滇西地區(qū)基于單體建筑的震后人員死亡評(píng)估方法研究

許瑞杰 賈召亮 鄭川 吳艷梅 壯延 曹彥波 李兆隆

摘要：震后死亡人數(shù)是震后應(yīng)急響應(yīng)和救援工作的重要基礎(chǔ)。為提高震后人員死亡評(píng)估精度，從云南縣（區(qū)）城鎮(zhèn)化率、建筑面積和建筑樓層數(shù)考慮，提出了一種基于單體建筑的人口分配方法；以建筑的致死性矩陣為基礎(chǔ)，使用滇西地區(qū)建筑數(shù)據(jù)和歷史地震死亡人數(shù)計(jì)算本地化修正系數(shù)，得到了該地區(qū)基于建筑類型的人員死亡評(píng)估方法；以2021年云南漾濞6.4級(jí)地震為例，對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)和三維可視化。結(jié)果表明：①基于單體建筑的人口分布空間比傳統(tǒng)的公里格網(wǎng)更加精細(xì)；②基于單體建筑評(píng)估的受災(zāi)人口和實(shí)際受災(zāi)人口之間的相對(duì)誤差為3.7%，精度較好；③基于單體建筑致死性評(píng)估的漾濞地震人員死亡評(píng)估結(jié)果為0～3人，符合實(shí)際情況；④三維表達(dá)能夠增加信息表達(dá)的直觀性和豐富程度。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)误w建筑；致死性；死亡評(píng)估；漾濞地震；滇西地區(qū)

中圖分類號(hào)：P315.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2023）03-0394-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0039

0引言

震后死亡人數(shù)是開展地震應(yīng)急救援工作的重要信息，是各級(jí)政府關(guān)注的核心問(wèn)題之一。近年來(lái)，全國(guó)各個(gè)省級(jí)地震部門均開展了震后死亡人數(shù)的評(píng)估工作，輔助震后應(yīng)急響應(yīng)和決策分析，提高了省級(jí)地震部門的應(yīng)急響應(yīng)能力。然而，由于影響地震人員死亡的因素較多，如地震、區(qū)域環(huán)境、建筑物及其他因素（馮志澤等，1996），不同影響因素對(duì)于人員死亡數(shù)量的影響作用也不盡相同，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確評(píng)估地震造成的人員傷亡（聶高眾等，2021）。如若震后第一時(shí)間無(wú)法確定較為精準(zhǔn)的死亡人數(shù)和死亡人員分布，決策者無(wú)法明確救援地區(qū)、救援物資種類和數(shù)量、量化救援隊(duì)伍人數(shù)等，將阻礙了救援工作的部署、調(diào)度和實(shí)施。在此背景下，進(jìn)一步探尋更加精準(zhǔn)的震后人員死亡評(píng)估研究，有助于決策者研判救援的重點(diǎn)地區(qū)，從而有針對(duì)性地提出應(yīng)急對(duì)策，指導(dǎo)應(yīng)急救援工作。

目前，震后人員死亡評(píng)估的研究方法主要有三類：一是基于地震參數(shù)構(gòu)建評(píng)估模型（李媛媛等，2015；陳黛等，2017；Xing，Jin，2018），該類方法基于震級(jí)、烈度、震源深度等參數(shù)建立地震與人員死亡的關(guān)系和模型，并用該模型評(píng)估地震造成的人員死亡。如陳堯（2015）依托震級(jí)和烈度，結(jié)合發(fā)震時(shí)間、人口密度、地質(zhì)災(zāi)害等因素，建立了人員傷亡的評(píng)估模型。該類方法參數(shù)少、數(shù)據(jù)易獲取，但評(píng)估結(jié)果與實(shí)際差異較大，需要結(jié)合地區(qū)的地形地貌、經(jīng)濟(jì)水平等條件進(jìn)行人工修正。二是基于單體建筑致死性的方法（王野等，2021；閆佳琦等，2021；鄭山鎖等，2019；張露露等，2021；So，Spence，2013；Chaoetal，2020），該類方法考慮不同結(jié)構(gòu)類型的建筑在不同烈度下的破壞程度，建立了建筑破壞程度與人員死亡的擬合關(guān)系。如夏朝旭（2020）基于1966年以來(lái)121次有人員死亡的歷史地震數(shù)據(jù)，建立了一種基于建筑致死性矩陣的人員死亡評(píng)估模型。該類方法流程清晰、評(píng)估結(jié)果較為準(zhǔn)確，然而由于建筑數(shù)量多、分布廣，難以獲取準(zhǔn)確的建筑數(shù)據(jù)，尤其是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，農(nóng)村地區(qū)建筑更新迭代周期加快，導(dǎo)致數(shù)據(jù)時(shí)效性較差，無(wú)法滿足應(yīng)急需求。三是基于人工智能的新方法，該類方法最早用于預(yù)測(cè)地震的三要素（Asimetal，2018；Marhain，2021），之后推廣應(yīng)用于人員傷亡的預(yù)測(cè)（王晨暉等，2019），如Xing等（2020）使用1970—2017年中國(guó)大陸84次有人員死亡的地震，利用超限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）方法建立了地震人員傷亡的預(yù)測(cè)模型。該類方法解決了傳統(tǒng)人員死亡評(píng)估中多維指標(biāo)和非線性的問(wèn)題，提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性，然而機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要多次迭代才能獲得最優(yōu)解，并且參數(shù)需要多次手動(dòng)調(diào)整，泛化能力差，容易出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。

綜上所述，基于單體建筑致死性的人員死亡評(píng)估方法流程清晰、結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確、可靠性較高，其難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)獲取渠道窄、時(shí)效性差。隨著云南地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作的推進(jìn)，高精度的建筑數(shù)據(jù)逐漸豐富，為該方法提供了系統(tǒng)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。綜合比較云南省的建筑數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滇西地區(qū)建筑數(shù)據(jù)相對(duì)豐富且精度較高，因此，本文以單體建筑致死性的方法為基礎(chǔ)，使用滇西地區(qū)歷史地震資料計(jì)算本地化修正系數(shù)，提出了基于單體建筑的滇西地區(qū)人員死亡的評(píng)估方法，并以2021年5月21日漾濞6.4級(jí)地震為例，說(shuō)明該方法在地震中的應(yīng)用，為基于單體建筑的人員死亡評(píng)估本地化的研究提供參考。

1研究區(qū)與數(shù)據(jù)集

1.1研究區(qū)概況

參照前人研究成果（周光全等，2011）和云南地區(qū)現(xiàn)行的烈度評(píng)估模型的地區(qū)分區(qū)（張方浩等，2016；郭少文等，2022），云南斷塊可分為西部、中部和東部3個(gè)部分，本文研究區(qū)域?yàn)樵颇衔鞑繑鄩K（下文統(tǒng)稱為滇西地區(qū)），該區(qū)域從北向南地勢(shì)逐漸降低，北部高山峽谷相間，地勢(shì)險(xiǎn)峻，山嶺和峽谷相對(duì)高差超過(guò)1000m。南部群山連綿，河谷開闊，地勢(shì)相對(duì)緩和（圖1a）。區(qū)域內(nèi)涉及云南11個(gè)州（市）、62個(gè)縣和567個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積約18.28萬(wàn)km2，占云南總面積的45.38%，人口1883.35萬(wàn)，占云南總?cè)丝诘?7.82%。從人口公里格網(wǎng)分布圖（圖1b）、遙感影像解譯和實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域人口分布呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：一是北部和南部人口相對(duì)較少，主要聚集在中部；二是人口沿著河谷和山間盆地分布。

云南省有歷史記載的M≥5.0地震共計(jì)410次，其中滇西地區(qū)共有178次，占43%，其中震級(jí)最大的地震為1988年11月6日的瀾滄北7.4級(jí)地震。近十年以來(lái)，滇西地區(qū)共發(fā)生M≥5.0地震14次，其中震級(jí)最大的地震為2021年5月21日漾濞6.4級(jí)地震。考慮到滇西地區(qū)復(fù)雜的地形地貌，人員分布特點(diǎn)和歷史地震活動(dòng)特點(diǎn)，選擇該區(qū)域開展人員死亡評(píng)估研究工作，可為當(dāng)?shù)氐卣饝?yīng)急救援提供決策依據(jù)。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)主要包括云南縣級(jí)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、建筑圖斑數(shù)據(jù)和歷史地震死亡人口數(shù)據(jù)。

云南縣級(jí)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《云南行政區(qū)劃簡(jiǎn)冊(cè)（2020）》（云南省民政廳，云南省地圖院，2021），統(tǒng)計(jì)人口為常住人口，時(shí)限為2019年。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省地震局地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)限為2019年。建筑圖斑數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省地震局組織實(shí)施完成的任務(wù)項(xiàng)目——“基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的云南省房屋抗震設(shè)防能力初判工作”，該項(xiàng)工作勾畫了全省建筑的圖斑，并通過(guò)遙感影像、街景地圖和實(shí)地調(diào)研的方式判別建筑的結(jié)構(gòu)類型和樓層數(shù)，時(shí)限為2020年底。歷史地震死亡人口數(shù)據(jù)來(lái)源于1992—2021年的地震災(zāi)害損失評(píng)估報(bào)告。

2研究方法

2.1單體建筑人口分配

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，云南縣級(jí)人口分布呈現(xiàn)出3個(gè)特點(diǎn)：一是人口逐漸從農(nóng)村向城鎮(zhèn)遷移，鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鎮(zhèn)化率不斷提高；二是面積越大的建筑，人口越多；三是局部地區(qū)的高層建筑較多，導(dǎo)致小面積的土地聚集大量的人口。因此，本文通過(guò)城鎮(zhèn)化率、建筑面積和建筑樓層數(shù)3個(gè)因素對(duì)人口進(jìn)行分配，具體分3步。

死亡率（Xi）代表了一次破壞性地震中，死亡人數(shù)與受災(zāi)人數(shù)的比例。本文采用中國(guó)地震局地質(zhì)研究基于全國(guó)震例擬合得出提出的致死性水平矩陣（表1），該矩陣可建立不同建筑結(jié)構(gòu)類型在遭受不同烈度破壞時(shí)受災(zāi)人數(shù)與人員死亡的比例。不適合滇西地區(qū)，因此本文引入R來(lái)開展滇西地區(qū)的本地化研究。

本文使用歷史震例和2020年建筑數(shù)據(jù)確定修正系數(shù)（R）。由于缺少歷史建筑數(shù)據(jù)，歷史震例的選取考慮了兩點(diǎn)：一是發(fā)震年份距2020年相對(duì)較短。由于社會(huì)發(fā)展和脫貧攻堅(jiān)成效，農(nóng)村建筑的類型、結(jié)構(gòu)變化較大，使用此類震例能更好與2020年建筑數(shù)據(jù)匹配。二是歷史震例要有典型性。典型地震的選取原則是震級(jí)大（MS≥6.0）、有人員死亡、社會(huì)影響廣泛。本文典型地震選取2021年5月21日漾濞6.4級(jí)地震，歷史地震時(shí)間段選取為2014—2021年。計(jì)算2014—2021年滇西地區(qū)14次MS≥5.0地震的人員死亡結(jié)果，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（表2）。由表2可見：震后死亡人數(shù)評(píng)估結(jié)果區(qū)間數(shù)量級(jí)滿足應(yīng)急需求，但精度不夠；每個(gè)地震的死亡人數(shù)評(píng)估結(jié)果的最小值均略高于實(shí)際死亡人數(shù)。

取震后死亡人數(shù)評(píng)估結(jié)果的最小值作為評(píng)估死亡人數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)?shù)卣鹱罡吡叶葹棰鰰r(shí)，評(píng)估死亡人數(shù)為1，實(shí)際死亡人數(shù)為0，符合實(shí)際情況；②當(dāng)?shù)卣鹱罡吡叶葹棰鲿r(shí)，評(píng)估死亡人數(shù)為1～2，實(shí)際死亡人數(shù)為0，兩者偏差不大，R=1。③當(dāng)?shù)卣鹱罡吡叶葹棰鴷r(shí)，評(píng)估死亡

3結(jié)果與討論

2021年5月21日云南漾濞發(fā)生6.4級(jí)地震，最高烈度為Ⅷ度，共造成3人死亡，34人受傷，898003人受災(zāi)。本文以該地震為例，對(duì)Ⅵ度區(qū)及以上地區(qū)的受災(zāi)人口和人員死亡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

3.1人口分布評(píng)估結(jié)果

漾濞地震Ⅵ度及以上地區(qū)單體建筑人口數(shù)量差異極大（圖2a），最低1人，最高1218人，共計(jì)970826人，人口分布具有東密西疏的特點(diǎn)，主要集中在山間低谷的城鎮(zhèn)地區(qū)。圖2b表示距震中最近的蒼山西鎮(zhèn)主城區(qū)的單體建筑人口分布情況。蒼山西鎮(zhèn)主城區(qū)內(nèi)人口約2萬(wàn)人，單體建筑人口平均值為8人，30人以上的單體建筑占24%。圖2c為Ⅵ度以上地區(qū)內(nèi)人口密度最高地區(qū)（下關(guān)街道）的單體建筑人口分布情況。下關(guān)街道人口總計(jì)24萬(wàn)，視圖范圍內(nèi)人口約6萬(wàn)，單體建筑人口平均值為37人，30人以上的單體建筑占53%。

3.2人員死亡評(píng)估結(jié)果

人員死亡評(píng)估結(jié)果采用人員死亡風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)表示。人員死亡風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)是單體建筑人口和對(duì)應(yīng)死亡率的乘積，是反映單體建筑人員死亡概率高低的定性值。根據(jù)《地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)及數(shù)據(jù)規(guī)范》中國(guó)地震局.2021.地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)及數(shù)據(jù)規(guī)范（FXPC/DZP-02，第一次全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查技術(shù)規(guī)范）.中區(qū)域地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)指標(biāo)和《云南省地震應(yīng)急預(yù)案》云南省人民政府辦公廳.2021.云南省地震應(yīng)急預(yù)案.地震災(zāi)害分級(jí)要求，將人員死亡風(fēng)險(xiǎn)分為4級(jí)，見表3。

圖3a為漾濞地震Ⅵ度及以上地區(qū)的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)。圖3b為距震中最近的蒼山西鎮(zhèn)的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)，該區(qū)域烈度為Ⅷ度，區(qū)域內(nèi)10%的建筑人員死亡風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到Ⅳ級(jí)，80%的建筑人員死亡風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到Ⅲ級(jí)，10%的建筑人員死亡風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到Ⅱ級(jí)。圖3c為震區(qū)人口最密集的下關(guān)街道的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)，該區(qū)域地震烈度為Ⅵ度，區(qū)域內(nèi)95%的建筑的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)為Ⅳ級(jí)，僅有5%的建筑人員死亡風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到Ⅲ級(jí)。

3.3評(píng)估結(jié)果分析

3.3.1關(guān)鍵要素

評(píng)估結(jié)果的精確度主要取決于兩方面因素：一是單體建筑數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，其中的關(guān)鍵是建筑的結(jié)構(gòu)類型和樓層數(shù)。本文采用了滇西地區(qū)的單體建筑結(jié)構(gòu)類型和樓層數(shù)據(jù)，該地區(qū)數(shù)據(jù)數(shù)量相對(duì)豐富且精度相對(duì)較高，是深入研究建筑致死性的良好數(shù)據(jù)。二是地區(qū)修正系數(shù)的確定。本文使用的致死性矩陣是由中國(guó)地震局地質(zhì)研究所基于全國(guó)范圍內(nèi)的震例研究得出的，并不適用于范圍相對(duì)較小的滇西地區(qū)，需要開展本地化研究。本文從地震的典型性和發(fā)震時(shí)間的間隔兩方面，基于2014—2021年滇西地區(qū)14次MS≥5.0地震，計(jì)算了滇西地區(qū)的修正系數(shù)。

3.3.2精度分析

在受災(zāi)人口方面，主要決定因素是烈度圈和人口分布。本文依托單體建筑對(duì)大理地區(qū)的人口分布進(jìn)行模擬，計(jì)算得到漾濞地震Ⅵ度及以上地區(qū)的受災(zāi)人數(shù)，共計(jì)970826人。本次地震實(shí)際受災(zāi)人口為934911人，相差35915人，相對(duì)誤差為3.70%，精度滿足實(shí)際需求。本文評(píng)估死亡人數(shù)為0～3人，實(shí)際死亡人數(shù)3人，相對(duì)誤差0～3人，符合實(shí)際需求。本次地震死亡人數(shù)較少，主要原因是在主震發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)和幾天內(nèi)，相繼發(fā)生了多次4.0級(jí)以上地震。尤其是在主震發(fā)生前20分鐘左右，發(fā)生一次5.7級(jí)地震，部分群眾已采取戶外避險(xiǎn)措施，減少了人員傷亡。

3.3.3信息表達(dá)分析

本文評(píng)估結(jié)果依托單體建筑且建筑具有空間值，有利于三維表達(dá)，因此按照樓層數(shù)將各個(gè)建筑圖斑在空間上進(jìn)行縱向拉伸，再疊加地形數(shù)據(jù)形成專題信息三維模型。在人口分布方面，基于單體建筑的評(píng)估方法Ⅵ度及以上地區(qū)圖斑共計(jì)195444個(gè)，視圖內(nèi)圖斑（圖4a）有2757個(gè)，而云南地震災(zāi)害快速評(píng)估與信息服務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)出圖件中，Ⅵ度及以上地區(qū)圖斑僅有1895個(gè)（圖4c）在死亡風(fēng)險(xiǎn)方面，基于單體建筑的評(píng)估方法采用死亡風(fēng)險(xiǎn)的表達(dá)方式，對(duì)漾濞6.4級(jí)地震Ⅵ度以及上范圍內(nèi)的195444個(gè)建筑圖斑進(jìn)行了評(píng)估，并且能細(xì)分到鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖4b），而評(píng)估系統(tǒng)的人員死亡評(píng)估以縣為基本單位（圖4d），對(duì)Ⅵ度及以上范圍內(nèi)的縣進(jìn)行了評(píng)估。綜合來(lái)看，依托單體建筑三維表達(dá)人口分布和人員死亡風(fēng)險(xiǎn)能大幅提升數(shù)據(jù)的精細(xì)程度和直觀性，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中通過(guò)拉伸、縮放等操作進(jìn)行交互，提升決策者決策能力。

4結(jié)論

震后死亡人數(shù)是震后應(yīng)急響應(yīng)和救援工作的重要基礎(chǔ)，而基于單體建筑的震后死亡人數(shù)評(píng)估不僅能有效提高人口分布和人員死亡數(shù)量的精度，還可以利用建筑樓層數(shù)進(jìn)行三維可視化表達(dá)，提升信息的表現(xiàn)力。本文以滇西地區(qū)為研究區(qū)，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)類型建筑的死亡率和2014—2021年震，得到了滇西地區(qū)基于單體建筑的人口分布和人員死亡的評(píng)估方法，并應(yīng)用于2021年5月21日漾濞6.4級(jí)地震進(jìn)行評(píng)估，得到以下結(jié)論：

（1）本文方法通過(guò)城鎮(zhèn)化率、單體建筑的建筑面積和建筑樓層數(shù)3個(gè)因素可以對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口進(jìn)行再分配，與傳統(tǒng)的人口公里格網(wǎng)相比，數(shù)據(jù)更加精細(xì)。

（2）采用本文的評(píng)估方法得到的漾濞6.4級(jí)地震災(zāi)區(qū)的受災(zāi)人數(shù)和死亡人數(shù)與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近，地震應(yīng)急工作的需要。

（3）基于單體建筑的評(píng)估方法有利于三維表達(dá)，進(jìn)一步增加信息表達(dá)的直觀性。

需要說(shuō)明的是，本文結(jié)果是基于抽樣調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的單體建筑數(shù)據(jù)得出，在大尺度上能夠宏觀反映人口分布，但在小尺度上如社區(qū)、鄉(xiāng)村等應(yīng)用合理性不足。為了消除上述因素影響，還需要開展深入調(diào)查，選用小尺度的鄉(xiāng)村進(jìn)行研究，進(jìn)一步提升評(píng)估結(jié)果的精度。

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