地震應(yīng)急專題圖快速產(chǎn)出系統(tǒng)開發(fā)
——以黑龍江省為例

馬寶君 李太巖 趙建通 高雙玲 梁阿全 鄭寶仁

（中國(guó)黑龍江 157009 黑龍江省牡丹江地震臺(tái)）

0 引言

破壞性地震發(fā)生后，快速獲取各類較詳盡、準(zhǔn)確的災(zāi)區(qū)基本信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，是有效開展救援工作的基礎(chǔ)條件之一，對(duì)于及時(shí)制定救援策略，提高救援效率起著至關(guān)重要的作用（孫哲等，2018）。利用地震應(yīng)急專題圖件來直觀地獲取、表達(dá)災(zāi)區(qū)基本信息及各類數(shù)據(jù)具有其他方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)。通過獲取到的地震影響場(chǎng)參數(shù)信息，再結(jié)合應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中災(zāi)區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)、地形、交通、學(xué)校、醫(yī)院等各類重要數(shù)據(jù)，可將大量豐富的災(zāi)區(qū)信息清晰地展現(xiàn)于圖件上，這是了解災(zāi)區(qū)背景資料和災(zāi)情信息的最為直觀的方式，在地震應(yīng)急救援過程中可發(fā)揮重要的科技保障作用，并可為政府抗震救災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)（孫艷萍等，2019）。

目前，災(zāi)害專題圖制作主要借助ArcGis或MapSis軟件進(jìn)行人工制圖。人工制圖具有較好的靈活性和自主性，但是，過程較繁瑣。在破壞性地震發(fā)生后，應(yīng)急指揮中心收到黑龍江地震臺(tái)發(fā)布的地震三要素，啟動(dòng)地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，利用地理模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，生成地震影響場(chǎng)圖層，技術(shù)人員提取此次地震影響場(chǎng)，利用ArcGis軟件，添加基礎(chǔ)圖層和專題圖層，導(dǎo)入影響場(chǎng)，添加震中位置、標(biāo)題，調(diào)整出圖范圍，標(biāo)注字體字號(hào)，最后進(jìn)行地圖整飾；然后，利用快速出圖軟件調(diào)用 ArcGIS 預(yù)先制作好的不同專題內(nèi)容的 MXD 模板文件，通過簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，快速產(chǎn)出不同幅面的地震應(yīng)急專題圖（張樹君等，2018）。但是，在人工制圖過程中普遍存在圖件幅面不合適、圖件要素不能滿足應(yīng)急工作所需不同種類專題圖的要求、表述內(nèi)容不清晰等問題（程顯洲等，2018）；有些地震應(yīng)急專題圖還是基于WebGis的應(yīng)急指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)取到本地進(jìn)行應(yīng)急制圖的（李東平等，2006）。這種方式不僅受到網(wǎng)絡(luò)速度的限制，還可能因?yàn)閿?shù)據(jù)量過多、過雜而導(dǎo)致很難快速找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，因此，建立獨(dú)立的應(yīng)急專題圖數(shù)據(jù)庫(kù)很有必要（席楠等，2015）。針對(duì)地震應(yīng)急圖制作過程中存在的上述問題，并充分考慮地方政府在地震應(yīng)急工作中的實(shí)際需求，通過多次與地方主管部門溝通協(xié)商，結(jié)合臺(tái)站實(shí)際，成功開發(fā)出單機(jī)版地震應(yīng)急圖快速產(chǎn)出系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)出的地震應(yīng)急圖件以震中為中心，不依賴網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)制圖軟件，可為地方地震應(yīng)急工作提供決策依據(jù)。

1 軟件的設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

雖然制圖的自動(dòng)化在一定程度上提高了出圖的速度，但是在地震應(yīng)急實(shí)際工作中，由于不同的制圖需求需要產(chǎn)生不同種類的專題地圖，因此固定的自動(dòng)化模板已經(jīng)不能滿足實(shí)際地震應(yīng)急工作的需要。由于地震發(fā)生的偶然性，因此無法提前判定震中位置。實(shí)踐表明，圖件幅面以震中為中心最實(shí)用，人工制圖雖然自主、靈活，但制圖需要借助專業(yè)制圖軟件，人工操作速度較慢，容易出錯(cuò)，為了解決上述問題，首先建立獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)，其包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、專題數(shù)據(jù)庫(kù)、地震行業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)等，采用Visual Basic 6.0開發(fā)單機(jī)版軟件包；地震發(fā)生后，根據(jù)震中位置，調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，現(xiàn)場(chǎng)制作各類地震應(yīng)急圖件，保證了圖件以震中為中心。

1.2 實(shí)現(xiàn)途徑

Visual Basic使用了最先進(jìn)的程序設(shè)計(jì)思想，即面向?qū)ο蠛褪录?qū)動(dòng)，VB中融人了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在科學(xué)計(jì)算、多媒體軟件開發(fā)（林永，2002）、數(shù)據(jù)庫(kù)編程、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（崔彥鋒等，2002）等方面都有較強(qiáng)的功能。VB的可視化界面設(shè)計(jì)方式能使用戶較容易地設(shè)計(jì)所需的軟件界面（編程高手工作室，2001）。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，各模塊之間相互獨(dú)立（馬寶君等，2005），每個(gè)模塊完成各自功能，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，現(xiàn)場(chǎng)制圖速度較快，完全能夠滿足地震應(yīng)急工作的需要。

1.3 軟件流程

地震發(fā)生后，臺(tái)站人員接收到黑龍江省地震局發(fā)送的地震速報(bào)短信息，啟動(dòng)軟件，按界面提示輸入地震參數(shù)，操作人員運(yùn)行相應(yīng)模塊產(chǎn)出需要的應(yīng)急圖件，也可以選擇批處理的方式，2 min內(nèi)可產(chǎn)出該軟件所能提供的所有圖件，產(chǎn)出的圖件通過專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脚_(tái)站職工和牡丹江市應(yīng)急管理局的相關(guān)部門，供有關(guān)部門和人員決策參考，出圖速度可完全滿足工作需求（圖1）。

圖1 軟件流程Fig.1 Software flowsheet

2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

地震應(yīng)急專題數(shù)據(jù)庫(kù)主要由3部分組成：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括各種點(diǎn)、線、面要素的矢量數(shù)據(jù)；②背景底圖數(shù)據(jù)，主要是高程和人口數(shù)據(jù)；③地震專業(yè)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的制圖需求對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編輯，建立清晰的數(shù)據(jù)庫(kù)分組，以便加快應(yīng)急專題圖數(shù)據(jù)的調(diào)用速度。

2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括1∶100 萬國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，涉及省界、縣界、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、居民點(diǎn)名、高程等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要來自專業(yè)的科研和數(shù)據(jù)服務(wù)機(jī)構(gòu)公開發(fā)表的數(shù)據(jù)，符合國(guó)家地圖制圖的相關(guān)規(guī)定及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 專題數(shù)據(jù)

專題數(shù)據(jù)庫(kù)包括居民點(diǎn)（居民地）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度、水系、學(xué)校、醫(yī)院、重點(diǎn)目標(biāo)、危險(xiǎn)源等數(shù)據(jù)。其中，人口數(shù)據(jù)采用2020年人口密度數(shù)據(jù)，來源于WorldPOP數(shù)據(jù)集（www.worldpop.org），為全球高分辨率人口計(jì)劃項(xiàng)目每個(gè)網(wǎng)格單元的估計(jì)總?cè)藬?shù)。該數(shù)據(jù)集可以geotiff格式下載，分辨率為3弧度（在赤道處約為100 m），投影為地理坐標(biāo)系WGS84，單位是每個(gè)像素的人數(shù)。

2.3 地震行業(yè)數(shù)據(jù)

地震行業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括歷史地震、地震動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)，地震參數(shù)以中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)一發(fā)布的地震快報(bào)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，包括震中位置、發(fā)震日期、時(shí)間、震源深度、發(fā)震地點(diǎn)名稱等，以震中為專業(yè)應(yīng)急圖中心點(diǎn)繪制圖件。

活動(dòng)斷裂、河流數(shù)據(jù)取自陸遠(yuǎn)忠等（2002）；地震烈度和地震峰值速度、加速度算法采用汪素云等（2000）確定得的中國(guó)東部地區(qū)參數(shù)，限于篇幅，不再贅述。

地震目錄來自2個(gè)部分，公元前9999年至2007年12月31日地震目錄來自國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://data.earthquake.cn)；2008年1月1日至2021年7月31日的地震目錄來自地震編目系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能

輸入地震參數(shù)后，軟件立即開始現(xiàn)場(chǎng)制作各類應(yīng)急圖件，所有圖件都是以震中為圖件中心。

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）不依賴網(wǎng)絡(luò)，建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)。地震發(fā)生時(shí)，在震中附近網(wǎng)絡(luò)很可能會(huì)發(fā)生故障，從而影響地震應(yīng)急圖的產(chǎn)出速度。該系統(tǒng)為了避免此問題，事先將行政區(qū)劃、城市、縣、鎮(zhèn)、居民點(diǎn)位置、高程、人口、地震目錄、臺(tái)站位置等數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，地震發(fā)生時(shí)，只要輸入地震參數(shù)就能產(chǎn)出應(yīng)急圖件，擺脫了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴。

（2）兼容性好、運(yùn)行速度快，無需輔助軟件。該系統(tǒng)在windows系統(tǒng)下均可運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)僅占600 M硬盤空間，運(yùn)行時(shí)無需安裝Mapinfo、ArcGis、Surfer、Word等專業(yè)軟件，所有功能由系統(tǒng)獨(dú)立完成，提高了運(yùn)行速度。

（3）擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以根據(jù)需要制作各類專業(yè)圖件。該系統(tǒng)產(chǎn)出的應(yīng)急圖件都是以震中位置為中心的，可根據(jù)震級(jí)大小和用戶需要產(chǎn)出不同震中距的行政區(qū)劃圖，以及城市、縣、鎮(zhèn)、居民點(diǎn)、人口分布、地震分布、地震影響場(chǎng)、地震臺(tái)站等分布圖。

3.2 主要功能

系統(tǒng)主要功能如圖2所示，包括文件、震中距、影響場(chǎng)、人口分布、災(zāi)害評(píng)估、周邊服務(wù)、歷史地震等7個(gè)菜單。假設(shè)黑龍江省牡丹江市林口縣2020年5月2日23:14發(fā)生MS6.0地震，系統(tǒng)可快速產(chǎn)出如下應(yīng)急圖件。

圖2 系統(tǒng)功能Fig.2 System function

3.2.1 震中位置分布圖。地震發(fā)生后地方政府需要確定震中與主要城市間的距離，以便開展救援。采用2點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算2點(diǎn)間距離的精確公式（國(guó)家地震局地球物理研究所，1978）計(jì)算距離，該系統(tǒng)可產(chǎn)出距震中250 km、150 km、50 km范圍內(nèi)，地級(jí)市、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、居民點(diǎn)分布圖，圖件包括省界、縣界、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名，用顏色表示高程，并標(biāo)注震中到地級(jí)市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、居民點(diǎn)的直線距離。圖3為以震中經(jīng)緯度為中心，底圖顏色代表各點(diǎn)高程，蘭線代表震中到周邊地級(jí)市的直線距離，如震中到牡丹江市133 km，紅線代表附近的斷裂帶，省界以粗實(shí)線表示，縣界以細(xì)實(shí)線表示。

圖3 距震中250 km范圍內(nèi)市縣分布Fig.3 Distribution of cities and counties within 250 km of Linkou earthquake

3.2.2 地震影響場(chǎng)分布圖。地震影響場(chǎng)是指地震發(fā)生時(shí)，地震能量在震源周圍的分布狀況，在平面上即在地震震中區(qū)周圍地震作用的分布狀況，可采用理論計(jì)算對(duì)其進(jìn)行快速評(píng)估，計(jì)算參數(shù)取自汪素云等（2000），MS＜6.5地震采用橢圓模型產(chǎn)出地震影響場(chǎng)分布圖；對(duì)于MS≥6.5地震采用線性模型產(chǎn)出地震影響場(chǎng)分布圖（孫哲等，2018），同時(shí)，根據(jù)震級(jí)大小產(chǎn)出地震動(dòng)幅值速度分布圖和地震動(dòng)幅值加速度分布圖。圖4為假設(shè)的林口MS6.0地震的地震影響場(chǎng)，底圖顏色表示地震烈度，震中附近烈度為Ⅸ—Ⅹ度，向外遞減為 Ⅷ—Ⅵ度。

圖4 地震影響場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of earthquake influence field of Linkou M 6.0 earthquake

3.2.3 人口密度分布圖。人口密度分布圖可提供震中附近方圓250 km、150 km、50 km范圍內(nèi)，地級(jí)市、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、居民點(diǎn)等4種人口分布圖，并給出震中附近50 km、100 km范圍內(nèi)人口統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖5為假設(shè)的林口MS6.0地震震中附近人口分布情況，底圖顏色表示人口密度，從圖5可清楚看到各居民點(diǎn)人口密度，并可統(tǒng)計(jì)出距震中50 km、100 km范圍內(nèi)人口數(shù)量。

圖5 距震中250km范圍內(nèi)居民人口分布Fig.5 Distribution of residents within 250 km of Linkou earthquake

圖6 林口縣地震250km范圍內(nèi)歷史地震分布Fig.6 Distribution of historical earthquakes within 250 km of the earthquake in Linkou County

3.2.4 歷史地震分布圖。系統(tǒng)可快速統(tǒng)計(jì)距震中250 km、150 km、50 km范圍內(nèi)，地級(jí)市、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、居民點(diǎn)等有記錄以來震中附近地震分布情況，以供政府決策部門參考。

3.2.5 地震災(zāi)害快速評(píng)估。地震發(fā)生后政府和公眾均需盡快了解地震造成損失的情況，系統(tǒng)可根據(jù)事先建好的數(shù)據(jù)庫(kù)快速計(jì)算震中與省會(huì)、所屬地級(jí)市、縣城間的距離，快速計(jì)算震中位置最高烈度，對(duì)地震災(zāi)害作出快速評(píng)估，快速統(tǒng)計(jì)距震中50 km、100 km范圍內(nèi)人口數(shù)量，快速統(tǒng)計(jì)距震中250 km、150 km、50 km范圍內(nèi)歷史地震情況，快速產(chǎn)出地震評(píng)估報(bào)告（圖7），為應(yīng)急工作提供依據(jù)。

圖7 地震災(zāi)害快速評(píng)估專報(bào)Fig.7 Special report on rapid assessment of earthquake disaster

該系統(tǒng)也可提供震中附近醫(yī)院的等級(jí)、床位數(shù)及學(xué)校的位置、規(guī)模、人數(shù)等，以方便救援，所有圖件都采用A4紙格式制作，所見即為所得，可以直接打印。

4 結(jié)束語

地震應(yīng)急專題圖快速產(chǎn)出系統(tǒng)軟件屬于單機(jī)版軟件，在地震發(fā)生只需輸入地震基本參數(shù)就能快速輸出各類地震應(yīng)急圖件，圖件制作速度和質(zhì)量可滿足地震應(yīng)急工作需求。更重要的是，在專業(yè)制圖人員缺席的時(shí)候，非制圖人員也可以利用該軟件進(jìn)行快速出圖操作。這使得地震應(yīng)急專題圖制作由以往的專人專機(jī)制圖，轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍Ｈ朔菍C(jī)，最大限度地提高了地震應(yīng)急工作效率，為地震應(yīng)急救援工作節(jié)省了大量時(shí)間。該軟件在2019年11月26日牡丹江應(yīng)急管理局與牡丹江地震臺(tái)聯(lián)合舉行的市內(nèi)地震應(yīng)急演練中使用，值班人員根據(jù)指揮部命令，輸入假定的地震參數(shù)后，系統(tǒng)1 min內(nèi)產(chǎn)出應(yīng)急圖件并發(fā)送到指揮部，指揮部根據(jù)應(yīng)急圖迅速展開應(yīng)急部署，監(jiān)測(cè)救援隊(duì)伍20 min內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，有序開展工作，應(yīng)急圖件為政府決策提供了重要依據(jù)。

在系統(tǒng)開發(fā)過程中得到牡丹江市應(yīng)急管理局領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此表示感謝。