基于GIS的图层叠加法在地震次生火灾区划单元中的应用

2014-03-21 01:10陈艳华

华北理工大学学报(自然科学版) 2014年2期

陈艳华，张琳

(河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009)

0 引言

在破坏性地震的作用下，不仅会导致建筑物、构筑物的大面积毁坏与人员的死伤，同时，次生灾害的发生也是具有破坏性和毁灭性。常引发的地震次生灾害包括滑坡、泥石流、海啸、火灾、水灾、毒气泄漏、放射性伤害等等。其中，地震次生火灾既是最容易发生，也是最具危险性的，从国内外发生的诸多地震震例中可知［1］，大多数破坏性地震都会引发火灾，继发的地震次生火灾往往造成了新的人员伤亡和经济损失，而且它的伤害有时会很大。

地震是具有小概率性和不确定性的，迄今为止，可以用于地震次生灾害研究的历史资料并不是非常充分;且多数城市的特点都是建筑拥挤、人口众多，管线密布，用电设施繁多，所以发生地震次生火灾的可能性很大。如今，防制和抵制地震次生火灾的头等重要工作是综合性评价地震火灾危害，为了实现火灾危险区划评估、消防救援系统、消防火灾情报系统等诸多火灾应急研究的快捷性、操作性，GIS便是城市地震次生火灾应急救灾的信息处理平台［2］。

由于分区的合理与否将是区划成败最关键的一步，所以进行地震次生火灾危险性评价［3］首要任务就是基本区划单元的确定，这将决定了区划结果的正确性。曹妃甸工业区内分布有重大钢铁企业、国家石油储备油库、重要石化工业区、电厂等重要工业，因此一旦发生地震，次生火灾的危险性评价便显得十分重要。基于此，本文探讨了适于地震次生火灾区划单元的确定方法－图层叠加法，论证了其适用性及可行性，并将此方法用于河北省唐山市曹妃甸工业区，进行其灾害区划单元的确定。

1 灾害区划单元的确定方法及确定原则

1.1 灾害区划单元确定方法

目前的抗震防灾规划中，地震次生火灾风险评估基本单元的确定方法主要有两种，即按照居委会、行政街区或者主干道路划分和均匀网格划分两种。例如:在对民事火灾危险性分析时，苏州市就依据其城市地理情况，将其古城区按照从西到东、从北到南的顺序依次划分为六大区域的。区划方法是以一条东西向主干道和两条南北向的主干道将苏州市划六个区域，这种方法就是用主干道路作为分区标准［4］。再例如对厦门市示范区城市区域地震次生火灾危险性变化以及时域上危险性变化进行评价时，便是利用了规则网格划分作为基本的评价单元［5］。前者由于苏州市城市街道规划布局的不同，而导致苏州古城六个区块之间的面积存在较大的差异，而这个差异性会导致在最初的单元评价中各初始条件参差不齐，最终影响评价结果。另外，由于部分划分区域的面积过大并且区域中存在大量的的簇集的或是散布的建筑结构和设施要素，导致在对危险源的集中区域评价中精确度大幅下降。而后者以这种网格为基础计算得到的地震次生火灾风险往往掩盖了真实的情况，在一定程度上模糊和忽略了评价单元内的空间变异性，也没有将地区的实际情况考虑在内。

1.2 灾害区划单元确定原则

确定灾害区划单元应循环一定的原则，如整体性、功能性、和谐性、保护性等。具体表现在:

1)整体性原则，尽量的保证用地的完整，不将功能性一致的地块分割。

2)功能一致原则，根据保证区域总体规划中确定的用地的功能一致，不被其他影响因子打乱，变成支离破碎的小地块。

3)道路与功能区和谐兼顾原则，城市主干道与行政单元和城市总体规划中确定的功能区，兼顾尽量用道路划分区划单元格。

4)尊重并保护城市区域现有资料原则，考虑城市旧城区与新兴城区的差别，按照城市人口密度高低，方便开展震后救灾工作［6］。

2 区划单元确定图层叠加法

基于上述两种现有主要区划单元确定方法的弊端，综合考虑影响次生火灾危险性的诸多因素，将社会、自然环境等不同量纲的因素进行综合分析，确定使用图层叠加法进行区划单元的确定。

叠加分析是地理信息系统中用来提取空间隐含信息的方法之一。叠加分析是将代表不同主题的各个数据层面进行叠加产生一个新的数据面层，原来各个数据面层所具有的属性被新的数据面层所综合。可分成视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加、栅格图层叠加［7-9］。本文应用了前四种叠加方法，介绍如下:

1)视觉信息叠加

即为了明确其相互空间的关系，得到丰富的具体空间信息，结果图件显示不同图层的信息知识。但是，视觉信息叠加只是为了便于分析而显示多层信息叠加，而不出现新的数据层。

2)点与多边形叠加

即一个点状图层与一个多边形图层相叠，叠加结果通常是将其中一个图层的属性信息“注入”到另一个图层中，更新该数据图层的属性信息。

第一步，判断多边形与点的关系。第二步，处理属性数据。将多边形图层的属性数据，对应到点数据层的属性表中，使点属性表中含有每个点所在的多边形标识序号，以及多边形的某些附加属性。例如行政区划图层(多边形)与油井图层(点)，二者经叠加分析后，油井的点属性表将更新，该表不仅包含原有的油井本身属性，如井位、井深、出油量等，还添加了所在行政区的标识序号以及相关经济数据等属性。当然，也可将点的属性对应添加到多边形属性中，从而使得多边形属性表得到更新。

3)线与多边形叠加

即一个线状图层与一个多边形图层相叠加，叠加结果通常是将多边形层的属性连接到线状地物属性表中，更新属性表;然后在更新后的线状地物图层中，查询分析叠加信息。

第一步，比较线图层与多边形图层的空间位置关系。为此，计算线与多边形边界的交点，以交点作为结点，将原线截为多个、落入不同多边形的新线段。第二步，建立新的线图层的属性表。表中包含每条新线段原来所属的线图层的所有属性和新添加的多边形标识序号，以及该多边形的一些附加属性。比如将山地图层和省市行政区多边形图层相叠加，山地图层中每个新山地段的线属性表不仅含有原山地的信息，还含有该山地段所在省市行政区的其他信息。

4)多边形叠加

GIS系统中最为常用的方式就是多边形叠加法，它合并了两个及以上的多边形图层，从而得到一个新的图层，而这种方法的优点在于将原多边形要素进行整合，从而得到新的要素，其新的要素继承了老图层的属性特点。

第一步，几何求交，建立拓扑关系，使每个多边形赋予唯一标识码，并判断新生的多边形分别落在每个参与叠加的多边形层的哪个多边形内，建立新生多边形与原多边形的关系。第二步，属性分配。在关系数据库中建立结果层的多边形属性表，将原图层中对应多边形的数据映射到新的多边形属性表中。多边形叠加最终完成后，原图层的属性信息是可以在新图层的属性表中查询的，并且新、老图层均可以进行各种查询操作和空间分析。

3 应用实例与分析

3.1 区域概况

唐山市曹妃甸工业区位于东经118°38″，北纬38°55″，陆路距唐山市90公里，距北京230公里。海上距天津新港70公里，距唐山王滩港区61公里。工业区前缘岸线为渤海深槽－25m等深线，可建设停靠25万吨至30万吨级大型货轮，是华北地区唯一最接近国际深水航线的天然陆域，近几年，我国将曹妃甸融入渤海区域发展格局，曹妃甸的建设为京津唐大城市转移扩散传统产业搭建平台［10］。

曹妃甸工业区跨越华北地震区的华北平原地震带和郯庐地震带，它位于Ⅵ度区和Ⅶ度区内，1976年唐山大地震对场地的影响最大。另外对场地影响烈度在Ⅵ度以上的地震有1624年河北滦县6.5级地震，1679年三河、平谷8级地震，1888年渤海7.5级地震，1969年渤海7.4级地震。在时间分布上，由于唐山地震后，华北平原地震带已转入剩余释放阶段，该带未来百年内地震活动将处于应变能释放阶段，还可能发生7级以下地震，郯庐地震带未来百年处于活动阶段的后期，存在发生7级地震的可能性，地震已逐渐成为威胁该区最主要的自然灾害［1］。因此，对地震的防御与防制已经成为了该区防灾减灾规划的核心与目标;而作为地震灾害中最为严重的次生灾害──火灾，也将不可避免地成为该区重点防范的灾种之一。

3.2 GIS数据的获取与处理

1)首先，根据城市主干道及行政区，用Arcinfo中arctoolboxs中的Analysis tools＞Overlay工具集进行叠加分析使得形成初次区划单元，划分如图1。

2)其次，充分利用调查的资料，收集次生火灾影响因子，包括加油、加气站，油储藏地、油田、易燃易爆化学品、地下管线等，再将收集到的每个影响因子按照点状因子、线状因子、面状因子进行分类、提取，再考虑到实地情况的权重［11］，见表1，然后用不同的深浅颜色将各个因子的适宜性分级且分别绘制在不同的单要素地图上。