物抽樣數(shù)據等在空間分布上的細化（如鄉(xiāng)級、村級乃至單棟建筑物分布數(shù)據），以及基于多因素影響的人口、房屋建筑面積等空間分布預測技術的發(fā)展，地震災害損失預測所需的人口、房屋建筑面積等承災體信息，地形、地貌等影響因素信息的空間分布得到進一步細化，獲得了千米格網級（甚至更小到單棟房屋）的基礎數(shù)據，這為進一步提高地震災害損失預測和震后快速評估的精度打下了基礎。

另一方面，在較早期的與地震災害損失評估相關的系統(tǒng)（丁香等，1998、2002、2009、2011）中對相關數(shù)據采用了矢量格式，實際預測涉及到大量空間分析計算，這在數(shù)據空間分辨率不高的情況下，對風險評估和震后快速評估的效率影響不大（Ding et al，2013），但我國幅員遼闊，對基于千米格網的數(shù)據采用矢量格式時，評估的效率會受到顯著的影響?；诳臻g柵格格式的數(shù)據結構簡單，空間運算容易實現(xiàn)，計算速度大大超過矢量數(shù)據運算，因而近年在地震災害損失預測和震后快速評估中得到快速應用。但柵格數(shù)據的數(shù)據量大，投影轉換較復雜，特別是數(shù)據更新時較麻煩，手工操作較困難。

考慮到實際需求以及不同空間數(shù)據格式的優(yōu)缺點，本文試圖采用柵格格式數(shù)據研究開發(fā)全國尺度地震災害損失預測和震后快速評估系統(tǒng)，旨在通過設計自動數(shù)據柵格化處理模塊，提高數(shù)據建立與更新的效率；同時，結合風險評估原理，采用前置確定性損失評估和算法優(yōu)化，提升震后地震損失快速評估響應能力。最后通過實例對地震災害損失預測和震后快速評估的應用效果進行檢驗。

1 地震災害損失預測系統(tǒng)總體需求

地震災害損失預測結果可以供各級政府和部門、企業(yè)等了解特定地區(qū)在未來一定時期內潛在地震可能造成的損失大小，從而開展有效的防震減災規(guī)劃、抗震設防，進行必要的地震應急準備，減少地震存量風險，管控增量風險，實現(xiàn)有效減輕地震災害的目標。

地震損失預測涉及特定區(qū)域與時期的地震危險性（對于設定地震或已經發(fā)生的地震，則為地震影響場分布）、人口、房屋建筑等承災體的風險暴露程度及其地震易損性；地震損失預測（震后損失快速評估）依據一定的預測方法模型進行，預測結果可表示為地震損失值，其可以指地震造成的生命損失，也可以為地震造成的經濟損失（圖1）。

圖1 地震災害損失預測系統(tǒng)業(yè)務過程示意圖

在地震損失預測方面，本系統(tǒng)研發(fā)的首要目標是實現(xiàn)對2016～2025年中國大陸地震災害損失的評估，為2016～2025年中國大陸地震重點監(jiān)視防御區(qū)的確定提供重要依據。震害損失預測所依據的基本預測模型為考慮多因素影響修正的地震損失預測模型（王曉青等，2019），其基本表達式為：

地震造成的生命損失LLif按下式計算

其中，R（Y）為地震動強度Y的發(fā)生概率；VLif（Y）為地震動強度Y作用下的地震生命損失率；Pop為人口數(shù)；fL（Y）為多因素影響下的地震動強度Y作用下的地震生命易損性修正指數(shù)，其通過生命損失率多因素影響統(tǒng)計分析確定。

地震動強度Y作用造成的地震直接經濟損失LECO按下式計算

其中，VBld（Y）為地震動強度Y作用下的建筑物損失率；A為建筑面積；Z為建筑物單位面積造價；fE（Y）為多因素影響下的地震動強度Y作用下的房屋建筑損失率修正指數(shù)，通過建筑物損失率多因素影響統(tǒng)計分析確定；r（Y）為地震動強度Y作用下生命線系統(tǒng)損失相對于建筑物損失的比率。

在破壞性地震發(fā)生后進行損失快速評估時，采用地震影響場（地震烈度分布圖或地震動峰值加速度分布圖）代替地震危險性分布圖，相當于在某一空間格網單元，對應地震動值的發(fā)生概率為1，其他地震動值的發(fā)生概率為0。因此，仍然可以采用式（1）、（2）進行地震損失評估。

在數(shù)據組織與預處理方面，系統(tǒng)以空間格網作為震害損失預測的單元；同時，針對人口、建筑物面積等風險暴露數(shù)據的變更，系統(tǒng)能夠重新對這些基礎數(shù)據進行空間格網化處理，并將矢量數(shù)據或格網數(shù)據轉換為柵格數(shù)據。由于全國千米格網數(shù)目較大，數(shù)據來源復雜，數(shù)據往往只在局部區(qū)域有更新，因此，系統(tǒng)需要具備空間柵格數(shù)據的形成、拆分與合并功能。

在空間數(shù)據存取、分析與顯示方面，系統(tǒng)需滿足對基礎數(shù)據、計算結果的空間可視化顯示、空間分析與瀏覽。

系統(tǒng)具備對地震損失預測結果的專題制圖、震后地震損失快速評估報告的快速自動產出功能。

在系統(tǒng)集成管理方面，需實現(xiàn)上述各種功能的集成，建立系統(tǒng)運行環(huán)境，支持系統(tǒng)基礎數(shù)據與專題產品的輸出。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構設計

為滿足地震損失預測和震后損失快速評估的總體需求，地震災害損失預測系統(tǒng)總體上包括數(shù)據預處理、地震損失預測、震后地震損失快速評估、地圖存取與顯示功能以及輔助操作等主要業(yè)務功能模塊。系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

系統(tǒng)設計為模塊化結構與集成控制環(huán)境界面；運行于Windows7環(huán)境；空間數(shù)據存儲、空間分析和瀏覽顯示采用ArcGIS Engine 10開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據庫采用Access 2010，以便于推廣應用。其中，空間數(shù)據主要采用ArcGIS空間數(shù)據格式（Grid和Shape文件格式）和外部文件存放，各種與空間數(shù)據相關聯(lián)的基礎數(shù)據、模型數(shù)據等則存放于系統(tǒng)數(shù)據庫中。整個系統(tǒng)在VS.Net集成開發(fā)環(huán)境下采用C#語言進行開發(fā)。

圖2 地震災害損失預測系統(tǒng)總體結構設計

2.2 系統(tǒng)主要功能設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)采用統(tǒng)一的集成控制界面，實現(xiàn)了系統(tǒng)主界面菜單、工具條、數(shù)據圖層、地圖瀏覽窗口和專題圖布局窗口等的統(tǒng)一布局；系統(tǒng)圖形用戶界面（UI）風格統(tǒng)一簡潔、界面友好，能滿足系統(tǒng)各項功能的需求（圖3）。

系統(tǒng)關鍵功能設計與實現(xiàn)如下：

（1）數(shù)據預處理

系統(tǒng)數(shù)據預處理的主要功能包括人口（丁玲等，2017；袁小祥等，2019）、房屋建筑面積（竇愛霞等，2019）、人口與建筑物易損性（張桂欣等，2017）及其修正指數(shù)（王曉青等，2018）等10項與災害損失預測相關的數(shù)據的空間格網化處理（圖4）。為提高數(shù)據格網化生成或更新的效率，空間格網化可以按照分省或全國、指定起—止年份進行。以房屋建筑面積網格化為例，按照數(shù)據統(tǒng)計或預測年份、統(tǒng)計單元（縣、鄉(xiāng)村），將矢量數(shù)據形式的5類居民地（城市用地、農村用地、公交建設用地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地和其他用地）的房屋建筑面積進行空間格網化處理，得到Grid格式的不同結構類型、建筑年代和層數(shù)的各類建筑物面積格網化預測結果，并通過求和確定格網的總建筑面積（竇愛霞等，2019）。

圖4 系統(tǒng)預處理

（2）地震災害損失預測

依據地震災害損失預測模型，按照給定的空間范圍，預測一定時間段的地震生命損失或經濟損失，或者其風險大小。其中，預測空間區(qū)域可以選擇1個或多個省級行政區(qū)進行預測，也可以勾選“全國省”進行全國所有省預測。其操作界面如圖5所示。選定預測的起始、終止年份，從“計算項”選定損失或風險預測的內容、從“易損性矩陣”選擇易損性模型方案（最小值、中值或最大值）以及確定是否考慮地震風險影響修正等。上述參數(shù)確定后，按“年度計算”，系統(tǒng)將根據設定的工作路徑讀取人口（或房屋建筑面積）、地震危險性、地震易損性等數(shù)據，再進行全國或選定省份地震損失預測。計算完畢后，如果需要將設定的各年度計算結果合并為一個結果，可按“年度預測結果合并”實現(xiàn)。

（3）損失快速評估（設定地震）

圖5 系統(tǒng)預處理

本系統(tǒng)不僅可以在地震前進行損失或風險評估，還可在破壞性地震發(fā)生后，依據地震發(fā)生的時間、震中位置、震源深度和震級，以及地震破裂方向，根據地面運動方程（地震烈度或地震動峰值加速度衰減關系），確定地震影響場（地震動空間分布），以進一步評估地震造成的生命損失或經濟損失。因此，系統(tǒng)可用于實際地震或設定地震的損失快速評估。其中，地震影響場也可以直接輸入，故可使用經過多因素考慮而自動或人工修正的地震影響場，或歷史地震的影響場進行地震損失估計。對快速評估結果可進一步進行專題圖制作、評估報告自動生成等。

圖6 震后損失快速評估界面

損失快速評估操作界面如圖6所示。計算所需的人口、房屋建筑、行政區(qū)劃圖層等輸入數(shù)據，死亡人數(shù)、經濟損失等評估結果數(shù)據通過“設置數(shù)據目錄”預先確定。輸入或選定實際地震、設定地震或者歷史地震的時間、震中位置、震源深度和震級等基本參數(shù)，根據地震震中附近區(qū)域的地震構造方向或余震分布走向（如果有的話），確定地震可能的破裂方向，選定地震烈度或地震動峰值加速度衰減關系，即可進行地震影響場分析，并進一步依據人口、房屋建筑和易損性模型等數(shù)據，快速評估地震損失、形成地震影響場分布圖和生成損失評估報告（圖7）。

由于震后損失快速評估需要進行地震影響場分析及不同地震動情況下的損失評估與匯總，更精細的分析還包括對人口、房屋建筑面積、建筑物抗震能力等隨時間變化的動態(tài)分析，而基于全國千米格網的分析數(shù)據量大，計算耗時。為提高評估的時效性，在分析地震損失預測方法模型的基礎上，采用了預估空間格網在不同地震動發(fā)生情況下的地震死亡人數(shù)和經濟損失（確定性震害損失預測），并采用專題圖自動繪制和評估報告自動產出，從而大大提高了損失評估的時效性。對實際震例（2013年蘆山7.0級、岷縣漳縣6.6級地震）的分析表明，其評估計算時間（包括自動制圖與評估報告自動生成時間）不大于30s。

3 系統(tǒng)應用實例分析

系統(tǒng)于2015年5月完成開發(fā)并進行了綜合性測試，結果表明各項功能和性能達到了設計要求。

采用所開發(fā)的系統(tǒng)，整合了地震行業(yè)科研專項“2016～2025年我國大陸地震重點監(jiān)視防御區(qū)確定與發(fā)布研究”課題的其他專題的有關研究結果，并通過柵格化處理為30s×30s（約等于1km）格網大小的全國千米格網地震危險性、人口與房屋建筑及其易損性以及GDP、地震風險影響修正指數(shù)等柵格數(shù)據集。在此基礎上，完成了對中國大陸10年尺度千米格網地震死亡人數(shù)和直接經濟損失的計算，研究結果為確定2016～2020年我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)提供了重要依據。圖8給出了2016～2025年中國大陸地震死亡人數(shù)預測結果。其中，地震危險性采用吳健等（2019）給出的結果。

圖8 2016～2025年中國大陸地震損失預測結果

該系統(tǒng)在開發(fā)過程中和開發(fā)完成后，已對國內發(fā)生的多次歷史地震和實時發(fā)生地震進行了震害損失快速評估。評估結果實例見圖7。其中，2013年蘆山7.0級地震評估死亡324人（地震實際造成196人死亡，21人失蹤）、2013年岷縣漳縣6.6.級地震評估死亡人數(shù)92人（實際死亡95人）。其中，蘆山地震災區(qū)位于2008年汶川地震重建區(qū)域，通過重建，房屋抗震能力得到加強，評估中地震死亡率沒有考慮這一因素進行修正，評估結果相對偏大，但總體上，大多數(shù)情況下評估結果與實際結果非常接近。

4 結語

本文在需求分析的基礎上，設計和開發(fā)了地震災害損失預測軟件系統(tǒng)。本文重點敘述了震害預測所需各種空間數(shù)據的格網化、地震損失預測和震后地震損失快速評估等功能的設計與實現(xiàn)，給出了10年尺度地震損失預測結果和部分實際地震的震后災害損失快速評估結果。

上述結果表明：

（1）系統(tǒng)設計功能滿足全國尺度千米格網地震災害損失預測在數(shù)據組織、損失預測、數(shù)據瀏覽和結果輸出等方面的要求，并實現(xiàn)了震后地震損失的快速評估及其結果輸出。

（2）通過數(shù)據的合理化組織，提高了數(shù)據格網化生成、更新的便利性和地震災害損失預測的效率；通過預置確定性震害損失預測結果，提高了震后地震災害損失快速評估的效率。

（3）實際震害損失預測和震后災害損失評估表明，系統(tǒng)按照震害預測與評估方法模型，準確地實現(xiàn)了計算機化分析處理。作為操作簡單、用戶友好、分析計算高效的實用化工具，系統(tǒng)為實現(xiàn)震害損失預測和震后損失快速評估的科學化、規(guī)范化和高效化打下了基礎，本文提供了系統(tǒng)設計開發(fā)案例，其產出成果不僅為2016～2025年我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)的確定提供了重要依據，也為近年我國發(fā)生地震的震后應急指揮決策提供了災情評估依據。同時，其推廣應用預期可為防震減災規(guī)劃、地震應急準備等提供重要的災害風險評估依據。