城市抗震防灾规划地理信息系统的开发和应用

常兆中 黄世敏 符圣聪 江静贝 倪永军 葛学礼 朱立新

(1.中国建筑科学研究院,北京 100013; 2.北京交通大学,北京 100044)



城市抗震防灾规划地理信息系统的开发和应用

常兆中1黄世敏1符圣聪1江静贝1倪永军2葛学礼1朱立新1

(1.中国建筑科学研究院,北京 100013; 2.北京交通大学,北京 100044)

基于SuperMap平台，开发了城市抗震防灾规划地理信息系统，设计了软件系统的功能框架和数据库结构，在SuperMap Object上进行二次开发，编制了地震动分析、道路分析、市政管网分析和建筑物分析功能模块，开发了外部数据接口，实现了GIS系统属性数据的批量输入，系统可应用于城市的信息管理、城市震害预测评价和防震减灾辅助决策。

地理信息系统，抗震防灾规划，SuperMap Object二次开发

0 引言

随着城市化进程的加快，我国城市的规模和城市的数量急剧扩张，城市中由于地震而产生巨大损失的风险越来越大。国内外地震经验和地震灾害调查表明，做好城市的抗震防灾规划对于规避地震风险、减轻地震灾害具有重要的意义。2003年,建设部发布了《城市抗震防灾规划管理规定》，明确提出了城市抗震防灾规划作为城市总体规划下的一个专项规划。2007年，我国颁布了《城市抗震防灾规划标准》,规定了抗震防灾规划编制的具体要求，至此，我国城市抗震防灾规划的编制工作已经制度化，编制的工作任务日益繁重，GIS，GPS等新技术在抗震防灾规划中的应用受到日益广泛的重视。地理信息系统(GIS)是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，基于GIS系统进行抗震防灾规划，可以方便的将城市的地理空间信息与抗震防灾规划的数学模型相结合，充分利用GIS的图形和数据处理能力，实时、动态处理大的信息量和数据，实现地震灾害分析和预测的可视化，有效提高城市抗震防灾规划的研究和应用水平。

GIS在城市抗震防灾中的应用研究在美国和日本开展的比较早，目前在国际上已经形成了一定的规模。美国联邦急难管理署(FEMA)基于ESRI公司的ArcView和MapInfo公司的MapInfo6.0于1997年开发了标准风险评估方法系统HAZUS-97，随后不断升级和开发，迄今已包括了地震灾害潜势分析、基本数据、直接灾害、次生灾害、直接和间接损失等模块。在日本，建筑署研究所和NASDA等政府机构基于Arc/Info软件建立了防震减灾应急系统，日本国土厅基于Arc/Info软件组织开发了地震防灾情报系统(EDIS)，在日本的抗震防灾工作中发挥了积极的作用。我国从“八五”和“九五”开展典型城市综合防灾对策示范研究开始，经过数十年的研究和发展，GIS在我国城市防震减灾中已广为应用，应用主要集中在地震动参数区划图的编制、抗震设防区划、地震危险性分析、地震损失评估、生命线工程震害预测、城市建筑物震害预测、城市道路交通系统震害预测、震后次生灾害预测和城市地震辅助决策与应急指挥等，应用过程中先后开发了基于国内外现有GIS平台或自主开发平台的软件系统[6-]13〗。目前，GIS技术在城市抗震防灾中的应用大都处于震时和震后的应急响应以及平时的信息查询管理上，对震害的动态评估、预测、模拟等研究还缺乏深度，软件系统功能单一，GIS强大的空间分析功能未能得到很好地应用。本文基于SuperMap GIS平台[14]，以空间分析、网络分析等为基础，结合有关专题数据模型，开发了城市抗震防灾规划地理信息系统，将地震危险性分析与地震动小区划、建筑物震害预测、生命线工程震害预测、经济损失与伤亡人员预测、防震减灾对策与辅助决策等研究成果进行集成，并在多个城市的防震减灾规划工作中得到了应用。

1 系统框架设计

系统在SuperMap平台上进行了二次开发，在平台原有地图操作、文件操作和数据库维护等基本功能的基础上，增加了外部数据接口、数据查询维护和灾害预测与辅助决策子模块，软件的系统框架见图1。

系统开发的核心是防震减灾专业模型和信息管理功能如何在GIS平台上实现。专业模型计算所需的数据由GIS系统输入和维护，计算结果存储在GIS系统中，通过GIS系统的可视化功能显示计算结果。系统设计时，防震减灾专业模型的实现采用了以下三种方式：基于SuperMap Objects直接编写功能模块，功能模块作为动态链接库由GIS系统调用，功能模块作为外部程序由GIS系统调用。对于数据量大的专业计算模块，核心计算程序由数值计算能力强大的Fortran语言编写，由GIS系统调用执行。城市抗震防灾规划需要对大量的数据进行处理，因此，数据输入和输出的效率，防震减灾专业模型与GIS系统间大量数据的交互，是本系统设计的关键。

目前，系统集成了城市用地抗震性能评价、地震危险性分析、土层地震反应分析、道路桥梁和市政管网的震害预测与分析，人员伤亡和地震损失计算，人员避震疏散分析等功能。各子模块的主要功能框架见图2～图5。

2 系统的外部数据接口及数据库设计

GIS系统包括两种地理数据：空间数据和属性数据。空间数据是描述自然界中空间实体的空间位置和空间拓扑关系的数据，分为矢量和格栅两种形式，作为城市抗震防灾规划的研究对象，建筑物、道路、桥梁和管网等通过空间数据以图形的形式在系统中表示。属性数据是描述空间实体特征、性状的信息数据，如建筑的结构类型、层数和层高等信息，工程场地的场地类别、特征周期等信息，由用户输入。

根据城市抗震防灾规划编制的研究对象，建立了包括城市建筑数据库、城市道路数据库等在内的系统数据库(见图6)。根据数据对象对空间数据、属性数据和计算结果的存储要求，设计了各数据库的数据矢量表结构，并由系统自动创建。数据对象的属性并可通过属性输入窗口进行输入和修改(见图7)。

城市建筑、道桥和管网等原始数据通常存储在CAD图形文件和txt,Excel等文本文件中，如何将庞大的数据输入至GIS系统中是软件开发和应用的难点。SuperMap作为通用的地理信息系统平台，提供了读入CAD和txt等数据源的接口，但需要针对不同的数据库结构开发专用的数据接口。

在SuperMap中，常规的属性数据输入方式仅适用于数据量比较少的GIS应用。当数据量比较大时，逐个输入数万、几十万，甚至上百万的属性数据是不可想象的巨大工作。为解决批量属性数据的输入问题，本系统对SuperMap的属性数据输入功能进行了扩展[15]，可提取CAD图形文件中的图形属性数据，实现了属性数据的批量输入功能。批量输入的基本思路是AutoCAD图形对象和GIS中的数据集对象具有相同的空间坐标，在GIS系统中通过节点坐标来得到数据集对象节点的标识码，根据节点标识码从属性文本文件中读取属性数据，从而实现属性数据批量输入。

数据输入至数据库后，通过在GIS平台上开发的数据库查询、修改、删除等功能进行维护，除此之外，本系统对SuperMap的数据库功能进行了扩展，增加了根据输入的空间数据表格，对图形对象的拓扑关系进行检查的功能。

防震减灾子模块的计算结果保存在数据库中，并可在GIS系统中图形化显示。通过开发的数据输出接口，可将计算结果输出为CAD图形文件，如在CAD文件中绘制道桥和市政管网系统的震害预测结果。

3 系统应用

城市抗震防灾规划地理信息系统可用于城市的信息管理、城市震害预测评价和防震减灾辅助决策。

利用GIS平台强大数据库和图形能力，可以实时、动态进行城市基础信息的管理，为震时和震害决策提供基础数据。

城市震害预测主要包括建设场地抗震适宜性评价、基础设施的抗震评估、城区建筑的抗震评估和地震次生灾害危险性评价。

系统的辅助决策功能目前主要包括地震损失和人员伤亡估计、震后市政管网的连通性、震后道路和桥梁的连通性及人员疏散方案。以震后道路和桥梁的连通性为例，通过对地震作用下道路和管网的震害计算，根据对震后城市的道路网络连通性和市政管网的连通性分析结果，用不同的颜色将网络的连通等级显示在GIS图形平台，使震害预测与评估成果可视化、动态化，便于辅助决策。

4 结语

本文根据城市抗震防灾的要求，基于SuperMap平台开发了“城市抗震防灾规划地理信息系统”，建立了地震动分析、道路网络分析、市政管网分析和建筑震害预测与辅助决策等四个子功能模块。该系统可对城市建筑物、生命线管网、道路交通系统的抗震性能进行评估，并预测可能出现的震害，为城市管理和抗震防灾管理部门的决策提供基础数据。

[1]GB 50413—2007,城市抗震防灾规划标准.

[2]Kang-tsung Chang.地理信息系统导论.北京：科学出版社,2003.

[3]FEMA 366. HAZUS-99 Estimated Annualized Earthquake Losses for the United States. Federal Emergency Management Agency,2000.

[4]滕五晓,加藤孝明,小出治.日本灾害对策体制.北京：中国建筑工业出版社,2003.

[5]黄世敏.地理信息系统在国内城市防震减灾中的应用研究综述.四川建筑科学研究,2007(33):1-6.

[6]叶 洪,周 庆.在中国地震动参数区划图编制中GIS信息系统的应用.地震地质,2004,26(4):742-749.

[7]马东辉,苏经宇.基于GIS的抗震设防区划计算机应用模型.自然灾害学报,1998,7(2):74-76.

[8]王晓青,丁 香.基于GIS的地震现场灾害损失评估系统.自然灾害学报,2004,13(1):118-125.

[9]汤 皓,陈国兴.COMGIS在工程场地地震灾害风险预测中的应用.自然灾害学报,2005,14(4):127-134.

[10]葛学礼,朱立新.城镇与企事业单位抗震防灾管理软件及其应用.工程抗震,1999(2):38-43.

[11]江建华，李素贞，李 杰.基于GIS的城市生命线工程地震反应仿真研究——以上海市供水系统为例.灾害学,2001,16(1):23-28.

[12]高 杰，冯启民.基于ArcViw9.0的城市震害预测及应急预测信息系统研究.世界地震工程,2006,22(3):32-39.

[13]郑茂辉，罗奇峰.基于GIS的城市抗震防灾规划信息管理系统.灾害学,2010,25(S0):343-345.

[14]北京超图地理信息技术有限公司,SuperMap DeskPro用户手册.2001.

[15]常兆中,黄世敏.城市抗震防灾规划地理信息系统数据输入方法.测绘与空间地理信息,2013,36(12):4-7.

Development and application of Geographic Information System for urban planning on earthquake resistance and hazardous prevention

Chang Zhaozhong1Huang Shimin1Fu Shengcong1Jiang Jingbei1Ni Yongjun2Ge Xueli1Zhu Lixin1

(1.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China; 2.BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

The Geographic Information System for urban planning on earthquake resistance and hazardous prevention is developed based on the SuperMap platform. The software system framework and database structure are designed, the secondary development of SuperMap Object is carried out, the modules of seismic analysis, road network analysis, the municipal pipe network analysis and building analysis are build. This report develops a external data interface and provides a practical solution for attribute data batch input to GIS. The system can be applied to the information management of city, the urban earthquake disaster prediction and evaluation and the assistant decision-making.

GIS， planning of earthquake disaster prevention and reduction, SuperMap Object secondary development

1009-6825(2015)21-0016-03

2015-05-13

常兆中(1970- )，男，博士，高级工程师

TU352

A