基于WEBGIS的地震災情快速評估系統研究＊

高惠瑛,劉明瓊,蔡宗文,陳 琳

(1.中國海洋大學工程學院,山東青島 266100;2.廈門地震勘測研究中心,福建廈門 361021;3.福建省地震局,福建福州 350003)

0 引言

破壞性地震可在短時間內造成大量的人員傷亡、房屋破壞、經濟損失以及其他次生災害等。地震災情快速評估是開展地震災害應急、監測預警、救援工作的基礎,也是地震現場應急指揮決策的重要依據。隨著地震災情評估理論和方法的不斷完善,人們逐漸認識到采用傳統的地震災害災情評估方法在當今信息快速發展時代的缺點:數據難以共享、誤差大、缺乏統一性、時效性差,嚴重阻礙了地震災害防災減災工作的效率和精度的提高。

該系統基于B/S體系結構設計,以先進的WEBGIS技術為核心,提供了一種通用性強、開發成本低、數據易于共享的地震災情快速評估系統的解決方案。該系統集成了災情評估涉及到的自然、社會、經濟等各方面數據,并利用相關評估理論與方法,快速判定地震對影響區,并對人員傷亡、房屋破壞、經濟損失等情況進行評價,為地震救援與應急提供決策支持。

1 WEBGIS簡介

WEBGIS是Internet技術應用于GIS開發的產物,是利用Web技術來擴展和完善地理信息系統的一項新技術。WEBGIS不但具有大部分乃至全部傳統GIS軟件具有的功能,而且還具有利用Internet優勢的特有功能,即用戶不必在自己的本地計算機上安裝GIS軟件就可以在Internet上訪問遠程的GIS數據和應用程序,進行GIS分析,在Internet上提供交互的地圖和數據。

1.1 WEBGIS技術優勢

與傳統的GIS相比較,WEBGIS主要有分布式、動態系統、數據源異構、應用管理成本低等優點。WebGIS利用Internet的這種分布式系統把GIS數據和分析工具部署在網絡不同的計算機上,用戶可以從任何地方訪問這些數據和應用程序,只要把請求發送到服務器,服務器就會把數據和分析工具模塊傳送給用戶。由于WEBGIS是分布式系統,數據庫和應用程序部署在網絡的不同計算機上,只要數據源發生變化,WEBGIS將得到更新。WEBGIS可實現對多種數據源的互操作,隨著Internet技術和標準的飛速發展,完全互操作的WEBGIS將會成為現實,同時由于WEBGIS的客戶端通常只使用Web瀏覽器,其開發成本和維護成本都將大大降低。

1.2 WEBGIS現有平臺簡介

WEBGIS是當今GIS的熱點,已成為各大廠商激烈競爭的焦點。幾個重要的國外GIS廠商爭相發布各自的WEBGIS產品,如Map Info公司的ModelServer/Discovery和MapXtreme、Intergraph公司的Geomedia、ESR I的ArcGIS SERVER,著名的CAD廠商Autodesk公司也推出了MapGuide。國內的主要有北京超圖的Supe rMap IS,武漢中地數碼科技有限公司的MAPGIS等。國內外各個平臺所采用的主流技術大體相似,但仍有其各自的特點和技術優勢。本系統采用的ESR I的ArcGIS Server與.NET開發技術。

2 系統總體設計

2.1 系統工作流程設計

系統采用WEBGIS技術,通過集成地震影響場模型、人員傷亡模型、經濟損失模型等對地震工程結構破壞進行計算,得出人員傷亡和經濟損失,從而給出救災需求與對策,最后可以通過Web方式查看各種信息及報告圖、表等。根據地震災情評估工作的特點,確定了如下的系統工作流程,如圖1所示。

圖1 工作流程圖

2.2 系統體系結構框架設計

通過對地震災情評估工作特點的分析,形成了地震災情快速評估系統的總體結構框架。該框架可分為4個主要層次,即:表現層、Web層、業務邏輯層、數據層,其中表現層面向不同需求的用戶群提供不同的服務內容,滿足各類用戶的瀏覽、操作需求,用戶可以使用Web瀏覽器(如Internet Explore或Fire Fox等),也可以使用Mobile等移動設備或通過網絡連接到ArcGIS Server的ArcGIS桌面應用程序,如ArcMap,ArcCatalog等;業務邏輯層是整個系統的功能核心,構成了應用的業務邏輯規則,它是應用的核心,幾乎所有的分析和操作都是在這一層實現;數據服務層為系統數據I/O和存儲,提供數據的安全存儲和高效訪問。整個系統總體結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

2.3 系統功能設計

根據需求分析結果,將系統分為地圖工具、文件管理、地震影響場、損失評估、應急準備、災情跟蹤、系統管理7個模塊,并主要集成了基礎GIS、災情評估評估和災情跟蹤等功能。

2.3.1 基礎GIS功能

地圖工具與文件管理主要實現基礎GIS功能,從而實現地圖的漫游、平移、放大或縮小和相關評估報告的導出等功能。

2.3.2 災情評估功能

系統中地震影響場、損失評估等菜單可以實現快速確定災區范圍、對人員傷亡和經濟損失進行評估的功能,同時根據不同的行政區劃給出各分區的損失評價。對于各分區的損失情況,系統將給出相應的應急需求以及相應的救援對策。

2.3.3 災情跟蹤功能

當地震真正發生時,各分區可以通過災情跟蹤功能上報各分區的人員傷亡、經濟損失情況等,以方便指揮部隊及時了解現場救援形勢和災害的程度。

2.4 數據庫設計

系統將地理空間數據與屬性數據統一存放在關系數據庫系統Microsoft SQL Server中,并借助ESR I的空間數據庫引擎ArcSDE來進行統一管理、訪問。根據數據的類別與功用可劃分為以下3種數據庫:

2.4.1 基礎空間、屬性數據庫

基礎地理庫包含系統所必需的基礎地理空間信息、地震構造的背景數據、歷史地震信息以及與震害信息相關的各個市、鄉、鎮行政區劃的地理空間分布、人口分布、經濟收入分布等數據庫。這些數據庫構成系統的基礎,是系統核心組成部分。

2.4.2 模型、知識庫

模型、知識庫主要包括了各類各種建筑物易損性類庫,各種函數庫,指數庫,統計數據庫,損失比庫、死亡率庫、重傷率庫,以及各類建筑物成本庫,與模型計算相關的參數和判據等等。

2.4.3 計算支持庫

計算支持庫是系統另一個重要組成部分,主要包括系統用戶數據庫、系統計算的臨時性數據庫以及系統的計算結果數據庫。

3 系統實現

系統選擇了ESR I公司的服務器產品ArcGIS Server作為webgis平臺;在Microsoft Visual Studio.NET 2005集成開發環境下,使用c#開發語言以及ArcGIS Server.NETADF提供的組件來開發業務邏輯層。借助大中型關系數據庫Microsoft SQL Server 2005來存儲管理系統數據。

基于WEBGIS的地震災情快速評估系統使用ArcGIS Server提供的專用Web ADF(Application Develope Framework)開發框架擴展ASP.NET的Web控件,同時使用ArcObjects對象來實現基礎GIS功能和相關專題圖、表的顯示與查詢。系統運行時,根據輸入的地震參數,運行相關模型庫,得到地震影響場的范圍,并同時給出各分區所處的烈度。結果如圖3所示。

圖3 地震影響場

根據得到的各分區所處裂度情況,系統調用后臺相關經濟社會數據,對影響區的房屋破壞、經濟損失和人員傷亡進行評估,根據評估結果給出應急需求,并以各分區為單位給出各分區的損失情況及應急需求,從而為救援提供決策支持。

4 結語

該系統采用WEBGIS技術,克服了以往地震災情快速評估中數據利用程度低、難于管理與共享、可互操作性差的不足,體現了用戶在因特網上脫離GIS軟件平臺獨立運行、智能自動觸發和直觀顯示等優點。

該系統根據輸入的地震參數快速判定地震影響區,繼而根據系統中集成的評價方法對人員傷亡、建筑物破壞、經濟損失做出評估,評估工作簡單且容易操作,評估結果實時提供且可視化顯示,實現了地震災害評估的動態化、實時化以及規范化,將過去靜態實現的災情評估模式改變為動態的評估模式,提升了地震災情評估工作的信息化水平。

本系統在某些方面還需進一步探討和完善,如三維動態顯示、圖形網絡分析等方面還需完善。此外在對現場實時災情的處理方面,還需進一步探討,從而實現通過實時災情對評估結果進行修正。

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