基于開源GIS 的地震災(zāi)情速報信息收集與處置研究
——以河南省地震局為例1

王斐斐 韓貞輝 樊 華 宋鵬展

（河南省地震局, 鄭州 450016）

引言

地震給人類生命財產(chǎn)安全、社會經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定帶來嚴(yán)重威脅，地震發(fā)生后快速獲取災(zāi)情并用于應(yīng)急指揮決策成為地震應(yīng)急工作的重中之重。河南省地震局現(xiàn)有的地震災(zāi)情獲取手段包括12322 熱線、12322短信平臺和應(yīng)急通災(zāi)情上報系統(tǒng)APP（王斐斐等，2018）等，而這些手段均需等待人員上報消耗時間，嚴(yán)重影響了震后災(zāi)情處置效率。通過向災(zāi)情速報員撥打電話可主動、實時獲取災(zāi)情，使該手段成為震后快速獲取災(zāi)情的重要手段。

以震中所在位置紙質(zhì)地圖為基礎(chǔ)，選取該區(qū)域災(zāi)情速報員電話通訊錄（屬性數(shù)據(jù)）進行人工撥打，無法得知該災(zāi)情速報員與震中的實際位置，且耗時耗力，工作效率低，無法滿足地震應(yīng)急工作對災(zāi)情快速獲取的工作要求，因此實現(xiàn)災(zāi)情速報員電話號碼屬性數(shù)據(jù)空間化，快速定位其位置信息，并撥打地震影響范圍內(nèi)災(zāi)情速報員電話，成為亟需解決的問題。

隨著屬性數(shù)據(jù)空間化技術(shù)（廖順寶等，2003，2009；李明杰等，2008；李亞龍等，2019）和信息分類處理方法（董曼等，2014；王琳等，2019；鄧樹榮等，2019）的廣泛應(yīng)用及GIS 開發(fā)的信息管理系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于遙感、林業(yè)、航空、航海、氣象、市政等領(lǐng)域，有關(guān)技術(shù)逐漸在地震行業(yè)得到應(yīng)用（許時光等，2009；周鋒等，2009；帥向華等，2014；屈佳等，2014）。但商業(yè)GIS 軟件的高額費用在一定程度上限制了其推廣與普及。20 世紀(jì)90 年代，開源GIS 具有免費、可跨平臺（Linux、Windows）性能，使開源GIS 成為GIS 研究和應(yīng)用創(chuàng)新的重要領(lǐng)域（Boulos 等，2006；Curtis 等，2006；Vanmeulebrouk 等，2008；薛杰，2012；郭建興等，2013；鄧欣等，2016；張土金，2017；左天惠等，2017；吳熙彥，2017；劉俊等，2018；吳珍云等，2020）。其中，QGIS 以其用戶界面友好且支持Python、C++等語言的二次開發(fā)等優(yōu)勢，已在地震行業(yè)得到了應(yīng)用（陳燁等，2017）。與此同時，微信小程序以其占用內(nèi)存小、開發(fā)框架簡單、無須安裝、便于后期維護升級、可在iOS 和安卓系統(tǒng)手機上運行等優(yōu)勢，在氣象、水利、林業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用（原世偉等，2016；胡寒冰，2019；陳靜嫻，2020；何瑞娜等，2020；李查瑋等，2020），在地震行業(yè)得到了初步應(yīng)用（王琛等，2018；肖本夫等，2020），但在地震災(zāi)情收集與處置中的應(yīng)用較少。

因此，需建立基于開源GIS 的地震災(zāi)情速報信息收集與處置系統(tǒng)，以最快的速度實現(xiàn)災(zāi)情速報員屬性數(shù)據(jù)空間化及撥打電話的自動任務(wù)分配，將通過撥打電話獲取的災(zāi)情信息實時動態(tài)展布到開源GIS 系統(tǒng)（QGIS）中，快速生成地震有感范圍圖和地震災(zāi)情信息匯總報告，并將其部署在微信小程序中，為河南省防震抗震指揮部提供決策支持，在少震、弱震省份地震應(yīng)急及提高災(zāi)情處置效率方面發(fā)揮作用，為地震系統(tǒng)應(yīng)急管理人員工作提供便利。

1 關(guān)鍵技術(shù)與難點

1.1 基于地圖API 的信息展布

采用微信小程序自帶的騰訊地圖作為底圖，基于地圖API 實現(xiàn)首頁重置、地圖切換、手機定位、行政區(qū)劃顯示等基本功能，支持全省災(zāi)情速報人員、斷裂帶分布、地震事件位置等數(shù)據(jù)展布于地圖上，災(zāi)情速報員可自動填報當(dāng)前地址，實現(xiàn)了基于精細(xì)位置的災(zāi)情數(shù)據(jù)上報，為后續(xù)精準(zhǔn)的災(zāi)情評估奠定基礎(chǔ)。

1.2 震后影響范圍象限圖自動生成

依據(jù)地震三要素和斷裂帶數(shù)據(jù)，選用圓形或橢圓模型（圖1），估算地震影響范圍，作為震后災(zāi)情調(diào)查人員分配任務(wù)的重要依據(jù)。

圖1 震后影響范圍計算流程Fig. 1 Flow chart for calculating post earthquake influence range

在地震影響范圍繪制過程中，采用Shapely 包作為計算機幾何學(xué)處理工具，實現(xiàn)地震有感范圍圖生成、橢圓形變換等。Shapely 為Python 包，其實現(xiàn)的幾何對象基本類型是點、曲線和曲面，用于設(shè)置平面特征的理論分析和操作。

地震影響范圍確定后，以斷裂走向為基準(zhǔn)，在圓形或橢圓形內(nèi)按照等面積原則劃分為4 個象限（圖2），自動提取4 個象限內(nèi)災(zāi)情速報員信息（姓名和電話），用于災(zāi)情調(diào)查工作人員向4 個方向分配撥打任務(wù)。

圖2 四象限圖Fig. 2 Four quadrant diagram

1.3 有感范圍圖自動繪制

將震后相關(guān)速報信息的填報結(jié)果進行有感范圍匯總，分別統(tǒng)計有感、受災(zāi)和極災(zāi)的上報位置，并對位置集合進行最小凸多邊形、緩沖區(qū)等空間分析，分類生成并繪制受災(zāi)范圍圖。采用PostGIS 直接對空間數(shù)據(jù)庫進行查詢，操作便捷，提高了空間分析操作效率。

1.4 災(zāi)情報告自動生成

災(zāi)情上報以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，地震后自動匯總受災(zāi)情況，使用docxtpl 包通過加載word 文檔模板，實現(xiàn)對其修改，產(chǎn)出地震災(zāi)情首報和續(xù)報，可在線查看與下載災(zāi)情報告文檔。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本研究設(shè)計了災(zāi)情收集表、地震事件表、人員信息表、地震影響表、有感范圍采樣點表、有感范圍表、災(zāi)情報告表、當(dāng)前人員信息表、用戶賬號信息表等，并研究了數(shù)據(jù)庫表之間的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

系統(tǒng)邏輯設(shè)計為3 層結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層與應(yīng)用層（圖3）。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)時空數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲，并定時在中國地震臺網(wǎng)同步地震三要素信息。服務(wù)層提供執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢、篩選與匯聚功能及基于微信API 的人員權(quán)限認(rèn)證和快捷登陸服務(wù)、震后影響范圍分析服務(wù)、地震災(zāi)情匯總統(tǒng)計服務(wù)、地震報告生成等服務(wù)。應(yīng)用層包括地震災(zāi)情一張圖、震后影響范圍專題圖、災(zāi)情上報與報告、系統(tǒng)管理功能等，通過微信小程序為地震災(zāi)后管理人員提供快捷的數(shù)據(jù)上報、災(zāi)情管理等功能。

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig. 3 System logic architecture

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于成熟性、穩(wěn)定性和易維護性原則，設(shè)計“首頁”“災(zāi)情速報”和“我的”功能模塊（圖4），以微信小程序為框架，采用開源GIS 組件實現(xiàn)近鄰、緩沖區(qū)等空間分析，疊加災(zāi)情速報人員、地震事件和斷裂帶等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地震事件災(zāi)情上報與匯總統(tǒng)計，同時具有用戶登陸、權(quán)限管理、日志記錄等功能。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計Fig. 4 System function module design structure diagram

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境為Windows 7 及以上版本系統(tǒng)，開發(fā)工具為Python 3、QGIS、PostgreSQL 11、PostGIS。其中QGIS 用于提供數(shù)據(jù)顯示、編輯、分析和導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫功能，PostgreSQL11 用于實現(xiàn)事務(wù)、子選擇、觸發(fā)器、視圖、外鍵引用完整性和復(fù)雜鎖定等功能，Post-GIS 用于存儲、管理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)OpenGIS 的相關(guān)規(guī)范。

3.2 功能模塊的實現(xiàn)

“首頁”模塊按照交互友好、操作便捷、界面簡潔的要求，聚合了互聯(lián)網(wǎng)電子地圖、遙感影像、災(zāi)情速報人員信息、省界及各地市界等區(qū)劃范圍、斷裂帶及歷史地震事件等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了地震災(zāi)情一張圖（表1）。

“災(zāi)情速報”模塊是本系統(tǒng)的核心功能模塊，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫同步到地震災(zāi)情后，可實現(xiàn)地震災(zāi)情信息急速上報、地震影響范圍預(yù)估評判和災(zāi)情信息匯總統(tǒng)計等（表1）。

“我的”模塊實現(xiàn)了用戶權(quán)限、歷史記錄等系統(tǒng)功能，并可手動增加地震信息，以彌補地震事件遺漏、滿足地震演練開展等需求（表1）。

表1 系統(tǒng)模塊實現(xiàn)功能Table 1 Function table of each module of the system

3.3 系統(tǒng)測試

針對現(xiàn)有產(chǎn)品各功能模塊及實施結(jié)果進行功能測試，檢測整個系統(tǒng)是否達(dá)到說明書要求及系統(tǒng)用戶界面是否友好等。針對整個系統(tǒng)集成后提供服務(wù)的能力進行系統(tǒng)測試，包括易用性、可靠性、安全性、可維護性等。系統(tǒng)易用性測試結(jié)果如表2 所示，由表2 可知，該系統(tǒng)整體運行正常，各模塊相對穩(wěn)定，滿足工作需求。

表2 系統(tǒng)易用性測試結(jié)果Table 2 Table of platform usability test results

3.4 實際應(yīng)用

系統(tǒng)經(jīng)測試和試運行后，在河南省真實地震案例中發(fā)揮了積極作用（圖5、圖6）。

圖5 系統(tǒng)主要功能展示界面Fig. 5 Main function displayinterface of the system

圖6 系統(tǒng)主要災(zāi)情信息收集處置功能Fig. 6 Schematic diagram of main disaster collection functions of the system

4 結(jié)語

本文在詳細(xì)分析數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)總體設(shè)計和功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，深入研究了本文架構(gòu)的系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，解決了以下實際問題：

（1） 結(jié)合地震災(zāi)情應(yīng)急實際需求，開發(fā)了以微信小程序為載體的地震災(zāi)情速報信息收集與處置平臺，可便捷、高效地收集與處置災(zāi)情數(shù)據(jù)。

（2） 采用開源GIS 手段，在地震發(fā)生后的第一時間獲取災(zāi)情信息，自動化評估影響范圍，選取四象限范圍內(nèi)速報人員，為災(zāi)情調(diào)查工作人員自動分配工作任務(wù)提供參考。

（3） 隨著災(zāi)情數(shù)據(jù)收集工作的有序推進，實時繪制地震有感范圍圖，統(tǒng)計受災(zāi)情況，自動生成災(zāi)情報告。

本文架構(gòu)的系統(tǒng)極大程度地提高了震后地震災(zāi)情收集效率，滿足河南及鄰區(qū)小震、弱震較多地區(qū)地震應(yīng)急、應(yīng)急演練工作需求，可在省、市、縣地震應(yīng)急及震后提高災(zāi)情信息收集處置效率方面發(fā)揮作用，也為其他應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)提供參考。但本文未研究影響范圍模型、震后災(zāi)情追蹤、快速獲取周邊應(yīng)急避難所及路徑、應(yīng)急調(diào)度等，今后將開展有關(guān)研究。