離線式地震災害快速評估與應急制圖系統(tǒng)研發(fā)及應用＊

譚慶全

1) 中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080

2) 地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080

3) 北京市地震局，北京 100080

引言

我國是世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一。20世紀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國大陸地震次數(shù)占全球大陸地震的1/3，地震造成的人員死亡數(shù)量占全球的1/2。我國地震活動具有頻度高、強度大、震源淺、分布廣、損失重等特點[1-3]。地震發(fā)生后，在最短的時間內(nèi)對災情進行評估、產(chǎn)出各類應急專題圖件，為政府抗震救災決策部署提供依據(jù)，是地震應急工作的首要任務。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，尤其是2018年應急管理部組建之后，中央和各級政府對地震應急工作都提出了更高的要求。各類應急技術(shù)系統(tǒng)要求運行穩(wěn)定、計算高效、操作簡便、功能實用。因此，開展地震災害損失快速評估與應急綜合制圖技術(shù)研究，為震后應急處置提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，意義重大[4-8]。

在過去的幾十年，隨著計算機技術(shù)和以遙感與地理信息系統(tǒng)為代表的空間信息技術(shù)的發(fā)展，地震災害快速評估系統(tǒng)與應急制圖技術(shù)也得到了長足的進步。在 “十五” 期間，中國地震局組織建設(shè)了地震應急指揮技術(shù)系統(tǒng)，分別部署于中國地震局應急指揮中心和各省級地震局應急指揮中心，實現(xiàn)的地震應急業(yè)務包括地震快速觸發(fā)、災害評估、輔助決策、綜合信息查詢、信息管理與發(fā)布等[9-13]。2011年，原中國地震局震災應急救援司針對破壞性地震應急處置工作的需要，對震后5個時段（1小時、2——3小時、3——4小時、5——8小時、8小時以后）共計27類專題圖的快速產(chǎn)出提出了規(guī)范要求。在 “十二五” 和 “十三五” 期間，許多?。ㄊ校┒奸_展了本地化地震災害快速評估與應急指揮技術(shù)系統(tǒng)的建設(shè)。目前，絕大多數(shù)快速評估與應急制圖技術(shù)系統(tǒng)的共同特點是，基于提前部署好的后臺數(shù)據(jù)庫與專業(yè)GIS軟件平臺，輸入地震參數(shù)后，進行在線計算地震災害損失結(jié)果并輸出相應專題圖件。此類技術(shù)系統(tǒng)具有一次部署，多個終端用戶同時訪問使用的優(yōu)勢，可以滿足大多數(shù)情況下的地震應急處置工作需求[14-16]，但是，在以下方面存在不足：

（1）不能滿足任意場景情況下的地震應急應用。系統(tǒng)的運行依賴于提前部署好的后臺數(shù)據(jù)庫與專業(yè)GIS軟件平臺，一般是固定部署在地震應急指揮中心或?qū)嶒炇覂?nèi)，對于地震現(xiàn)場應急工作隊、地震現(xiàn)場應急指揮部或其他臨時應急場所，則無法應用。因而，無法為前方指揮部提供有效的技術(shù)支撐，不能滿足任意場景下的應用需求。

（2）開發(fā)部署相對復雜、成本高。系統(tǒng)運行需要提前部署專用的數(shù)據(jù)庫與GIS軟件，系統(tǒng)開發(fā)部署周期長，對系統(tǒng)維護和使用人員的專業(yè)要求高；同時，會產(chǎn)生大額的第三方商業(yè)軟件購買費用或系統(tǒng)開發(fā)部署的委托費用。因而，系統(tǒng)開發(fā)部署周期長、成本高，系統(tǒng)的升級擴展與推廣應用也比較困難。

（3）運行穩(wěn)定性和計算效率得不到保證。由于涉及第三方商業(yè)軟件平臺或網(wǎng)絡環(huán)境的部署，系統(tǒng)對軟硬件環(huán)境有比較苛刻的要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性受到一定挑戰(zhàn)。另外，系統(tǒng)主要是基于第三方軟件平臺二次開發(fā)部署，其計算效率的提高和性能優(yōu)化受到一定限制。地震發(fā)生后，尤其是大震巨災情況下，網(wǎng)絡環(huán)境受到破壞，各項應急工作繁忙開展。因而，傳統(tǒng)在線評估與制圖系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和計算效率得不到保證。

本文介紹的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)方法的不足，基于關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)，在不依賴在線數(shù)據(jù)庫與第三方商業(yè)GIS軟件的情況下，實現(xiàn)一種運行穩(wěn)定、計算高效、隨時隨地即插即用的應用系統(tǒng)，作為現(xiàn)有 “在線” 應用系統(tǒng)的有效補充或替代，為地震應急處置工作提供更有力的技術(shù)保障[17]。

1 技術(shù)思路與主要功能

1.1 基本原理

針對地震應急工作對評估結(jié)果與專題圖件越來越高的時效性需求，設(shè)計實現(xiàn)了一種新型的完全自主知識產(chǎn)權(quán)的離線式地震災害快速評估與應急制圖全鏈條技術(shù)體系（圖1），包括：離線評估與制圖數(shù)據(jù)的生成、存儲、管理、更新方法，地圖切片坐標換算與索引技術(shù)、可視化專題圖配置與批量輸出技術(shù)、自定義報告模版配置與一鍵生成技術(shù)，多場景部署應用等。

圖1 離線式地震災害評估與應急制圖技術(shù)體系示意圖Fig.1 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technology system

該 “離線” 技術(shù)的特征表現(xiàn)在3個方面： ① 從數(shù)據(jù)層面看，不需要連接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，不需要基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的實時疊加和渲染，基于離線的預緩存數(shù)據(jù)即可進行快速評估計算和可視化制圖表達； ② 從軟件平臺層面看，不需要商業(yè)GIS平臺軟件及后臺數(shù)據(jù)庫軟件的支撐，不需要安裝任何第三方插件，基于自主研發(fā)的軟件和算法即可完成所有工作； ③ 從應用層面看，所研發(fā)的軟件和離線數(shù)據(jù)可以部署于移動存儲設(shè)備，不依賴特定的軟硬件環(huán)境，針對不同應用場景，在普通PC機上即可實現(xiàn)即插即用。

離線式地震災害評估與應急制圖技術(shù)原理如圖2所示。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 數(shù)據(jù)預處理

本文討論的數(shù)據(jù)預處理，主要是將京津冀地區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與重要涉震數(shù)據(jù)進行融合處理，基于細節(jié)層次模型（LOD）的地圖顯示原理，根據(jù)制作專題圖的需要，提前生成多級預緩存離線地圖數(shù)據(jù)。離線存儲的地圖數(shù)據(jù)保留了原來所有圖層疊加和渲染顯示的效果，以固定大小瓦片的形式存儲（一般是256×256像素），在使用時直接讀取目標區(qū)域的瓦片進行拼接使用，因為不再需要圖層實時疊加和渲染的空間處理過程，因此大大提高了制圖效率。由于離線存儲的地圖瓦片丟失了空間屬性信息，這就需要在每個地圖瓦片的存儲位置和其空間坐標范圍之間建立可相互轉(zhuǎn)換的計算規(guī)則。為此，我們提出一個5層文件目錄結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則[14]，實現(xiàn)了存儲位置和空間坐標之間的相互轉(zhuǎn)換。

1.2.2 評估模型構(gòu)建與損失預評估

根據(jù)圖2所示的離線評估計算原理，將京津冀地區(qū)在所有破壞烈度作用下的損失結(jié)果進行提前評估計算，在實際使用時，只需要抽取地震影響范圍內(nèi)相應烈度的預評估結(jié)果即可，由于省去了實時評估計算過程，因此大大提高了評估效率。為了便于計算存儲和空間分析，以經(jīng)度0.01°×緯度0.01°的網(wǎng)格作為基本評估計算單元，針對每個基本單元，結(jié)合人口、GDP、土地利用、設(shè)防烈度和行政區(qū)劃等主要影響因素建立了本地化抗震能力分區(qū)分類模型[18]，如公式（1）所示：

圖2 離線式地震災害評估與應急制圖技術(shù)原理示意圖Fig.2 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technical principle

式中，Cd為綜合影響因子值；Hdi為不同影響因素的影響系數(shù)；i為影響因素個數(shù)；d為某研究區(qū)域； γdi為各影響因素的權(quán)重，其中

在分區(qū)分類基礎(chǔ)上分別利用經(jīng)驗震害矩陣的完善方法、建筑物地震直接經(jīng)濟損失分析模型和人員傷亡模型得出較為符合京津冀地區(qū)的預評估結(jié)果。將每一個網(wǎng)格的計算結(jié)果以及此網(wǎng)格對應的屬性信息（經(jīng)緯度范圍、行政區(qū)劃名稱、面積、人口、GDP等），作為一條記錄存儲于離線數(shù)據(jù)庫中。在離線評估計算時，只需要從數(shù)據(jù)庫中按條件檢索統(tǒng)計即可得到需要的結(jié)果，因而進一步提高了計算效率。

1.2.3 離線數(shù)據(jù)存儲管理

本文討論的離線數(shù)據(jù)存儲管理主要包括3部分數(shù)據(jù)。 ① 為了滿足離線評估和制圖需要的預評估結(jié)果數(shù)據(jù)和離線地圖數(shù)據(jù)。如前文所述，預評估結(jié)果數(shù)據(jù)以離線數(shù)據(jù)庫的形式進行保存，離線地圖數(shù)據(jù)以分層目錄結(jié)構(gòu)的形式進行保存。為了便于數(shù)據(jù)的快速檢索和更新，針對大量的離線數(shù)據(jù)，建立了基于地理空間分區(qū)的離線存儲管理機制。每個地理空間分區(qū)具有固定的經(jīng)緯度范圍，實際使用時，根據(jù)需要從相鄰的幾個地理分區(qū)中提取數(shù)據(jù)即可。 ② 為了滿足生成評估報告和決策分析需要的各類POI數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)的管理較為簡單，只需要提前分析處理每條數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度坐標并將其存儲在離線數(shù)據(jù)庫中，在使用時，檢索對應范圍對應的數(shù)據(jù)，并進行實時點圖層疊加和顯示處理即可。 ③ 為了滿足其他震害分析與可視化需要的矢量圖層數(shù)據(jù)?；趯κ噶扛袷綌?shù)據(jù)的底層解析，開發(fā)了點、線、面矢量數(shù)據(jù)文件的實時加載、編輯和可視化接口，實現(xiàn)了離線運行狀態(tài)下的矢量數(shù)據(jù)文件的管理和應用。

1.2.4 面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)

基于面向?qū)ο缶幊毯蛨D形圖像處理技術(shù)，利用Visual Studio集成開發(fā)工具，實現(xiàn)了地震災害損失快速評估、應急專題圖批量制作及數(shù)據(jù)管理和可視化的一體化軟件集成開發(fā)。通過對所有底層應用接口的自主研發(fā)和封裝，軟件可在普通Windows電腦上 “即插即用” ，同時提供了直觀友好的可視化交互操作界面，因而最大限度提高了軟件的應用場景和應用便捷性。

1.3 主要功能模塊

針對實際應用需求，實現(xiàn)了全鏈條關(guān)鍵技術(shù)及軟件功能的開發(fā)，按照功能分類，軟件的功能模塊主要包括以下幾部分：

（1）離線數(shù)據(jù)生成與存儲管理功能：地震災害損失預評估結(jié)果的生成與離線存儲管理；應急專題圖地圖數(shù)據(jù)多圖層疊加渲染、切片數(shù)據(jù)生成與離線存儲管理；離線存儲數(shù)據(jù)的坐標換算、快速索取、快速更新等。

（2）快速評估計算功能：根據(jù)地震參數(shù)和烈度衰減模型生成地震影響場；最高烈度評估計算；地震影響范圍評估計算；地震災害損失評估計算；救災對策評估計算；地震影響重點目標評估計算等。

（3）專題圖批量制作功能：根據(jù)地震影響范圍和專題圖制作分類自動批量生成應急專題圖；震中位置專題圖定制輸出；距離專題圖定制輸出；震中影像專題圖定制輸出；震后動態(tài)信息專題圖定制輸出；自定義標注專題圖定制輸出等。

（4）自動生成報告功能：根據(jù)評估計算結(jié)果自動生成快速評估報告、輔助決策報告；自動生成修正評估報告、修正輔助決策報告等。

（5）模板管理功能：快速評估報告模板個性化定制；輔助決策報告模板個性化定制；應急專題圖模板個性化定制等。

（6）信息標繪功能：災情分布動態(tài)標繪；救災進展動態(tài)標繪；現(xiàn)場工作動態(tài)標繪；震后調(diào)查信息動態(tài)標繪；自定義文字或圖片標繪等。

（7）數(shù)據(jù)管理與可視化功能：歷史地震數(shù)據(jù)管理；避難場所數(shù)據(jù)管理；重點目標數(shù)據(jù)管理；城市地名數(shù)據(jù)管理；其他POI數(shù)據(jù)管理；預評估結(jié)果數(shù)據(jù)空間查詢與可視化表達；地震烈度分布可視化表達；離線專題圖數(shù)據(jù)瀏覽與可視化表達等。

（8）參數(shù)設(shè)置及軟件管理功能：評估模型參數(shù)設(shè)置；烈度衰減模型參數(shù)設(shè)置；評估計算規(guī)則設(shè)置；輔助決策規(guī)則設(shè)置；制圖類別設(shè)置；自動制圖參數(shù)設(shè)置；距離制圖參數(shù)設(shè)置；影像制圖參數(shù)設(shè)置；自動觸發(fā)計算設(shè)置；可視化表達設(shè)置；用戶管理；權(quán)限分配管理等。

2 實際應用效果

近年來，北京及周邊地區(qū)發(fā)生多次北京市有感地震。根據(jù)北京市地震局地震應急預案，凡是有感地震均要啟動地震應急響應工作。表1列出了2019——2021年北京市地震局啟動應急的地震事件。

表1 2019——2021 年北京啟動應急地震事件列表Table 1 Earthquake events affecting Beijing from 2019 to 2021

基于自主研發(fā)的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統(tǒng)，在上述地震應急工作中，值班員第一時間完成了評估報告與專題圖件的產(chǎn)出。而且，整個操作過程只需要將地震參數(shù)輸入軟件，在可視化操作界面點幾下鼠標，不到一分鐘即可完成評估報告的產(chǎn)出與幾十張專題圖件的制作，可為震后應急處置提供重要的信息支持。根據(jù)公開文獻報道，本系統(tǒng)評估計算和制圖速度是全國同類軟件系統(tǒng)中最快的。圖3和圖4分別給出了某次地震評估計算時的系統(tǒng)界面及生成的部分專題圖件。

圖3 某次地震評估計算界面Fig.3 The software interface for an earthquake assessment

圖4 某次地震生成的部分專題圖Fig.4 Thematic maps generated for an earthquake

除了可以提供震后快速評估與應急制圖等核心業(yè)務功能以外，本系統(tǒng)還提供了相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)的管理與查詢顯示。基于可視化交互界面，實現(xiàn)了歷史地震、學校、醫(yī)院、危險源、避難場所、政府機關(guān)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、旅游景點、重點目標等POI數(shù)據(jù)的查詢、修改、批量導入/導出功能。而且，只要按統(tǒng)一規(guī)則新增加到系統(tǒng)目錄下的POI數(shù)據(jù)，軟件都可以自動識別與管理。另外，評估計算所依賴的人口、建筑物、生命線數(shù)據(jù)，以及在不同烈度作用下的損失結(jié)果數(shù)據(jù)，可以按行政區(qū)或空間區(qū)域進行快速查詢與可視化展示。圖5給出了某空間區(qū)域人口分布數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果及渲染顯示界面。

圖5 人口分布數(shù)據(jù)查詢與渲染顯示界面Fig.5 Display interface for population distribution data

3 總結(jié)與討論

本文實現(xiàn)的離線式地震災害快速評估與應急制圖系統(tǒng)，從初步構(gòu)想、試驗研究、集成開發(fā)到列裝應用，歷時將近10年時間。目前，已經(jīng)完成全鏈條關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)。在京津冀協(xié)同發(fā)展國家戰(zhàn)略大背景下，本系統(tǒng)實現(xiàn)了京津冀一體化地震災害快速評估與應急制圖功能。快速評估的結(jié)果，可以具體到京津冀每一個區(qū)縣，可以產(chǎn)出京津冀總體損失評估報告，也可以定制生成每一個行政區(qū)的評估報告。

該 “離線” 技術(shù)無論從數(shù)據(jù)層面、軟件平臺層面還是應用場景層面，都較傳統(tǒng)技術(shù)方法具有顯著優(yōu)勢。另外，該 “離線” 軟件除了支持在普通PC機上即插即用外，還可以部署為后臺軟件支持遠程Web頁面或APP的訪問。目前，軟件已經(jīng)在實際地震應急工作中發(fā)揮了重要應用實效。筆者認為，結(jié)合其他應急工作需求，替換相應的專業(yè)數(shù)據(jù)與模型后，該技術(shù)方法在其他各類自然災害與突發(fā)事件應急處置中也具有廣闊的應用前景。

在后續(xù)工作中，我們將加強本技術(shù)方法的推廣應用，進一步完善和優(yōu)化系統(tǒng)功能，以期發(fā)揮更大的應用價值。關(guān)鍵要圍繞以下3個方面開展相關(guān)工作：

（1）全流程自動化功能的實現(xiàn)。目前，軟件基于人工輸入的地震參數(shù)，可以實現(xiàn)評估報告與系列專題圖件的自動生成，也可以通過手機APP遠程查看和下載相關(guān)結(jié)果。為了進一步提高應急響應速度以及系統(tǒng)自動化水平，需要實現(xiàn)與地震速報信息的自動對接，滿足應急條件時自動計算生成評估報告和專題圖件；需要將自動生成的結(jié)果向指定的用戶進行自動遠程推送；需要與應急指揮中心的應急指揮技術(shù)系統(tǒng)（如大屏幕投影系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、打印輸出系統(tǒng)等）進行自動對接，實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)的自動啟動與評估結(jié)果的自動呈現(xiàn)。

（2）與區(qū)域特征相匹配的評估方法的集成應用。目前，軟件以京津冀區(qū)域為例進行了示范應用。為了實現(xiàn)在不同地區(qū)的推廣應用，需要定制覆蓋該區(qū)域的離線地圖數(shù)；需要根據(jù)區(qū)域特征定制相匹配的評估模型和應急應用場景。目前，軟件實現(xiàn)了統(tǒng)一的地圖存儲與檢索規(guī)則，不同地區(qū)的地圖數(shù)據(jù)可以無縫集成應用；但是，針對特定的評估模型和應用場景，還需要根據(jù)實際情況開展相關(guān)研究工作。

（3）震后動態(tài)跟蹤制圖功能的實現(xiàn)。目前，應急專題圖的批量制作是基于評估模型生成的地震影響場與預存儲的專題圖地圖相疊加后生成的。針對震后不同應急時段生成的動態(tài)信息（如余震序列、災情分布、救災進展等），還需要定制數(shù)據(jù)交互接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動獲取、自動解析、自動渲染和動態(tài)跟蹤制圖。

最后，筆者結(jié)合近幾年地震應急工作的經(jīng)歷，談兩點應急領(lǐng)域技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)方面的思考：

（1）實用至上。應急應用軟件必須運行穩(wěn)定高效、操作直觀便捷、產(chǎn)出實用好用。隨著各類新技術(shù)的涌現(xiàn)， “跟風” 成為一種常態(tài)。有些系統(tǒng)為了大數(shù)據(jù)而大數(shù)據(jù)，為了上云而上云，為了區(qū)塊鏈而區(qū)塊鏈，即便制造困難也要用上新技術(shù)。新技術(shù)的先進性是毋庸置疑的，但是，筆者認為針對實際問題選擇最適合的技術(shù)才是可行之道。

（2）底線思維。應急領(lǐng)域的問題，往往都是關(guān)系到人民群眾生命財產(chǎn)安全的大事。應急應用軟件的重要性是毋庸置疑的。但是，它區(qū)別于實驗室產(chǎn)品，不能只懷有最好的預期，而是要作 “最壞的打算”? 在事件最極端的情況下系統(tǒng)是否可以正常運轉(zhuǎn)？正是以這種思維為前提，面對地震災害，我們提出了本文介紹的這種新穎又實用的技術(shù)體系和實現(xiàn)方法。筆者相信，多一些這種 “底線思維” 的考量，各類應急應用軟件就能更好地發(fā)揮應用實效，面對突發(fā)事件的應急處置，我們才能從容不迫。

致謝

本系統(tǒng)所使用的人員傷亡與經(jīng)濟損失的評估模型由中國地震局工程力學研究所孫柏濤課題組提供，在此深表感謝！審稿專家對本文的修改提出了建設(shè)性的指導意見，在此深表感謝！