基于QGIS的四川地震应急专题图精细化设计与实现

许 娟，张 翼，周 琪，周 妍，何雅枫，陈维锋

（四川省地震局，四川 成都 610200）

破坏性地震发生后，需要在短时间内将震区人口、经济和灾情等信息报送给地震应急指挥决策者，此类信息的传播手段很多，但是最为直观和高效的方式首推地震应急专题图件（郑川等，2016；魏艳旭等，2016；李金香等，2013；郑树平等，2014）。地震应急专题图不仅可以表示地震的现状及其分布，而且能表示出地震的发展动态和发展规律（陈文凯等，2015）。这将有助于决策者对于前方灾情的研判，有利于指挥长对于救援工作的部署，从而最大限度的减轻地震灾害带来的损失（郑川等，2016）。

新形势下的防震减灾工作要求以用户需求为导向，不断丰富服务产品，完善服务方式，增强信息服务的时效性、实用性和精准性。但是四川现有的地震应急专题产品单一、针对性不强，已不能满足信息服务精准化需求，这就要求对应急专题产品进行创新。目前地震应急专题图产出通常是利用ArcGISEngine平台进行二次开发，建立自动成图系统，最后通过调用预先制作好的.mxd模板，自动产出不同幅面的专题图件。但ArcGISEngine作为一款商业闭源软件，在专业制图需求上，存在开发成本高、版权限制和制图渲染效果不理想等不便。QGIS是一款开源的桌面GIS软件，于2002年发布，现版本已更新至3.20。近年来，QGIS的关注度不断得到提高，其热度大有逼近ArcGIS热度趋势，这得益于QGIS的如下优点：①免费开源软件，在底层开发中无需授权；②良好跨平台能力；③支持多种矢量和栅格数据格式的显示；④强大的制图表达和渲染能力；⑤可扩展性强等特点。目前，QGIS已经具有非常完整的GIS功能，完全支持地理空间数据处理及简单空间分析功能。因此在我国高度重视信息安全的大背景下，选择开源的QGIS软件绘制地震应急专题图是一个不错的选择（黄昱等，2021）。本文从专题图服务对象需求分析和专题图分区两方面进行四川精细化专题模板研究，并编制QGIS自动制图系统，实现地震应急专题图的自动成图，以期为四川地震应急辅助决策和灾后救援提供有效的信息支撑。

1 专题图精细化策略设计

1.1 服务对象需求分析

当前，四川省应急专题图服务对象主要分为政府类和武警消防两类，但由于缺乏针对性的研究支撑和应用，专题信息深度挖掘不够，产品的针对性不强。本文就政府类和武警消防类两类对象需求进行深入研究。通过全程记录2018年以来8次地震应急事件视频会议中决策者需求，分析近两年5.0级及以上地震的近500幅地震应急专题产品，梳理出政府类专题产品需求从常规的专题信息扩展到震中附近历史震例分布、震中附近房屋破坏和全时程灾害调查及人员伤亡分布等，其需求具有全局性和方向性。通过10余次座谈分析出行业类（武警、消防）关注重点为4.0级及以上地震区域的灾区范围、乡镇人口数量和密度和乡镇距离等信息，涉及震区基本信息、评估信息等，其信息需求细化到乡镇粒度（张翼等，2021），具体专题产品需求见表1。对于列表中涉及的个性化新需求，考虑重新挖掘专题信息、细化专题信息等方式表达。

表1 专题产品需求列表

1.2 专题图产出分区

四川近十年来发生的中强地震区域差异显著，但专题产品未分区设定，出现要素表达不充分、专题内容表达模糊的情况，因此有必要针对四川的区域性差异进行研究，以提高应急工作中的区域针对性和时效性。目前苏桂武等（2005）、范开红等（2017）提出应急处置分区研究，因此在专题图产出分区研究中，参考相关专家应急处置分区经验，考虑了地形地貌、人口经济、地震活动和交通情况等要素的影响。本文将甘孜州、阿坝州、凉山州和攀枝花市4个市州划分为西部高山及山地地区，其余市州划分为四川盆地及周边地区（见表2）。

表2 分区市县列表

（1）地形地貌分析

地形地貌从宏观上决定了地震应急的救援环境和背景特点，不同地形地貌的成灾方式往往具有明显的区域差异。四川地势西高东低，由西北向东南倾斜，盆地及丘陵地区占比30%左右，县域单元分布密集，居民地分布均衡；西部高山及山地地区占比70%左右，县域单元分布面积较大，居民地分布不均（见图1）。就成灾范围而言，震时西部高山及山地地区人类活动分布不均，在山区成点状，在河谷成带状，在盆地或坝子成面状，这种“点”“线”“面”的分布特点导致地震成灾范围分布极不均匀，而四川盆地及周边地区，地势相对平坦，成灾范围聚集且分布均衡。在地震造成的次生灾害方面，西部高山及山地地区容易发生崩塌、滑坡甚至泥石流灾害等，而四川盆地及周边地区工业相对聚集，易发生火灾、危化品泄露等灾害。因此发生相同强度地震，指挥决策者针对不同区域关注点有所不同，如高山及山地地区关注地质灾害隐患点、水库和道路等要素的影响，四川盆地及周边地区则关注重点企业、人员聚集地等要素，因此有必要针对地形地貌差异，根据关注重点制作不同的专题产品。

图1 四川省地形地貌分布

（2）人口密度分析

人口密度的大小直接决定了受到威胁和需要保护的人口的多少，也影响着震后造成人员伤亡的多少，这直接影响了震前地震应急准备规模和震后地震应急响应等级（苏桂武等，2005）。四川人口东密西疏，分布极不平衡（见图2），西部高山及山地地区中甘孜州、阿坝州各县人口密度大多在20人/km2，属人口稀少区；凉山州、攀枝花除驻地城市外，人口密度大多在100人/km2，属于人口中等区，人口相对集中在河谷平原、中低山和丘状高原。四川盆地及周边地区人口密度大多在200～600人/km2，甚至不少区县人口密度超过1000人/km2（李雪等，2018），属于人口密集区，人口空间分布的县域单元较小，人口聚集现象极为明显，因此发生相同震级地震时，西部高山及山地区域同四川盆地及周边地区人员伤亡数量差异较大（范开红等，2017）。在专题图制图时，为将人口分布信息清晰地展示出来，有必要进行人口等级分区设计。

图2 四川省人口密度分布

（3）地震活动分析

区域内地震活动在一定时间尺度上的活动水平影响着地震应急准备工作的开展，影响着专题产品震级尺度的划分。根据第五代《中国地震动参数区划图》，西部高山及山地地区地震动峰值加速度主要为0.4g、0.3g、0.2g等，根据基本地震动峰值加速度和基本抗震设防烈度的对应关系，该区Ⅶ度及以上设防（多为Ⅷ度），地震风险高（郭红梅等，2021）；四川盆地及周边地区地震动峰值加速度主要为0.05g，0.1g等，根据基本地震动峰值加速度和基本抗震设防烈度的对应关系，该区Ⅵ度及以上设防，地震风险相对较小。通过收集历史震例数据并进行统计分析，四川发生过4.0级及以上地震共计851次（见图3），其中西部高山及山地地区200次5.0级及以上地震（8.0级地震1次，7.0～7.9级地震17次，6.0～6.9级地震49次，5.0～5.9级地震133次），四川盆地及周边地区108次5.0级及以上地震（7.0～7.9级地震2次，6.0～6.9级地震13次，5.0～5.9级地震93次），表明西部高山及山地地区地震频度相对较高且强度大。而震级越大，影响场范围越大，专题图内容负载越来越多，因此为清晰全面表达专题内容，有必要根据区域内不同地震的强度设计最佳显示效果的比例尺、符号和标注。

图3 四川历史地震分布

（4）交通分布分析

交通的通达程度决定着地区内部应急人员及物资流动和外援输入的时效性，直接关系着应急救灾的效率和效果（苏桂武等，2010）。四川交通路网区域差异明显（见图4），西部高山及山地地区，交通道路单一，多为单进单出，且路网大多分布于高山峡谷之间，受地形影响较大（范开红等，2017）。四川盆地地区路网密集，交通发达，且形成闭环。当发生地震后，西部高山及山地地区道路极易中断，容易形成交通与信息孤岛，因此，针对西部高山及山地地区和四川盆地及周边地区的应急处置方案不同。在制作救援类专题图时，需充分考虑各区域交通分布及通达性，制作出区域化的专题产品。

图4 四川省交通分布

1.3 专题图产出规则

按照《破坏性地震应急专题图产出流程与制作规范（试运行）》《地震应急信息与图件服务技术规范》等行业标准要求，A3幅面专题图是最实用和应用最广泛的幅面，具有能够快速打印、携带方便等优点，因此，这次产品主要设计为A3幅面（陈文凯等，2015）。为了清晰显示专题要素，对于包含影响场的专题产品分区、分震级（不同震级下，产生的影响场范围不同），按照1.0级间隔的震级档设计专题产出规则（孙艳萍等，2019）。对6.0级以下地震，根据最佳显示效果，设计固定比例尺；对6.0级及以上地震，根据影响场尺寸动态设置比例尺。对于不涉及影响场的专题产品，根据分区设计固定比例尺。与此同时，研究空间要素在不同比例尺下的显示效果，设计相应的符号和标注。最终梳理出部分四川省地震应急专题图精细化产品产出规则（见表3），形成相应的QGIS专题模板。

表3 部分精细化专题图产出规则

2 基于QGIS自动成图设计与实现

软件采用B/S架构设计，通过python调用QGIS组件进行自动制图，后端通过部署PostGIS数据库组件和QGIS软件，为影响场、专题数据等基础数据的存储和处理提供管理工具，其中QGIS程序为3.6版本。本软件深入用户需求，对应急专题图进行精细化设计，通过简单的人机交互，自动匹配模板快速生成专题图（见图5），提高了应急数据支撑保障能力。

图5 自动制图流程

软件总体架构分为：基础设施层、数据层、应用支撑层、业务应用层和用户层（见图6）。基础设施层为程序建设的软硬件设施，包括服务器、网络安全设施和输入输出设备等；数据资源层是本程序数据的管理核心，包括地震应急基础数据库和评估结果数据库；应用支撑层是程序建设所需的软件基础平台的部署与搭建，包括数据库软件、平台开发软件等；业务应用层是基于面向服务架构（SOA）进行设计，建设专题图模板制作、专题图分类管理、专题图模板管理、专题图手动输出、专题图自动输出和专题图发布等功能模块；用户层为专题产出服务对象，包括政府类、武警消防总队。

图6 基于QGIS自动制图系统总体架构

以长宁6.0级地震为例，地震发生后，系统快速获取地震三要素和评估数据，通过预先设定好的专题图产出顺序，调用专题图模板，自动产出政府类（见图7、8）和武警消防类专题图件（见图9、10）。由于专题产品根据不同对象的需求进行设计，更具有针对性，有助于服务对象对地震造成人员伤亡、受灾情况和应急救援作出初步预判，保障了各类专题信息高效、准确的展现于图件上。

图7 震中附近历史案例分布

图8 震区人口密度分布

图9 震区乡镇人口密度分布

图10 震中与主要乡镇距离分布

3 结语

本文通过对地震应急专题图精细化策略设计、自动成图设计，有效解决了专题产品单一、针对性不强等问题，提升了四川省专题图的可读性、实效性和指导性，可以在震后第一时间为政府、武警消防自动产出内容突出，标注合理的专题图件。在后续工作中将对其他行业对象和公众对象需求进行研究，进一步完善服务对象，丰富精细化产品。