基于GIS的地震现场灾情调查点选取方法研究——以甘肃岷县漳县6.6级地震为例

马小平, 李晓雪, 陈文凯, 孙艳萍, 朱 瑞, 寇 恒, 张 晓

(甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

地震现场灾情调查就是在破坏性地震发生以后,地震现场工作人员对灾区进行震区影响范围、人员伤亡统计、建(构)筑物破坏、家庭财产破坏、设备破坏、生命线工程破坏、地质灾害和次生灾害、生态破坏、社会影响等的调查工作[1-2]。其目的就是为地震烈度图评定和灾害损失评估报告的形成提供必要的数据支撑,而地震现场灾情调查的速度和效率直接影响着烈度图评定和灾害损失评估报告的产出时间。大震发生后,大批的地震工作者都进入地震震区参与现场调查及应急救援工作。而由于现场调查区域范围比较大,灾情调查任务重且紧,人员有限,在灾情调查的过程中,难免会有避重就轻的进行灾情调查的情况,会影响灾情调查的准确性和全面性。加之,现场指挥部领导也是根据实际情况,临时指派工作组进行灾情调查,缺乏一套合理的、适当的灾害调查方案,灾害调查点选取不均匀、不合理的现象较为严重,使现场调查工作重复性较高,最终导致现场灾情调查工作效率比较缓慢、工作冗余较大、结果会有偏差等不利于烈度评定和灾害损失评估的因素。因此,合理的、均匀的、适当的选取灾情调查点,减少调查任务,提高调查效率,用有限的时间和人员完成最有效率的工作,为快速评定烈度图和产出灾害损失评估报告提供更快更准的数据显得非常重要。近年来,围绕地震灾害损失快速评估、灾情调查系统研发、震害评估软件研发等方面国内外学者进行了大量的科学研究并取得了一系列卓有成效的成果。

在国外,随着灾情调查及评估方法的日益成熟,构建大型灾情调查及评估系统是国际上发达国家灾情调查及评估工作的主要发展方向之一,美国联邦紧急事务所联合国家建筑科学研究所等科研机构共同研制的HAZUS系统[3],基于大量的联邦国家标准和数据库,能够预报社区由自然和人为灾害形成的损失;在国内,防灾减灾领域的专家广泛认可并使用的灾情调查及评估方法有六种,分别是:历史灾情统计法、承载体易损性评估法、现场抽样调查法、遥感监测法、基层统计上报和经济学方法[4]。徐敬海等[5]通过建立灾情速报员网,提出了一种基于GIS的地震灾情速报与快速判定方法,为地震现场灾情快速判定与上报提供了科学依据;郭红梅等[6]提出了一种基于GIS和空间决策技术的城市地震现场搜救指挥辅助决策系统的技术思路和解决方案,大大提高了地震现场搜救工作效率;丁香等[7]研制了基于GIS的地震现场应急指挥管理信息系统,为地震现场指挥部应急指挥和现场灾害损失调查与评估、科学考察等工作提供公用数据管理和信息服务,提高了地震现场工作的实效性等等。这一系列的科学研究旨在提高灾情调查效率,最大程度地减少人员伤亡和经济损失,但是在具体指导现场灾情调查方面还缺少相关研究。

1 研究方法

总体上来说,目前我国在灾情调查及灾情损失评估方面主要集中在专项评估系统的研究与开发上,震后如何科学制定地震灾情调查方案还处于探索阶段。据此本文以甘肃岷县漳县6.6级地震为例,依据地震现场工作规范(GB/T 18208.3—2011和GB/T 18208.4—2011)[1-2],从地震现场灾情调查的角度出发,综合考虑地震现场灾情状况、经济损失、救援力量、政府需求等影响灾情调查进度的因素,结合地震现场灾情调查的需求,在预估理论影响场、预估地震灾害损失等资料的基础上,利用GIS空间分析功能、网络分析功能,对灾区基础地理数据进行时空分析,并充分考虑地震地质灾害、地形等对灾区交通路网的影响,研究制定一种快速、合理、有效、均匀的选取现场灾害调查点的方法,为现场灾害调查和应急救援选取最合适、最可靠的路线,帮助现场灾情调查人员快速、科学地开展灾情调查工作,从而提高现场灾情调查的效率,最大程度的节省调查时间,确保灾害调查和应急救援的快速、高效进行,进而为烈度图的评定和灾害损失报告的撰写赢取更多的时间,为现场指挥部选取灾害调查点、指派工作组提供必要的科学依据和辅助决策意见。技术路线如图1所示。

图1 技术路线图Fig.1 The map of technology road

1.1 调查点选取原则

地震现场工作作为一项特殊时段的紧急任务,时间要求紧、技术含量高、工作强度大,要求地震现场工作人员要在一个较短的应急时间段内全面、准确、科学、规范地完成各项工作任务,为政府的抗震救灾行动、震区的恢复重建、地震科学研究提供基础资料[8]。因此需遵循以下原则:

(1) 灾情调查点要具有一定的覆盖面。选取灾情调查点时,应该在预评估烈度范围基础上内外各延伸一定的范围,使调查点能覆盖整个烈度范围,以便准确、全面的评定地震烈度。

(2) 灾情调查点分布要具有一定的均匀性。选取的灾情调查点要均匀地分布在预评估影响场每个烈度区分界附近,其他区域适当增减调查点。

(3) 灾情调查点要具有一定的代表性。因为烈度圈一般都是不规则的椭圆,所以为了减少工作量,提高工作效率,在选取灾情调查点时,在具有关键控制部位的地方需要增加灾害调查点的选取数量,选取具有代表性的调查点。

(4) 灾情调查点应选取至交通可达的居民点。如果交通不便或没有居民点的地区可以适当减少调查点。

(5) 选取一定数量的地震地质灾害和生命线工程破坏情况调查,辅助确定地震烈度圈的边界。

(6) 灾情调查点在数量上不必太多,以免浪费工作时间、降低工作效率。

1.2 基于GIS空间分析的灾情调查点选取

1.2.1 交通路网数据处理

灾情调查点的选取主要考虑路径最短、时间最短等因素。故本文首先提取交通路网与预评估理论影响场的交叉点,并对交叉点数据进行缓冲区分析,然后选取震中距交叉点的最优路径。

关于最优路径问题,国内外学着都做了大量的研究,具有代表性的是VRP问题和VSP问题[9]。目前最优路径的研究,主要分为精确优化方法、启发式方法、模拟方法和人工智能方法。对于我国路网而言,由于车流量较大,短路拥堵较为严重,所以当前的研究主要考虑路段行程时间T=L/U,其中T为路段平均行程时间,单位:h;L为路段里程,单位:km;U为路段行程平均车速,单位:km/h。东南大学针对国内公路交通实际情况,给出了车速-流量通用模型,并标定了模型参数建议如表1所列。以此通用模型为计算依据,得任意等级任意交通负荷下的车速-流量通用模型为[10]:

(1)

式中:U为路段平均行驶速度,单位:km/h;Us为各等级公路的设计车速,单位:km/h;C为各等级公路的单车道实际通行能力,辆/(h·标准车道);V为各等级公路单车道交通量;α1、α2、α3为回归参数,见表1 。

表1 车速-流量通用模型参数取值

根据以上车速-流量模型,结合各路段参数取值,计算出各路段行程时间,即行程时间短的路段,最后以各路段行程时间为权重利用ArcGIS网络分析功能进行最短时间路径搜索,所得路径即为震后应选的最优路径,并对其最优路径进行网络分析。

1.2.2 DEM数据处理

在路径选取上应考虑地形因素对交通路网的影响,因为地形坡度对地表演变过程有强烈的影响作用和重要的地学意义,所以利用ArcGIS软件3D Analyst Tools功能模块中的Slop函数ASTER DEM数据(分辨率为30 m)进行坡度提取,并进行归一化、重分类等处理。

1.2.3 地质灾害隐患点数据处理

由地震引起的崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、砂土液化等现象,会对交通道路、建筑物、工程设施等造成巨大的影响,本文主要考虑滑坡对交通的影响。采用刘凤民等的评价模型[11]对区内地震次生地质灾害隐患点进行危险性评估,得到地震地质灾害危险性等级数据,其来自于白仙富等地震滑坡危险性预测数据[12]。基本方法和评估模型概述如下:

Wi=A·Wl+B·Wq

(2)

式中:Wi为某种地震次生地质灾害危险性指数;Wl为地震次生地质灾害历史危险性指数;A为地震次生地质灾害历史危险性权重,根据以往研究成果[11-14],取值为0.25;Wq为地震次生地质灾害潜在危险性指数;B为地震次生地质灾害潜在危险性权重,根据以往研究成果[11-14],取值为0.75。

1.2.4 居民点数据处理

地震的破坏性主要体现在人员伤亡和经济损失上,而居民点是人类生产和生活的集聚定居点,因此在地震灾情调查点选取时还应考虑居民点的分布情况,在居民点密集的区域应该适当增加调查点,反之则应减少调查点,故本文将所提取的最短时间路线做3 km范围的缓冲区,统计其范围内的居民点数据(行政村以上驻地)作为必须应取的灾情调查点。

在所有影响灾情调查点选取的因素中主要因素是居民点位置,其次是交通通达度,再次是地质灾害影响,最小的是坡度影响,经过多次试验论证对比,将以上数据分别按照居民点数据权重为0.4,交通路网数据权重为0.3,地震地质灾害数据权重为0.2,坡度权重为0.1进行空间分析,得出地震现场灾情调查点选取热点区域示意图,并按照易选程度将其划分为易选区和不易选区。最后依据地震现场灾情调查点选取原则和地震现场工作规范要求进行灾情调查点选取。

2 实际震例计算

2013年7月22日7时45分,在甘肃省岷县、漳县交界(34.5°N,104.2°E)发生了MS6.6地震(简称岷—漳地震),震源深度20 km。震中最高烈度为Ⅷ度,受灾总面积约为16 432 km2。涉及甘肃省5个市州的13个区县109个乡镇,受灾人口约230万人,本次地震造成95人死亡、2 414人受伤,经核定直接经济损失约175.88亿元[15]。

首先,借助ArcGIS平台分别提取灾区范围内不同类型交通道路与预估烈度范围的交叉点,建立道路网络模型[16]。然后根据车速-流量通用模型,结合灾区范围内各个路段参评指标值,计算出从震中到各交叉点的不同路径的行程时间,并以各路段行程时间为评价权重,通过建立适合于整个灾区范围内路网的各等级路段评价指标体系,利用Dijkstra算法进行最短时间路径搜索,得到震区内震中到各交叉点的最短时间交通路网。接着应用ArcGIS的缓冲区分析功能,以提取出的交叉点为中心,设置半径间隔为5 km创建缓冲区。随后把所有创建的不同类型道路交叉点的缓冲区进行栅格计算、空间分析等处理,在此基础上,充分考虑地形坡度(图3)、地震地质灾害风险(图4)等对交通的影响,分等级得出交通热力图,如图5所示。

图2 研究区概况[审图号:GS(2016)2556号]Fig.2 Survey of the research area [Review number:GS (2016) No.2556]

表2 基础地理数据

图3 地形坡度图Fig.3 Topographic slope map

图4 地震地质灾害风险图Fig.4 Risk map of earthquake-induced geological hazards

图5 交通热力图Fig.5 Traffic heat map

其次,对震区居民点数据(行政村以上驻地)以行政村1 km,乡镇驻地2 km,县区驻地3 km为半径进行缓冲区分析,然后进行归一化处理,得出震区居民点热力分布如图6所示。

图6 居民点分布热力图Fig.6 Heat map of settlements distribution

最后,应用空间叠置分析将以上数据进行空间叠置,得出灾情调查点选取热力分布如图7所示,然后进行重新分类,在热力范围内自动生成灾情调查点。在选取灾情调查点时充分考虑甘肃省预评估烈度六度(Ⅵ)范围偏大,七度(Ⅶ)、八度(Ⅷ)范围偏小的因素[17],根据预估烈度展布方向、震区地形地貌、震区交通、震区居民点分布、震区地震地质灾害隐患点等现场实际情况,在经人工修正后,选取如图8所示灾情调查点。

岷县—漳县地震实际灾情调查点有418个,基本上遍布了整个震区,为地震烈度评定及灾情评估提供了极有力的科学保障。但是,由于灾情调查点较多,且有些调查点较为集中,重复调查现象较多;有些调查点交通不太方便,灾情调查人员不易到达开展调查;有些调查点处于无人区,对于短期的应急灾情调查难度较大且耗时较长,所以这些无人区的调查点在应急期间可以暂放,在后期的地震科学考察中进行调查较为合理。诸如此类,由于调查点选取不合理的原因极大地阻碍了现场灾情调查的进度和现场应急的效率,延长了现场地震应急时间。

图7 预定灾情调查点选取热力图Fig.7 Heat map of the selection of scheduled disaster investigation sites

图8 预定灾情调查点与实际灾情调查点对比Fig.8 Comparison between scheduled and actual disaster investigation sites

鉴于以上地震应急经验,并严格遵循地震现场工作第三部分(调查规范)关于地震烈度调查中对农村和城市调查的规范要求和第四部分(灾害直接损失评估)关于房屋破坏比调查中对不同震级地震选取抽样调查点个数的规范要求,结合震区实际情况,本文共计选取了262个预定灾情调查点。其结果:一是大量减少了灾情调查点数量,但是,从图中可以看出,预定灾情调查点的分布及数量基本能满足烈度评定的要求和灾情损失评估的需要而不影响其准确性和科学性;二是在无人区和交通不便利的地方适当减少了调查点,在居民点较为密集的地方适当增加了调查点,与实际灾情调查点相比,预定灾情调查点的选取更为合理,更为有效,更为科学,极大地减轻了灾情调查任务,将有助于提高现场地震应急效率。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文以岷县—漳县6.6级地震为例,从地震现场地震应急工作需求出发,综合考虑地震现场灾情状况、经济损失、救援力量、政府需求等影响灾情调查进度的因素和影响交通通行的地形、地质灾害等此生因素。在预估理论影响场的基础上,利用GIS空间分析功能、网络分析功能,对灾区基础地理数据:居民点数据、交通路网数据、DEM数据、地质灾害隐患点数据等进行时空分析,得到地震现场灾情调查热点区域,并在严格遵循灾情调查点选取原则和地震现场工作规范要求的情况下,共选取了262个灾情调查点,在调查过程中从极震区出发逐步向外延伸展开灾情调查工作,基本上能满足烈度图评定需要和灾情评估需要。为现场灾情调查点的选取提供了科学、合理的方法,极大地减少了不必要的调查任务,提高了灾情调查效率,节省了灾情调查时间。进而为烈度图的评定和灾害损失报告的撰写赢取更多的时间,为现场指挥部选取灾害调查点、指派工作组提供必要的科学依据和辅助决策意见。

3.2讨论

地震现场灾情调查是实施地震应急救援、掌握地震灾情、评定地震烈度、评估灾害损失、考察地震机理的重要手段和必备环节。随着国家对自然灾害防治和应急救援的高度重视,地震灾情的调查在时效性和准确性上要求更高,因此,快速、合理、准确的收集灾情信息是有效应急,快速实施应急救援的基础。经历了多次地震的洗礼,我国已经意识到地震现场灾情调查的重要性,并在一定程度上出台了相关制度,开发了现场灾情调查系统和平台,但是,从目前的状况来看,还处于研究探索阶段。因此,本文针对地震现场灾情调查点的选取及路线安排做了一些探索性的研究,但是在灾情调查人员需求、分组等方面还未深入研究,需要在今后的工作中更多应用新的技术和方法研究此类问题,提高破坏性地震的现场地震应急工作效率。