基于开源GIS 的地震灾情速报信息收集与处置研究——以河南省地震局为例1

王斐斐 韩贞辉 樊 华 宋鹏展

（河南省地震局, 郑州 450016）

引言

地震给人类生命财产安全、社会经济发展和社会稳定带来严重威胁，地震发生后快速获取灾情并用于应急指挥决策成为地震应急工作的重中之重。河南省地震局现有的地震灾情获取手段包括12322 热线、12322短信平台和应急通灾情上报系统APP（王斐斐等，2018）等，而这些手段均需等待人员上报消耗时间，严重影响了震后灾情处置效率。通过向灾情速报员拨打电话可主动、实时获取灾情，使该手段成为震后快速获取灾情的重要手段。

以震中所在位置纸质地图为基础，选取该区域灾情速报员电话通讯录（属性数据）进行人工拨打，无法得知该灾情速报员与震中的实际位置，且耗时耗力，工作效率低，无法满足地震应急工作对灾情快速获取的工作要求，因此实现灾情速报员电话号码属性数据空间化，快速定位其位置信息，并拨打地震影响范围内灾情速报员电话，成为亟需解决的问题。

随着属性数据空间化技术（廖顺宝等，2003，2009；李明杰等，2008；李亚龙等，2019）和信息分类处理方法（董曼等，2014；王琳等，2019；邓树荣等，2019）的广泛应用及GIS 开发的信息管理系统逐渐应用于遥感、林业、航空、航海、气象、市政等领域，有关技术逐渐在地震行业得到应用（许时光等，2009；周锋等，2009；帅向华等，2014；屈佳等，2014）。但商业GIS 软件的高额费用在一定程度上限制了其推广与普及。20 世纪90 年代，开源GIS 具有免费、可跨平台（Linux、Windows）性能，使开源GIS 成为GIS 研究和应用创新的重要领域（Boulos 等，2006；Curtis 等，2006；Vanmeulebrouk 等，2008；薛杰，2012；郭建兴等，2013；邓欣等，2016；张土金，2017；左天惠等，2017；吴熙彦，2017；刘俊等，2018；吴珍云等，2020）。其中，QGIS 以其用户界面友好且支持Python、C++等语言的二次开发等优势，已在地震行业得到了应用（陈烨等，2017）。与此同时，微信小程序以其占用内存小、开发框架简单、无须安装、便于后期维护升级、可在iOS 和安卓系统手机上运行等优势，在气象、水利、林业、医疗等行业得到了广泛应用（原世伟等，2016；胡寒冰，2019；陈静娴，2020；何瑞娜等，2020；李查玮等，2020），在地震行业得到了初步应用（王琛等，2018；肖本夫等，2020），但在地震灾情收集与处置中的应用较少。

因此，需建立基于开源GIS 的地震灾情速报信息收集与处置系统，以最快的速度实现灾情速报员属性数据空间化及拨打电话的自动任务分配，将通过拨打电话获取的灾情信息实时动态展布到开源GIS 系统（QGIS）中，快速生成地震有感范围图和地震灾情信息汇总报告，并将其部署在微信小程序中，为河南省防震抗震指挥部提供决策支持，在少震、弱震省份地震应急及提高灾情处置效率方面发挥作用，为地震系统应急管理人员工作提供便利。

1 关键技术与难点

1.1 基于地图API 的信息展布

采用微信小程序自带的腾讯地图作为底图，基于地图API 实现首页重置、地图切换、手机定位、行政区划显示等基本功能，支持全省灾情速报人员、断裂带分布、地震事件位置等数据展布于地图上，灾情速报员可自动填报当前地址，实现了基于精细位置的灾情数据上报，为后续精准的灾情评估奠定基础。

1.2 震后影响范围象限图自动生成

依据地震三要素和断裂带数据，选用圆形或椭圆模型（图1），估算地震影响范围，作为震后灾情调查人员分配任务的重要依据。

图1 震后影响范围计算流程Fig. 1 Flow chart for calculating post earthquake influence range

在地震影响范围绘制过程中，采用Shapely 包作为计算机几何学处理工具，实现地震有感范围图生成、椭圆形变换等。Shapely 为Python 包，其实现的几何对象基本类型是点、曲线和曲面，用于设置平面特征的理论分析和操作。

地震影响范围确定后，以断裂走向为基准，在圆形或椭圆形内按照等面积原则划分为4 个象限（图2），自动提取4 个象限内灾情速报员信息（姓名和电话），用于灾情调查工作人员向4 个方向分配拨打任务。

图2 四象限图Fig. 2 Four quadrant diagram

1.3 有感范围图自动绘制

将震后相关速报信息的填报结果进行有感范围汇总，分别统计有感、受灾和极灾的上报位置，并对位置集合进行最小凸多边形、缓冲区等空间分析，分类生成并绘制受灾范围图。采用PostGIS 直接对空间数据库进行查询，操作便捷，提高了空间分析操作效率。

1.4 灾情报告自动生成

灾情上报以结构化数据存储，地震后自动汇总受灾情况，使用docxtpl 包通过加载word 文档模板，实现对其修改，产出地震灾情首报和续报，可在线查看与下载灾情报告文档。

2 系统设计

2.1 数据库设计

本研究设计了灾情收集表、地震事件表、人员信息表、地震影响表、有感范围采样点表、有感范围表、灾情报告表、当前人员信息表、用户账号信息表等，并研究了数据库表之间的关系，为系统设计研发奠定了基础。

2.2 系统逻辑设计

系统逻辑设计为3 层结构，分别为数据层、服务层与应用层（图3）。数据层负责时空数据、业务数据和系统数据存储，并定时在中国地震台网同步地震三要素信息。服务层提供执行数据查询、筛选与汇聚功能及基于微信API 的人员权限认证和快捷登陆服务、震后影响范围分析服务、地震灾情汇总统计服务、地震报告生成等服务。应用层包括地震灾情一张图、震后影响范围专题图、灾情上报与报告、系统管理功能等，通过微信小程序为地震灾后管理人员提供快捷的数据上报、灾情管理等功能。

图3 系统逻辑架构Fig. 3 System logic architecture

2.3 系统功能设计

基于成熟性、稳定性和易维护性原则，设计“首页”“灾情速报”和“我的”功能模块（图4），以微信小程序为框架，采用开源GIS 组件实现近邻、缓冲区等空间分析，叠加灾情速报人员、地震事件和断裂带等数据，实现地震事件灾情上报与汇总统计，同时具有用户登陆、权限管理、日志记录等功能。

图4 系统功能模块设计Fig. 4 System function module design structure diagram

3 系统开发与实现

3.1 开发环境

开发环境为Windows 7 及以上版本系统，开发工具为Python 3、QGIS、PostgreSQL 11、PostGIS。其中QGIS 用于提供数据显示、编辑、分析和导入数据库功能，PostgreSQL11 用于实现事务、子选择、触发器、视图、外键引用完整性和复杂锁定等功能，Post-GIS 用于存储、管理空间数据，实现OpenGIS 的相关规范。

3.2 功能模块的实现

“首页”模块按照交互友好、操作便捷、界面简洁的要求，聚合了互联网电子地图、遥感影像、灾情速报人员信息、省界及各地市界等区划范围、断裂带及历史地震事件等数据，实现了地震灾情一张图（表1）。

“灾情速报”模块是本系统的核心功能模块，当系统数据库同步到地震灾情后，可实现地震灾情信息急速上报、地震影响范围预估评判和灾情信息汇总统计等（表1）。

“我的”模块实现了用户权限、历史记录等系统功能，并可手动增加地震信息，以弥补地震事件遗漏、满足地震演练开展等需求（表1）。

表1 系统模块实现功能Table 1 Function table of each module of the system

3.3 系统测试

针对现有产品各功能模块及实施结果进行功能测试，检测整个系统是否达到说明书要求及系统用户界面是否友好等。针对整个系统集成后提供服务的能力进行系统测试，包括易用性、可靠性、安全性、可维护性等。系统易用性测试结果如表2 所示，由表2 可知，该系统整体运行正常，各模块相对稳定，满足工作需求。

表2 系统易用性测试结果Table 2 Table of platform usability test results

3.4 实际应用

系统经测试和试运行后，在河南省真实地震案例中发挥了积极作用（图5、图6）。

图5 系统主要功能展示界面Fig. 5 Main function displayinterface of the system

图6 系统主要灾情信息收集处置功能Fig. 6 Schematic diagram of main disaster collection functions of the system

4 结语

本文在详细分析数据库设计、系统总体设计和功能设计的基础上，深入研究了本文架构的系统涉及的关键技术，解决了以下实际问题：

（1） 结合地震灾情应急实际需求，开发了以微信小程序为载体的地震灾情速报信息收集与处置平台，可便捷、高效地收集与处置灾情数据。

（2） 采用开源GIS 手段，在地震发生后的第一时间获取灾情信息，自动化评估影响范围，选取四象限范围内速报人员，为灾情调查工作人员自动分配工作任务提供参考。

（3） 随着灾情数据收集工作的有序推进，实时绘制地震有感范围图，统计受灾情况，自动生成灾情报告。

本文架构的系统极大程度地提高了震后地震灾情收集效率，满足河南及邻区小震、弱震较多地区地震应急、应急演练工作需求，可在省、市、县地震应急及震后提高灾情信息收集处置效率方面发挥作用，也为其他应急系统建设提供参考。但本文未研究影响范围模型、震后灾情追踪、快速获取周边应急避难所及路径、应急调度等，今后将开展有关研究。