基于空间信息技术的地震灾害监测评估

毕晓佳，汪宝存，徐华全，张 宁

（1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.成都市防震减灾局，四川 成都 610042；

3.河南省地质测绘总院，河南 郑州 450006；4.天水市地震局，甘肃 天水741000）

0 引言

地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，中国又是地震多发国家之一，由地震造成的经济损失和人员伤亡制约了社会的发展。因此，地震发生后，对震害情况进行快速、有效的监测评估可以提高政府对破坏性地震的应急响应能力，为应急求援节约宝贵时间，大大减轻因灾害造成的伤亡、损失。空间信息技术于20世纪60年代兴起，70年代中期以后在我国得到迅速发展，是一门包括地理信息系统GIS、遥感 RS、全球导航卫星系统 GNSS以及数字地球在内的地球空间信息科学。随着计算机和空间对地观测技术的发展，空间信息技术已逐渐应用于防震减灾领域。本文通过实际震例分析说明了空间信息技术在震害监测评估中的作用和应用前景，并结合数字地球平台可视化展示了监测评估结果。

1 基于GIS的地震灾害监测评估

随着GIS技术的发展，空间数据在防震减灾领域的应用越来越广泛，我国有几十座城市和大型企业都建立了专门的基于GIS的防震减灾系统，实现了地震后的震害快速预估，应急辅助决策信息的及时生成，各种灾情、救灾方案等信息的展示、查询和汇总［2］。成都市地震灾害评估系统是一个具有应急指挥、灾害快速评估、辅助决策、震情实时监测传递等功能较完善的专业系统。基础GIS数据库包括了42类71项数据。一旦获得地震台网触发的破坏性地震基本参数，系统将根据四川西部烈度衰减公式生成烈度影响场，依据易损性震害矩阵评估建筑物等的震害等级及其分布，进而根据损失比和相应的财产估算总的经济损失，评估人员伤亡，生成灾害报告和各种震后应急辅助决策方案等［1-2］。2010年5月25日，四川都江堰、彭州交界发生M5.0级地震，根据成都市地震烈度速报台网实时监测到的烈度值绘制烈度分布图如图1b所示。我国的地震烈度等震线特别是高烈度等震线一般表现为近似椭圆形，因此目前我国的地震烈度衰减关系多使用椭圆模型。椭圆型烈度衰减关系函数表示：

式中下标a和b分别表示长、短轴方向。当R采用震中距时，Ra0和Rb0不得取为0，否则在R=0时，震中烈度将趋向无穷大。Ra0和 Rb0的物理意义是考虑震源体尺度的，其作用是使地震烈度在震中区变化缓慢，客观上起到了近场烈度饱和的作用。根据四川地区34次地震82条等震线回归，充分考虑了断裂带方向、不同地区地震烈度衰减关系的差异、C4R项的取舍，R0值的筛选和长短轴方向衰减关系的匹配得出适合四川地区的烈度衰减公式：

其中：M是震级，R是震中距（km），I是烈度。

对此次地震的评估结果：极震区烈度为Ⅵ度。根据得到的烈度值，依次计算烈度圈与各区域的相交面积，即为各区域的受灾面积。通过将各烈度圈下各区域受灾面积与当前区域的总面积的比得到当前区域的受灾面积比；通过各区域的受灾面积比与基础数据库提供的各区域下的具体数值，得到各区域的具体受灾数值。评估得出此次地震影响面积约为2629km2，直接经济损失约13×104余元。如图1a所示，图中椭圆弧线为Ⅵ度影响场轮廓线。

图1 烈度分布图Fig.1 Intensity distribution

地震现场调查，震中烈度为V度，地震未造成人员伤亡，没有明显的房屋破坏，仅有个别旧房出现轻微梭瓦和细微裂缝。系统快速评估结果与实际情况存在一定的差异，主要有如下原因：

（1）基于四川西部烈度衰减模型，由于评估得到的影响场取决于系统内部的经验性衰减关系，造成评估结果比实际损失情况偏大，但总体的灾害分布位置还是可靠的。对于中等强震评估结果的随机性较大，主要取决于影响场的精度。

（2）数据是GIS的支撑也是地震灾害评估的主要依据，评估结果的价值，是由数据的饱满度和颗粒度体现的，所有的分析都离不开数据的支撑。目前基础数据库还存在不完善以及数据更新缓慢等问题，造成人员伤亡、经济损失、建筑物损失等评估统计结果与实际情况有一定的差异。

上述震例说明，目前基于GIS的地震灾害评估系统对震害的评估结果可作为辅助决策，系统需要通过各级对实际情况的实时反馈不断修正评估结果。对于采用的评估模型需要通过更多的震例不断修正完善，以提高公式的精度。基础空间数据库不健全，区域性和全国性的实用化数据采集建设仍然有大量的基础工作等待完善。

基于GIS的防震减灾系统除了在震后快速评估方面可以在第一响应时间内预估灾害损失情况还具有快速触发、实时监测的功能，通过与地震台网中心系统对接，利用台网的监测粒度，以高密度周期轮循，依据系统设定震级阀值触发后台服务，实时获取地震事件信息，并以震中闪烁的方式在地图上显示，标绘地震基本信息（发震时间、发震地点、震级）等，使监测人员能够快速定位到震中区域。另外GIS强大的空间分析、网络分析、路径分析、缓冲区分析等可以对地震震情、灾情进行全面分析、统计，对应急救援物资装备进行合理调配，辅助决策，对重大危险源，山体崩塌、滑坡、泥石流等次生灾害的发生，采取有效的救援计划。

2 基于遥感技术地震灾害监测评估

2008年5月12日汶川8.0级地震是我国建国以来出现的最大的一次破坏性地震，给人民生命财产造成了严重的损失。由于这次地震位于青藏高原和四川盆地的交界地区，灾区内高差巨大，地质环境恶劣。地震引发了大量的次生地质灾害，在相当程度上加重了灾害的程度。在所有的地质灾害当中以滑坡造成的危害和损失最为严重。滑坡造成的地质灾害主要体现在滑坡移动过程中摧毁道路、房屋、桥梁、农田、森林等位于地表的地物。在山区滑坡停止后形成的堆积物会阻塞河流，将河流阻断形成天然的大坝。大坝形成后在大坝的后面形成一个堰塞湖，堰塞湖的形成产生双重危害，其一：大坝的产生阻断了河流，使大坝的上游形成了一个巨大的堰塞湖，随着水位的上升，将淹没河流两侧的村庄、道路、农田等。其二：在河流的下游，因为滑坡形成的大坝具有不稳定性。另外一次地震或者是上游堰塞湖的压力就极有可能使大坝决堤。决堤后大量的水体下泻，很容易在下游产生严重的洪水。在交通堵塞、通信中断的大震过后传统的监测手段很难对地震灾区进行有效的监测和评估，遥感技术大面积同步感测，覆盖范围广，获取信息速度快，可以动态实时监测，对地震灾害进行快速监测评估，弥补地面调查的不足为地震应急指挥和救援决策提供重要依据。

汶川地震使北川县城附近元河坝以南的山体出现巨大的山体滑坡，滑坡在湔江上形成了一个巨大的堰塞湖，即唐家山堰塞湖，它距离北川县城6km，台湾福卫-2卫星多光谱影像在震前和震后的遥感图像清楚的显示了这一巨大变化。从图2（B）震后的遥感图像上可以看出震后A处出现了一个巨大的滑坡体，大量的碎石从山上滑到湔江中将湔江堵塞，形成一个巨大的坝体，据现场观测，坝体顺河长约803m，横河最大宽约611m，顶部面积约30×104m2，由石头和山坡风化土组成，坝顶高程750.2m，坝高82.8m。在坝体的后面图2（B）C处形成了一个巨大的堰塞湖。从图2（B）还可以看出A处的滑坡造成了省道302的彻底中断，同时造成了滑坡形成的堆积物将元河坝彻底掩埋。

图2 震前震后对比图Fig.2 Comparision chart before the earthquake and earthquake

图3 数字地球平台下的烈度分布展示Fig.3 In tensity distribution show s on the digital earth p lat form

震后在唐家山堰塞湖的下游，距北川县城以北约1km湔江北面的山体也出现一处大型的山体滑坡，滑坡将湔江阻塞形成了另一个堰塞湖即苦竹坝堰塞湖。

从获取的震前图2（C），震后图2（D）可以清楚的反映出这一变化。

3 基于数字地球平台的多源数据整合

数字地球平台是集地球空间数据采集、存储、传输、转换、处理、分析、检索、表达、输出为一体的应用、服务和决策支持系统。它以多分辨率空间影像数据为基础，以统一的坐标投影系统为框架，以开放的XML为数据交换标准，以空间数据基础设施为支撑，以三维可视化技术为手段，以分布式网络为纽带，为人类提供全新的观察地球、分析和研究地球、建立基于空间信息的各类应用和提供不同服务的有力工具［3］。利用数字地球平台，既可开展宏观研究，也可开展微观研究，更是一个适合开展信息资源整合研究应用的平台，它是空间信息技术发展的重要成果。

图3以三维地形遥感数据作为底图，矢量化活断层分布数据通过GIS数据格式转换标准进行转换，实现空间数据的共享，叠加实际影响场烈度分布图，以Google Earth为代表的三维数字地球环境作为整合平台，可视化展示了空间信息技术融合地震、遥感、GIS等多源数据进行存储、组织、管理、发布、共享的强大功能，简单直观的将专业数据展示出来。在无需了解具体地震灾情的情况下，从图中就可以得到此次地震发生在四川都江堰、彭州交界处，龙门山前山断裂带上，震中区烈度为黄色Ⅴ度，监测范围大成都市域范围内离震中区最近的都江堰市影响烈度Ⅳ度强，汶川县Ⅳ度强，成都市主城区及邻区主要城市Ⅰ度基本无感。监测范围内的震后灾情情况详细直观，根据监测评估结果直观的反映出震中区位置以及受灾极重区的影响范围，为应急救援、辅助决策提供依据。

4 结论

基于空间信息技术的地震灾害监测评估是集合GIS、遥感以及数字地球平台等多种方法进行多源数据整合，互相支撑补充，趋利避害，真实、客观、快速、有效的对地震灾害及其引发的次生灾害提取信息，进行监测评估，以确定震害程度及其分布范围。与传统的地面调查相比大大节约了灾后救援宝贵时间，在地质环境复杂，灾害发生后交通堵塞、通信中断的情况下为抗震救灾、辅助决策提供快速有效的科学依据。

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