基于GIS的地震应急预评估辅助决策系统设计与实现

马成忠

云南省地图院，云南 昆明 650034

0 引 言

在各种突发的自然灾害中，地震灾害是最为严重的灾害之一。近年来，频发的地震灾害，给云南省境内的人民造成了巨大的人员伤亡和经济损失。地震灾害发生后，如何快速有效获取震后信息，并制定科学有效的救援实施方案，最大限度地降低人民生命财产损失，显得颇为重要。随着GIS（Geographic Information System）技术在地震灾害领域的广泛深入应用，通过构建基于GIS的地震预评估辅助决策系统，可快速准确地评估出震后损坏程度，辅助决策领导者制定科学有效的抗震救灾方案。

地震灾害有巨大的破坏性并伴有次生灾害发生的可能。在震后通过利用地震应急预评估辅助决策系统可快速准确地定位震中、受灾区域以及提供震区内不同需求的专题图件，为有效开展各项应急救援、指挥决策工作发挥积极的作用，将灾害造成的损失降低到最大限度。

1 系统设计思路

1.1 系统目标

地震的发生具有无法阻抗性，在汶川地震之后，国家地震局提出了将最大限度地减轻震害所带来的损失作为唯一的标准来考量减灾的成效[1]。这个标准的提出是值得思考和解决的重要问题。通过在震后最短的时间内对因地震导致的灾情进行估算，以便在救援的黄金时间统筹部署，降低灾害损失。

在震后通过对地震的等级、地震烈度、人口统计、人员伤亡、房屋毁坏、破坏汇总及灾区损失汇总等项进行估算，以便为救灾决策部门提供初评估统计计算结果。启动相应的应急预案，在救援的黄金时间内，降低灾害损失，减轻灾情程度。

利用GIS技术构建地震应急预评估辅助决策系统，提供一种数据库驱动制图方法，通过套用地图制图模板实现地震应急制图快速生成，为震后快速出图、预评估、直观形象地展示灾情分布和受损程度等提供有力支持。

1.2 设计思路

1）采用面向对象的方法进行地震专题数据库设计。建立面向对象的空间数据库和完整统一的数据模型，实现对象的属性特征与几何图形特征、关系特征与个体特征、历史时态特征与当前时态特征、元数据与实体数据的一体化管理[2]。采用统一建模语言UML（Unified Modeling Language）进行数据库设计，通过UML记录数据对象之间、空间对象之间、数据对象和空间对象之间的关系[3]。

2）采用Geodatabase空间数据模型管理和存储空间数据。采用ArcGIS的Geodatabase作为基础地理空间数据的数据模型，有利于数据的共享，方便数据的维护，确保数据的安全和统一管理。除文档类数据外，其他数据在一个统一的空间数据模型中进行模型设计。其中，矢量数据采用Geodatabase的矢量数据集（Feature Dataset）、要素类（Feature Class）模型，DOM、DEM数据采用Geodatabase的栅格数据集（Raster Dataset）和镶嵌数据集（Mosaic Dataset）模型，属性及业务数据采用关系型数据库表形式。空间数据通过缜密的数据库规划，从各类数据的分层结构、相关属性、数据集组织等归纳逻辑数据组织与表达的模型，进而适应未来数据的扩充。数据操作针对逻辑数据组织模型进行，而不是直接操作物理对象，使得数据库系统更具备开放、易扩展、易维护等优点。

3）采用数据库驱动制图技术实现专题图件的快速制作和更新。数据库驱动制图技术[4]是利用数据库中的地理信息（坐标与元数据）驱动制图工作，实现基础数据与制图一体化，解决传统的数据与图分离、制图信息存储零散等问题。将数据、制图信息（符号化信息）存储在数据库中，用数据来驱动制图信息（图廓整饰、符号计算），按照需求实现数据和制图信息的同步更新，实现地图的再利用、再生产，减少了制图时产生的冗余数据，形成一套地理信息多种制图产品。

4）采用Microsoft.NET框架快速搭建业务系统。.NET框架是微软开发的与平台无关性和网络透明化的快速应用软件开发平台[5]，可以在Windows操作系统、互联网以及移动终端设备上无缝地开发和运行应用。

5）基于ArcGIS Engine构建GIS应用。ArcGIS Engine[6]是ESRI在工业标准基础之上构建的一套嵌入式GIS 组件库和工具库。支持多种开发语言，包括COM、.NET框架、Java和C++，能够在Windows、Linux和Solaris等平台上运行。提供丰富的功能，包括Data Interoperability、Maplex、Schematics和 Tracking等扩展模块，内置Commands、Tools、Menus等框架功能，可直接调用Geoprocessing的各种功能，能够满足各层次GIS应用的开发需求。

6）基于插件式程序设计构建系统框架。插件的本质在于不修改程序主体的情况下实现即插即用，提高软件的灵活性和可扩展性。基于插件的设计思想，从框架中将相关的功能模块进行剥离，实现松耦合，提高框架的灵活性与扩展性[7]。

2 系统开发与实现

以用户需求为导向，基于基础地理空间数据及地震相关专题数据等，构建地震应急预评估辅助决策系统软件，实现损失快速评估、灾情数据快速查询、定位、统计分析、应急专题制图。具体功能包括震中地理位置精确定位，绘制等震线、设定地震烈度、初评估计算、统计分析，分类别专题综合查询统计，地图成果输出等。

2.1 数据库建设

数据库是系统的核心，设计直接关系到系统的稳定性及执行效率。数据库建设应在规范化、标准化的前提下，采用先进成熟的设计思想，在稳固和安全的基础上，建设具有合理性、先进性和扩展性等特点的数据库，为实现管理目标服务。

2.1.1 基础地理信息数据库建设

1）全境地理信息数据。通过整合已有基础地理信息数据，包括居民地、水系、道路、地形等要素，按照地震应急预评估辅助决策系统需求整合，提取必要信息，统一坐标系和属性规格，并入库管理。

2）全境卫星影像数据。利用现有多源、多时相影像数据，统一坐标系，并入库管理。

3）全境数字高程模型数据。利用现有10 m数字高程模型（DEM）数据，统一坐标，并入库管理。

4）全境地名地址数据。将全境内地名数据进行整理，统一坐标系，并入库管理。

2.1.2 地震专题数据库建设

收集整理地震及与地震灾害有关的专题数据信息，具体包括云南地震基本烈度、地震活动断裂、强地震分布、地震带、地震灾害的信息以及监测台网、人口分布、社会经济、历史地震调查、各类房屋面积结构（土木结构、砖木结构、砖混结构和框架结构）、重要建筑设施（道路、水库、电站、排灌站、桥梁、通讯、供水）等数据，通过格式转换、坐标转换、数据模式匹配等方式，集成并建立地震专题数据库，为系统构建提供坚实的数据基础。

2.2 系统总体框架

地震应急预评估辅助决策系统采用C/S架构进行搭建。系统划分为基础支撑层、平台技术层、持久化层、系统应用层等4层结构（图1）

图1 系统架构图Fig.1 System architecture diagram

1）基础支撑层——软硬件结合。基础支撑层主要是为上层提供硬件支持及操作系统和数据库支持。硬件以工作站为主，数据库采用主流数据库软件，操作系统则采用Windows系统。

2）平台技术层——GIS+Framework。平台技术层主要为上层提供基础功能支持。ArcGIS Engine[8]提供GIS平台基础功能，包括：地图显示、空间数据访问、空间分析等功能，系统基于其开发GIS应用功能[9]。Microsoft.NET Framework提供系统构建基础，包括：界面绘制、通用控件集、文件访问、网络访问等功能，使开发的系统能兼容大部分Windows系统的安装使用。NTFS File System是Microsoft Windows NT 环境的文件系统，其可以确保系统数据的安全存放，更重要的是其可以快速检索文件信息，便于对专题成果数据中的文档、图片等数据进行快速查询。

3）持久化层——分类优化存储。持久化层主要是对基础地理信息数据、地震专题成果的存储，便于系统管理、分析、应用。持久层包括：成果资料库（应急预案）、云南地震基本烈度、地震活动断裂带、强地震分布、地震带、地震灾害信息以及监测台网、人口分布、社会经济、历史地震调查、各类房屋、重要建筑设施，如道路、水库、电站、排灌站、桥梁、通讯、供水等各专题数据。持久化层选用大型关系数据库Oracle 11g，结合ESRI的ArcSDE空间数据引擎，进行空间数据的高效存储与管理。

4）系统应用层。系统应用层是项目主要业务实现，包含整个系统界面，所有系统功能都通过应用层与用户进行交互。

2.3 系统功能设计

地震应急预评估辅助决策系统包含工程管理、损失快速评估、地震专题图制作、地图模板管理、地图工具等5大功能模块（图2）。

图2 系统功能模块图Fig.2 System function module diagram

2.3.1 工程管理

工程管理模块包括新建工程、打开工程、保存工程、关闭工程4个功能。

1）新建工程。在该模块中，选择已经预置在系统中的模版来新建一个工程目录。其中一个完整的工程目录中包括当前选择的模版mxd文件，与当前模版相对应的用于存储数据信息和制图信息的数据库文件。一个扩展名为mxd的工程文件，在该工程文件中主要记录了该工程的相关属性信息，包括工程名称、工程路径、创建时间和地图文档文件名。

2）打开工程。打开工程模块是用于通过在系统中打开已有工程去展示数据，打开工程有两种方式，一种方式是可以从当前的列表中打开已有工程，列表中已有的工程来源于新建工程时记录在系统表里的工程，另一种方式是通过选择扩展名为mxd的工程文件去打开已有工程。

3）保存工程。保存工程模块的功能主要用于保存当前地图文档中的信息更改。

4）关闭工程。关闭工程模块的功能主要用于关闭当前显示的工程，移除当前地图中加载的地图文档和图层信息，使整个系统处于打开工程前的初始空白状态。

2.3.2 损失快速评估

1）绘制等震线。包括手动输入地震点和图上获取发震点。地震发生后，通过获得发震时间、发震地点（经纬度）、震级地震三要素，手动输入地震参数绘制烈度等震线。如果不清楚具体的经纬度，只知道发震的大体位置，可以在地图上选择发震点。

2）设定地震烈度。根据已经给出的烈度等震线进行烈度设定，以便进行初评估计算。

3）初评估计算。主要包括人口统计、基础资料统计、损失计算（图3）。人口统计，主要计算出灾区人口密度、灾区总面积、灾区总人口等数据；基础资料统计，主要按抽样调查统计结果计算房屋基础数据；损失计算，通过选择人员伤亡模型，设置好对应的参数进行评估计算。

图3 初评估计算窗口Fig.3 Initial evaluation calculation window

4）统计分析。包括初评估相关统计、指定选择范围或实体所在图层统计两个部分。在初评估汇总统计窗口中，统计各评估区所汲及的区（县）及乡镇、灾区基础数据、灾区房屋毁坏及破坏汇总、灾区损失汇总、应急响应；地震发生后，通过指定选择范围或实体所在图层进行统计，了解灾区中有多少医院，有多少个历史地震等。

2.3.3 地震专题图制作

设置地图模板、地图标题、比例尺、图例、出图范围等参数后，导出对应的专题地图。图4为基于制图模板快速制作地震区域震前地表专题要素分布示意图，为有效开展各项应急救援、专题分析、指挥决策工作提供地理空间信息技术支撑服务。

图4 地表专题要素分布图Fig.4 Distribution map of surface thematic elements

2.3.4 地图模板管理

在地震专题图制作过程中，可以将专题图中具有相同属性样式的元素存储到模板中，如图层的符号化样式、固定比例尺、图例、指北针、文字说明[10]等不会变化的信息作为地图元素在模板中排好版，然后再根据不同专题图的需要依据模版来创建工程，从而达到一次排版编辑，多次使用的目的。模板管理模块包括加载模板，保存模板，模板管理等功能。

1）加载模板。加载数据库中已有的数据模板到当前地图，用于对已经创建的模板再做二次编辑排版。

2）另存模板。另存模板的功能主要是为创建独立的mxd地图文档，以方便在ArcGIS中做二次复杂制图编辑。

3）模板管理。用于管理数据库中模板的添加、删除、修改。并且支持将外部的地图文档mxd通过导入的方式存储到数据库中，可方便多人重复使用模板。模板管理中还包括导入添加外部已经做好的图廓整饰信息，比如标题、比例尺、指北针、图例、格网等，都可快速添加到数据库中，方便多人重复使用[11]。

2.3.5 地图工具

地图工具用于制作各类专题图时操作使用，提供基本地图浏览操作功能，包括地图放大、缩小、平移、全图、属性识别、取消选择等基本地图操作。

2.4 系统主界面

基于插件式开发框架和.NET技术，利用ESRI提供的组件式产品ArcGIS Engine 10.4.1，研制地震应急预评估辅助决策系统。系统运行界面如图5所示。

图5 系统主界面Fig.5 Main interface of the system

3 结 论

将GIS技术应用于地震应急指挥，可以大大提高救援效率。本文在阐述系统总体框架设计及实现的关键技术的基础上，利用插件式技术设计并实现基于ArcGIS Engine的地震应急预评估辅助决策系统。由于组件式GIS带来的高效开发以及插件式框架的灵活性，本系统在一定程度上达到了预期的效果。当地震灾害发生之后，可能出现网络不稳定或中断现象，建立单机系统将很有必要，可为指挥决策、震情研判及救援策略制定等提供辅助支撑。后续有待进一步根据实际运用需求，建立更加精准的评估模型，使计算结果更加精确。