基于GIS的地市级地震应急指挥技术系统设计与实现

魏艳旭，刘晓丹，贾军鹏

(河北省地震局，河北　石家庄　050021)



基于GIS的地市级地震应急指挥技术系统设计与实现

魏艳旭，刘晓丹，贾军鹏

(河北省地震局，河北石家庄050021)

摘要：主要介绍基于GIS的河北省地市级地震应急指挥技术系统设计与实现的总体思路、原理、系统功能。通过该技术系统能在震后第一时间获取震情信息、灾情评估报告、辅助决策信息及活动断裂、交通、人口分布等一系列专题图，为政府了解灾情和制定前期的救灾方案提供科学可靠的依据。

关键词：地震应急；应急指挥技术系统；GIS

0引言

地震灾害是造成人员伤亡最多、财产损失最大的自然灾害之一。地震一旦发生，当地市县立即成为地震应急的重点。建设城市地震应急技术系统可以在震后第一时间获得地震震情、快速评估灾情损失，提供一系列科学的救灾及调度方案给决策者参考，在未接到上级命令前先期进行必要的抗震救灾工作。

在全国“九五”重点项目中开展了“大中城市防震减灾示范研究”，“十五”期间进行了“河北省数字地震观测网络项目”，通过该项目的应急分项建设，部署完成河北省地震应急指挥技术系统，并在邯郸和邢台两个城市建设市级地震应急指挥技术系统，部署大中城市应急决策反应系统公用软件[1-2]。但是除邢台市、邯郸市的其余九个地市相关指挥技术系统相对落后，急需建设城市地震应急指挥技术系统支撑地市的地震应急工作。

国家级地震应急指挥技术系统、区域级地震应急指挥技术系统、地市级地震应急指挥技术系统与现场地震应急指挥技术系统形成了多层次、全方位的中国地震应急指挥技术系统体系(见图1)。该体系结合了国家、省、地市级的救灾力量，提高了政府应对地震的能力[2-5]。

地市级地震应急指挥技术系统本着“灾情上报、应急指挥为目的、基础数据为依托、现场信息为基础”的原则，当地震发生时，迅速启动地市级地震应急指挥技术系统，系统根据地震应急基础数据库及一系列专业模型对地震的影响范围、人员伤亡、经济损失等情况进行预评估，并得出抗震救灾辅助决策报告及一系列的灾区专题图，辅助决策者进行先期的救灾活动。

图1　中国地震应急指挥技术系统体系构成图Fig.1　Constitution of China earthquake emergency command technology system

1系统原理

1.1地震烈度衰减模型

系统采用林金瑛的烈度衰减关系，林金瑛等[6]选取华北地震区5级以上地震21次共88组等震线，回归统计得到该地区的地震烈度衰减关系。

Ia=4.649 6+1.466 7M-

1.754 3ln(Ra+12)σ=0.503 8

Ib=3.009 2+1.461 8M-

1.576 9ln(Rb+12)σ=0.547 8

其中，I为烈度，M为震级，R为震中距。

系统利用椭圆烈度衰减关系模型生成烈度圈，结合距震源最近的断层方向确定长短轴走向，最终确定烈度范围。

1.2人员伤亡计算模型

尹之潜等根据我国发生大震中的人员死亡率资料，以房屋毁坏比、发震时间、室内人员密度等为主要参数，提出了人员伤亡计算模型。下面为死亡人数模型的计算公式：

ND=ρ(A1·RD1+A2·RD2+A3·RD3)，

式中，ND是评估区域的死亡人数；ρ是室内人员密度，即单位面积的平均人数，它随着地域(城市和农村)和发震时间的不同而变化；A1是倒塌房屋的面积；RD1是倒塌房屋内的人员死亡率；A2是严重破坏房屋的面积；RD2是严重破坏房屋内的人员死亡率；A3是中等破坏房屋的面积；RD3是中等破坏房屋内的人员死亡率。

受伤人数模型类似于死亡人数模型。

1.3损失计算模型

目前，计算地震灾害损失主要是计算人工建筑、各种设施和室内财产的破坏造成的损失，即第一类损失。在计算中，往往将建筑物按照结构和易损性分为高层钢结构房屋、高层钢筋混凝土框架剪力墙结构、砖混、单层钢结构厂房、单层砖柱厂房、块石灰泥沙浆砌筑结构、土坯房等等。每种房屋都有其结构易损性指数。

地震建筑物的损失=建筑物破坏比×损失比×建筑物总面积×建筑物单价[7]。

地震经济损失，是建筑物遭受地震破坏的直接经济损失。在烈度圈内分别计算各个烈度下各种建筑结构类型的破坏损失值，所有烈度下的损失值之和便是建筑直接经济损失。公式如下：

式中，L(I)为各烈度内所有烈度经济损失之和；P(i)表示i烈度下的建筑经济损失率；Bs表示第s类结构建筑的面积；Ps表示第s类结构建筑重置单价。

2基础数据库建设

数据库格式采用“区域级抗震救灾指挥部地震应急基础数据库格式规范”的格式。与国家级及区域指挥中心地震应急数据库保持一致的数据结构，方便以后交换或更新数据库。数据库包含基础地理数据、社会经济和人口等统计数据、地震行业基础数据、工程地震资料数据、灾害影响背景数据、震时各方联络数据、地震应急预案数据等42大类数据共71项数据表[8]。

3系统功能

城市地震应急技术系统主要由城市灾情获取及上报子系统、地市级地震快速评估与动态跟踪系统、地市级地震应急指挥辅助决策系统、地市级地震基础数据库管理系统构成(见图2)。

图2　地市级地震应急技术系统示意图Fig.2　Sketch map of city earthquake emergency technology system

3.1灾情上报子系统

利用图片采集设备、GPS定位仪、海事卫星便携式通信终端、便携机，在遭到地震袭击时，及时将地震破坏情况快速传递到地震应急指挥部及当地政府，能获取区域抗震救灾指挥部的快速响应信息及救灾命令。GPS定位仪用于测定现场人员的经纬度方位，海事卫星便携式通信终端一方面可以在当地通信网络遭到破坏时利用海事卫星作为通信电话使用，另一方面可将现场拍摄的照片及时传回到应急指挥中心，供指挥者了解灾情及决策参考。

3.2城市地震快速评估与动态跟踪系统

在地震快速评估系统中输入地震三要素，系统根据地震应急基础数据库数据和专业模型，计算出地震的影响范围、人员伤亡、经济损失、次生灾害情况，并形成灾情报告文档，并可以根据修正后的参数进行动态评估。主要功能包括地理信息浏览、地震快速评估、灾情报告产出、现场信息跟踪处理、灾情文档管理、评估结果二次修正、系统日志等功能模块(见第24页图3)。

(1) 灾区范围显示。

系统结合地震灾害评估模型、GIS空间查询和分析技术可以快速计算出灾区的范围并以可视化的方式显示评估计算结果。包括：

① 破坏性地震影响范围显示。

② 灾区分布。系统可以在地图上突出显示灾区所在的县乡镇行政区划范围。

③ 地震地质背景等资料信息。系统采用GIS空间查询定位技术，通过对采取范围的地图图层进行叠加分析，可以为工作人员提供灾区的活动断裂等地震地质背景资料信息。

图3　河北省地市级地震快速评估与动态跟踪系统界面Fig.3　Interface of city earthquake fast evaluation and dynamic tracking system

(2) 人员伤亡和经济损失查询显示。

系统根据灾区基础地理信息数据库，结合评估计算模型和GIS空间分析技术，可以给出破坏性地震造成的人员死亡、受伤、无家可归的人数及人员分布情况、直接经济损失情况，各评估计算结果精确到乡镇，展示了人员伤亡和经济损失的分布情况。

(3) 灾害规模。

根据地震的震级以及快速评估产生的人员伤亡和直接经济损失情况，初步确定该地震属于一般破坏性地震、严重破坏性地震或造成特大损失的严重破坏性地震，供指挥者参考并及时采取相应的地震应急方案。

(4) 灾情报告。

系统给出可以上报的有关地震固定格式的灾情报告，内容包含震中经纬度、宏观震中、人员伤亡和经济损失。

(5) 快速评估结果修正。

系统提供灾情动态跟踪评估功能。根据地震震源参数校正、选择不同地区的衰减关系模型、修正各类建筑物破坏比、动态修正灾情快速评估结果，为指挥者提供更加接近事实的地震灾害损失评估。

(6) 灾情文档管理。

地震应急快速响应和实现过程中，形成的震情资料、灾情资料、地震灾害快速评估及动态修正结果等文字、图件等信息进行分类存储管理，以供查询。

(7) 数据计算。

数据库与系统软件相对独立，数据可动态更新，系统软件直接调用基础数据库的资料信息，进行计算。

3.3地震应急指挥及辅助决策系统

通过评估子系统完成灾害评估后可通过消息通知的方式自动触发应急指挥系统产生辅助决策。

地震发生后，触发地震应急指挥及辅助决策系统，根据所发地震损失评估结果及地震应急基础数据库结合专业模型，快速产生供地震现场指挥人员参考的辅助决策报告。并通过本系统进行交互的震区专题查询显示。主要功能有：地图交互操作、读入(地震快速评估结果)数据、辅助计算及数据生成、输出报告、生成专题图(见第25页图4)。

(1) 显示基于烈度范围的灾区专题图，专题图分辨率为300DPI。具体包括震区重点目标分布图、震区历史地震目录分布图、震区地质灾害分布图、震区危险源专题图、震区断裂分布图、震区交通分布图、震区水库分布图、震区人口分布图、震区经济分布图、震区次生灾害源分布图、震区DEM图等。专题图下方有以数据表形式给出的各种专题灾情信息。

(2) 输出辅助决策意见PPT文档，其中包括道路通行建议、救援力量的分别情况、医院的分布情况。

(3) 完成地图配置和地震相关专题图灵活定制。

(4) 以专题图形式显示查询地震灾害相关信息，包括空间信息和属性信息的双向查询。

(5) 实现专题图分类储存和管理。

(6) 应急预案生成。

3.4地震应急基础数据库管理系统

图4　地市级地震应急指挥辅助决策系统界面Fig.4　Interface of city earthquake emergency command assistant decision system

在数据库和地理信息系统的支持下，按照地震系统确定的统一的建库标准和数据规范，建立适合于地市的应急指挥基础数据库管理系统。利用城市地震应急基础数据库管理系统实现对地震应急基础数据的管理，可以对空间数据、属性数据进行查看及编辑处理(见图5)。

图5　城市地震应急基础数据库管理系统界面Fig.5　Interface of city earthquake emergency basic database management system

(1) 实现数据匹配，建立拓扑关系。使空间数据具备拓扑一致性，同时实现空间数据与属性数据的匹配。

(2) 数据库管理系统具有实时查询检索、修改、标准化显示输出的功能，具有数据更新接口、数据库同各种应用软件数据标准接口等，具有统一的管理界面。

(3) 通过数据库管理使各类数据达到层间匹配。在数据显示中，须按照比例尺的不同自动显示数据内容。

(4) 通过空间位置和属性信息进行互相查询。

(5) 生成专题图及实现编辑功能。

4结语

地市级地震应急指挥技术系统可对河北境内发生的各类地震事件进行快速响应、灾情快速评估，提出初步的应急救灾辅助决策意见及各种灾情专题图，为设区市政府开展地震应急指挥、灾情快速处置提供有力的支撑平台。显著提升了设区市的地震应急指挥能力，有力地促进了河北省的防震减灾工作。

目前石家庄、唐山、廊坊、衡水、保定、张家口、沧州七个市局参与完成了市级地震应急指挥技术系统建设，在2014年10月14日河北省唐山市滦县3.3级地震、2014年9月6日河北省张家口市涿鹿县4.3级地震中，指挥技术系统快速产出了初步的灾评报告及一系列辅助决策信息和灾情专题图，在地震应急指挥中发挥了一定作用。

参考文献：

[1]姜立新，帅向华，张建福，等.地震应急指挥管理信息系统的探讨[J].地震，2003，23(2)：115-120.

[2]姜立新，聂高众，帅向华，等.我国地震应急指挥技术体系初探[J].自然灾害学报，2003，12(2)：25-33.

[3]盛家伦，刘在涛.地震应急指挥系统关键技术和总体设计[J].地震地磁观测与研究，2005，26(4)：107-116.

[4]高惠瑛.城市抗震应急指挥信息系统框架研究[J].世界地震工程，2004，20(2)：30-34.

[5]宋俊高，朱元清.GIS技术应用于城市防震减灾工作[J].西北地震学报，2002，24(1)：85-91.

[6]林金瑛，蔡华昌，赵军.河北及邻近地区地震动衰减关系的分析与确定[J].华北地震科学，1993，11(3):19-29.

[7]李树桢，尹之潜.地震损失评估与数据库系统[J].中国地震，1993,9(3):264-275.

[8]聂高众，陈建英，李志强，等.地震应急基础数据库建设[J].地震，2002，22(3)：105-112.

文章编号：1000-6265(2016)02-0022-05

收稿日期：2015-10-26

第一作者简介：魏艳旭(1984—)，女，河北省沧州人。2009年毕业于武汉大学，硕士研究生，工程师。

中图分类号：P315.99

文献标志码：A

Design and Implement of City Earthquake Emergency Command Technology System Based on GIS

WEI Yan-xu, LIU Xiao-dan, JIA Jun-peng

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050021, China)

Abstract:The general idea, principle, system function of design and implement of city earthquake emergency command technology system in Hebei Province based on GIS are introduced in the paper. Through the system, a series of thematic maps about seismic information, disaster assessment report, assistant decision information, active fault, traffic and population can be obtained in the first hours after earthquake. They provide scientific and reliable basis for the government to understand the disaster situation and to make the disaster relief plan.

Key words:Earthquake emergency; Emergency command technology system; GIS