基于GIS的區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用研究

肖 斌,曾文敬,朱 慧,王妍婕*

(1.江西省地質(zhì)博物館,330000,南昌;2.江西省大地?cái)?shù)據(jù)有限公司,330001,南昌;3.江西省地震局,330001,南昌)

0 引言

區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱“安評(píng)”)工作作為進(jìn)一步貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“放管服”改革、優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境具體舉措,是踐行以人民安全為宗旨的發(fā)展理念,確保建設(shè)工程抗震設(shè)防要求不降低,最大程度地減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的必然要求;同時(shí),區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)既是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)、保障地震安全的重要環(huán)節(jié),也是減輕地震災(zāi)害、避免大地震產(chǎn)生重大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失、避免造成重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響和環(huán)境破壞的有效途徑。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、全國(guó)城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn),科學(xué)合理的抗震設(shè)防需求成為發(fā)展過(guò)程中必不可少的要求,地震安全性評(píng)價(jià)工作越來(lái)越得到社會(huì)的重視[1]。

在GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展的支撐下,自然資源和生態(tài)環(huán)境行業(yè)領(lǐng)域、水利和農(nóng)業(yè)行業(yè)領(lǐng)域等不斷涌現(xiàn)出新信息技術(shù)應(yīng)用案例。宋超等[2]提出基于“互聯(lián)網(wǎng)+”手段利用GIS技術(shù)和大數(shù)據(jù)在土地衛(wèi)片執(zhí)法中的應(yīng)用;常松[3]提出了基于GIS技術(shù)在智慧水務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用;李忠[4]提出了基于GIS的預(yù)警信息“一張圖”,設(shè)計(jì)了在自然災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急中提供輔助決策作用的應(yīng)用;徐蘭聲[5]、吳紅亞等[6]、李璇瓊等[7]分別提出了基于GIS系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及無(wú)人機(jī)技術(shù)在地震災(zāi)害評(píng)估和救災(zāi)應(yīng)急中的應(yīng)用;三利鵬和馬海軍[8]提出了作用在環(huán)境地質(zhì)污染信息采集一體化中的GIS技術(shù)應(yīng)用。

通過(guò)將GIS技術(shù)與地震安評(píng)技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建出區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)全要素“一張圖”系統(tǒng),輔助區(qū)域地質(zhì)安全性評(píng)價(jià)工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)其基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、安評(píng)成果數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)等二三維一體化資源整合和可視化管理,由此對(duì)有效提升安評(píng)成果應(yīng)用的便捷性具有重要的意義。

1 GIS技術(shù)在安評(píng)中的優(yōu)勢(shì)

GIS是通過(guò)對(duì)地理空間實(shí)體以及現(xiàn)象的特征要素進(jìn)行表達(dá)、獲取、處理、管理、分析與應(yīng)用的計(jì)算機(jī)空間或時(shí)空信息系統(tǒng),包含對(duì)空間數(shù)據(jù)的采集與輸入、對(duì)空間數(shù)據(jù)的編輯與更新、對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)、對(duì)空間數(shù)據(jù)的查詢與分析、對(duì)數(shù)據(jù)的顯示與應(yīng)用等功能,可以通過(guò)模擬與預(yù)測(cè)的功能為人類解決現(xiàn)實(shí)世界中的規(guī)劃和重大決策問(wèn)題提供支持。近年來(lái),GIS技術(shù)已在自然資源管理、環(huán)境評(píng)估、資源調(diào)查、水利、國(guó)土空間規(guī)劃、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用涉及分析、預(yù)警、預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、輔助決策及協(xié)同應(yīng)急等各個(gè)環(huán)節(jié)[9-11]?；贕IS和空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)區(qū)域安評(píng)成果數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息和圖件等資料進(jìn)行數(shù)字化建檔和可視化管理,提升應(yīng)用服務(wù)水平,加強(qiáng)信息之間交換共享。

2 基于GIS和大數(shù)據(jù)的區(qū)域性地震安評(píng)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),由上至下分為用戶層、服務(wù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行環(huán)境支撐層等,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 高效可視化動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)流程

用戶層:包括各業(yè)務(wù)處室、各級(jí)部門、系統(tǒng)管理員和普通用戶。

應(yīng)用層:包含管理端和用戶端兩塊,其中用戶端包括:地震環(huán)境、場(chǎng)地條件、物探、場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)、地震動(dòng)參數(shù)分區(qū)、地震地質(zhì)災(zāi)害;管理端包括:角色管理、用戶管理、系統(tǒng)管理、日志管理、項(xiàng)目管理等功能。

數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層是存儲(chǔ)和提供系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù),本系統(tǒng)基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和Redis建立數(shù)據(jù)層,數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息庫(kù)、地震動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、項(xiàng)目數(shù)據(jù)、地震地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶數(shù)庫(kù)、區(qū)評(píng)數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)和文檔資料等數(shù)據(jù)。

支撐層:包括數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心作為數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)支撐,系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境需在JDK8以上版本環(huán)境中運(yùn)行,采用SpringBoot后端框架和Vue前端框架進(jìn)行構(gòu)建。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)空間大數(shù)據(jù)高效可視化技術(shù)。為解決數(shù)據(jù)量大規(guī)模前提下,數(shù)據(jù)顯示效率不高的瓶頸,系統(tǒng)基于海量矢量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)快速渲染引擎,對(duì)海量矢量數(shù)據(jù)渲染性能優(yōu)化提速,解決上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源、異構(gòu)、海量、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等各類時(shí)空大數(shù)據(jù)在一張圖上進(jìn)行高效可視化表達(dá)。

2)GIS二三維一體化技術(shù)。充分利用GIS二三維一體化技術(shù),研究多層次、多要素地震數(shù)據(jù)全空間一體化分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的全空間一體化聯(lián)動(dòng)智能分析和可視化表達(dá),為地震數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用提供分析和表達(dá)的技術(shù)支撐。包括地震數(shù)據(jù)與模型的統(tǒng)一管理、二三維一體化展示、聯(lián)動(dòng)查詢和數(shù)全空間一體化聯(lián)動(dòng)檢索、智能分析和動(dòng)態(tài)模擬。

3)智能定制與彈性擴(kuò)展技術(shù)。一是核心功能靈活定制與管理,核心功能設(shè)計(jì)遵循交互式模板靈活定制的思想,采用定制策略、定制模板等技術(shù)思路,滿足數(shù)據(jù)查詢、綜合統(tǒng)計(jì)等相關(guān)功能。在查詢分析和統(tǒng)計(jì)分析方面,可以定制各種專題查詢和統(tǒng)計(jì)模板,自由選擇所需的數(shù)據(jù)源、字段、范圍和統(tǒng)計(jì)方法,從而為各類地震專題數(shù)據(jù)定制出多種多樣的快速查詢和統(tǒng)計(jì)功能,能夠幫助用戶突破專題系統(tǒng)的功能局限,滿足各類數(shù)據(jù)不斷擴(kuò)展和綜合管理的需要。二是場(chǎng)景功能的彈性擴(kuò)展管理,底層場(chǎng)景功能模塊采用插件式開發(fā),所有功能既可插裝,也可卸載,伸縮性強(qiáng)。用戶可以利用標(biāo)準(zhǔn)的插件接口不斷擴(kuò)展個(gè)性功能,有效解決了場(chǎng)景功能平滑擴(kuò)展的實(shí)際難題,實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、松耦合”。

2.3 構(gòu)建安評(píng)數(shù)據(jù)庫(kù)

GIS技術(shù)在區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)服務(wù)過(guò)程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在安評(píng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè),數(shù)據(jù)庫(kù)涉及地理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù),具有對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的功能,針對(duì)項(xiàng)目涉及的數(shù)據(jù)量和服務(wù)平臺(tái)的功能特點(diǎn)。安評(píng)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要有基礎(chǔ)地理信息和安評(píng)專題數(shù)據(jù)兩部分組成,數(shù)據(jù)庫(kù)以GIS Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理,再利用要素編碼或ID號(hào)連接屬性數(shù)據(jù)庫(kù)與空間屬性,且空間數(shù)據(jù)庫(kù)坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000大地坐標(biāo)系。而非空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文檔數(shù)據(jù)和成果圖件數(shù)據(jù)構(gòu)成。

2.4 功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)的主要功能由安評(píng)成果“一張圖”、項(xiàng)目管理和系統(tǒng)管理三部分組成。平臺(tái)基于一張圖實(shí)現(xiàn)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)資源整合,實(shí)現(xiàn)安評(píng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、可視化管理和應(yīng)用服務(wù)。一張圖展示包括GIS基礎(chǔ)功能與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綜合展示、地圖查詢與分析、可視化查看所有數(shù)據(jù)資源目錄。

在一張圖的基礎(chǔ)上提供基于GIS空間位置或?qū)傩赃M(jìn)行區(qū)域地震安全性評(píng)價(jià)成果查詢輸出功能,包括地層結(jié)構(gòu)不同參數(shù)、不同超越概率水準(zhǔn)基巖與地表地震動(dòng)參數(shù)成果及圖件等。查詢方式支持GIS地圖點(diǎn)擊查看、條件篩選方式進(jìn)行查詢信息,以圖表、圖件等方式展示。功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1)地震環(huán)境。地震環(huán)境選項(xiàng)包括:區(qū)域地震構(gòu)造圖、近場(chǎng)區(qū)域地震構(gòu)造圖、區(qū)域地震震中構(gòu)造圖、近場(chǎng)區(qū)地震震中分布圖四個(gè)功能,如圖5。

圖5 地震環(huán)境

2)場(chǎng)地條件。場(chǎng)地條件選項(xiàng)包括:工程地質(zhì)分區(qū)圖、工程地質(zhì)刨面圖、目標(biāo)區(qū)鉆孔柱狀圖、波速測(cè)試成果圖4個(gè)按鈕菜單。其中,工程地質(zhì)分區(qū)圖和工程地質(zhì)刨面圖為多選框,勾選后右側(cè)地圖區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)相應(yīng)的圖層;選擇目標(biāo)區(qū)鉆孔柱狀圖或波速測(cè)試成果圖則將出現(xiàn)鉆孔選項(xiàng)框,選擇需要查詢的對(duì)應(yīng)的鉆孔即會(huì)彈出相應(yīng)的柱狀圖或成果圖,如圖6。

圖6 場(chǎng)地條件

3)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)查詢。利用內(nèi)嵌地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算模型及GIS分析與定位能力,實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)定場(chǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,輸入該點(diǎn)位置、工程類型和場(chǎng)地類別后,具備能夠給出基于區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果、符合場(chǎng)地條件和工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所需要概率水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù)的功能,包括峰值加速度、加速度反應(yīng)譜和地震動(dòng)加速度時(shí)程,如圖7～圖10。

圖7 場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)

圖8 地震動(dòng)參數(shù)模型計(jì)算查詢

圖9 地震動(dòng)加速度時(shí)程

圖10 地震動(dòng)反應(yīng)圖譜

4)地震地質(zhì)災(zāi)害。地震地質(zhì)災(zāi)害選項(xiàng)包括:50年63%、50年10%、50年2% 3種概率,其中都包含砂土液化分區(qū)圖、軟土震陷分區(qū)圖、滑坡崩塌分區(qū)圖、活動(dòng)斷層斷錯(cuò)分區(qū)圖。鼠標(biāo)左鍵單擊相應(yīng)的菜單按鈕即會(huì)彈出相應(yīng)的分區(qū)圖片,如圖11。

圖11 地震地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)

5)項(xiàng)目管理。項(xiàng)目用于創(chuàng)建新的項(xiàng)目,確認(rèn)項(xiàng)目所屬地區(qū),方便后期用戶的歸屬。該模塊支持機(jī)項(xiàng)目的創(chuàng)建、編輯、刪除、查詢、啟用等操作。

數(shù)據(jù)錄入及檢查主要提供平臺(tái)區(qū)評(píng)估數(shù)據(jù)的錄入和質(zhì)檢,支持錄入目標(biāo)區(qū)數(shù)據(jù)、鉆孔信息、土層計(jì)算模型、反應(yīng)圖譜數(shù)據(jù)、時(shí)程圖數(shù)據(jù)、場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)分區(qū)、場(chǎng)地條件、地震地質(zhì)災(zāi)害、地震環(huán)境、地震危險(xiǎn)性概率分析、物探等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及檢查。

6)系統(tǒng)運(yùn)維系統(tǒng)。系統(tǒng)管理:包括用戶管理、角色管理、菜單管理、部門管理、字典管理等。

3 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)工作中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和安評(píng)成果等數(shù)據(jù)的一張圖展示、查詢、管理等功能,提高了成果的數(shù)字化、可視化水平,實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)成果全息可視化管理,提升了安評(píng)成果管理與應(yīng)用的便捷性。現(xiàn)已在江西省震災(zāi)防治中心上線運(yùn)行,成功應(yīng)用于《江西臨川經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)》等服務(wù)項(xiàng)目,能根據(jù)臨川設(shè)定場(chǎng)址位置和場(chǎng)地工程地質(zhì)條件,自動(dòng)計(jì)算出該地區(qū)50年或100年63%、10%、2%生成對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù),為地震地質(zhì)災(zāi)害初步評(píng)價(jià)結(jié)果提供信息化平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐,取得了較好的社會(huì)效益。隨著區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)工作體系的不斷健全,后續(xù)將根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求不斷完善功能并進(jìn)行拓展,使之能夠更好地服務(wù)于區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)工作,實(shí)現(xiàn)安評(píng)數(shù)據(jù)的共享融合。