數(shù)字地球下的地震災(zāi)情快速評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金 航 閆冬梅

(1. 西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094)

0 引言

地震災(zāi)害是我國最主要的地質(zhì)災(zāi)害,其活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大且影響范圍廣,加之當(dāng)前我國人口、基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)財(cái)富集中,一旦發(fā)生地震災(zāi)害,造成的損失難以估量[1]。傳統(tǒng)地震震害評(píng)估方法如現(xiàn)場調(diào)查法、基于遙感影像的評(píng)估方法等受限條件多,耗時(shí)時(shí)間長,均不適合對震情進(jìn)行快速評(píng)估。實(shí)際地震應(yīng)急減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)表明,基于模型的快速地震災(zāi)害評(píng)估是各級(jí)政府在短時(shí)間內(nèi)開展指揮決策與應(yīng)急救援的重要基礎(chǔ),近年來眾多學(xué)者在地震快速評(píng)估系統(tǒng)的研發(fā)中取得了一定的成果[2-3],評(píng)估系統(tǒng)在空間分析、評(píng)估效率以及決策方式上有極大的改善,但是大多地震應(yīng)急災(zāi)害快速評(píng)估系統(tǒng)均以基于符號(hào)化信息的二維圖形方式描述地震空間數(shù)據(jù)的空間位置和屬性,存在空間拓?fù)湫畔⑷笔?、?shù)據(jù)解釋方式無法直觀表達(dá)三維空間信息、顯示視野受限及交互操作性欠佳等問題。針對地震快速評(píng)估過程中存在的上述問題,本文對相關(guān)領(lǐng)域研究成果進(jìn)行發(fā)展與應(yīng)用,以地震頻繁發(fā)生的四川省為例,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套基于數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)(Digital Earth Science Platform, DESP)的地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)大型三維地形的實(shí)時(shí)渲染、三維場景交互、空間數(shù)據(jù)分析以及各類數(shù)字城市模型的集成,為地震災(zāi)害快速評(píng)估提供科學(xué)的技術(shù)支持和輔助決策。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 災(zāi)情評(píng)估數(shù)據(jù)集

地震災(zāi)害快速評(píng)估數(shù)據(jù)集主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)集、千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)集以及地震專業(yè)數(shù)據(jù)集。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)集包括四川省1∶25萬的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)集(Digital Line Graphic, DLG),采用國家統(tǒng)一的坐標(biāo)與高程系統(tǒng),投影系統(tǒng)為高斯-克呂格投影,按6°分帶,1°30′×1°(經(jīng)差×緯差)分幅,主要內(nèi)容包括居民地、公路、鐵路、水庫、河流、境界以及輔助要素等;數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù)集采用ASTER DEM,分辨率為30 m,覆蓋全國;全國1 km分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)集(Land-Use and Land-Co-ver Change, LUCC),包含耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用土地;Landsat8遙感影像分辨率為30 m,對其進(jìn)行包括裁剪、拼接、輻射及幾何校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理,并通過對影像切片得到與DEM數(shù)據(jù)相匹配的13級(jí)切片數(shù)據(jù);千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)集包含人口千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)以及經(jīng)濟(jì)千米格網(wǎng)數(shù)據(jù);地震專業(yè)數(shù)據(jù)集包含四川省地震背景數(shù)據(jù)以及四川省地震斷裂帶數(shù)據(jù)。

1.2 災(zāi)情損失評(píng)估模型

地震災(zāi)害損失評(píng)估模型是地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng)的核心組成,本系統(tǒng)以四川省為例,著重分析總結(jié)烈度衰減、人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失等在快速評(píng)估中占主導(dǎo)作用的損失模型。

1.2.1烈度衰減模型

地震烈度是衡量地震影響強(qiáng)弱程度的重要參數(shù),是進(jìn)行地震應(yīng)急災(zāi)害快速評(píng)估的基礎(chǔ)。不同地區(qū)的烈度衰減規(guī)律具有顯著的差異性,汪素云等[4]利用我國豐富的地震烈度等震線資料,確定了我國東西部的烈度衰減關(guān)系,得到適用于我國西部地區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系模型;雷建成[5]等基于地震構(gòu)造環(huán)境和震害分布將四川及鄰區(qū)劃分為西南地區(qū)和四川盆地地區(qū),利用最小二乘法分析得到了適用于四川西南和盆地地區(qū)的烈度衰減模型;孫繼浩等[6]綜合考慮震中構(gòu)造環(huán)境及地形地貌等利用統(tǒng)計(jì)回歸分析得到川滇及鄰區(qū)中強(qiáng)地震烈度衰減關(guān)系的烈度衰減模型。在本系統(tǒng)中,集成上述3種模型,用戶可在判別四川地區(qū)震后地震影響場范圍時(shí),根據(jù)不同模型的特點(diǎn)和適用范圍選擇相應(yīng)的模型。

1.2.2人員損失模型

人員死亡是災(zāi)害損失統(tǒng)計(jì)的重要指標(biāo),目前計(jì)算人員傷亡的模型主要有房屋易損性評(píng)估法以及基于地震參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头╗7]。房屋易損性矩陣評(píng)估法需要基于工程實(shí)驗(yàn)及專家經(jīng)驗(yàn)獲取房屋地震易損性曲線及矩陣,工作量大且數(shù)據(jù)可更新程度差,比較適合中長期規(guī)劃下的地震災(zāi)害損失研究[8];基于地震參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头紤]各類地震要素作為參數(shù),可以在不同地域尺度上根據(jù)各類算法得到適用于該地區(qū)的評(píng)估模型,易于實(shí)現(xiàn)且可以保證評(píng)估時(shí)效性,切合地震災(zāi)情快速評(píng)估的應(yīng)急需求。因此，本系統(tǒng)采用張建等[9]根據(jù)美國地質(zhì)勘探局的地震損失快速評(píng)估模型,利用粒子群優(yōu)化算法得到四川地區(qū)各烈度下的人員損失率,如式(1)所示:

(1)

式中,V為地震人員損失率;S為地震烈度;Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù);θ和β為待求的累計(jì)分布參數(shù),分別表示烈度測量值的自然對數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,其中θ取0.152 7,β取12.427 8。

1.2.3人員損失模型

地震造成的經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。直接經(jīng)濟(jì)損失主要包括建筑物等的破壞等造成的損失;間接經(jīng)濟(jì)損失是地震直接經(jīng)濟(jì)損失造成的后續(xù)影響,該類損失界定不夠明確，難以進(jìn)行評(píng)估。本文僅評(píng)估地震造成的直接經(jīng)濟(jì)損失,采用陳堯等[10]利用最小二乘法提出的基于震中烈度和震級(jí)的方法對震害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行快速評(píng)估,首先計(jì)算得到震級(jí)修正系數(shù),再根據(jù)震級(jí)評(píng)估模型計(jì)算直接經(jīng)濟(jì)損失,如式(2)～(3)所示:

(2)

lgL=0.599 6Mα+0.401 1

(3)

式中,α為震級(jí)修正系數(shù)；M為震級(jí)；I為震中烈度；L為地震造成直接經(jīng)濟(jì)損失。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)技術(shù)方法

綜合考慮不同用戶實(shí)際情況,系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows10環(huán)境,開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2017,開發(fā)語言為C++編程語言;主程序采用C/S模式以保證數(shù)據(jù)存取的安全性及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;系統(tǒng)主要功能開發(fā)基于地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(Geospatial Data Abstraction Library, GDAL)與計(jì)算機(jī)視覺庫(Open Source Computer Vision Library, OpenCV)等開源庫;開發(fā)框架采用Qt(由Qt Company開發(fā)的應(yīng)用程序開發(fā)框架)界面開發(fā)工具,具有開源、跨平臺(tái)及代碼復(fù)用性好等優(yōu)點(diǎn),滿足風(fēng)格統(tǒng)一、界面友好以及系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需求。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序?yàn)榈厍虼髷?shù)據(jù)科學(xué)工程“數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)”,該平臺(tái)以開源場景圖形庫(Open Scene Graph, OSG)與開源場景地球引擎(Open Scene Graph Earth，OSGEarth)等三維引擎以及GDAL、幾何引擎開源庫(Geometry Engine Open Source, GEOS)、命令行統(tǒng)一資源定位工具(CommandLine Uniform Resource Locator, CURL)以及日志與跟蹤調(diào)試庫等開源庫為基礎(chǔ),統(tǒng)一采用CMake編譯,通過圖形操作界面觸發(fā)不同Qt事件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能,平臺(tái)可嵌入海量地理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多分辨率的三維場景表示,同時(shí)具有數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、圖層管理、前后視圖、旋轉(zhuǎn)縮放等基礎(chǔ)功能。本文基于此二次開發(fā)框架平臺(tái)為地震災(zāi)情快速評(píng)估開發(fā)提供技術(shù)支持。

系統(tǒng)總體采用基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層及展示層四層結(jié)構(gòu):基礎(chǔ)層包括系統(tǒng)軟件與硬件平臺(tái);數(shù)據(jù)層是震情快速評(píng)估過程中所需的各類數(shù)據(jù);業(yè)務(wù)層滿足地震應(yīng)急災(zāi)害快速評(píng)估的具體功能實(shí)現(xiàn);展示層為數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)主程序,用于地震災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況的三維空間顯示。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在DESP主程序下包含系統(tǒng)管理模塊、地震應(yīng)急快速評(píng)估功能插件模塊以及輔助功能插件模塊。其中系統(tǒng)管理包括在DESP主程序下的插件擴(kuò)展功能以及線程管理;地震應(yīng)急快速評(píng)估功能模塊由數(shù)據(jù)操作、災(zāi)情快速評(píng)估以及3D可視化等功能模塊構(gòu)成;輔助功能模塊包含數(shù)據(jù)標(biāo)繪以及距離分析。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.1地震災(zāi)情快速評(píng)估

(1)三維場景可視化

在初始化數(shù)字地球平臺(tái)階段中,根據(jù)地球文件(.earth)設(shè)置地球的空間參考系,指定使用的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)緩沖類型與緩沖位置,設(shè)置驅(qū)動(dòng)器屬性及驅(qū)動(dòng)的類型等,將源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維場景圖?？紤]到整幅影像數(shù)據(jù)在高分辨率視場下加載過慢的問題,采用金字塔數(shù)據(jù)集以提高影像加載效率[11],實(shí)現(xiàn)在不同空間分辨率下加載不同層級(jí)的切片數(shù)據(jù)。

(2)災(zāi)情快速評(píng)估

手動(dòng)輸入地震震級(jí)、震中經(jīng)緯度以及震源破裂方向等地震參數(shù),選擇相應(yīng)的烈度衰減模型,快速定位地震發(fā)生地并生成等震線,獲得地震烈度圈的空間分布信息以及烈度影響場方向、尺度、強(qiáng)度等功能。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)人員損失模型、經(jīng)濟(jì)損失模型及空間分析等計(jì)算不同烈度下人員損失情況、經(jīng)濟(jì)損失情況和土地利用受災(zāi)情況等。

(3)災(zāi)情簡報(bào)生成

在快速評(píng)估模塊得到盲估結(jié)果的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)匯總不同烈度下地理信息空間要素的受災(zāi)情況,主要包括受災(zāi)所涉及的境界、居民地、水系、交通以及土地利用等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步生成地震影響場、人口損失以及經(jīng)濟(jì)損失專題圖,最終生成災(zāi)情快速評(píng)估簡報(bào),以PDF格式輸出。專題圖采用OpenCV開源庫進(jìn)行圖像處理生成,災(zāi)情文檔采用Qt中的QTextDocument類與Qprinter類生成,其中QTextDocument采用超文本標(biāo)記語言(Hyper Text Markup Language, HTML)對文字進(jìn)行排版與編輯,Qprinter將文件保存至磁盤并輸出。

2.3.2輔助評(píng)估

為輔助地震應(yīng)急災(zāi)情快速評(píng)估,系統(tǒng)輔助功能主要由數(shù)據(jù)標(biāo)繪和距離分析兩方面組成。其中數(shù)據(jù)標(biāo)繪提供三維上點(diǎn)、線、多邊形等幾何的創(chuàng)建與編輯等功能,為地震評(píng)估動(dòng)態(tài)修改提供支持。距離分析用于統(tǒng)計(jì)在不同烈度下地理信息空間要素與震中的距離,本系統(tǒng)根據(jù)Haversine公式計(jì)算橢球面中最短程曲線。

2.4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

應(yīng)用DESP系統(tǒng)對災(zāi)情進(jìn)行評(píng)估時(shí),各個(gè)功能模塊之間的調(diào)用需要按一定的數(shù)據(jù)流向與流程進(jìn)行相互調(diào)用?；谙到y(tǒng)邏輯與功能結(jié)構(gòu),快速評(píng)估業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 快速評(píng)估業(yè)務(wù)流程

地震發(fā)生后,通過手動(dòng)輸入地震震級(jí)、震中經(jīng)緯度以及震源破裂方向等地震相關(guān)參數(shù)觸發(fā)震情響應(yīng),通過下拉選項(xiàng)框選擇符合震區(qū)條件的烈度衰減模型,快速定位地震發(fā)生地并生成烈度衰減等震線,獲得地震烈度圈的空間分布信息以及烈度影響場方向、尺度、強(qiáng)度等要素,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)各類評(píng)估模型自動(dòng)計(jì)算不同烈度下人員損失以及經(jīng)濟(jì)損失情況,統(tǒng)計(jì)不同受災(zāi)程度下的具體損失數(shù)據(jù),同時(shí)生成各類災(zāi)情專題地圖;評(píng)估完成后,系統(tǒng)會(huì)通過烈度等震線的閉合面與不同DLG數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行空間疊加分析,最終統(tǒng)計(jì)匯總出不同烈度區(qū)下受地震影響的各類基礎(chǔ)地理要素,并結(jié)合烈度衰減、土地利用、人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失四類專題地圖生成地震災(zāi)情快速評(píng)估文檔,為地震應(yīng)急服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)[12]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)于2020年11月完成開發(fā)并進(jìn)行了綜合性測試,采用實(shí)際數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行測試,測試數(shù)據(jù)為2013年4月20日8時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣7.0級(jí)地震,震中位置為(30.3°N,103.0°E),地震破裂方向北偏東33°,地震類型為淺源地震,震源深度13 km。地震衰減模型采用汪素云中國西部地區(qū)衰減模型。2020年11月25日17時(shí)29分00秒在快速評(píng)估系統(tǒng)寫入地震信息,15 s內(nèi)系統(tǒng)觸發(fā)并進(jìn)行評(píng)估,30 s內(nèi)獲得災(zāi)區(qū)三維空間信息并產(chǎn)出災(zāi)情報(bào)告文檔如圖4所示。

圖4 DESP三維評(píng)估

4 結(jié)束語

本文在Visual Studio2017平臺(tái)上利用C++語言構(gòu)建了基于數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)的地震應(yīng)急災(zāi)害快速評(píng)估系統(tǒng),系統(tǒng)主要功能使用插件化開發(fā)模式,將空間數(shù)據(jù)管理、空間分析以及交互式顯示等融入地震災(zāi)害評(píng)估工作中,實(shí)現(xiàn)了三維空間下地震災(zāi)情數(shù)據(jù)的3D可視化,解決了以基于符號(hào)化信息的二維圖形無法直觀表達(dá)的三維空間信息,在三維場景交互以及空間數(shù)據(jù)分析上為地震災(zāi)害快速評(píng)估提供了科學(xué)的技術(shù)支持和輔助決策。

本系統(tǒng)僅采用了為數(shù)不多的評(píng)估模型進(jìn)行災(zāi)情定量化表達(dá),在今后發(fā)展中,仍需要不斷更新各類評(píng)估模型,如建筑物、危險(xiǎn)源、次生災(zāi)害等,從而精細(xì)化評(píng)估結(jié)果,同時(shí),不斷優(yōu)化操作流程、考察不同需求的必要性以及定時(shí)補(bǔ)錄與更新數(shù)據(jù)庫也是未來系統(tǒng)決策評(píng)估的方向。

數(shù)字地球廣泛地應(yīng)用于災(zāi)害評(píng)估、生態(tài)變化、水資源管理、城市發(fā)展等多個(gè)方面,各類模型的數(shù)字化、系統(tǒng)運(yùn)行智能化、大數(shù)據(jù)整合與挖掘的精細(xì)化還需要進(jìn)行不斷地探索與研究。本文在地震災(zāi)害快速評(píng)估做出了有效的嘗試,系統(tǒng)功能仍然需進(jìn)一步完善,如改進(jìn)系統(tǒng)單線程串行分布計(jì)算的評(píng)估結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)時(shí)間代價(jià)，添加其他插件如環(huán)境、生態(tài)插件等同本文地震快速評(píng)估插件交叉應(yīng)用以輔助災(zāi)情決策依據(jù)等,可以更大限度地基于數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)進(jìn)行地震災(zāi)情決策評(píng)估。