基于ArcGIS平台的芦山地震房屋震害数据分析

王世元，黎大虎

(四川省地震局，四川成都 610041)

据中国地震台网中心(CNEC，http://www.cenc.ac.cn/)，北京时间2013年4月20日08时02分，四川省芦山县发生 Ms7.0 强烈地震，矩震级6.6 级左右，震中位于芦山县境内(30.314°N，102.934°E)，震源深度12.3～15 km，震源断层走向N40°E，倾角约35°［1-2］。地震重灾区为芦山县、宝兴县与天全县。地震造成震区大量的房屋建筑物被破坏，尤其是位于本次地震的Ⅸ度区(极震区)和Ⅷ度区的乡镇房屋受损严重。Ⅸ度区内的龙门、清仁、双石、太平和宝盛5个乡镇的房屋多数严重破坏，少数倒塌;Ⅷ度区内房屋少数倒塌，多数严重破坏或中等破坏;Ⅶ度区内房屋普遍轻微破坏，多数中等破坏，少数严重破坏，个别老朽房屋倾倒;Ⅵ度区内房屋多数轻微破坏，少数中等破坏，个别老朽房屋严重破坏。总之，本次地震Ⅵ度区以上总面积为18 682 km2，仅雅安灾区遭严重破坏、倒塌或损毁的农房达15.58万户［3］。

笔者在震后第一时间参加地震灾害评估与应急科学考察，并对震区高烈度区内房屋给出Ⅸ度区内乡镇的房屋破坏比，以及部分乡镇的房屋毁坏面积和主要结构的破坏比［4］。据考察结果，芦山地震震区内房屋的主要结构类型为砖混结构、砖木结构，城镇和农村地区房屋主要为自建房，一般是砖混结构和砖木结构的二层建筑，少量土木结构房屋。本文将数据分析整理、复核后仍发现一些异常值。这些异常值或离群值如果是真实可靠的，则很可能就是研究和理解数据的关键所在。因此本文基于ArcGIS平台，对芦山地震时搜集的房屋破坏点进行探索性数据分析，提取数据离群值，分析其离群的因素，研究房屋破坏特征及其原因。

1 数据来源及预处理

芦山地震发生后，中国地震局立即启动Ⅰ级地震应急预案和应急科学考察，组织了共计180余人270多组次对芦山县等21个县(市、区)256个乡镇进行地震宏观烈度调查和房屋建筑灾害损失评估，执行标准为GB/T18208.3-2000《地震现场工作第三部分:调查规范》。截至2013年5月6日，笔者搜集整理房屋建筑灾害损失评估资料，共计360个调查点和231个抽样点，以此为基础，对一些重要的调查点进行了复核，最终形成勾绘破坏调查点分布(图1a)，部分乡镇的建筑物破坏数据见表1。芦山地震烈度圈取自中国地震局颁布的四川省芦山“4·20”7.0级强烈地震烈度图［5］，主要断裂取自全国第五代区划图、汶川地震和芦山地震后科学考察工作修订的成果。笔者参考了2011年四川省年鉴资料［6］中的人口、房屋建筑面积数据，算出房屋建筑破坏率，将破坏率分配给所在的乡镇，导入ArcGIS软件中进行图件渲染和数据分析准备(图1b)。

图1a 芦山地震房屋破坏调查点分布

图1b 芦山地震房屋毁坏率

表1 芦山地震部分乡镇建筑物破坏数据

2 研究方法

ArcGIS平台具有强大的探索性空间数据分析处理功能，能够结合统计学和图形、图表显示对空间数据进行描述和归纳性研究［7］，而探索性空间数据分析(ESDA)是ArcGIS模块中集成得很成熟的数据分析方法，在区域经济、农林产业和中国SARS疫情等方面的空间数据分析领域都有很好的运用［8-11］，其方法、原理和算法已在相关文献中有介绍［12］，本文不再赘述。本文利用ArcGIS提供的探索性空间数据分析工具，对芦山地震房屋破坏调查数据进行分析，可以检验数据的分布特征，查找异常值、极端值或离群值，检验数据分布趋势，能更好地从空间和图形角度认识、理解房屋破坏数据。

3 结果与分析

3.1 直方图(Histogram)

将芦山地震震区的房屋震害调查点整理计算后，按照经纬度导入ArcGIS平台，经科学计算，分配整合导入各调查点所在的乡镇，绘制数据直方图(图2a)，可见，数据不服从正态分布。在标准差为7左右的条件下，直方图右侧有三个较明显的离群值，经点击对应的乡镇为清仁乡、龙门乡和建山乡。经对数变换后的数据如图2b，数据近似服从正态分布，清仁、龙门、建山的离群现象不明显，在最左侧的低值部分，出现负值，对应的乡镇为紫石乡和张场镇。

图2a 毁坏率直方图

图2b 对数变换后的直方图

3.2 Normal QQplot图

对房屋震害调查点原始数据不做变换，直接生成Normal QQplot图，结果见图3a，经对数变换后生成Normal QQplot图，结果见图3b。由图可知，原始数据并不服从正态分布，在最右侧有明显的离群值，查看这些离群值所对应的点，清仁乡、龙门乡和建山乡是离群值最大的点，其次是双石镇、宝盛乡和蒙顶山乡，低值部分为紫石乡、严道镇、大田坝乡、廖场乡和张场镇;将数据进行对数变换后，可以拟合为线性关系;仅从采样点值的分布看，在小值区域存在个别离群点值，而在大值区域未见明显的离群现象。特别值得注意的是，在大值区域，在未经变换时离群最大的清仁乡，离群现象小于龙门乡和建山乡。

图3a Normal QQplot图

图3b 经对数变换后的Normal QQplot图

3.3 半变异协方差函数云图

将房屋破坏原始数据生成半变异协方差函数云图，结果见图4。由图4所示，云图上方有三个梯次的与离群点值相对应的浮点，表明有明显的离群点值;下方的云图表面图显示，沿北东侧两侧为房屋破坏的集群区域。框选图4中的浮点得出的映射结果表明，所对应的点值为清仁乡、龙门乡、建山乡。

3.4 Voronoi地图与普通QQP分布图

对强震台站的东西向记录原始数据生成Voronoi地图，并叠加芦山地震等震线，结果见图5a。由图可知，房屋破坏的密集度呈北东展布，集中在两个条带区域，两条带中间有一弱密集度区。图5b是破坏率与人口户数的普通QQPlot分布图，破坏率与人口户数呈线性关系，可以用一个一元一次方程拟合。

图4 半变异协方差函数云图

图5a 房屋破坏率的Voronoi地图

图5b 破坏率与人口户数的普通QQPlot分布图

4 结论与讨论

(1)探索性空间数据分析结果显示，芦山地震房屋建筑破坏率的原始数据不服从正态分布，位于图1中A区的清仁乡、龙门乡和B区的建山乡离群现象较明显。A区破坏率高与这些房屋多建于相距震中较近的河谷沉积盆地，具有一定的场地效应有关;建山乡所在的B区位于龙门山前展式断裂的前缘，破坏率异常可能与该次地震的发震构造为大邑断裂有一定的关联，具有明显的断层上盘效应［13-15］。原始数据经对数变换后，呈现良好的正态分布，离群现象不明显，数据具有良好的线性特征，而在大值区域未见明显的离群现象。特别值得注意的是，在未经变换时离群最大的清仁乡，离群现象小于龙门乡和建山乡;低值部分出现负值，对应的乡镇为天全县紫石乡和丹棱县张场镇，前者可能与房屋所处的宝兴杂岩体上有关，后者可能与处于断层下盘且相距较远有关。

(2)房屋建筑物破坏率与所在的乡镇人口户数对比分析表明，人口户数与破坏率呈一定的线性关系，这表明，在芦山震区广大区域，地震后的房屋破坏与房屋建筑栋数有直接的关系，由此推断这些区域的建筑物抗震性能差异不大，抗震性能均较差并和地方居民聚居特点有关。建议未来的人口集中居住区，应该摒弃老旧的建筑方式和格局，提高建筑物的抗震性能，在地震多发地区，特别是活动断裂通过区域，应将居民点零星分布，避免房屋的集群破坏。

［1］刘超，许力生，陈运泰.2013年4 月 20 日四川芦山 7.0 级地震(1.0 版).［EB/OL］.(2013-04-20)［2013-04-20］.www.cea-igp.ac.cn/jjxcdsxj/266826.shtml.

［2］USGS.M6.6-56km WSW of Linqiong，China［EB/OL］.(2013-04-20 00:02:47 UTC)［2013-04-21］.http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usb000gcdd#summary.

［3］四川科技报.“4·20”芦山地震房屋应急评估报告出炉.［EB/OL］.(2013-05-08)［2013-05-09］.http://sckjb.newssc.org/html/2013-05/08/content_1842263.htm.

［4］王世元，何玉林，吴今生.芦山7.0级强烈地震高烈度区房屋震害特征［J］.灾害学，2013，24(4):125-131.

［5］中国地震局.四川省芦山“4·20”7.0 级强烈地震烈度图.［EB/OL］.(2013-04-25:23:18)［2013-04-26］.http://www.eqsc.gov.cn/zxxw/201304/t20130425_25999.html.

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