基于GIS的区域性地震安全性评价技术服务系统应用研究

肖 斌,曾文敬,朱 慧,王妍婕*

(1.江西省地质博物馆,330000,南昌;2.江西省大地数据有限公司,330001,南昌;3.江西省地震局,330001,南昌)

0 引言

区域性地震安全性评价(以下简称“安评”)工作作为进一步贯彻落实党中央、国务院关于深化“放管服”改革、优化营商环境具体举措,是践行以人民安全为宗旨的发展理念,确保建设工程抗震设防要求不降低,最大程度地减轻地震灾害风险的必然要求;同时,区域性地震安全性评价既是国家防灾减灾、保障地震安全的重要环节,也是减轻地震灾害、避免大地震产生重大人员伤亡与财产损失、避免造成重大的社会经济影响和环境破坏的有效途径。近年来,随着经济的不断发展、全国城镇化不断推进,科学合理的抗震设防需求成为发展过程中必不可少的要求,地震安全性评价工作越来越得到社会的重视[1]。

在GIS、大数据、物联网和云计算等先进技术不断发展的支撑下,自然资源和生态环境行业领域、水利和农业行业领域等不断涌现出新信息技术应用案例。宋超等[2]提出基于“互联网+”手段利用GIS技术和大数据在土地卫片执法中的应用;常松[3]提出了基于GIS技术在智慧水务平台的应用;李忠[4]提出了基于GIS的预警信息“一张图”,设计了在自然灾害预警预报、防灾减灾及应急中提供辅助决策作用的应用;徐兰声[5]、吴红亚等[6]、李璇琼等[7]分别提出了基于GIS系统、物联网技术及无人机技术在地震灾害评估和救灾应急中的应用;三利鹏和马海军[8]提出了作用在环境地质污染信息采集一体化中的GIS技术应用。

通过将GIS技术与地震安评技术相结合,构建出区域性地震安全性评价全要素“一张图”系统,辅助区域地质安全性评价工作,实现对其基础地理数据、安评成果数据和钻孔数据等二三维一体化资源整合和可视化管理,由此对有效提升安评成果应用的便捷性具有重要的意义。

1 GIS技术在安评中的优势

GIS是通过对地理空间实体以及现象的特征要素进行表达、获取、处理、管理、分析与应用的计算机空间或时空信息系统,包含对空间数据的采集与输入、对空间数据的编辑与更新、对空间数据的管理与存储、对空间数据的查询与分析、对数据的显示与应用等功能,可以通过模拟与预测的功能为人类解决现实世界中的规划和重大决策问题提供支持。近年来,GIS技术已在自然资源管理、环境评估、资源调查、水利、国土空间规划、公共设施管理、农林牧业等众多领域得到了广泛的应用,其在自然灾害风险领域中的应用涉及分析、预警、预报、防灾减灾、辅助决策及协同应急等各个环节[9-11]。基于GIS和空间数据库技术对区域安评成果数据、基础地理信息和图件等资料进行数字化建档和可视化管理,提升应用服务水平,加强信息之间交换共享。

2 基于GIS和大数据的区域性地震安评系统构建

2.1 总体架构

系统采用SOA架构进行设计,由上至下分为用户层、服务应用层、数据层、数据库、运行环境支撑层等,系统架构如图1所示。

图1 系统总体架构设计

图2 高效可视化动态渲染技术流程

用户层:包括各业务处室、各级部门、系统管理员和普通用户。

应用层:包含管理端和用户端两块,其中用户端包括:地震环境、场地条件、物探、场地地震动参数、地震动参数分区、地震地质灾害;管理端包括:角色管理、用户管理、系统管理、日志管理、项目管理等功能。

数据层:数据层是存储和提供系统所需处理的数据,本系统基于MySQL数据库和Redis建立数据层,数据包括基础地理信息库、地震动参数数据库、项目数据、地震地质灾害数据库、用户数库、区评数据、图片数据和文档资料等数据。

支撑层:包括数据处理中心和数据存储中心作为数据层的数据支撑,系统运行环境需在JDK8以上版本环境中运行,采用SpringBoot后端框架和Vue前端框架进行构建。

2.2 关键技术

1)空间大数据高效可视化技术。为解决数据量大规模前提下,数据显示效率不高的瓶颈,系统基于海量矢量数据动态快速渲染引擎,对海量矢量数据渲染性能优化提速,解决上述问题,实现了对多源、异构、海量、动态数据等各类时空大数据在一张图上进行高效可视化表达。

2)GIS二三维一体化技术。充分利用GIS二三维一体化技术,研究多层次、多要素地震数据全空间一体化分析技术,实现地震数据的全空间一体化联动智能分析和可视化表达,为地震数据的共享应用提供分析和表达的技术支撑。包括地震数据与模型的统一管理、二三维一体化展示、联动查询和数全空间一体化联动检索、智能分析和动态模拟。

3)智能定制与弹性扩展技术。一是核心功能灵活定制与管理,核心功能设计遵循交互式模板灵活定制的思想,采用定制策略、定制模板等技术思路,满足数据查询、综合统计等相关功能。在查询分析和统计分析方面,可以定制各种专题查询和统计模板,自由选择所需的数据源、字段、范围和统计方法,从而为各类地震专题数据定制出多种多样的快速查询和统计功能,能够帮助用户突破专题系统的功能局限,满足各类数据不断扩展和综合管理的需要。二是场景功能的弹性扩展管理,底层场景功能模块采用插件式开发,所有功能既可插装,也可卸载,伸缩性强。用户可以利用标准的插件接口不断扩展个性功能,有效解决了场景功能平滑扩展的实际难题,实现“高内聚、松耦合”。

2.3 构建安评数据库

GIS技术在区域性地震安全性评价服务过程中的应用主要体现在安评数据库的建设,数据库涉及地理空间数据和非空间数据,具有对空间数据、属性数据统一管理的功能,针对项目涉及的数据量和服务平台的功能特点。安评数据库的主要结构如图3。

图3 数据库结构图

空间数据库主要有基础地理信息和安评专题数据两部分组成,数据库以GIS Geodatabase数据库实现空间数据库管理,再利用要素编码或ID号连接属性数据库与空间属性,且空间数据库坐标系统采用2000大地坐标系。而非空间数据库主要由行业标准文档数据和成果图件数据构成。

2.4 功能设计

平台的主要功能由安评成果“一张图”、项目管理和系统管理三部分组成。平台基于一张图实现区域性地震安全性评价数据资源整合,实现安评数据的数字化、可视化管理和应用服务。一张图展示包括GIS基础功能与基础数据综合展示、地图查询与分析、可视化查看所有数据资源目录。

在一张图的基础上提供基于GIS空间位置或属性进行区域地震安全性评价成果查询输出功能,包括地层结构不同参数、不同超越概率水准基岩与地表地震动参数成果及图件等。查询方式支持GIS地图点击查看、条件筛选方式进行查询信息,以图表、图件等方式展示。功能结构设计如图4所示。

图4 功能结构设计图

1)地震环境。地震环境选项包括:区域地震构造图、近场区域地震构造图、区域地震震中构造图、近场区地震震中分布图四个功能,如图5。

图5 地震环境

2)场地条件。场地条件选项包括:工程地质分区图、工程地质刨面图、目标区钻孔柱状图、波速测试成果图4个按钮菜单。其中,工程地质分区图和工程地质刨面图为多选框,勾选后右侧地图区域将会出现相应的图层;选择目标区钻孔柱状图或波速测试成果图则将出现钻孔选项框,选择需要查询的对应的钻孔即会弹出相应的柱状图或成果图,如图6。

图6 场地条件

3)场地地震动参数查询。利用内嵌地震动参数计算模型及GIS分析与定位能力,实时对设定场点设计地震动参数进行计算,输入该点位置、工程类型和场地类别后,具备能够给出基于区域性地震安全性评价结果、符合场地条件和工程结构抗震设计所需要概率水准的地震动参数的功能,包括峰值加速度、加速度反应谱和地震动加速度时程,如图7～图10。

图7 场地地震动参数

图8 地震动参数模型计算查询

图9 地震动加速度时程

图10 地震动反应图谱

4)地震地质灾害。地震地质灾害选项包括:50年63%、50年10%、50年2% 3种概率,其中都包含砂土液化分区图、软土震陷分区图、滑坡崩塌分区图、活动断层断错分区图。鼠标左键单击相应的菜单按钮即会弹出相应的分区图片,如图11。

图11 地震地质灾害分区

5)项目管理。项目用于创建新的项目,确认项目所属地区,方便后期用户的归属。该模块支持机项目的创建、编辑、删除、查询、启用等操作。

数据录入及检查主要提供平台区评估数据的录入和质检,支持录入目标区数据、钻孔信息、土层计算模型、反应图谱数据、时程图数据、场地地震动参数分区、场地条件、地震地质灾害、地震环境、地震危险性概率分析、物探等数据的导入及检查。

6)系统运维系统。系统管理:包括用户管理、角色管理、菜单管理、部门管理、字典管理等。

3 结论与展望

本系统实现了对区域性地震安全性评价工作中基础地理数据和安评成果等数据的一张图展示、查询、管理等功能,提高了成果的数字化、可视化水平,实现了对区域性地震安全性评价成果全息可视化管理,提升了安评成果管理与应用的便捷性。现已在江西省震灾防治中心上线运行,成功应用于《江西临川经济开发区区域性地震安全性评价》等服务项目,能根据临川设定场址位置和场地工程地质条件,自动计算出该地区50年或100年63%、10%、2%生成对应的设计地震动参数,为地震地质灾害初步评价结果提供信息化平台和数据支撑,取得了较好的社会效益。随着区域性地震安全性评价工作体系的不断健全,后续将根据实际应用需求不断完善功能并进行拓展,使之能够更好地服务于区域性地震安全性评价工作,实现安评数据的共享融合。