湖北省人口數(shù)據(jù)空間化及在巴東Ms5.1地震災(zāi)情盲估中的應(yīng)用*

丁文秀 張亦梅 陳振拓 特木其勒 韓貞輝 李 垠

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地空學(xué)院，武漢 430071

3)福州市勘測院，福州 350000

4)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

湖北省人口數(shù)據(jù)空間化及在巴東Ms5.1地震災(zāi)情盲估中的應(yīng)用*

丁文秀1，2)張亦梅1)陳振拓3)特木其勒1)韓貞輝4)李 垠1)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地空學(xué)院，武漢 430071

3)福州市勘測院，福州 350000

4)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

通過樣本數(shù)據(jù)建模，改進(jìn)傳統(tǒng)的人口分布模型中“行政區(qū)劃的統(tǒng)計樣本”與“網(wǎng)格單元”尺度不一致的問題，并將湖北省人口數(shù)據(jù)空間化結(jié)果應(yīng)用于巴東Ms5.1地震災(zāi)情盲估。結(jié)果表明，人口數(shù)據(jù)空間化方法可以較好地反映人口分布情況，用該數(shù)據(jù)得到的災(zāi)情盲估結(jié)果有較高的可信度。

人口分布;人口數(shù)據(jù)空間化;巴東地震;地震災(zāi)情;盲估

地震災(zāi)情盲估是指在地震發(fā)生后30 min內(nèi)，依據(jù)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)估計災(zāi)區(qū)人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等情況，又稱為快速評估［1］。由于缺少詳細(xì)的人口空間分布數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的地震災(zāi)情盲估只能采用以行政單元為基礎(chǔ)的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)，是制約地震災(zāi)情盲估精度的瓶頸。人口數(shù)據(jù)空間化是將以行政單元為基礎(chǔ)的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)在空間尺度上延伸，以反映行政區(qū)劃內(nèi)部的人口空間分布特征及其規(guī)律，有著較高的“空間分辨率”。為了提高人口空間化數(shù)據(jù)的精度，使其更好地應(yīng)用于地震災(zāi)害評估，本文采用城鄉(xiāng)分區(qū)和樣本數(shù)據(jù)建模兩種方式，在城鄉(xiāng)分區(qū)的基礎(chǔ)上選取一定數(shù)量的人口數(shù)據(jù)樣本，分別建立城鎮(zhèn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)人口模型。

1 人口數(shù)據(jù)空間化

人口分布與城鄉(xiāng)布局密切相關(guān)，為防止使用統(tǒng)一模型而帶來的模型誤差，建立分區(qū)域的城鎮(zhèn)人口分布模型與農(nóng)村人口分布模型。同時，在城鄉(xiāng)分區(qū)的基礎(chǔ)上，選取一定數(shù)量的城市(鎮(zhèn))建成區(qū)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、行政村人口作為樣本數(shù)據(jù)(表1)。

依據(jù)湖北省行政區(qū)劃圖生成1 km×1 km格網(wǎng)數(shù)據(jù)，以此作為格網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。逐一將城鎮(zhèn)分布、自然村分布、交通數(shù)據(jù)、數(shù)字高程、土地利用/覆蓋等數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行網(wǎng)格化并存入格網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行歸一化處理。對城鎮(zhèn)、農(nóng)村區(qū)域的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，對土地利用模型進(jìn)行改進(jìn)，分別建立城鎮(zhèn)人口分布模型、農(nóng)村密度權(quán)重模型。以城鎮(zhèn)建筑用地、農(nóng)居用地、交通網(wǎng)密度為主要建模因子建立城鎮(zhèn)人口密度權(quán)重模型:

表1 樣本點分布情況Tab.1 Distribution of samples

表2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)源Tab.2 The data and the data sources

式中，P(i，j)為網(wǎng)格單元內(nèi)的人口密度權(quán)重，Area_a(i，j)為網(wǎng)格單元內(nèi)城鎮(zhèn)建筑用地面積，Area_b(i，j)為網(wǎng)格單元內(nèi)農(nóng)居用地面積，m、n分別為城鎮(zhèn)建筑用地、農(nóng)居用地的權(quán)值，Traffic(i，j)為交通網(wǎng)密度的歸一化值。

通過對樣本數(shù)據(jù)分析得出，農(nóng)居用地、農(nóng)業(yè)用地格局是影響農(nóng)村區(qū)域人口分布的主要因素。為確保數(shù)據(jù)的合理性、準(zhǔn)確性，引入自然村分布進(jìn)行輔助建?？刂?，則農(nóng)村地區(qū)格網(wǎng)人口的分布為:

式中，P(i，j)為網(wǎng)格單元內(nèi)的人口密度權(quán)重，Area_f(i，j)為網(wǎng)格單元內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積，j為農(nóng)業(yè)用地面積的權(quán)值，DEM為歸一化高程，V為自然村分布緩沖區(qū)域。

以鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道等行政單元的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為總量控制，用城鎮(zhèn)、農(nóng)村區(qū)域的人口密度權(quán)重生成公里網(wǎng)格單元人口密度數(shù)據(jù)，計算公式［2］為:

式中，Pop_density(i，j)為網(wǎng)格的人口密度，P(i，j)為空間任意公里網(wǎng)格的人口密度權(quán)重值，Popi為行政單元人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)。將城鎮(zhèn)和農(nóng)村對應(yīng)的公里網(wǎng)格矢量數(shù)據(jù)圖層合并，得到全省人口的空間化結(jié)果，如圖1所示。

圖1 2012年湖北省人口分布圖Fig.1 The population distribution of Hubei in 2012

2 巴東Ms5.1地震災(zāi)情盲估

2013年12月巴東縣發(fā)生Ms5.1地震，地震波及巴東縣的東瀼口鎮(zhèn)、官渡口鎮(zhèn)、信陵鎮(zhèn)、溪丘灣鄉(xiāng)和秭歸縣的泄灘鄉(xiāng)、沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)等地區(qū)。Ⅶ度區(qū)位于東瀼口鎮(zhèn)。本文以地震災(zāi)區(qū)Ⅵ度及以上區(qū)域作為研究區(qū)，進(jìn)行人員傷亡評估、救援區(qū)域的劃分。

2.1 人員傷亡、無家可歸人員評估

地震災(zāi)區(qū)人員傷亡的計算式為［3］:

其中，RD為死亡率，RI為受傷率，I為地震烈度，D為房屋破壞率。根據(jù)公式(4)、(5)估算出的地震災(zāi)區(qū)人員傷亡結(jié)果見表3。

無家可歸人員計算公式為［4］:其中，A3、A4、A5分別為網(wǎng)格單元內(nèi)中等、嚴(yán)重、完全破壞的房屋面積，Am為網(wǎng)格單元人均住房面積，Md為網(wǎng)格單元內(nèi)死亡人數(shù)。估算出的地震災(zāi)區(qū)無家可歸人數(shù)及分布見表3與圖2。

將現(xiàn)場災(zāi)情調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果分別與行政單元的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)(用全國地震應(yīng)急系統(tǒng)運(yùn)行的“地震快速評估系統(tǒng)”軟件)、中國科學(xué)院地理研究所的人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)(無抽樣數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)土地利用人口模型)、本文的人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)得到的的評估結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，用人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)計算出的評估結(jié)果比行政單元統(tǒng)計數(shù)據(jù)的評估結(jié)果要好;用本文的人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)土地利用人口模型得到的評估結(jié)果更加接近真實的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果(表3)，說明本文基于抽樣得到的人口模型比傳統(tǒng)土地利用人口模型精度更高，能夠更好地體現(xiàn)實際人口分布情況。

2.2 救援區(qū)域劃分

在震后初期，救援區(qū)域分級可以為救援力量部署提供依據(jù)。房屋倒損是造成人員壓埋的主要因素，同時倒損房屋的結(jié)構(gòu)類型、面積及其分布也是影響地震應(yīng)急救援難度的主要指標(biāo)。因此，首先對地震災(zāi)區(qū)的房屋網(wǎng)格數(shù)據(jù)作易損性分析，計算出災(zāi)區(qū)網(wǎng)格單元內(nèi)各類房屋的倒損情況。其次，結(jié)合網(wǎng)格單元內(nèi)人員傷亡、無家可歸人員的數(shù)據(jù)分布，實現(xiàn)救援區(qū)域的劃分［5］(圖3)。地震災(zāi)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，特別是震中Ⅶ度區(qū)的東瀼口鎮(zhèn)，當(dāng)?shù)鼐用袼幼〉姆课萁Y(jié)構(gòu)主要以砌體、土石結(jié)構(gòu)為主，因此救援區(qū)域可以初步分為3個區(qū)域:從房屋毀壞程度來看，1區(qū)以砌體、土石結(jié)構(gòu)房屋毀壞與嚴(yán)重破壞為主;2區(qū)以土石結(jié)構(gòu)房屋的毀壞與嚴(yán)重破壞為主;1區(qū)、2區(qū)可能會有人員壓埋，同時救援工作面臨大量的無家可歸人員的安置工作，是熱點救援區(qū)域;3區(qū)房屋破壞以中等破壞和輕微破壞為主，救援工作以無家可歸人員的安置為主。

表3 人員傷亡、無家可歸人員評估結(jié)果Tab.3 Result of estimation for the casualties and the homeless

圖2 巴東地震災(zāi)區(qū)無家可歸人員分布Fig.2 Distribution of the homeless in the stricken area of Badong earthquake

圖3 巴東地震災(zāi)區(qū)救援區(qū)域劃分Fig.1 Rescue region of Badong earthquake

3 結(jié)論

1)在巴東地震災(zāi)情盲估中，用本文的人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)得到的評估結(jié)果明顯優(yōu)于人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)的土地利用人口模型數(shù)據(jù)的評估結(jié)果，在地震初期用該數(shù)據(jù)得到的盲估結(jié)果有較高的可信度，基本可以掌握人員傷亡、無家可歸人員的分布。在震后初期，依據(jù)房屋毀壞程度、人員傷亡和無家可歸人員分布進(jìn)行救援區(qū)域劃分，使救援熱點區(qū)域與救援工作重點一目了然，可以為指揮部合理地部署救援力量提供科學(xué)依據(jù)。

2)用本文人口數(shù)據(jù)評估得到的人員傷亡、無家可歸人數(shù)結(jié)果偏大，說明本文的人口分布模擬數(shù)據(jù)與實際的人口分布存在一定的差距。一方面，從統(tǒng)計學(xué)角度來看，本文的樣本數(shù)據(jù)較少，僅有308個，數(shù)據(jù)模型不能完全涵蓋湖北省所有地區(qū)的人口分布特征;另一方面，人口分布有較強(qiáng)的地域性特征，本文模型僅劃分為城鎮(zhèn)和農(nóng)村區(qū)域，并未考慮人口分布的地域特征。因此，建立基于地域分區(qū)的人口分布模型有待于進(jìn)一步研究。

1 李樹楨.地震災(zāi)害評估［M］.北京:地震出版社，1996.(Li Shuzhen.Evaluation of earthquake disarster［M］.Beijing:Seismological Press，1996)

2 田永中，等.基于土地利用的中國人口密度模擬［J］.地理學(xué)報，2004，59(2):283 －292.(Tian Yongzhong，et al.Simulation of population density of China based on land use［J］.Acta Geographica Sinica，2004，59(2):283 －292)

3 馬玉宏，謝禮立.地震人員傷亡估算方法研究［J］.地震工程與工程振動，2000，20(4):140 －147.(Ma Yuhong，Xie Lili.Methodologies for assessment of earthquake casualty［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2000，20(4):140 －147)

4 李樹楨，尹之潛.地震損失評估與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［J］.中國地震，1993，9(3):264 －275.(Li Shuzhen，Yin Zhiqian.Evaluation of earthquake and database system［J］.Earthquake Research in China，1993，9(3):264 －275)

5 丁文秀，等.基于公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)的地震救援區(qū)域劃分方法［J］.災(zāi)害學(xué)，2013，28(4):221 －228.(Ding Wenxiu，et al.The classification earthquake rescue region based on grid data［J］.Journal of Catastrophology，2013，28(4):221 －228)

SPATIALIZATION OF POPULATION DATA FOR HUBEI PROVINCE AND ITS APPLICATION TO RAPID ASSESSMENT OF EARTHQUAKE LOSS—A CASE OF BADONG Ms5.1 EARTHQUAKE

Ding Wenxiu1，2)，Zhang Yimei1)，Chen Zhentuo3)，Temu Qile1)，Han Zhenhui4)and Li Yin1)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Institute of Geophysics ＆ Geomatics，China University of Geosciences，Wuhan 430071
3)Fuzhou Investigation and Surveying Institute，F(xiàn)uzhou 350000
4)Institute of Geology，CEA，Beijing100029

The method of population gird data spatialization base on sample instend of region’s statistical data and rapid loss assessment in Badong earthquake was introduced in the paper.The results show that the method reflects actual population distributio，and the result of assessment is credible.The method the can quickly provide disaster information of spatial orientation after the Earthquake.

population grid spatialization;rapid earthquake loss assessment;Badong earthquake;earthquake loss;rapid assessment

P315.9

A

1671-5942(2014)03-0028-03

2014-03-12

國家軟科學(xué)計劃項目(2010GXS5B156)。

丁文秀，男，1981年生，工程師，博士生，從事地震災(zāi)情評估與應(yīng)急救援研究工作。E－Mmail:dwx_cug@qq.com。