离线式地震灾害快速评估与应急制图系统研发及应用＊

谭庆全

1) 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080

2) 地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080

3) 北京市地震局，北京 100080

引言

我国是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一。20世纪的统计数据表明，我国大陆地震次数占全球大陆地震的1/3，地震造成的人员死亡数量占全球的1/2。我国地震活动具有频度高、强度大、震源浅、分布广、损失重等特点[1-3]。地震发生后，在最短的时间内对灾情进行评估、产出各类应急专题图件，为政府抗震救灾决策部署提供依据，是地震应急工作的首要任务。随着经济社会的发展，尤其是2018年应急管理部组建之后，中央和各级政府对地震应急工作都提出了更高的要求。各类应急技术系统要求运行稳定、计算高效、操作简便、功能实用。因此，开展地震灾害损失快速评估与应急综合制图技术研究，为震后应急处置提供关键技术支撑，意义重大[4-8]。

在过去的几十年，随着计算机技术和以遥感与地理信息系统为代表的空间信息技术的发展，地震灾害快速评估系统与应急制图技术也得到了长足的进步。在 “十五” 期间，中国地震局组织建设了地震应急指挥技术系统，分别部署于中国地震局应急指挥中心和各省级地震局应急指挥中心，实现的地震应急业务包括地震快速触发、灾害评估、辅助决策、综合信息查询、信息管理与发布等[9-13]。2011年，原中国地震局震灾应急救援司针对破坏性地震应急处置工作的需要，对震后5个时段（1小时、2——3小时、3——4小时、5——8小时、8小时以后）共计27类专题图的快速产出提出了规范要求。在 “十二五” 和 “十三五” 期间，许多省（市）都开展了本地化地震灾害快速评估与应急指挥技术系统的建设。目前，绝大多数快速评估与应急制图技术系统的共同特点是，基于提前部署好的后台数据库与专业GIS软件平台，输入地震参数后，进行在线计算地震灾害损失结果并输出相应专题图件。此类技术系统具有一次部署，多个终端用户同时访问使用的优势，可以满足大多数情况下的地震应急处置工作需求[14-16]，但是，在以下方面存在不足：

（1）不能满足任意场景情况下的地震应急应用。系统的运行依赖于提前部署好的后台数据库与专业GIS软件平台，一般是固定部署在地震应急指挥中心或实验室内，对于地震现场应急工作队、地震现场应急指挥部或其他临时应急场所，则无法应用。因而，无法为前方指挥部提供有效的技术支撑，不能满足任意场景下的应用需求。

（2）开发部署相对复杂、成本高。系统运行需要提前部署专用的数据库与GIS软件，系统开发部署周期长，对系统维护和使用人员的专业要求高；同时，会产生大额的第三方商业软件购买费用或系统开发部署的委托费用。因而，系统开发部署周期长、成本高，系统的升级扩展与推广应用也比较困难。

（3）运行稳定性和计算效率得不到保证。由于涉及第三方商业软件平台或网络环境的部署，系统对软硬件环境有比较苛刻的要求，系统运行稳定性受到一定挑战。另外，系统主要是基于第三方软件平台二次开发部署，其计算效率的提高和性能优化受到一定限制。地震发生后，尤其是大震巨灾情况下，网络环境受到破坏，各项应急工作繁忙开展。因而，传统在线评估与制图系统的运行稳定性和计算效率得不到保证。

本文介绍的离线式地震灾害快速评估与应急制图系统，解决了传统技术方法的不足，基于关键技术的自主研发，在不依赖在线数据库与第三方商业GIS软件的情况下，实现一种运行稳定、计算高效、随时随地即插即用的应用系统，作为现有 “在线” 应用系统的有效补充或替代，为地震应急处置工作提供更有力的技术保障[17]。

1 技术思路与主要功能

1.1 基本原理

针对地震应急工作对评估结果与专题图件越来越高的时效性需求，设计实现了一种新型的完全自主知识产权的离线式地震灾害快速评估与应急制图全链条技术体系（图1），包括：离线评估与制图数据的生成、存储、管理、更新方法，地图切片坐标换算与索引技术、可视化专题图配置与批量输出技术、自定义报告模版配置与一键生成技术，多场景部署应用等。

图1 离线式地震灾害评估与应急制图技术体系示意图Fig.1 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technology system

该 “离线” 技术的特征表现在3个方面： ① 从数据层面看，不需要连接基础数据库，不需要基础地理数据的实时叠加和渲染，基于离线的预缓存数据即可进行快速评估计算和可视化制图表达； ② 从软件平台层面看，不需要商业GIS平台软件及后台数据库软件的支撑，不需要安装任何第三方插件，基于自主研发的软件和算法即可完成所有工作； ③ 从应用层面看，所研发的软件和离线数据可以部署于移动存储设备，不依赖特定的软硬件环境，针对不同应用场景，在普通PC机上即可实现即插即用。

离线式地震灾害评估与应急制图技术原理如图2所示。

1.2 关键技术

1.2.1 数据预处理

本文讨论的数据预处理，主要是将京津冀地区基础地理数据与重要涉震数据进行融合处理，基于细节层次模型（LOD）的地图显示原理，根据制作专题图的需要，提前生成多级预缓存离线地图数据。离线存储的地图数据保留了原来所有图层叠加和渲染显示的效果，以固定大小瓦片的形式存储（一般是256×256像素），在使用时直接读取目标区域的瓦片进行拼接使用，因为不再需要图层实时叠加和渲染的空间处理过程，因此大大提高了制图效率。由于离线存储的地图瓦片丢失了空间属性信息，这就需要在每个地图瓦片的存储位置和其空间坐标范围之间建立可相互转换的计算规则。为此，我们提出一个5层文件目录结构的命名规则[14]，实现了存储位置和空间坐标之间的相互转换。

1.2.2 评估模型构建与损失预评估

根据图2所示的离线评估计算原理，将京津冀地区在所有破坏烈度作用下的损失结果进行提前评估计算，在实际使用时，只需要抽取地震影响范围内相应烈度的预评估结果即可，由于省去了实时评估计算过程，因此大大提高了评估效率。为了便于计算存储和空间分析，以经度0.01°×纬度0.01°的网格作为基本评估计算单元，针对每个基本单元，结合人口、GDP、土地利用、设防烈度和行政区划等主要影响因素建立了本地化抗震能力分区分类模型[18]，如公式（1）所示：

图2 离线式地震灾害评估与应急制图技术原理示意图Fig.2 Diagram of off-line earthquake disaster assessment and emergency mapping technical principle

式中，Cd为综合影响因子值；Hdi为不同影响因素的影响系数；i为影响因素个数；d为某研究区域； γdi为各影响因素的权重，其中

在分区分类基础上分别利用经验震害矩阵的完善方法、建筑物地震直接经济损失分析模型和人员伤亡模型得出较为符合京津冀地区的预评估结果。将每一个网格的计算结果以及此网格对应的属性信息（经纬度范围、行政区划名称、面积、人口、GDP等），作为一条记录存储于离线数据库中。在离线评估计算时，只需要从数据库中按条件检索统计即可得到需要的结果，因而进一步提高了计算效率。

1.2.3 离线数据存储管理

本文讨论的离线数据存储管理主要包括3部分数据。 ① 为了满足离线评估和制图需要的预评估结果数据和离线地图数据。如前文所述，预评估结果数据以离线数据库的形式进行保存，离线地图数据以分层目录结构的形式进行保存。为了便于数据的快速检索和更新，针对大量的离线数据，建立了基于地理空间分区的离线存储管理机制。每个地理空间分区具有固定的经纬度范围，实际使用时，根据需要从相邻的几个地理分区中提取数据即可。 ② 为了满足生成评估报告和决策分析需要的各类POI数据。此类数据的管理较为简单，只需要提前分析处理每条数据的经纬度坐标并将其存储在离线数据库中，在使用时，检索对应范围对应的数据，并进行实时点图层叠加和显示处理即可。 ③ 为了满足其他震害分析与可视化需要的矢量图层数据。基于对矢量格式数据的底层解析，开发了点、线、面矢量数据文件的实时加载、编辑和可视化接口，实现了离线运行状态下的矢量数据文件的管理和应用。

1.2.4 面向对象编程开发

基于面向对象编程和图形图像处理技术，利用Visual Studio集成开发工具，实现了地震灾害损失快速评估、应急专题图批量制作及数据管理和可视化的一体化软件集成开发。通过对所有底层应用接口的自主研发和封装，软件可在普通Windows电脑上 “即插即用” ，同时提供了直观友好的可视化交互操作界面，因而最大限度提高了软件的应用场景和应用便捷性。

1.3 主要功能模块

针对实际应用需求，实现了全链条关键技术及软件功能的开发，按照功能分类，软件的功能模块主要包括以下几部分：

（1）离线数据生成与存储管理功能：地震灾害损失预评估结果的生成与离线存储管理；应急专题图地图数据多图层叠加渲染、切片数据生成与离线存储管理；离线存储数据的坐标换算、快速索取、快速更新等。

（2）快速评估计算功能：根据地震参数和烈度衰减模型生成地震影响场；最高烈度评估计算；地震影响范围评估计算；地震灾害损失评估计算；救灾对策评估计算；地震影响重点目标评估计算等。

（3）专题图批量制作功能：根据地震影响范围和专题图制作分类自动批量生成应急专题图；震中位置专题图定制输出；距离专题图定制输出；震中影像专题图定制输出；震后动态信息专题图定制输出；自定义标注专题图定制输出等。

（4）自动生成报告功能：根据评估计算结果自动生成快速评估报告、辅助决策报告；自动生成修正评估报告、修正辅助决策报告等。

（5）模板管理功能：快速评估报告模板个性化定制；辅助决策报告模板个性化定制；应急专题图模板个性化定制等。

（6）信息标绘功能：灾情分布动态标绘；救灾进展动态标绘；现场工作动态标绘；震后调查信息动态标绘；自定义文字或图片标绘等。

（7）数据管理与可视化功能：历史地震数据管理；避难场所数据管理；重点目标数据管理；城市地名数据管理；其他POI数据管理；预评估结果数据空间查询与可视化表达；地震烈度分布可视化表达；离线专题图数据浏览与可视化表达等。

（8）参数设置及软件管理功能：评估模型参数设置；烈度衰减模型参数设置；评估计算规则设置；辅助决策规则设置；制图类别设置；自动制图参数设置；距离制图参数设置；影像制图参数设置；自动触发计算设置；可视化表达设置；用户管理；权限分配管理等。

2 实际应用效果

近年来，北京及周边地区发生多次北京市有感地震。根据北京市地震局地震应急预案，凡是有感地震均要启动地震应急响应工作。表1列出了2019——2021年北京市地震局启动应急的地震事件。

表1 2019——2021 年北京启动应急地震事件列表Table 1 Earthquake events affecting Beijing from 2019 to 2021

基于自主研发的离线式地震灾害快速评估与应急制图系统，在上述地震应急工作中，值班员第一时间完成了评估报告与专题图件的产出。而且，整个操作过程只需要将地震参数输入软件，在可视化操作界面点几下鼠标，不到一分钟即可完成评估报告的产出与几十张专题图件的制作，可为震后应急处置提供重要的信息支持。根据公开文献报道，本系统评估计算和制图速度是全国同类软件系统中最快的。图3和图4分别给出了某次地震评估计算时的系统界面及生成的部分专题图件。

图3 某次地震评估计算界面Fig.3 The software interface for an earthquake assessment

图4 某次地震生成的部分专题图Fig.4 Thematic maps generated for an earthquake

除了可以提供震后快速评估与应急制图等核心业务功能以外，本系统还提供了相关专业数据的管理与查询显示。基于可视化交互界面，实现了历史地震、学校、医院、危险源、避难场所、政府机关、乡镇、村庄、旅游景点、重点目标等POI数据的查询、修改、批量导入/导出功能。而且，只要按统一规则新增加到系统目录下的POI数据，软件都可以自动识别与管理。另外，评估计算所依赖的人口、建筑物、生命线数据，以及在不同烈度作用下的损失结果数据，可以按行政区或空间区域进行快速查询与可视化展示。图5给出了某空间区域人口分布数据的查询结果及渲染显示界面。

图5 人口分布数据查询与渲染显示界面Fig.5 Display interface for population distribution data

3 总结与讨论

本文实现的离线式地震灾害快速评估与应急制图系统，从初步构想、试验研究、集成开发到列装应用，历时将近10年时间。目前，已经完成全链条关键技术的攻关和软件系统的自主研发。在京津冀协同发展国家战略大背景下，本系统实现了京津冀一体化地震灾害快速评估与应急制图功能。快速评估的结果，可以具体到京津冀每一个区县，可以产出京津冀总体损失评估报告，也可以定制生成每一个行政区的评估报告。

该 “离线” 技术无论从数据层面、软件平台层面还是应用场景层面，都较传统技术方法具有显著优势。另外，该 “离线” 软件除了支持在普通PC机上即插即用外，还可以部署为后台软件支持远程Web页面或APP的访问。目前，软件已经在实际地震应急工作中发挥了重要应用实效。笔者认为，结合其他应急工作需求，替换相应的专业数据与模型后，该技术方法在其他各类自然灾害与突发事件应急处置中也具有广阔的应用前景。

在后续工作中，我们将加强本技术方法的推广应用，进一步完善和优化系统功能，以期发挥更大的应用价值。关键要围绕以下3个方面开展相关工作：

（1）全流程自动化功能的实现。目前，软件基于人工输入的地震参数，可以实现评估报告与系列专题图件的自动生成，也可以通过手机APP远程查看和下载相关结果。为了进一步提高应急响应速度以及系统自动化水平，需要实现与地震速报信息的自动对接，满足应急条件时自动计算生成评估报告和专题图件；需要将自动生成的结果向指定的用户进行自动远程推送；需要与应急指挥中心的应急指挥技术系统（如大屏幕投影系统、视频会议系统、打印输出系统等）进行自动对接，实现相关技术系统的自动启动与评估结果的自动呈现。

（2）与区域特征相匹配的评估方法的集成应用。目前，软件以京津冀区域为例进行了示范应用。为了实现在不同地区的推广应用，需要定制覆盖该区域的离线地图数；需要根据区域特征定制相匹配的评估模型和应急应用场景。目前，软件实现了统一的地图存储与检索规则，不同地区的地图数据可以无缝集成应用；但是，针对特定的评估模型和应用场景，还需要根据实际情况开展相关研究工作。

（3）震后动态跟踪制图功能的实现。目前，应急专题图的批量制作是基于评估模型生成的地震影响场与预存储的专题图地图相叠加后生成的。针对震后不同应急时段生成的动态信息（如余震序列、灾情分布、救灾进展等），还需要定制数据交互接口，实现数据的自动获取、自动解析、自动渲染和动态跟踪制图。

最后，笔者结合近几年地震应急工作的经历，谈两点应急领域技术系统研发方面的思考：

（1）实用至上。应急应用软件必须运行稳定高效、操作直观便捷、产出实用好用。随着各类新技术的涌现， “跟风” 成为一种常态。有些系统为了大数据而大数据，为了上云而上云，为了区块链而区块链，即便制造困难也要用上新技术。新技术的先进性是毋庸置疑的，但是，笔者认为针对实际问题选择最适合的技术才是可行之道。

（2）底线思维。应急领域的问题，往往都是关系到人民群众生命财产安全的大事。应急应用软件的重要性是毋庸置疑的。但是，它区别于实验室产品，不能只怀有最好的预期，而是要作 “最坏的打算”− 在事件最极端的情况下系统是否可以正常运转？正是以这种思维为前提，面对地震灾害，我们提出了本文介绍的这种新颖又实用的技术体系和实现方法。笔者相信，多一些这种 “底线思维” 的考量，各类应急应用软件就能更好地发挥应用实效，面对突发事件的应急处置，我们才能从容不迫。

致谢

本系统所使用的人员伤亡与经济损失的评估模型由中国地震局工程力学研究所孙柏涛课题组提供，在此深表感谢！审稿专家对本文的修改提出了建设性的指导意见，在此深表感谢！