数字地球下的地震灾情快速评估系统设计与实现

金 航 闫冬梅

(1. 西安科技大学 测绘科学与技术学院, 陕西 西安 710054; 2. 中国科学院空天信息创新研究院 数字地球重点实验室, 北京 100094)

0 引言

地震灾害是我国最主要的地质灾害,其活动频度高、强度大且影响范围广,加之当前我国人口、基础设施和社会财富集中,一旦发生地震灾害,造成的损失难以估量[1]。传统地震震害评估方法如现场调查法、基于遥感影像的评估方法等受限条件多,耗时时间长,均不适合对震情进行快速评估。实际地震应急减灾经验表明,基于模型的快速地震灾害评估是各级政府在短时间内开展指挥决策与应急救援的重要基础,近年来众多学者在地震快速评估系统的研发中取得了一定的成果[2-3],评估系统在空间分析、评估效率以及决策方式上有极大的改善,但是大多地震应急灾害快速评估系统均以基于符号化信息的二维图形方式描述地震空间数据的空间位置和属性,存在空间拓扑信息缺失、数据解释方式无法直观表达三维空间信息、显示视野受限及交互操作性欠佳等问题。针对地震快速评估过程中存在的上述问题,本文对相关领域研究成果进行发展与应用,以地震频繁发生的四川省为例,设计并构建了一套基于数字地球科学平台(Digital Earth Science Platform, DESP)的地震应急快速评估系统,可以实现大型三维地形的实时渲染、三维场景交互、空间数据分析以及各类数字城市模型的集成,为地震灾害快速评估提供科学的技术支持和辅助决策。

1 数据与方法

1.1 灾情评估数据集

地震灾害快速评估数据集主要包括基础地理信息数据集、千米格网数据集以及地震专业数据集。

基础地理信息数据集包括四川省1∶25万的数字线划图数据集(Digital Line Graphic, DLG),采用国家统一的坐标与高程系统,投影系统为高斯-克吕格投影,按6°分带,1°30′×1°(经差×纬差)分幅,主要内容包括居民地、公路、铁路、水库、河流、境界以及辅助要素等;数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据集采用ASTER DEM,分辨率为30 m,覆盖全国;全国1 km分辨率土地覆盖数据集(Land-Use and Land-Co-ver Change, LUCC),包含耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用土地;Landsat8遥感影像分辨率为30 m,对其进行包括裁剪、拼接、辐射及几何校正等数据预处理,并通过对影像切片得到与DEM数据相匹配的13级切片数据;千米格网数据集包含人口千米格网数据以及经济千米格网数据;地震专业数据集包含四川省地震背景数据以及四川省地震断裂带数据。

1.2 灾情损失评估模型

地震灾害损失评估模型是地震应急快速评估系统的核心组成,本系统以四川省为例,着重分析总结烈度衰减、人员伤亡以及经济损失等在快速评估中占主导作用的损失模型。

1.2.1烈度衰减模型

地震烈度是衡量地震影响强弱程度的重要参数,是进行地震应急灾害快速评估的基础。不同地区的烈度衰减规律具有显著的差异性,汪素云等[4]利用我国丰富的地震烈度等震线资料,确定了我国东西部的烈度衰减关系,得到适用于我国西部地区的地震烈度衰减关系模型;雷建成[5]等基于地震构造环境和震害分布将四川及邻区划分为西南地区和四川盆地地区,利用最小二乘法分析得到了适用于四川西南和盆地地区的烈度衰减模型;孙继浩等[6]综合考虑震中构造环境及地形地貌等利用统计回归分析得到川滇及邻区中强地震烈度衰减关系的烈度衰减模型。在本系统中,集成上述3种模型,用户可在判别四川地区震后地震影响场范围时,根据不同模型的特点和适用范围选择相应的模型。

1.2.2人员损失模型

人员死亡是灾害损失统计的重要指标,目前计算人员伤亡的模型主要有房屋易损性评估法以及基于地震参数的经验模型法[7]。房屋易损性矩阵评估法需要基于工程实验及专家经验获取房屋地震易损性曲线及矩阵,工作量大且数据可更新程度差,比较适合中长期规划下的地震灾害损失研究[8];基于地震参数的经验模型法考虑各类地震要素作为参数,可以在不同地域尺度上根据各类算法得到适用于该地区的评估模型,易于实现且可以保证评估时效性,切合地震灾情快速评估的应急需求。因此，本系统采用张建等[9]根据美国地质勘探局的地震损失快速评估模型,利用粒子群优化算法得到四川地区各烈度下的人员损失率,如式(1)所示:

(1)

式中,V为地震人员损失率;S为地震烈度;Φ为标准正态分布函数;θ和β为待求的累计分布参数,分别表示烈度测量值的自然对数的平均值和标准差,其中θ取0.152 7,β取12.427 8。

1.2.3人员损失模型

地震造成的经济损失包括直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失主要包括建筑物等的破坏等造成的损失;间接经济损失是地震直接经济损失造成的后续影响,该类损失界定不够明确，难以进行评估。本文仅评估地震造成的直接经济损失,采用陈尧等[10]利用最小二乘法提出的基于震中烈度和震级的方法对震害造成的直接经济损失进行快速评估,首先计算得到震级修正系数,再根据震级评估模型计算直接经济损失,如式(2)～(3)所示:

(2)

lgL=0.599 6Mα+0.401 1

(3)

式中,α为震级修正系数；M为震级；I为震中烈度；L为地震造成直接经济损失。

2 系统设计

2.1 开发技术方法

综合考虑不同用户实际情况,系统运行环境为Windows10环境,开发环境为Microsoft Visual Studio 2017,开发语言为C++编程语言;主程序采用C/S模式以保证数据存取的安全性及系统运行的稳定性;系统主要功能开发基于地理空间数据抽象库(Geospatial Data Abstraction Library, GDAL)与计算机视觉库(Open Source Computer Vision Library, OpenCV)等开源库;开发框架采用Qt(由Qt Company开发的应用程序开发框架)界面开发工具,具有开源、跨平台及代码复用性好等优点,满足风格统一、界面友好以及系统各项功能的需求。

2.2 系统总体设计

系统主程序为地球大数据科学工程“数字地球科学平台”,该平台以开源场景图形库(Open Scene Graph, OSG)与开源场景地球引擎(Open Scene Graph Earth，OSGEarth)等三维引擎以及GDAL、几何引擎开源库(Geometry Engine Open Source, GEOS)、命令行统一资源定位工具(CommandLine Uniform Resource Locator, CURL)以及日志与跟踪调试库等开源库为基础,统一采用CMake编译,通过图形操作界面触发不同Qt事件实现相应功能,平台可嵌入海量地理数据实现多分辨率的三维场景表示,同时具有数据加载、数据浏览、图层管理、前后视图、旋转缩放等基础功能。本文基于此二次开发框架平台为地震灾情快速评估开发提供技术支持。

系统总体采用基础层、数据层、业务层及展示层四层结构:基础层包括系统软件与硬件平台;数据层是震情快速评估过程中所需的各类数据;业务层满足地震应急灾害快速评估的具体功能实现;展示层为数字地球科学平台主程序,用于地震灾区受灾情况的三维空间显示。系统框架结构如图1所示。

2.3 系统功能设计

在DESP主程序下包含系统管理模块、地震应急快速评估功能插件模块以及辅助功能插件模块。其中系统管理包括在DESP主程序下的插件扩展功能以及线程管理;地震应急快速评估功能模块由数据操作、灾情快速评估以及3D可视化等功能模块构成;辅助功能模块包含数据标绘以及距离分析。系统功能结构如图2所示。

2.3.1地震灾情快速评估

(1)三维场景可视化

在初始化数字地球平台阶段中,根据地球文件(.earth)设置地球的空间参考系,指定使用的数据类型、数据缓冲类型与缓冲位置,设置驱动器属性及驱动的类型等,将源数据转换为三维场景图。考虑到整幅影像数据在高分辨率视场下加载过慢的问题,采用金字塔数据集以提高影像加载效率[11],实现在不同空间分辨率下加载不同层级的切片数据。

(2)灾情快速评估

手动输入地震震级、震中经纬度以及震源破裂方向等地震参数,选择相应的烈度衰减模型,快速定位地震发生地并生成等震线,获得地震烈度圈的空间分布信息以及烈度影响场方向、尺度、强度等功能。在此基础上,根据人员损失模型、经济损失模型及空间分析等计算不同烈度下人员损失情况、经济损失情况和土地利用受灾情况等。

(3)灾情简报生成

在快速评估模块得到盲估结果的基础上,统计汇总不同烈度下地理信息空间要素的受灾情况,主要包括受灾所涉及的境界、居民地、水系、交通以及土地利用等。在此基础上进一步生成地震影响场、人口损失以及经济损失专题图,最终生成灾情快速评估简报,以PDF格式输出。专题图采用OpenCV开源库进行图像处理生成,灾情文档采用Qt中的QTextDocument类与Qprinter类生成,其中QTextDocument采用超文本标记语言(Hyper Text Markup Language, HTML)对文字进行排版与编辑,Qprinter将文件保存至磁盘并输出。

2.3.2辅助评估

为辅助地震应急灾情快速评估,系统辅助功能主要由数据标绘和距离分析两方面组成。其中数据标绘提供三维上点、线、多边形等几何的创建与编辑等功能,为地震评估动态修改提供支持。距离分析用于统计在不同烈度下地理信息空间要素与震中的距离,本系统根据Haversine公式计算椭球面中最短程曲线。

2.4 系统业务流程设计

应用DESP系统对灾情进行评估时,各个功能模块之间的调用需要按一定的数据流向与流程进行相互调用。基于系统逻辑与功能结构,快速评估业务流程如图3所示。

图3 快速评估业务流程

地震发生后,通过手动输入地震震级、震中经纬度以及震源破裂方向等地震相关参数触发震情响应,通过下拉选项框选择符合震区条件的烈度衰减模型,快速定位地震发生地并生成烈度衰减等震线,获得地震烈度圈的空间分布信息以及烈度影响场方向、尺度、强度等要素,在此基础上,根据各类评估模型自动计算不同烈度下人员损失以及经济损失情况,统计不同受灾程度下的具体损失数据,同时生成各类灾情专题地图;评估完成后,系统会通过烈度等震线的闭合面与不同DLG数据图层进行空间叠加分析,最终统计汇总出不同烈度区下受地震影响的各类基础地理要素,并结合烈度衰减、土地利用、人员伤亡与经济损失四类专题地图生成地震灾情快速评估文档,为地震应急服务提供科学依据[12]。

3 系统实现与测试

本系统于2020年11月完成开发并进行了综合性测试,采用实际数据对系统进行测试,测试数据为2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县7.0级地震,震中位置为(30.3°N,103.0°E),地震破裂方向北偏东33°,地震类型为浅源地震,震源深度13 km。地震衰减模型采用汪素云中国西部地区衰减模型。2020年11月25日17时29分00秒在快速评估系统写入地震信息,15 s内系统触发并进行评估,30 s内获得灾区三维空间信息并产出灾情报告文档如图4所示。

图4 DESP三维评估

4 结束语

本文在Visual Studio2017平台上利用C++语言构建了基于数字地球科学平台的地震应急灾害快速评估系统,系统主要功能使用插件化开发模式,将空间数据管理、空间分析以及交互式显示等融入地震灾害评估工作中,实现了三维空间下地震灾情数据的3D可视化,解决了以基于符号化信息的二维图形无法直观表达的三维空间信息,在三维场景交互以及空间数据分析上为地震灾害快速评估提供了科学的技术支持和辅助决策。

本系统仅采用了为数不多的评估模型进行灾情定量化表达,在今后发展中,仍需要不断更新各类评估模型,如建筑物、危险源、次生灾害等,从而精细化评估结果,同时,不断优化操作流程、考察不同需求的必要性以及定时补录与更新数据库也是未来系统决策评估的方向。

数字地球广泛地应用于灾害评估、生态变化、水资源管理、城市发展等多个方面,各类模型的数字化、系统运行智能化、大数据整合与挖掘的精细化还需要进行不断地探索与研究。本文在地震灾害快速评估做出了有效的尝试,系统功能仍然需进一步完善,如改进系统单线程串行分布计算的评估结构降低系统时间代价，添加其他插件如环境、生态插件等同本文地震快速评估插件交叉应用以辅助灾情决策依据等,可以更大限度地基于数字地球科学平台进行地震灾情决策评估。