基于ArcGIS Engine 的地震烈度图动态快速制图系统设计与实现1

赵 真 郭红梅 张 莹 廖 华 刘 军 孙艳萍

1）四川省地震局，成都 610041

2）贵州省地震局，贵阳 550000

3）甘肃省地震局，兰州 730000

引言

地震烈度是指地震对人工建筑物或地面影响的强弱程度（胡聿贤，2006），即建（构）筑物遭受地震影响的破坏程度及地表面变化情况，是衡量地震破坏力的标准之一。地震烈度图是指一次地震事件后烈度的空间分布情况，直观反映灾区不同地区的受灾程度和地震造成的破坏范围，是政府部门震后第一时间了解地震破坏规模及范围最直观的方式，为评估地震灾害损失、确定地震应急救援方案、部署救援力量、拟定灾民救助方案和物资发放等抗震救灾工作提供科学依据（李金香等，2013；王晓青等，2015），因此快速高效产出地震烈度图具有重要实践意义。

目前，地震行业内常用的地震烈度图生成方法是以地震应急指挥技术系统为基础，基于地震应急基础数据库中的静态数据，在破坏性地震发生后，根据地震三要素和地震衰减关系模型，生成初评估地震烈度圈，从而产出初评估地震烈度图，但存在地震烈度图图件制作不规范，符号、标注、图面整饰因人而异等问题；震后通过卫星遥感、无人机遥感、现场调查等手段不断获取灾情信息，作为烈度圈修正的辅助信息，专业人员根据辅助信息采用GIS 软件以手动勾画的方式对烈度圈进行修正，生成修正后的地震烈度图。该方法专业要求较高，自动化程度及制图效率低，且缺乏全时程地震烈度图动态修正及自动出图。

由于地震应急救援工作时间紧迫，震后快速高效产出地震应急专题图十分重要（席楠等，2016）。现阶段，地震应急专题图的快速生成技术已十分成熟，普遍采用的是模板匹配法，即首先利用专业的GIS 软件平台，设计并研制地震应急专题图模板，然后基于ArcGIS Engine 组件式开发技术或Python 语言、Arcpy包进行二次开发（魏艳旭等，2014， 2016；孙哲等，2016；韩贞辉等，2020），从而建立脱离GIS 桌面软件的地震应急专题图快速生成系统。该方法满足专题图自动化、规范化输出流程，在一定程度上提高了地震应急专题图制图效率。

针对现有地震烈度图存在的问题，本文基于《地震烈度图制图规范》（GB/T 38226-2019）（中华人民共和国国家市场监督管理总局等，2019）要求，研制不同幅面和版面的地震烈度图模板，并根据震后不同时段动态修正及更新烈度圈的需求，设置时间节点自动产出多期地震烈度分布图。在此基础上，基于Arc Engine 组件式开发技术研发地震烈度图动态快速制图系统，实现全时程地震烈度图标准化、自动化出图，大大提高了烈度图制图效率，为地震应急指挥和应急救援提供支持。

1 地震烈度图特点

（1）动态性

地震烈度图是政府部门第一时间了解地震破坏规模和范围最直观的方式，为政府启动应急响应等级、应急救援部署等提供依据。因此，对地震烈度圈的要求首先是快中求准，满足地震应急时效性需求。由于刚开始地震烈度圈可能不是很“准”，需要对其进行动态修正。动态修正是指利用地震三要素进行地震烈度初评估后，根据现场调查、遥感影像、无人机影像、微博、微信、手机短信、灾情上报APP 等手段不断获取灾情信息，对烈度圈进行动态调整，使得地震烈度圈在数量特征和空间分布上与现场调查结果接近，辅助应急救援决策。

（2）阶段性

地震应急期一般划分为应急启动、紧急救援和过渡性安置阶段（王海鹰等，2013）。针对不同阶段，地震应急图产出需求不同。在应急启动阶段，地震烈度图主要通过地震动衰减关系或地震烈度经验衰减关系拟合得到，为初步判定地震影响范围及受灾规模，时效性要求较高，其结果可能与实际地震烈度圈的符合程度较低。在紧急救援阶段，由于现场反馈的灾情信息有限，通过卫星遥感、无人机遥感、互联网、观测台站等多种途径获取灾情信息，动态修正地震烈度圈，为指挥部提供更准确的地震烈度圈，以使确定应急救援方案、指导救援力量部署等。过渡性安置阶段以灾区现场调查信息为主，结合余震数据、星机地多源灾情信息等，勾画最终的地震烈度圈，为震后恢复重建提供依据。

（3）易读性

地震烈度图是地震灾区政府部门宏观掌握灾区情势的重要情报，是进行救灾决策和工作部署的重要参考依据。因此，地震烈度图中应展示哪些图层、用什么符号表达均应根据《地震烈度图制图规范》（GB/T 38226-2019）要求进行设计，并保证绘制的等震线处于视觉核心。最后，根据地震烈度图标题图、图件区、说明区、注释区的版式要求进行设计，生成标准化、规范化、易读性强的地震烈度图。

2 地震烈度图动态快速制图系统设计

基于上述地震烈度图特点，研发满足其特点要求的地震烈度图动态快速制图系统，服务于地震应急救援、震后损失评估和恢复重建等工作。其中，“动态”体现地震烈度图的阶段性和动态性，能根据系统设置的时间节点，自动调用当前阶段获取的多源灾情信息，不断修正烈度圈，产出多期地震烈度专题图。“快速”反映地震烈度图的制图效率，即能在地震发生后第一时间迅速产出初评估烈度圈，随着各类灾情信息的不断涌入进行动态修正，实现全时程地震烈度图自动化出图。“易读性”体现在根据《地震烈度图制图规范》（GB/T 38226-2019）要求研制烈度图模板，实现地震烈度图的标准化产出。本文将从逻辑结构、系统功能、业务流程、功能模块耦合分析等方面对系统进行总体设计。

2.1 逻辑结构设计

地震烈度图动态快速制图系统采用B/S 架构模式，由基础设施平台、数据资源库、应用支撑平台、应用层及信息安全保障体系、运行维护体系、标准规范系统构成（图1）。

图1 地震烈度图动态制图系统架构图Fig. 1 Architecture diagram of the dynamic mapping system of seismic intensity map

（1）基础设施平台

基础设施平台包括服务器、数据中心、网络、安全、存储设施等硬件设备。

（2）数据资源库

数据资源库是通过解析业务逻辑层对数据需求，为系统业务提供数据的服务。数据资源涵盖地震烈度图动态快速生成所需的数据，主要包括基础空间数据库、基础属性数据库、灾情信息数据库、地震烈度模板数据库、元数据库，根据数据类型划分为不同存储方式，包括文件存储和DB 存储。

（3）应用支撑平台

应用支撑平台是整体应用系统建设的基础保障，为地震烈度图动态快速生成提供通信网、ESB 系统总线、报表工具、操作系统和GIS 系统平台等支撑系统运行的软硬件设备。

（4）应用层

业务应用层集成了多因素控制的地震烈度初评估子系统、烈度圈动态修正子系统、烈度图快速制图子系统、地震烈度一张图展示子系统。集成后的地震烈度图快速制图系统可以在震后第一时间产出多因素控制的烈度初评估及在应急期内按时间间隔给出融合星机地多源灾情信息动态修正地震烈度圈，实现烈度圈的动态修正和烈度图快速自动出图，将地震烈度圈和居民地等各类基础信息、遥感影像、救援力量分布、救灾物资分布、离散灾情点等信息叠加展示，实现地震烈度一张图展示，为地震应急指挥和应急救援提供直观的综合信息展示。

2.2 功能设计

地震烈度图动态快速制图系统软件包括多因素控制的地震烈度初评估模块、烈度圈动态修正模块、烈度图自动制图模块、地震烈度一张图展示模块，具体功能如图2 所示。

图2 系统功能图Fig. 2 System function diagram

（1）多因素控制的烈度初评估模块

系统接收到地震速报自动触发或手动输入参数触发评估，启动地震烈度快速初评估，根据地震三要素获取震区附近潜在发震断层信息，根据发震区域选择合适的地震动衰减关系计算地震动参数，考虑场地局部放大效应，利用场地放大系数校正由衰减关系计算的地震动参数，参照《中国地震烈度表》（GB/T 17742-2008）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2009）中的地震烈度与地震动参数的关系，将其转换为地震烈度，绘制地震烈度等值线，生成初评估地震烈度圈。

（2）烈度圈动态修正模块

烈度圈动态修正子系统提供自适应修正和专家修正模式。以时间节点为轴，每次地震触发后持续监听当前时间，到达预先设置的时间节点后，系统调用本次地震获取的离散烈度点进行自适应修正，并将每次修正结果进行保存。同时，到达或未到时间节点时均可通过人工干预进行局部修正或自动拟合，也可以进行基于专家经验的烈度圈调整，主要是将余震序列、地震破裂方向、震源机制、地形地貌、多源灾情信息等展示在地图中，基于专家经验，运用旋转、平移、缩放、点编辑、平滑等工具实现地震烈度圈的手动勾画。

（3）烈度图自动制图模块

烈度图自动制图子系统包括专题图分类管理模块、专题图模板管理模块、专题图输出参数管理模块、专题图图册管理模块和专题图自动生成模块。根据《地震烈度图制图规范》（GB/T 38226-2019），定制达到准出版标准的不同幅面和版面的地震烈度图模板，在建立烈度图模板库的基础上，实现模板管理，对烈度模板库进行统一管理。针对每次地震事件生成的专题图结果文件进行管理，并能导出矢量图和自动打印符合绘制规范的地震烈度图，为地震应急各阶段及应急指挥、现场救援、物资调度、余震趋势判断、恢复重建等工作提供地震烈度图。

（4）烈度一张图展示模块

烈度一张图展示子系统包括专题图展示模块、专题图输出模块和专题图图册输出模块。专题图展示模块将地震烈度圈和居民地等各类基础信息、遥感影像、救援力量分布、救灾物资分布、离散灾情点等信息叠加展示，实现地震烈度一张图展示，并可投影到应急技术指挥大厅屏幕，为应急指挥决策提供依据。专题图输出模块通过研制不同震级、不同幅面和版面的地震烈度图模板，导出矢量图并自动打印符合绘制规范的地震烈度图。专题图图册输出模块可获取该地震事件产出的全套专题图图册，支持手动选择或批量输出矢量图。

2.3 业务流程设计

利用地震烈度图动态制图系统获取不同阶段地震烈度专题图时，各功能模块之间的数据流按一定数据导向进行相互调用，根据系统的逻辑结构和功能结构设计，对系统总体业务流程进行设计，如图3 所示。

图3 系统业务流程Fig. 3 System business flow chart

系统实时接收地震速报，随后自动触发评估或手动输入参数触发评估；获取地震三要素后开启执行地震烈度初评估流程，根据发震区选择合适的地震动衰减模型，计算每个公里格网点基岩PGA、PGV 值，结合场地类别分区数据，得到土层放大系数空间分布，进行场地校正，得到地表PGA、PGV 值，依据《中国地震烈度表》（GB/T 17742-2008）中的地震烈度与地震动参数关系进行烈度换算，得到地表烈度，并绘制烈度圈等值线，生成初评估地震烈度圈，调用地震烈度图制图模板，并与基础数据叠加，产出地震烈度初评估相关专题图。

地震初评估烈度圈生成后，系统可监听修正事件。事件触发后，首先判断该事件是否为专家修正，如果是，则导入余震、震源机制解、破裂方向、地形地貌等多源数据，与烈度圈进行叠加显示，行业专家基于自身经验利用系统提供的修正工具包进行手动修正，生成烈度圈，并根据地震烈度圈模板生成专题图；如果不是，则获取当前地震所接收的灾情，对灾情进行预处理，利用多源灾情信息与烈度转换模型生成离散烈度点，并判断修正事件是否进行灾情拟合。如果进行灾情拟合，基于离散烈度点生成烈度圈及专题图；否则在现有烈度圈的基础上，基于离散灾情点进行局部自适应修正，经过修正后生成专题图。每次生成专题图后，用户可查看专题图并下载。系统会继续判断当前地震是否已经完成了所有阶段的修正，如果完成，则结束整个流程，否则回到修正事件的监听，继续监听下次修正事件。

基于各阶段获得的烈度圈矢量数据，将地震烈度圈和居民地等各类基础信息、遥感影像、救援力量分布、救灾物资分布、离散灾情点等信息叠加展示，实现地震烈度一张图展示，为地震应急指挥和应急救援提供直观的综合信息展示。

2.4 功能模块耦合分析

本系统采用模块化思想，各功能模板可以完全独立或者具备一定的松散耦合关系。以业务流程为驱动，部分功能模块需要依赖其他模块的分析结果，如烈度图自动制图模块需要依赖于初评估模块生成的初评估烈度圈或者烈度圈动态修正模块生成的修正烈度圈。因此，模块间均采用非直接耦合或者数据耦合的方式进行关联，以保证各模块的独立性。根据本系统业务流程和各模块间数据的流动，绘制本系统各功能模块的耦合关系，如图4 所示。由图 4 可知，当地震发生后，直接触发地震烈度初评估模块生成初评估矢量烈度圈，该数据一方面可以流入烈度图自动制图模块，结合预先制定的MXD 模板，产出地震烈度专题图；另一方面可以进入烈度一张图展示模块，叠加居民地等各类基础信息、灾情信息、救援力量等信息，在大屏上清晰直观展示；可以为烈度圈动态修正的输入，在此基础上，根据灾情信息和系统提供的修正工具修正后，生成修正烈度圈，作为烈度图自动制图模块、烈度一张图展示模块和烈度圈动态修正模块的输入。

图4 模块功能关系Fig. 4 Module functional relationship

3 地震烈度图动态快速制图系统实现及案例应用

在地震烈度图动态快速制图系统整体架构下，在规范的地震烈度图模板库研发基础上，本文采用B/S模式，基于Arc Engine 组件式开发技术研发了地震烈度图动态快速制图系统。该系统可在接到正式地震速报15 min 内给出多因素控制的地震烈度快速初评估结果，按照6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h 等阶段给出地震烈度修正结果，并根据研制的地震烈度图制图模板，动态产出多期地震烈度专题图。

3.1 系统实现

该系统采用Spring Boot 微服务架构模型，以前后端分离的开发方式，将系统分为前端工程和后台业务服务工程。前端着重页面逻辑与用户交互体验，后端着重服务资源提供、自动化服务调度、数据引擎以及专题图出图引擎的计算实现。以较低粒度的方式，实现服务模块化、专一化，降低后期的维护成本与难度，同时提高系统的稳定性、可靠性。

该系统主界面如图5 所示，系统左边界面为主要功能菜单，包括地震烈度初评估、烈度圈修正、烈度图制图和一张图。界面最上方是标题栏，未执行任何功能时当前事务不出现，执行某功能时滚动显示当前运行节点。界面主体为地图窗口，为地震烈度图动态修正、各类信息的可视化提供底图。地图窗口上方横条展示目前使用过的功能，点击想要使用的功能名称可以直接跳转到该功能，点击“×”可使其不显示在该状态栏上，右上方可展示二级菜单的功能及图层控制按钮，控制图层的显隐，左上方竖行滚动条控制地图比例尺缩放，左下方为地图鹰眼。

图5 系统界面图Fig. 5 System interface diagram

3.2 案例应用

本文通过历史地震案例对系统功能进行验证，以四川省九寨沟7.0 级地震为例。收集整理四川省基础地理信息数据、场地分类格网数据、地质构造数据、九寨沟余震数据等信息，并根据系统制定的灾情模板模拟九寨沟地震灾情信息，用于演示地震动态产出各阶段地震烈度专题图产出。

首先，调用系统地震事件触发功能，手动输入九寨沟地震参数触发地震，启动评估。3 min 内根据多因素控制的地震烈度初评估模型生成初评估烈度圈，并在1 min 内产出初评估地震烈度专题图，如图6 所示。然后，采用人工干预的模式导入预先模拟的灾情信息并选定时间阶段，2 min 内根据多源灾情信息与烈度转换模型将其转换成离散烈度点，并基于自适应局部修正模型自动进行动态修正烈度圈，当人工判读离散烈度点在空间均匀分布时，手动触发灾情拟合，1～2 min 完成烈度圈自动修正，并保存1 次修正记录。同时，在设定时间段全过程中均可进行专家修正，并保存每次修正记录，修正记录结果如图7 所示。最后，将修正烈度圈矢量数据叠加到预先制定的MXD 地震烈度专题图模板上，并于1 min 内产出当前阶段的地震烈度图，生成的部分烈度圈专题图如图8 所示。

图6 初评估烈度图Fig. 6 Initial assessment of intensity map

图7 烈度圈修正阶段记录Fig. 7 Record of intensity circle correction phase

图8 地震烈度专题图Fig. 8 Thematic map of seismic intensity map

4 结论

本文介绍了地震烈度图的基本特点，明确了地震烈度专题图制作及产出需求，阐述了地震烈度图动态快速制图系统逻辑结构设计、功能设计、业务流程设计和各功能模块耦合关系。在此基础上，根据标准规范研制了满足要求的地震烈度图模板，基于Arc Engine 组件式开发技术研发了一套地震烈度图动态制图系统，实现了地震烈度图标准化和自动化产出。该系统不仅提高了地震烈度图制图效率，而且提升了对烈度圈动态修正的能力，实现了全时程地震烈度图的快速制图，可以为地震应急救援、震后损失评估、恢复重建等提供科学依据。