基于GIS的毕节市震后应急决策支持系统设计

邵 争，游 泳，李付伟，吕昆鹏，曾凡华（毕节市防震减灾局，贵州 毕节 551700）

基于GIS的毕节市震后应急决策支持系统设计

邵 争，游 泳，李付伟，吕昆鹏，曾凡华
（毕节市防震减灾局，贵州 毕节 551700）

震后应急决策支持系统是在突发性地震发生后，快速获取灾区的经济损失、人员伤亡及其空间分布情况等，并通过运算与分析，为抗震救灾提供所需的各种决策建议的应急指挥服务系统。以地市级为主要研究尺度，以震后的应急黑箱期为主要关注时段，基于地理信息系统技术，提出建立毕节市震后应急决策支持系统的设计思路和技术方法。首先，根据毕节市防震减灾信息化存在的问题，论述了建立地级市震后应急决策支持系统的必要性和主要任务；然后，采用模块化的整体构架，将系统划分为基础数据库、信息分析与处理、震灾损失评估、信息互动平台、救灾辅助决策等5个子系统；最后，对应系统结构体系，重点论述了信息分析与处理、震灾损失评估、信息互动平台、救灾辅助决策等功能模块的设计思路、技术方法和需要实现的主要功能。该研究可为地市级的防震减灾信息化建设提供有益的参考。关键词：决策支持系统；灾害损失评估；信息互动平台；辅助决策；地理信息系统

0 引言

中国属地震多发国，每年发生地震次数约为全世界的1/4[1]，7级以上的强震比例约为1/3[2]。此外，上世纪国内地震的伤亡人数也是世界最多，约为其他国家的总和[3]。震后应急决策作为有效减少震后人员伤亡和经济损失的重要决定因素之一，其关键正是应急决策支持系统设计的科学性。经过几十年的发展，中国已开展了许多地震应急专用系统的研制和应用[4-6]，各省市也建立了省市级的地震应急管理中心或机构，并完成了地震应急管理信息系统的开发与应用。然而，以上地震应急系统的设计及应用主要处在国家和省级的层面，系统结构完整、功能强大，而地市级地震局（中心）基础条件薄弱、资料不完善和科技人员水平不足等现实问题，系统的功能难以得到很好的发挥，所以多布设在直辖市或省会地震局（中心），地市级的防震减灾管理信息系统的应用则较少。其次，为了突出地震信息系统的前瞻性特点，系统的开发与应用更多的侧重震前的预警和震时的应急响应，而震后的应急决策则是在震后成立应急指挥部，由领导小组和专家根据具体情况分析后决策，然后再指挥市（地）、县的相关部门实施救援，难免存在滞后。基于以上问题，本研究基于GIS开发地市级的震后应急决策支持系统，即在地震发生后，快速有效地获取震后数据信息，对受灾区域的受灾情况进行评估，并提供初步的救援策略，特别是在国家和省级指挥中心发布有效指挥指令之前，完成有效救援中心选址、救援路径选择、救援人员安排、救援物资准备、震后信息的上报与下达、新闻信息的发布等一系列前期初步救援策略，最大限度的保证救援措施的时效性。

1 系统需求分析

1.1 研究区概况

毕节市位于贵州省西北部，黔滇川交界地区，地处南北地震带南段小江带东侧，活动性断裂带密布，历史最高震级达到5.8级[7]。毕节市内的断裂带主要有4条，分别为威宁石门坎断裂、大方马场断裂、金沙岩孔断裂和赫章垭都—安顺紫云断裂。近半个世纪的观测记录显示：毕节市地震活动非常活跃，其中4.0级以上的地震已发生了15次，尤其是2009年发生4.5级以上地震2次、2012年又发生5.6级以上地震2次。然而，目前毕节市防震减灾信息化几乎还处于空白状态[8]，实现包含震前、震中、震后的全方位地震信息预测与管理难度较大。首先，毕节市还没有建成地震基础数据库，以往的地震资料未能有序的存储和整理，长序列地震数据的分析与处理难以实现；其次，现有的毕节市防震减灾信息网站功能单一，仅能实现震情灾情、单位工作动态、政策法规、震害防御知识等信息的发布，无法实现防震减灾部门与群众的良好互动；第三，毕节市属于边远欠发达地区，防震减灾工作基础条件薄弱，人才队伍及资金严重短缺，实现震前的预测研究尚不现实。

1.2 系统目标与任务

为了减少震后人员伤亡和经济损失的根本目的，结合毕节市防震减灾信息化的现实基础，本系统的主要目标是争取在国家、省级指挥中心及上级有关部门发布有效指挥指令之前，开展行之有效的救援工作，该系统的需求任务主要有：

（1）开发震后应急决策支持系统基础数据库，实现基础空间数据资料的有序存储和调用，将历史性的地震数据有序的存储，为震后相关信息数据的处理及分析、救灾辅助决策提供数据支撑。

（2）搭建数据分析与处理平台，实现空间数据和属性数据的分析与处理，挖掘隐含于数据内的深层次信息，为防震救灾决策提供技术支撑。

（3）提供防震减灾信息互动平台，实现防震减灾部门与上级部门、市（县）政府机关、救援单位、人民群众的有效联系，既能收集信息和建议，又能够针对不同的对象，发布不同级别和内容的通告。

（4）实现地震灾害损失评估，震后快速获取灾区人员、建筑物、次生灾害、重点地物区的损失情况，迅速判断应急响应等级，启动相应的应急预案。

（5）快速形成初步对策建议，为应急指挥中心提供各种救援图件、救援对策等决策信息。

2 系统结构体系

地震基础数据具有一个重要而突出的特点：既包含文字、图片、数字等属性数据，又包含海量的具有地理坐标的空间数据，需要采用具有空间数据综合管理和分析功能的软件平台[9]。随着计算机技术和遥感技术的不断发展，海量数据的存储和分析也为GIS的发展提供了应用基础[10]。此外，通过分析震后灾区的空间数据信息，GIS可以有效模拟地震发生的场景，评估该区域由于地震引发的潜在损失，快速获取地震灾害严重程度的空间分布，提供有效的救援对策。按照系统设计的目标与任务，毕节市震后应急决策支持系统采用模块化的整体构架，系统结构体系如图1所示。

（1）基础数据库子系统，包含：遥感影像、地形、地质、水系、土地利用等基础地理空间数据；人口分布、行政区划、交通道路等社会经济空间数据；医院、学校、文物、景区、发电厂等重点地物空间数据；滑坡、水库、堰塞湖、化工厂等次生灾害源空间数据；地震台网布局、历史地震目录、地震等震线、大地构造分区图、新构造分区图、区域地震构造图、近场地震构造图等地震专业空间数据。

（2）信息分析与处理子系统，实现各类空间数据和属性数据的可视化交互式查询、显示、输出和打印；实现各类空间数据的坐标转换、镶嵌、裁剪、拼接等预处理分析；实现各类空间数据的空间叠加、运算、缓冲区分析等综合管理和分析；实现历史性长序列地震数据的分析与管理。

（3）地震灾害损失评估子系统，快速模拟灾区灾情发生的场景，掌握地震灾害严重程度的空间分布，并实现人员伤亡评估、建筑物破坏评估、次生灾害源评估、学校和医院等重点地物区的损失评估等。

（4）信息互动平台子系统，震前实现防震减灾部门与群众和相关部门的良好互动，收集防震减灾信息及建议；震后实现救援指令发布，灾区信息的上报与下达、辟谣、新闻信息的发布等。

（5）救灾辅助决策子系统，包括有效救援中心选址、救援路径选择、救援人员安排、救援物资准备、医疗服务区圈定等一系列前期初步救援措施。

图1 系统结构体系示意图Fig.1 Schematic diagram of structure system

表1 系统实现的技术方法

3 震后应急决策支持系统设计

3.1 系统支撑平台

考虑到地震数据包含海量空间数据和属性数据的特点，系统除了满足响应速度的要求，还必须满足兼容性和稳定性的要求，所以系统在配置方面需要尽量考虑技术上较为成熟或通用的产品，实现的技术方法见表1。在开发模式上，系统采用C/S（Client/Server）+B/S（Browser/Server）的混合系统体系结构，C/S能够保证信息分析与处理、震灾损失评估运算的速度和准确，减轻系统运算的负荷，B/S则是信息互动平台不可多得的信息发布形式[11]；在开发平台上，ArcGIS Server 10.1是ESRI公司提供的支持多用户的企业级GIS应用的平台，满足地震基础数据库系统产生的空间数据的使用需求；在数据库平台方面，考虑地震相关的海量空间属性数据和非空间属性数据，采用ArcSDE和Oracle基础数据库平台，访问空间信息时，ArcSDE可以方便而高效地对防震减灾空间数据进行操作，访问非空间属性信息时，使用Oracle Objects for OLE技术直接与Oracle数据库进行连接和操作[12-13]。

3.2 功能模块设计

对应系统结构体系，设计毕节震后应急决策支持系统的功能模块。将系统功能模块集成起来，不同的空间和属性数据可以交互转换，实现整个系统的数据共享是该系统设计的重点。应该指出的是，在地震快速响应触发方面，结合毕节市防震减灾部门的现实基础条件，该系统暂不设定自动触发模块，仅在地震发生后设定手工导入触发。

3.2.1 信息分析与处理功能模块设计

该模块是系统最基础的应用模块，既需要实现基础的空间分析功能，又要实现针对防震减灾的特殊应用功能。首先，发挥GIS强大的空间查询、管理和分析功能，既能根据空间信息来查询其相应属性信息，也可以根据属性信息查找和定位与其相对应的空间信息，实现各类空间信息和属性信息的交互式查询、浏览、显示、输出以及管理；其次，由于地震相关海量空间数据的格式不同，需实现遥感影像、图形信息和属性信息的各类基础数据的坐标转换、镶嵌、裁剪、拼接等预处理分析；第三，通过对各类基础数据进行空间叠加、运算和缓冲区分析等操作和处理，挖掘出隐含于各类信息之间的更深层次的相互联系和影响；第四，实现对基础数据库中的地震数据和资料的读取，实现历史性长序列地震数据的分析与管理。

根据基础数据库子系统的数据类型，该功能模块又进一步划分为基础地理信息管理、社会经济信息管理、重点地物信息管理、次生灾害源信息管理和地震专业信息管理等子模块，各模块均可应用GIS技术实现空间信息的综合管理与分析（图2）。

3.2.2 地震灾害损失评估功能模块设计

该模块是在地震发生后，仅仅可以获得地震三要素（时间、地点、震级）的情况下，能够在短时间内快速预测得出人员伤亡情况、建筑物损坏情况、重点地物区破坏情况和次生灾害情况，由此快速判断应急响应等级，启动相应的应急预案。地震灾害损失评估的数学模型研究成果较多，也已经较为成熟，往往是根据研究区特点或实际情况选择，这里不再赘述。但是，评估数学模型在地震管理信息系统中的集成应用，特别是与GIS的集成应用至今还没有固定的模式，是该功能模块设计的难点。参照前人研究成果[14]，地震灾害损失评估的功能模块结构如图3所示：在系统进行地震灾害评估时，首先手动输入地震三要素，生成地震烈度圈（根据地震构造手动修正烈度圈方向），触发损失评估系统运算；然后，系统自动从模型库中选取本次评估所需的数学模型，并从基础数据库中提取各类模型计算所对应的专题数据进行计算，对人员伤亡情况、建筑物破坏情况、重点地物区损失情况、次生灾害情况进行运算评估；最后，系统根据烈度圈和评估结果，输出地震灾害专题评估图和报表，并判断该次地震应急响应等级。

图2 信息分析与处理模块结构图Fig.2 Functional module of spatial information analysis and processing

图3 地震灾害损失评估模块结构图Fig.3 Functional module of disaster loss assessment

3.2.3 信息互动平台功能模块设计

信息互动平台主要功能是震前实现防震减灾部门与群众、相关部门的良好互动，收集防震减灾信息及建议，震后既需要与灾区救灾单位实时沟通，又要实现灾区信息的上报与下达及新闻信息的发布。随着信息技术的发展，计算机网络、电话、手机、无线电等通信网络已非常成熟，本系统仅针对计算机网络，以“毕节市防震减灾信息网”为依托，开发防震减灾信息互动平台。考虑到不同级别和不同内容的应急信息应采用不同方式发布，保证面向不同用户应急信息的安全[15]。面对公众发布震情信息、灾情信息、次生灾害信息、自救和救灾知识、平息地震谣传信息等基本信息；面对行业内部、救援单位和指挥中心，除发布基本信息外，还应发布行业内部使用的震灾评估数据、地震现场采集的震害数据、信息地震序列、震情趋势数据、应急救援决策信息等专业信息。在开发模式上，当面向各个方面信息通告，采用B/S体系结构，后台配置高性能Web服务器，前端通过浏览器查询信息；面向基础信息的分析与处理，采用C/S体系结构，后台配置高性能应用服务器，前端采用图形工作站作为GIS应用的主力平台。

3.2.4 救灾辅助决策功能模块设计

救灾辅助决策模块是该系统设计的核心，其主要目的就是在国家、省级指挥中心及上级有关部门发布有效指挥指令之前，初步形成一套救灾辅助决策建议，所以在设计重点上并没有强调功能的全面性，旨在决策提供的科学性和时效性。根据系统设计的主要目的，该功能模块又划分为救援信息查询子模块和抢险救灾决策子模块，如图4所示。救援信息查询子模块的主要功能是紧急预案、救援力量、医疗救护、物资储备等救灾资源信息的实时查询、修改、打印输出。抢险救灾决策子模块应实现两方面的功能：一方面，仅在获得地震三要素的情况下，即能快速获取离震中最近救援中心选址、救援路径、医疗服务区、可调配的救援队伍力量和救援物资等一系列前期初步救援措施；另一方面，根据震后获取的实际情况，在信息分析与处理、震灾害损失评估的基础上，快速提取系统备份的紧急决策预案，并充分利用GIS平台的强大空间分析功能，通过网络分析、叠加分析、缓冲区分析等操作，对前期的初步救援措施进行修正，为抗震救灾指挥工作的开展提供辅助决策的建议。如：（1）确定救援中心、受灾群众安置等位置的选址；（2）确定次生灾害源的位置、可能发生的灾情及预防措施等；（3）受灾人员从震灾区疏散到安置点的最短、最快路径；（4）救灾队伍赶赴灾区、救灾物资调拨到灾区的最短、最快路径；（5）确定医疗服务区的圈定，受灾伤员到医院和救死扶伤临时地点的最短、最快路径。

图4 救灾辅助决策模块结构图Fig.4 Functional module of relief decision supporting

4 结论

震后应急决策支持系统主要是在突发性地震发生后，国家或省级指挥中心发布有效指令之前，快速获取震后经济损失和人员伤亡及其空间分布情况等，提供各种决策建议的应急指挥服务信息系统，对减少震后人员伤亡和经济损失具有极其重要的意义。

首先，毕节市地处南北地震带南段小江带东侧，区内地质复杂，地震活动较为频繁，开发毕节市震后应急决策支持系统，将关注时段放在应急黑箱期，能够在国家、省级指挥中心及上级有关部门发布有效指挥指令之前，开展行之有效的救援工作，具有必要性。

其次，地震相关的基础数据是震后应急决策支持系统的基础，而各类基础数据既包含文字、图片、数字等属性数据，又包含海量的具有地理坐标的空间数据，所以必须采用具有空间数据综合管理和分析功能的GIS软件平台，才能满足震后应急决策支持系统的信息需求。

第三，考虑到毕节市防震减灾信息化水平较低，工作基础条件薄弱的现实，本系统参照已有的防震减灾管理信息系统的设计思路，在尽量保证系统完整的基础上，将系统功能设计的重点主要还是放在数据管理和分析的基础层面，但在历史地震信息管理、重点地物区和次生灾害源等方面又有所补充。

最后，本研究仅对系统的结构体系和功能模块的设计框架进行了简要论述，而基础数据库的具体开发设计、地震灾害损失评估模型的选择等具体工作还有待更深入的研究。毕节市防震减灾信息化建设是一项从无到有的过程，震后应急决策支持系统尚处在方案设计阶段，其可行性和科学性还存在诸多的不足，有待专家的论证和实践的检验。

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Design of Bijie Post-Earthquake Emergency Decision Support System Based on GIS

SHAO Zheng，YOU Yong，LI Fu-wei，LV Kun-peng，ZENG Fan-hua
（Bijie Seismological Bureau, Guizhou Bijie 551700，China）

The post-earthquake emergency decision support system is the information system of emergency command services for fast acquiring economic losses, casualties, disastrous spatial distribution and others in the disaster area and providing various prompt messages for relief headquarters. This paper which is based on GIS technology puts forward design thoughts and technical methods for establishing post-earthquake emergency decision support system in Bijie with prefecture-level city as the main study scale and postearthquake emergency black box period as the main period of concern. Firstly, in accordance with the current situation of earthquake disaster mitigation informationized, it discusses the necessity and main tasks for establishing post-earthquake emergency decision support system in prefecture-level cities. Then by adopting modularized framework, the system is divided into earthquake basic database, information analysis and processing, earthquake disaster loss evaluation, information interaction platform for earthquake disaster mitigation, aid decision-making for disaster relief and other subsystems. Finally, corresponding to the structural system, it emphasizes to discuss the design thoughts, technical methods and main functions to achieve for subsystems including information analysis and processing, earthquake disaster loss evaluation, information interaction platform, aid decision-making for disaster relief and others. This study is used for good reference for establishing management information system of earthquake disaster relief in prefecture-level cities.

decision support systems; disaster loss assessment; interactive platform; relief decision supporting; geographic information system

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.010

1674-8565（2017）02-0059-07

贵州省社会发展科技攻关计划项目（黔科合SY字[2013]3108号）；毕节市社会发展科技攻关计划项目（毕科合字[2012]48）

2017-01-30

2017-03-22

邵争（1978-），男，贵州省毕节市人， 2004年毕业于中央广播电视大学，本科，助理研究员，现主要从事地震应急技术方面的研究工作。E-mail：dilikexue@aliyun.com