厦门市地震分析与救援系统

厦门市地震分析与救援系统摘要：为了解决地震应急阶段的灾害损失评估、灾后救援人员和物资调配、救援路径分析等一系列重要问题，以厦门市为研究区域，采用超图公司组件开发平台SuperMapObjects6进行二次开发，开发了一套集成灾区基础信息管理、地震模拟和评估、灾情评估、最佳救援路径分析、灾后资源调配等功能的系统，为厦门市的抗震减灾提供了决策分析的依据。关键词：地震，救援，GIS，超图，组件开发0引言地震是阻碍经济健康发展和破坏社会稳定性最为严重的自然灾害之一。我国处在环太平洋地震带与欧亚地震带两大地震带之间，地震活动频繁、强度大，震源浅、分布广，受到的地震威胁较为严重。自1950年以来中国大陆不同自然灾害中，死亡人数最高的是地震，占54%。近些年来的5.12四川汶川大地震和4.14青海玉树大地震给国家和人民生命财产造成了严重的损失。目前，基于地震的一些应急分析和地震信息的发布，主要是显示地震震中的分布，但不能向政府及时提供灾情和损失分布，以及救援最佳路径和救援调度分析，因此政府也无法在地震发生的第一时间快速评估损失和提出防灾救援措施。目前GIS已在测绘、城市规划、水利、土木、环境保护、土地利用与规划等众多领域得到了广泛的应用。由于地震灾害的每一个环节及过程均与地理位置密切相关，因此可借助GIS的可视化平台、强大的空间分析功能和数据处理功能可以进行相关的地震灾情评估分析和最佳救援路径分析，可以解决以往无法体现的对地震直观高效的管理调度，从而为政府作出决策提供科学依据。将GIS与人工智能结合可以突破传统的方法，取得更为可靠地结论，以便能更好地配合防震减灾工作。在地震发生的初期和中期，灾情的快速评估是非常重要的环节，特别是在无法进行地面调查的情况下，或在现场资料还没有汇集出来的时候，通过GIS技术勾画的地震影响场，有利于快速掌握地震灾害分布情况，便于快速部署下一步的救援方案[1]。而地震的后期评估的主要目的是为了合理地分配救灾资金，以便及时救援和恢复重建[2]。基于以上考虑，开发了一套集成灾区基础信息管理、地震模拟和评估、灾情评估、最佳救援路径分析、灾后资源调配等功能的系统，以期为政府作出相应的急救决策提供科学依据。1系统概述1.1概述本系统是基于超图公司软件SuperMapObjects6和VisualStudio2010C#进行的组件开发，数据库采用MicrosoftAccess2007软件，还采用了第三方控件DotNetBar。DotNetBar是一组用于.NETFramework环境下的一组组件集，利用该组件集能够打造绚丽并且实用的应用程序界面，给开发人员提供极大便利。系统主要由六大功能模块组成，分别是文件、信息管理、地震分析与决策、灾后统计、地图输出、帮助文档等。如下图1所示是登录界面，图2是系统主界面，界面简洁美观，功能丰富，功能区分配合理，整个操作流程简单易学，易于掌握，用户不需有任何专业背景知识，即可进行操作使用，具有重要的推广价值。基于这些基础空间数据和地震专业空间数据，利用GIS专业的空间查询和空间分析功能，以可视化形式模拟地震影响场，有利于快速掌握地震灾害分布情况和估算受灾人员。还可以实现地震烈度强弱分布、最佳救援路径等各种地震专题图，同时可以为抗震救援提供人员疏散分析、救援力量调度、救灾物资调度提供有力支撑。图1登录界面图2系统主界面1.2特色（1）动态按钮工具。提供基本地图操作功能，如地图的基本操作：放大，缩小，自由缩放，点选，漫游，圆选，框选，多边形选，全幅显示，刷新，距离量测，角度量测，面积量测，清空选择，查看地图属性，上一步，下一步的操作，鹰眼等。而且这些操作都是放在主界面，当鼠标划过这些操作按钮上时，这些操作会呈现动态感鲜明的跳动，如下图3所示是动态按钮工具。图3动态按钮工具（2）地震影响场设置和模拟本文介绍的采用GIS对地震模拟进行可视化的原理和方法以厦门市为例，也可适用于福建省任何地方。而且只要简单修改下算法中相应地区的椭圆的长轴半径、短轴半径等其他值，就可以模拟出该地区的地震烈度、影响范围等情况，具有重要的推广价值。如下图4所示是根据不同震级绘制出的地震影响场。图4不同震级影响场和烈度情况（3）救援路径分析时间就是生命，救援刻不容缓，如何在最短时间内到达目的地救援显得至关重要。本系统提供设置路径权重字段，并在地图上添加起始点，就可以分析得到最短路径，并列出这条路径的详细行驶说明，便于救援车队和人员以最快速度抵达受灾点，最大程度降低灾害带来的损失。如下图5所示是救援路径分析路线及具体行驶路径。图5救援路径分析（4）灾情直播，通过来年各种方式，由现场的救援人员或无人机拍摄受灾现场视频和360°全景照片，第一时间上传给救援指挥中心系统，方便决策者更加全面、快速掌握受灾情况。a.6级地震b.7级地震c.8级地震2系统功能2.1信息管理信息管理模块主要包括人口信息查询、精确查找、模糊查找、导入TIF遥感影像、地图属性表管理、地震信息管理等功能。如下图6所示是信息管理模块。图6信息管理模块人口信息查询：查询、修改厦门市人口数据。精确查找：精确查找各级政府驻地、学校、医院等在地图上的位置。模糊查找：根据输入的类型、关键字模糊查找各级政府驻地、学校、医院等在地图上的位置。导入TIF遥感影像：可以导入航拍的最新影像，或下载的最新卫星影像，跟矢量数据叠加分析，有助于决策救援。地图属性管理：添加、删除、更新地图属性信息。地震信息管理：添加、删除、更新历史地震数据，包括经纬度坐标、震源、破裂方向、烈度、震中所在区、震中所在街道等。2.2地震分析和决策要实现预测、预报、预防系列地震，或者只做到其中之一，都必须有符合客观真实的震源构造和地震原理理论作基础。本系统在参考众多地震学家关于地震烈度衰减关系的研究基础上，结合福建省地区状况，通过GIS手段对厦门市不同地震等级、破裂方向等产生的影响范围和地震烈度情况以可视化形式展现出来。其中，地震分析与决策模块主要包括地震设置和模拟、缓冲区设置和分析、救援路径设置和分析、设施点查找、精确统计、模糊统计、受灾面积量算、地震决策、救援点信息、道路管理、救援方案展示等功能。如下图7所示是地震分析与决策模块。图7地震分析与决策模块2.2.1地震设置和模拟地震是大地的快速震动，属地壳运动的一种特殊形式。地震时，地下岩最先开始破裂的部位叫震源。震源在地面上的垂直投影位置叫震中。地震释放能量的大用震级表示。地震对地对面的影响和破坏程度用地震烈度表示。烈度通常分为12级，分别用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ和Ⅻ表示。烈度的大小与震源、震中、震级、构造和地面建筑物等综合特性有关。如震源愈浅、距震中愈近、震级愈大。烈度也就愈大。但一次地震只有一个震级，在影响范围内则有多种烈度[3]。世界是可知的。不仅是事物存在、发展过程的性状可知，事物发展过程的量值也是可知的。不仅震级，而且震中区地面响应地下震源块体所做的弧加速运动的量值，即地面破坏力和地表烈度等也是可以估算出来，甚至事先就能出比较准确的计算结果。从理论上讲，大地震的震源体接近长形，长形震源体的等震线接近于椭圆[4]。在实际中，等震线圈也明显反映出椭圆形状，因此，采用椭圆型地震烈度衰减公式能够比较真实地反映地震。本系统在地震烈度衰减关系的回归分析中，建立以震源为原点，长轴为X轴、短轴为Y轴的坐标系，采用椭圆长、短轴联合衰减模型(陈达生等，1989)，以保证长、短轴在R=0时烈度相等，而中间距离仍保持长、短轴烈度的差别，同时在远场也使等震线成圆形。联合衰减模型的衰减方程为:1231a42bIMlgRRlgRRCCCC式中：I为地震烈度；M为震级；Ra和Rb分别为沿椭圆长轴和短轴两方向烈度衰减的近场饱和因子；R1和R2分别是烈度为I的椭圆等震线的长半轴和短半轴半径；Cl，C2，C3，C4为椭圆回归系数；为回归分析中表示不确定性的随机变量，通常假定为正态分布，其均值为0，标准差为。系统直接引用蔡辉腾等[5]根据历史地震数据运用稳健回归法，在参考林金瑛和汪素云等对地震烈度衰减关系研究确定Ra和Rb分别取20km和14km。福建地区地震衰减关系主要参数如下表1所示：表1福建地区地震衰减关系表（1230IMlgRRCCC）地区轴向C1C2C3R0福建长轴4.03111.5741-4.033020km0.2576短轴3.07321.5741-3.742314km0.2576地震影响场模拟实现过程主要分为以下三个步骤：（1）输入震源参数，包括输入震中纬度、经度、震级、破裂方向、震源深度、地震时间、震中所在区、震中所在街道等，其中震中经纬度可采用手动输入或图上点选的方式。如下图8所示是震源参数输入窗口。图8震源参数输入窗口（2）将地理坐标系转换为平面坐标系，计算各个烈度的椭圆长半轴、短半轴长。通过定义以下两个坐标系:①北京54地理坐标系：objGCS.Type=sePJGeoCoordSysType.scGCS_BEIJING_1954;②北京54高斯克吕格投影：objPCS.Type=sePJCoordSysType.scPCS_BEIJING_1954_GK_20;再把地理坐标系的坐标转换为投影坐标系的坐标：soPointobjPoint=newsoPoint();objPoint.x=px;objPoint.y=py;objPCS.Inverse(objPoint);x=objPoint.x;y=objPoint.y;（3）采用烈度越大、颜色越深的方法绘制各个烈度下的椭圆状影响场情况。2.2.2救援路径分析救援路径的分析功能的实现，首先需要对路径进行网络环境分析设置，因此，先开始网络环境分析设置。设置节点的容差等一系列选择后，即可以确定分析。选择“添加点”按钮，在地图上选择起始点和需要到达的点，也可以选择需要经过的点，站点设置中会有显示节点的信息，单击分析按钮，即可分析出路径，单击查看报告，可以显示出行驶路径，也可以将行驶路径导出为文档格式。2.3灾后统计灾后统计模块包括灾后伤亡人数统计、灾后疫情统计、受损道路统计、经典救援案例等功能。如下图9所示是灾后统计模块。图9灾后统计模块灾后伤亡人数统计：有两种统计方式，一是根据遥人工感解译，手动量算受灾区域人口数；二是根据地震模拟得到的不同震级下的影像范围和烈度，估算受灾人口。灾后疫情统计：根据实地调查的结果，添加、修改、删除各类疫情情况。经典救援案例：给决策分析者提供一定的参考，以免考虑不周所引发的不必要的灾害损失。3总结本系统界面简洁美观，功能丰富，功能区分配合理，整个操作流程简单易学，易于掌握，用户不需有任何专业背景知识，即可进行操作使用，具有重要的推广价值。基于这些基础空间数据和地震专业空间数据，利用GIS专业的空间查询和空间分析功能，以可视化形式模拟地震影响场，有利于快速掌握地震灾害分布情况和估算受灾人员。还可以实现地震烈度强弱分布、最佳救援路径等各种地震专题图，同时可以为抗震救援提供人员疏散分析、救援力量调度、救灾物资调度提供有力支撑。参考文献[1]杨中,王玮,黄小刚,等.基于GIS的临汾市地震灾情评估系统[J].测绘与空间地理信息,2010,33(6):180-183.[2]李京,陈云浩,唐宏,等.自然灾害灾情模型与方法体系[M].科学出版社,2012.[3]潘树荣,伍光和,陈传康,等,自然地理学[M],高等教育出版社,1985.[4]胡聿贤.地震安全性评价技术教程[M].北京:地震出版社,1999．[5]蔡辉腾,韦永祥,郑师春,等.福建及邻近地区地震烈度衰减关系研究[J],地震研究,2008,31(1):20-26.