基于 Python 和天地圖的地震應(yīng)急快速反應(yīng)系統(tǒng)研究?以江蘇地區(qū)為例

余其鵬　董建平

摘要為提升地震應(yīng)急能力，方便震后快速獲取地震影響場、地震應(yīng)急專題圖件和快速評估報(bào)告，為地震應(yīng)急決策和救援提供專業(yè)技術(shù)支持。通過 QT 開發(fā)可視化窗體，利用天地圖 API 調(diào)用天地圖作為底圖，天地圖逆地理服務(wù) API 獲取基礎(chǔ)地理信息，最后疊加地震專題數(shù)據(jù)。用戶輸入震中經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息后，Arcpy庫自動(dòng)批量創(chuàng)建震中地區(qū)地震專題圖件，并利用 Python-docx 庫自動(dòng)產(chǎn)出快速評估報(bào)告。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，Python 腳本封裝后系統(tǒng)程序只有一個(gè)單文件，即拷即用，部署簡單，專題圖批量生產(chǎn)、自動(dòng)化產(chǎn)出震情簡報(bào)等，應(yīng)急效率顯著提升，地震應(yīng)急信息化服務(wù)水平顯著提高。

關(guān)鍵詞地震；地震專題圖；地震應(yīng)急；Python

中圖分類號： P315.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：2096-7780（2023）07-0296-07

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-139

Research on earthquake emergency rapid response system based on Python and Tianditu： A case study of Jiangsu

Yu Qipeng，Dong Jianping

（Zhenjiang Seismic Station， Jiangsu Zhenjiang 212000， China）

AbstractIn order to enhance earthquake emergency response capability，and to conveniently and quickly obtain seismic influence field，earthquake emergency thematic maps，and to rapidly assess post-earthquake reports，it is able to provide professional technical support for earthquake emergency decision-making and rescue. We develop visualization form through QT，use the Tianditu map API to call Tianditu map as the base map，and use Tianditu map geocoding API to obtain the basic geographic information，and finally overlay the seismic thematic data. After users input information such as epicenter latitude and longitude coordinates，arcpy library automatically creates a batch of earthquake thematic maps for the epicenter area，and a rapid assessment report is automatically output by using the Python-docx library. The actual application results show that the system program has only a single file after the Python script encapsulated，whichis ready to be copied and used，making it easy to deploy. It has features such as mass production of thematic maps and automatedoutputof earthquake briefings. Thesefunctions haveled toasignificant increaseinemergency response efficiency. The level of seismic emergency information service has been significantly advanced.

Keywordsearthquake; earthquake thematic map; earthquake emergency; Python

引言

在我國，地震災(zāi)害被列為群災(zāi)之首，地震災(zāi)害死亡人數(shù)居各類自然災(zāi)害死亡人數(shù)之首，比率高達(dá)54%，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國的地震死亡人數(shù)約占全球地震死亡人數(shù)的一半[1]。破壞性地震發(fā)生后，快速產(chǎn)出的震中地區(qū)地震專題圖以及震情簡報(bào)能夠直觀的反應(yīng)出震中情況，為地震應(yīng)急決策和救援提供第一手的參考資料和強(qiáng)有力支持。所以地震相關(guān)專題圖的制作以及震情簡報(bào)都是各級地震工作部門在震后必須要面臨的一項(xiàng)重要的工作任務(wù)，也有著較高要求，因此高效準(zhǔn)確的制作地震影響場、震中地區(qū)歷史地震和構(gòu)造圖等專題圖件，以及快速形成一份專業(yè)震情簡報(bào)以及后續(xù)的震情詳細(xì)情況報(bào)告具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從國內(nèi)外研究來看，關(guān)于地震應(yīng)急專題圖以及震情評估報(bào)告的制作，許多學(xué)者通過手動(dòng)、自動(dòng)、本地網(wǎng)絡(luò)等多種方法進(jìn)行過探索。馬寶君等[2]利用 VB6.0 開發(fā)系統(tǒng)，建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫和獨(dú)立的地震應(yīng)急圖件產(chǎn)出平臺獲取專業(yè)圖件并批量輸出。樊琪和劉洪光[3]通過建立預(yù)存儲(chǔ)的地圖切片數(shù)據(jù)拼接出需要的應(yīng)急專題圖地理底圖，以達(dá)到快速批量出圖的目的。韓貞輝等[4]利用 Python 語言編寫腳本程序調(diào)用預(yù)制的地震應(yīng)急指揮專題圖模板進(jìn)行出圖。程顯洲等[5]利用 ArcGIS 模型構(gòu)建器快速調(diào)取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。使用Arcpy自動(dòng)出圖腳本進(jìn)行自動(dòng)批量制圖，從而加快不同要求下地震應(yīng)急專題圖的制圖速度，提高專題圖的出圖效率。利用天地圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地圖是研究者們常用的方法，孫哲等[6]通過研究“天地圖—陜西”的切片方式和服務(wù)方式，在 ArcGIS 中實(shí)現(xiàn)了天地圖瓦片數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合并基于 Python 語言和ArcPy包的出圖技術(shù)。Zhou 等[7]基于ArcPy進(jìn)行漁業(yè)海洋圖集自動(dòng)化制作，有效提高了繪制效率。Buckley和 Watkins[8]基于 GIS 數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)制圖，總結(jié)了具體的自動(dòng)化地圖制作工作流程。

針對前述研究，地震應(yīng)急快速反應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題有：一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，即能夠及時(shí)調(diào)整更新系統(tǒng)內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使其始終保持最新的數(shù)據(jù)；二是個(gè)性化定制性，即針對不同的需求，可以快速方便的調(diào)整產(chǎn)品的產(chǎn)出。本文利用 Python 語言，通過 QT 開發(fā)可視化窗體，結(jié)合天地圖 API 調(diào)用天地圖作為底圖，天地圖逆地理服務(wù) API 獲取基礎(chǔ)地理信息，保證了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，并疊加本地地震專題數(shù)據(jù)。用戶輸入震中經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息后，Arcpy庫自動(dòng)批量創(chuàng)建震中地區(qū)地震專題圖件，并利用 Python- docx 庫自動(dòng)產(chǎn)出快速評估報(bào)告。本文通過天地圖 API 獲取基礎(chǔ)地理信息，擺脫保密數(shù)據(jù)限制，同時(shí)將 Python 腳本封裝后系統(tǒng)程序只有一個(gè)單文件，無需安裝，即拷即用，具有部署簡單，專題圖批量生產(chǎn)、自動(dòng)化產(chǎn)出震情簡報(bào)等優(yōu)點(diǎn)，讓軟件產(chǎn)出更加豐富和可調(diào)整，讓應(yīng)急效率顯著提升，地震應(yīng)急信息化服務(wù)水平得到顯著提高。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

江蘇位于長江三角洲地區(qū)，總面積10.72萬 km2，下轄13個(gè)地級行政區(qū)。江蘇及其周邊地區(qū)位于華北、華南兩大地震區(qū)的交接部位， 多年來一直被列為我國地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)[9]。江蘇地區(qū)在大地構(gòu)造上跨越中朝斷塊、揚(yáng)子斷塊和秦嶺—大別褶皺帶3大一級單元構(gòu)造[10]。該地區(qū)內(nèi)有郯廬斷裂、茅山斷裂帶等多條斷裂帶，2012—2022年10年來，江蘇地區(qū)大約發(fā)生 ML ≥2地震106次，其分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用到的數(shù)據(jù)主要是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和地震專題數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是利用天地圖 API 調(diào)用天地圖作為底圖，天地圖逆地理服務(wù) API 獲取基礎(chǔ)地理信息，如行政區(qū)、交通、POI（興趣點(diǎn)）等。另外一個(gè)是地震專題數(shù)據(jù)，包括歷史地震和斷層數(shù)據(jù)。本研究的地震目錄數(shù)據(jù)和斷層數(shù)據(jù)均源于中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.earthquake.cn），地震目錄數(shù)據(jù)記錄了研究時(shí)間段內(nèi)所有 ML ≥2.0的地震，數(shù)據(jù)列出了發(fā)震時(shí)間、經(jīng)緯度、震源深度、震級、參考位置等詳細(xì)記錄，為xls存儲(chǔ)格式，斷層數(shù)據(jù)為1/400萬中國活動(dòng)構(gòu)造空間數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)格式為shapfile矢量格式。為了方便研究和存儲(chǔ)，研究建立了 Geodatabase 空間數(shù)據(jù)庫[1 ， 11]，將地震目錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)，然后建立數(shù)據(jù)集并導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫，同時(shí)將斷層數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集也導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫。

2 研究框架

本文利用 Python 編程語言，使用天地圖 API 調(diào)用天地圖作為底圖，天地圖逆地理服務(wù) API 獲取基礎(chǔ)地理信息，并疊加本地地震專題數(shù)據(jù)。使用Arcpy庫自動(dòng)批量創(chuàng)建震中地區(qū)地震專題圖件，并利用 Python-docx 庫自動(dòng)產(chǎn)出快速評估報(bào)告。通過 QT 開發(fā)可視化窗體，QT 是 Python 開發(fā)窗體的工具，具有良好的兼容性，支持 Windows、Linux、MacOS X 三大操作系統(tǒng)。用戶只需要輸入震中經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息，程序即可自動(dòng)運(yùn)行。最后利用Pyinsatller對程序進(jìn)行封裝成單文件文本，方便使用。其技術(shù)路線圖如圖2所示。系統(tǒng)界面如圖3所示。

2.1 專題圖制作

地震發(fā)生后，快速產(chǎn)出地震專題圖件是地震應(yīng)急的重要部分，為了規(guī)范破壞性地震應(yīng)急專題圖件的制作，中國地震臺網(wǎng)中心發(fā)布了《破壞性地震應(yīng)急專題圖件產(chǎn)出與產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)》。本研究專題圖部分主要包括地震影響場快速評估圖、震中位置圖、歷史地震分布圖、震中地區(qū)斷層分布圖、震中與主要城市距離圖以及震區(qū)人口密度圖等圖件（圖4）。

2.1.1 地震影響場生成

自動(dòng)生成影響場的具體計(jì)算步驟為：

（1）通過聶高眾等[12]在2018年提出的震中烈度與震級、震源深度的關(guān)系式計(jì)算出震中烈度大小，公式如下：

式中，Ie是震中地區(qū)的烈度，M 是震級，H 是震源深度。

（2）確定影響場的方向，本研究通過查看距離震中最近的地震活動(dòng)斷層的走向來確定烈度圈的方向。

（3）通過中國東部地區(qū)烈度衰減模型[13]，計(jì)算出烈度圈的長軸和短軸，公式如下：

式中，Ra 為長軸，Rb 為短軸，I 為烈度值，M 為震級，標(biāo)準(zhǔn)差取值為0.517。

（4）通過公式（2），可以計(jì)算出烈度圈的長軸和短軸，具體公式如下：

通過上述方法輸入震級和震源深度，以等效圓的方式展現(xiàn)。其生成的烈度圖如圖5所示。

2.1.2 地震專題圖生成

地震發(fā)生后的情況比較復(fù)雜，本研究按照《破壞性地震應(yīng)急專題圖件產(chǎn)出與產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行出圖，利用Arcpy庫將不同需求目錄下的mxd模板文件轉(zhuǎn)化成可打印的 jpg 文件，快速出圖。除了震后第一時(shí)間產(chǎn)出震中分布圖、震區(qū)歷史地震圖、烈度分布圖和行政區(qū)劃圖等外，還盡可能滿足多種用途，并不斷補(bǔ)充各類專題地圖，更好地服務(wù)于地震應(yīng)急（圖6）。

2.2 快速評估報(bào)告產(chǎn)出

本文按照《江蘇省防震減災(zāi)條例》以及本地區(qū)的地震應(yīng)急預(yù)案，制作快速評估報(bào)告模板，內(nèi)容包括震情基本信息、距主要城市距離、震中地區(qū)歷史地震和構(gòu)造情況、影響區(qū)域以及相應(yīng)建議等，系統(tǒng)利用 Python-docx 庫將計(jì)算的數(shù)據(jù)和前期生成的專題圖插入模版自動(dòng)生成快速評估報(bào)告（圖7）。為領(lǐng)導(dǎo)和專家的地震救援決策提供參考和服務(wù)，以支撐應(yīng)急救援的協(xié)調(diào)指揮。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在鎮(zhèn)江市防震減災(zāi)工作中開始應(yīng)用，為全市、全省多次地震應(yīng)急演練以及小震的處置工作提供輔助決策支持，快速產(chǎn)出專題圖件和快速評估報(bào)告，軟件也在多次演練反饋中得到了不斷改進(jìn)和優(yōu)化。

3 結(jié)論和展望

本文利用 Python 語言，通過 QT 開發(fā)可視化窗體，采用天地圖 API 調(diào)用天地圖作為底圖，天地圖逆地理服務(wù) API 獲取基礎(chǔ)地理信息，疊加地震專題數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)庫。用戶輸入震中經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息后，系統(tǒng)自動(dòng)批量創(chuàng)建地震專題圖件，并自動(dòng)產(chǎn)出快速評估報(bào)告。實(shí)際成果已經(jīng)應(yīng)用于鎮(zhèn)江市多次地震應(yīng)急演練中，效果顯著，專題圖和快速評估報(bào)告均能在3 min 內(nèi)自動(dòng)生成，且程序只有一個(gè)單文件，即拷即用，部署簡單，讓應(yīng)急效率顯著提升，地震應(yīng)急信息化服務(wù)水平得到顯著提高。

地方地震應(yīng)急系統(tǒng)的建設(shè)通常是長期補(bǔ)充優(yōu)化的過程。雖然本文中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用天地圖，在更新上比較方便，但系統(tǒng)仍有需要完善和改進(jìn)的地方，如調(diào)用天地圖 API 依賴網(wǎng)絡(luò)，地震評估模型還不完善，與其他部門數(shù)據(jù)共享不盡完善等。下一步將在開發(fā)單機(jī)版系統(tǒng)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)高效更新，以及不同行業(yè)的數(shù)據(jù)共享方面進(jìn)行深入探索。

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