基于GIS 的地震影响场长轴方向自动判定技术研究

郁璟贻，陈亚男，谭庆全

(北京市地震局，北京 100080)

0 引言

地震发生后迅速对地震造成的经济损失和人员伤亡做出评估，第一时间获取灾害损失规模和空间分布情况，为抗震救灾指挥部确定救灾重点区域、部署救援队伍、分配救灾任务，提供地震应急科技保障与信息支撑服务具有十分重要的意义[1，2]。 由于地震发生后的数分钟甚至数小时内无法快速获得灾区的相关信息，目前应急人员主要根据地震三要素和相关评估模型进行地震灾害损失的快速评估。 对评估结果影响最大的是如何对地震的烈度影响场进行较准确的评估。 烈度影响场一般按照椭圆衰减模型进行评估计算，其决定要素有两个:一个是长轴的方向，另一个是不同烈度区的长、短轴的半径，它们直接决定了受灾地区的面积与空间分布[3]。 我国建成的“区域地震应急指挥技术系统”在进行影响场快速评估时默认的影响场长轴方向为距离微观震中最近断层的走向[4]。 国内许多学者在研究过程中也指出影响场的长轴方向与地震断裂方向密切相关，在建模时可以把活动断裂的走向作为长轴的方向[5，6]。

基于现有的研究认识，在绝大多数快速评估软件中，自动将离震中最近的断裂的方向作为影响场的长轴方向参与评估计算。 随着空间信息技术的发展，GIS 技术在地震应急指挥与地震数据处理等方面取得了广泛的应用[7-10]。 本文以北京地区为例，给出了基于GIS 技术的地震影响场长轴方向自动判定方法的研究与实现。关键技术包括两个方面:一是将研究区域进行网格化处理，通过空间分析判定每个网格受哪些断裂的控制，并将网格数据进行分类合并，形成一套完整的分区数据；二是在分区数据基础上，通过GIS 技术实现影响场长轴方向的自动判定，并集成到地震灾害损失快速评估系统中进行应用。

1 分区数据的加工

原始的基础数据包括北京地区断裂数据、北京行政区域数据，数据均为Shapfile 格式的矢量数据，在ArcGIS 软件中进行加工处理，处理流程如图1 所示。

(1)在归整基础数据时，需要对每一条断裂的走向进行人工判定，因为断裂数据不是规则的线段，如果由程序自动提取最近的断裂上某点的方向，将会产生很大的误差。

(2)在用Fishnet 工具生成网格面矢量数据时，同时生成每个网格中心对应的点矢量数据，以此点数据代表小网格面去计算最近的断裂，将会提高空间分区的精度。 选择北京周边的39°～41°N、115°～118°E 的空间范围，东西平均距离255km，南北平均距离223km，因而使用Fishnet 工具生成网格时，colums 和rows 设定值分别为255 和223，从而得到近似1km×1km 的分区网格数据，如图2 所示。

图2 网格化示意图Fig.2 Schematic diagram of spatial grid division

(3)用Near 工具进行空间分析，获得每个网格中心点所对应的距离最近的断裂，并将断裂ID 自动保存到网格中心点矢量数据的属性表。

(4)通过Python 代码获得断裂ID 对应的断裂走向角度值，并将结果添加到网格中心点矢量数据的属性表。

(5)用Join 工具将网格中心点矢量数据的属性信息合并到网格面矢量数据的属性表，从而每个网格面都得到了最近断裂的角度值。

(6)用Dissolve 工具进一步归整数据，将具有相同断裂角度值的网格进行合并，从而得到更简洁的分区数据，相同颜色值的分区具有相同的断裂走向，如图3 所示。

图3 断裂走向空间分区示意图Fig.3 Schematic diagram of spatial partition of fault strike

2 分区数据在评估系统中的集成应用

在中国地震局给各省级地震应急指挥中心统一部署的单机版快速评估软件和“十五”快速评估系统中，影响场的长轴方向由人工指定或由后台实时计算获取最近断裂位置的走向，触发界面分别如图4(a)、图4(b)所示。

2018—2019 年，北京市地震局自主研发了本地化快速评估与辅助决策系统，触发界面如图4(c)所示，将本文制作完成的断裂走向空间分区数据集成在评估系统后台，当未输入长轴方向参数时，自动获取长轴方向值供评估系统使用，快速评估流程如图5 所示。 基于提前制作的分区数据，评估计算的效率和评估精度都得到了提升和改善。

图4 不同评估系统地震触发界面Fig.4 Trigger interfaces of different evaluation systems

图5 基于断裂分区数据的快速评估流程示意图Fig.5 Flow chart for rapid evaluation based on fault partition data

3 实例分析

选择南口山前断裂和南口孙河断裂交汇处的位置，进行模拟评估计算和对比分析。 使用许卫晓等[12]提出的地震烈度衰减的矩阵模型，模拟5.2 级地震，烈度衰减公式见式(1)、式(2)。

Ⅵ度区长半轴、短半轴:

Ⅶ度区长半轴、短半轴:

分别选择长轴方向沿北东向和北西向的断裂进行衰减，得到的评估结果如图6 所示；地震影响场与模拟评估区域人口公里网格叠加对比结果如图7 所示。 因模拟“灾区”的人口和建筑物分布具有巨大差异，得到的经济损失和人员死亡评估结果差异也非常大。 因而，地震影响场长轴方向对于地震快速评估结果具有显著的影响。

图6 模拟地震评估结果对比Fig.6 Comparison of simulated seismic evaluation results

图7 模拟评估区域公里网格人口分布对比Fig.7 Comparison of population distribution of kilometer grids in the evaluation area

4 结论与讨论

面向震后第一时间的地震灾害快速评估需求，本文讨论了一种基于GIS 的地震影响场长轴方向自动判定技术的实现方法与应用。 以北京地区为例，在断裂数据归整的基础上，通过空间网格化处理，得到长轴方向空间分区数据；将分区数据集成在北京市本地化快速评估系统中进行实践应用；并通过实例分析不同影响场长轴方向对评估结果的影响；研究结果集成应用以来，大大提高了快速评估系统的计算效率和评估精度。

值得注意的是，在影响场的快速评估计算时还应考虑断层规模、断层倾向、不同震级、断裂交叉位置等多种因素的影响。 由于这方面的研究和应用，尚未得到成熟可靠的计算方法，本文在进行震后第一时间的快速评估时，暂且只根据微观震中位置来判断最近的断裂走向作为影响场的长轴方向。

受断裂探测精度与属性信息详实程度的限制，基于现有断裂判定地震的长轴走向也不完全准确。 根据震后的余震、强震、震源机制解等结果，需要对地震影响场进行不断修正后再评估。涉及震后动态跟踪评估以及评估模型的完善和精细化问题，我们会在后续的研究工作中持续关注和推进。