引言

现有地震应急技术服务中地震灾害的评估计算、震后灾情的信息展示、地震应急专题图件的产出、历史地震的信息查询等,都离不开电子地图的支持。目前地震应急领域在电子地图的应用中存在诸多问题,如地图使用标准的统一规范、地图要素不能及时更新、地图应用涉密限制等问题。上述诸多问题从不同程度上限制了地震应急业务的开展、信息的交流和面向社会公众的服务。随着公共数据平台建设的快速发展,基于公共数据平台的业务系统已逐步成为研究热点。现有以公共数据平台为底图的系统多以信息展示系统为主,但以公共数据平台为底图的震后灾害评估系统目前较为少见,尤其是结合辅助决策建议、震区基本信息查询在内的应用系统更为少见。

在公共数据平台中,天地图平台已成为国家战略性信息基础平台,是“数字中国”的重要组成部分,是国家地理信息服务平台的重要支撑。天地图公众地理信息服务平台数据的建设,依据统一的标准规范,由国家、省、市测绘部门和相关专业部门釆用“分建共享、协同更新、在线集成”的方式生产、服务。其中国家、省、市三级平台均以2000国家大地坐标系(CGCS 2000)为空间定位基准,以基础测绘数据库为基础,建设包括地理实体数据、地名地址数据、线划电子地图数据、影像电子地图数据及本地兴趣点(POI)、三维建筑物模型、街景等在内的地理框架数据库,借助OGC(开放式地理信息系统协会)的标准地图服务接口(WMS、WMTS、WFS、WFS-G、CSW等)和二次开发接口(Javascript API、Flex API、Silverlight API、Android等),为社会公众提供免费的地理信息浏览、查询等综合服务。

目前很多专家学者对天地图数据平台与业务系统的综合应用进行了研究,如帅向华等(2014)研究了基于天地图数据平台的地震灾情快速获取;赵曦等(2017)研究了基于天地图数据平台的地震信息数据查询;张磊等(2013)研究了基于天地图数据平台的地震信息集成;孙哲等(2016)研究了基于天地图数据平台的地震应急专题图自动产出等。上述研究大多侧重于信息集成、展示、获取、查询等,针对基于天地图数据平台的地震灾害评估系统,尤其是集评估、决策、信息查询于一体的综合信息系统的研究目前仍较少。

本研究以天地图数据平台作为底图平台和地图数据资源,开发基于天地图数据平台的集震害评估、辅助决策于一体的综合信息系统,使其成为地震应急信息系统的重要基础和开展地震信息服务的必要支撑,更好地为各级政府及社会公众服务。

1 系统设计
1.1 系统总体设计

系统以现有地震影响场模型、人员伤亡预估模型、救援力量计算模型为骨架,采用C/S结构进行设计,以ArcEngine作为GIS开发平台,整合上述各模块及数据库研究成果,开发基于天地图数据平台的地震应急评估决策服务系统。系统总体结构如图 1所示,主要包括基础设施层、数据层、支撑层、应用层、表示层及用户层。


图 1 系统总体结构 Fig. 1 System overall structure

基础设施层主要包括数据库服务器、图形工作站等,为整个系统提供硬件支撑。

数据层以天地图数据平台地震应急评估决策服务系统数据为基础。关系型数据库管理系统(RDBMS系统)负责管理用户权限库、基础数据库、评估数据库、决策数据库、天地图切片库。RDBMS系统的作用是实现数据库的数据管理、访问,可有效实现数据一致性检验和数据预处理后的一致性维护,提高运行效率,降低工作难度并减少工作量。

支撑层主要为应用层和表示层提供最基础的服务,包括GIS平台、.net环境、oraclellg数据服务。其中ArcGis平台主要实现二维数据、三维数据的展示与管理,用户可对显示内容进行选择,包括数据、产品、时间范围、空间范围、比例尺、图层、产品的特有属性等,为用户提供基础的空间数据查询浏览功能和较为强大的数据处理工具。.net环境提供一致的面向对象的编程环境,无论对象代码是在本地存储、执行,还是在本地执行但在Internet上分布或远程执行,.net可提供将软件部署和版本控制冲突最小化的代码执行环境。ORACLE数据库系统是由美国ORACLE公司(甲骨文公司)提供的以分布式数据库为核心的软件产品,是目前最流行的客户/服务器(CLIENT/SERVER)或B/S体系结构的数据库之一。作为通用的数据库系统,它具有完整的数据管理功能;作为关系数据库,它具有完备关系;作为分布式数据库,它实现了分布式处理功能。

应用层提供了主要业务功能,包括震害评估、辅助决策、专题图产出、信息查询等。

表示层提供了与用户交互的图形化操作界面,方便用户提出服务请求,主要包括系统C/S客户端操作界面。

1.2 系统功能设计

系统功能主要包括地震触发、震害评估、应急辅助决策和系统工具模块,如图 2所示。


图 2 系统功能架构 Fig. 2 System function architecture

地震触发功能包括测震数据自动触发和手动触发两部分,自动触发为系统通过数据库监听技术,从EQIM(全国速报数据交换平台)实时读取地震信息,并按照预先制定的规则,实现系统自动触发地震运算,提升系统响应速度,提高应急效率及服务水平。手动触发功能主要用于应急演练、系统测试等,可通过手动输入地震三要素或在地图上直接点击位置获取地理信息,完成相关地震触发设置。

震害评估是整个系统的核心功能,其中,地震影响场计算模型将在系统触发地震计算后自动生成地震影响场,随后通过影响场确定该地震的影响区域、人口、建筑物、经济等数据,并通过破坏矩阵等模型完成房屋破坏计算,通过人员伤亡模型、经济损失模型等完成人员伤亡、经济损失评估,并将相关结果传至辅助决策模块(Xu等,2016Yang等,2016)。

应急辅助决策功能产出的相关报告、图件是系统的最终产出物,也是系统对外展示的成果。在评估模块完成计算并将结果传送至辅助决策模块后,辅助决策模块通过调用救援力量需求、救灾物资需求等相关模型及基础数据,完成救援力量、救灾物资等的计算,并通过提前定制的震区基本情况、辅助决策报告等文档模板及专题图模板,完成相应报告、图件的自动产出。

整个系统包括地震影响场、人员伤亡、救援力量需求等众多计算模型,在系统本地化的过程中,需对模型参数不断优化。在系统工具中提供对整个系统各计算模型参数调整的功能。系统工具的图片输出设置中,可对地震专题图的出图模板、图层选择、图件输出位置、图件分辨率等参数进行设置,满足专题图件自动产出的不断优化调整。

1.3 数据库设计

以天地图数据平台为基础的地震应急评估决策服务系统数据库采用oraclellg数据库作为基础信息的存储,主要包括基础数据库、评估数据库、决策数据库、天地图切片库。

基础数据库主要包括基础的矢量底图、地震应急专业数据和相关参数表(见表 1)。其设计重点在于通过地名匹配、行政区划编码匹配等多种手段实现当前地震应急基础数据库中属性数据与天地图数据平台空间数据的关联。基础数据表格设计还应参考地震应急基础数据库规范,便于日后数据更新。

表 1 建筑物易损性矩阵参数 Table 1 Building vulnerability matrix parameter table

天地图切片库主要存储天地图底图数据;评估数据库主要存储地震影响场计算结果、人员伤亡结果、经济损失结果等;决策数据库主要存储救援力量计算结果、最终生成的各类报告、各专题图产出结果等。上述3个库的设计重点在于各数据库接口应统一定义,方便各模块信息的调用及写入。

2 系统实现

整个系统为满足区域防震减灾工作的需要而设计,在系统实现过程中既要便于用户使用、系统管理,又要便于数据更新和系统升级,且具有简单明了的人机交互方式、优化的系统结构及可视化的功能。整个系统基于通用标准和用户定制的开发思想,利用数据库、GIS等技术,实现数据和应用的标准化,最终形成开放、易集成的应用系统。

2.1 数据库实现

数据库实现的重点在于通过数据匹配,实现当前地震应急基础数据库中属性数据与天地图数据平台空间数据的关联。天地图接口返回数据为json格式,通过后台解析json数据,截取pois数组中的经纬度坐标,天地图api返回的坐标即为原始坐标(WGS-84)。因此通过当前记录的ID,可直接将检索到的数据更新至对应的数据库记录中,实现数据关联。数据关联经纬度坐标解析示意如图 3所示,数据关联结果测试如图 4所示。


图 3 数据关联经纬度坐标解析示意 Fig. 3 Data association latitude and longitude coordinate analysis

图 4 数据关联结果测试 Fig. 4 Data association result testing
2.2 模型实现

系统各类产出依赖于模型的计算实现,模型实现以现有模型公式为基础,结合数据情况及系统功能需求,建立输入输出参数表及模型计算流程,最终实现模型计算产出。以地震影响场模型为例进行说明。地震影响场模型输入为地震速报三要素,输入参数如表 2所示,依据现有采用的衰减关系进行计算,模型输出结果为描述椭圆或圆形的基本参数及根据这些参数生成的相应地图参数。

表 2 地震影响场输入参数 Table 2 Seismic influence field input parameters

地震影响场模型读取输入参数,包括震中经纬度和震级,然后与行政区划地图进行空间叠加,判断地震发生的具体范围,选择适合该区域的地震烈度衰减关系进行计算。若最大地震烈度值<6度,则选取圆模型用于判断地震影响区域,并进行计算,给出地震影响的估计范围。若最大地震烈度值≥6度,则选取椭圆模型计算烈度影响范围,并利用GIS生成地震影响场图层。利用生成的地震影响场图层与居民点图层叠加,判断该地区人口居住的密度情况,同时与建筑物数据叠加,判断建筑物抗震设防情况与影响烈度之间的关系,可从宏观角度初步判断地震重灾区所在位置,计算流程如图 5所示。


图 5 地震影响场计算流程图 Fig. 5 Earthquake affected field calculation flow chart
2.3 系统实现

基于天地图数据平台的地震应急评估决策服务系统,以天地图公共数据平台作为底图和地图数据资源,通过地名匹配、行政区划编码匹配等多种手段实现当前地震应急基础数据库中属性数据与天地图数据平台空间数据的关联。运用地震影响场模型、人员伤亡预估模型、救援力量计算模型等,以ArcEngine作为GIS开发平台,采用C/S结构开发集地震自动触发、震害评估、辅助决策于一体的综合信息系统(Kim等,2016)。

基于天地图数据平台的地震应急评估决策服务系统主界面如图 6所示,系统交互功能主要包括地震触发、地震管理、系统管理及工具箱等。


图 6 系统主界面 Fig. 6 Main interface of system

在当前地震中,可手动添加地震三要素,完成地震触发、震害评估、辅助决策及专题图产出等功能,并可在辅助决策子模块中查看系统产出的报告及图件(见图 7)。


图 7 系统产出物 Fig. 7 System output

在地震管理中,可对系统计算过的历史地震进行查询、删除、再次计算等操作(见图 8)。


图 8 地震管理界面 Fig. 8 Seismic management interface

在系统管理中可对用户、角色、权限等进行管理,同时可对各计算模型参数进行设置,图 9所示为参数设置界面。


图 9 参数设置界面 Fig. 9 Parameter setting interface

在工具箱中可对地图模板、底图数据等进行操作。通过地图右下角的视图按钮进行地图视图和布局视图的切换,通过图层树状列表控制图层是否显示(见图 10)。


图 10 图层控制功能 Fig. 10 Layer control function
3 结语

基础数据的涉密限制、地图数据的更新缓慢等问题,都在不同程度上限制了地震应急评估决策服务系统的业务交流及对外公众服务。本文以天地图数据平台为基础,研究基于公共数据平台的地震应急评估决策服务系统,以期解决地震应急评估领域地图应用的涉密限制、地图要素不能及时更新等问题,并扩展地震应急服务领域,实现地震应急信息化、现代化,使其成为地震应急信息系统的重要基础和开展地震信息服务的必要支撑,为政府、社会和公众提供全方位智慧化地震科技服务。

参考文献
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孙哲, 赵曦, 贾宁, 2016. 基于"天地图"的地震专题图自动出图技术研究与实现——以陕西省为例[J]. 震灾防御技术, 11(2): 396-402.
张磊, 程朋根, 陈静, 2013. 基于"天地图"地震信息集成的设计与实现[J]. 东华理工大学学报(自然科学版), 36(3): 323-327. DOI:10.3969/j.issn.1674-3504.2013.03.012
赵曦, 姬建中, 孙哲, 2017. 天地图在陕西地震行业的应用[J]. 信息通信, 174(6): 96-98. DOI:10.3969/j.issn.1673-1131.2017.06.044
Kim H. S., Chung C. K., 2016. Integrated system for site-specific earthquake hazard assessment with geotechnical spatial grid information based on GIS[J]. Natural Hazards, 82(2): 981-1007. DOI:10.1007/s11069-016-2230-3
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