基于空間信息技術的地震災害監測評估

畢曉佳，汪寶存，徐華全，張 寧

（1.成都理工大學，四川 成都 610059；2.成都市防震減災局，四川 成都 610042；

3.河南省地質測繪總院，河南 鄭州 450006；4.天水市地震局，甘肅 天水741000）

0 引言

地震災害是群災之首，它具有突發性和不可預測性，中國又是地震多發國家之一，由地震造成的經濟損失和人員傷亡制約了社會的發展。因此，地震發生后，對震害情況進行快速、有效的監測評估可以提高政府對破壞性地震的應急響應能力，為應急求援節約寶貴時間，大大減輕因災害造成的傷亡、損失。空間信息技術于20世紀60年代興起，70年代中期以后在我國得到迅速發展，是一門包括地理信息系統GIS、遙感 RS、全球導航衛星系統 GNSS以及數字地球在內的地球空間信息科學。隨著計算機和空間對地觀測技術的發展，空間信息技術已逐漸應用于防震減災領域。本文通過實際震例分析說明了空間信息技術在震害監測評估中的作用和應用前景，并結合數字地球平臺可視化展示了監測評估結果。

1 基于GIS的地震災害監測評估

隨著GIS技術的發展，空間數據在防震減災領域的應用越來越廣泛，我國有幾十座城市和大型企業都建立了專門的基于GIS的防震減災系統，實現了地震后的震害快速預估，應急輔助決策信息的及時生成，各種災情、救災方案等信息的展示、查詢和匯總［2］。成都市地震災害評估系統是一個具有應急指揮、災害快速評估、輔助決策、震情實時監測傳遞等功能較完善的專業系統。基礎GIS數據庫包括了42類71項數據。一旦獲得地震臺網觸發的破壞性地震基本參數，系統將根據四川西部烈度衰減公式生成烈度影響場，依據易損性震害矩陣評估建筑物等的震害等級及其分布，進而根據損失比和相應的財產估算總的經濟損失，評估人員傷亡，生成災害報告和各種震后應急輔助決策方案等［1-2］。2010年5月25日，四川都江堰、彭州交界發生M5.0級地震，根據成都市地震烈度速報臺網實時監測到的烈度值繪制烈度分布圖如圖1b所示。我國的地震烈度等震線特別是高烈度等震線一般表現為近似橢圓形，因此目前我國的地震烈度衰減關系多使用橢圓模型。橢圓型烈度衰減關系函數表示：

式中下標a和b分別表示長、短軸方向。當R采用震中距時，Ra0和Rb0不得取為0，否則在R=0時，震中烈度將趨向無窮大。Ra0和 Rb0的物理意義是考慮震源體尺度的，其作用是使地震烈度在震中區變化緩慢，客觀上起到了近場烈度飽和的作用。根據四川地區34次地震82條等震線回歸，充分考慮了斷裂帶方向、不同地區地震烈度衰減關系的差異、C4R項的取舍，R0值的篩選和長短軸方向衰減關系的匹配得出適合四川地區的烈度衰減公式：

其中：M是震級，R是震中距（km），I是烈度。

對此次地震的評估結果：極震區烈度為Ⅵ度。根據得到的烈度值，依次計算烈度圈與各區域的相交面積，即為各區域的受災面積。通過將各烈度圈下各區域受災面積與當前區域的總面積的比得到當前區域的受災面積比；通過各區域的受災面積比與基礎數據庫提供的各區域下的具體數值，得到各區域的具體受災數值。評估得出此次地震影響面積約為2629km2，直接經濟損失約13×104余元。如圖1a所示，圖中橢圓弧線為Ⅵ度影響場輪廓線。

圖1 烈度分布圖Fig.1 Intensity distribution

地震現場調查，震中烈度為V度，地震未造成人員傷亡，沒有明顯的房屋破壞，僅有個別舊房出現輕微梭瓦和細微裂縫。系統快速評估結果與實際情況存在一定的差異，主要有如下原因：

（1）基于四川西部烈度衰減模型，由于評估得到的影響場取決于系統內部的經驗性衰減關系，造成評估結果比實際損失情況偏大，但總體的災害分布位置還是可靠的。對于中等強震評估結果的隨機性較大，主要取決于影響場的精度。

（2）數據是GIS的支撐也是地震災害評估的主要依據，評估結果的價值，是由數據的飽滿度和顆粒度體現的，所有的分析都離不開數據的支撐。目前基礎數據庫還存在不完善以及數據更新緩慢等問題，造成人員傷亡、經濟損失、建筑物損失等評估統計結果與實際情況有一定的差異。

上述震例說明，目前基于GIS的地震災害評估系統對震害的評估結果可作為輔助決策，系統需要通過各級對實際情況的實時反饋不斷修正評估結果。對于采用的評估模型需要通過更多的震例不斷修正完善，以提高公式的精度。基礎空間數據庫不健全，區域性和全國性的實用化數據采集建設仍然有大量的基礎工作等待完善。

基于GIS的防震減災系統除了在震后快速評估方面可以在第一響應時間內預估災害損失情況還具有快速觸發、實時監測的功能，通過與地震臺網中心系統對接，利用臺網的監測粒度，以高密度周期輪循，依據系統設定震級閥值觸發后臺服務，實時獲取地震事件信息，并以震中閃爍的方式在地圖上顯示，標繪地震基本信息（發震時間、發震地點、震級）等，使監測人員能夠快速定位到震中區域。另外GIS強大的空間分析、網絡分析、路徑分析、緩沖區分析等可以對地震震情、災情進行全面分析、統計，對應急救援物資裝備進行合理調配，輔助決策，對重大危險源，山體崩塌、滑坡、泥石流等次生災害的發生，采取有效的救援計劃。

2 基于遙感技術地震災害監測評估

2008年5月12日汶川8.0級地震是我國建國以來出現的最大的一次破壞性地震，給人民生命財產造成了嚴重的損失。由于這次地震位于青藏高原和四川盆地的交界地區，災區內高差巨大，地質環境惡劣。地震引發了大量的次生地質災害，在相當程度上加重了災害的程度。在所有的地質災害當中以滑坡造成的危害和損失最為嚴重。滑坡造成的地質災害主要體現在滑坡移動過程中摧毀道路、房屋、橋梁、農田、森林等位于地表的地物。在山區滑坡停止后形成的堆積物會阻塞河流，將河流阻斷形成天然的大壩。大壩形成后在大壩的后面形成一個堰塞湖，堰塞湖的形成產生雙重危害，其一：大壩的產生阻斷了河流，使大壩的上游形成了一個巨大的堰塞湖，隨著水位的上升，將淹沒河流兩側的村莊、道路、農田等。其二：在河流的下游，因為滑坡形成的大壩具有不穩定性。另外一次地震或者是上游堰塞湖的壓力就極有可能使大壩決堤。決堤后大量的水體下瀉，很容易在下游產生嚴重的洪水。在交通堵塞、通信中斷的大震過后傳統的監測手段很難對地震災區進行有效的監測和評估，遙感技術大面積同步感測，覆蓋范圍廣，獲取信息速度快，可以動態實時監測，對地震災害進行快速監測評估，彌補地面調查的不足為地震應急指揮和救援決策提供重要依據。

汶川地震使北川縣城附近元河壩以南的山體出現巨大的山體滑坡，滑坡在湔江上形成了一個巨大的堰塞湖，即唐家山堰塞湖，它距離北川縣城6km，臺灣福衛-2衛星多光譜影像在震前和震后的遙感圖像清楚的顯示了這一巨大變化。從圖2（B）震后的遙感圖像上可以看出震后A處出現了一個巨大的滑坡體，大量的碎石從山上滑到湔江中將湔江堵塞，形成一個巨大的壩體，據現場觀測，壩體順河長約803m，橫河最大寬約611m，頂部面積約30×104m2，由石頭和山坡風化土組成，壩頂高程750.2m，壩高82.8m。在壩體的后面圖2（B）C處形成了一個巨大的堰塞湖。從圖2（B）還可以看出A處的滑坡造成了省道302的徹底中斷，同時造成了滑坡形成的堆積物將元河壩徹底掩埋。

圖2 震前震后對比圖Fig.2 Comparision chart before the earthquake and earthquake

圖3 數字地球平臺下的烈度分布展示Fig.3 In tensity distribution show s on the digital earth p lat form

震后在唐家山堰塞湖的下游，距北川縣城以北約1km湔江北面的山體也出現一處大型的山體滑坡，滑坡將湔江阻塞形成了另一個堰塞湖即苦竹壩堰塞湖。

從獲取的震前圖2（C），震后圖2（D）可以清楚的反映出這一變化。

3 基于數字地球平臺的多源數據整合

數字地球平臺是集地球空間數據采集、存儲、傳輸、轉換、處理、分析、檢索、表達、輸出為一體的應用、服務和決策支持系統。它以多分辨率空間影像數據為基礎，以統一的坐標投影系統為框架，以開放的XML為數據交換標準，以空間數據基礎設施為支撐，以三維可視化技術為手段，以分布式網絡為紐帶，為人類提供全新的觀察地球、分析和研究地球、建立基于空間信息的各類應用和提供不同服務的有力工具［3］。利用數字地球平臺，既可開展宏觀研究，也可開展微觀研究，更是一個適合開展信息資源整合研究應用的平臺，它是空間信息技術發展的重要成果。

圖3以三維地形遙感數據作為底圖，矢量化活斷層分布數據通過GIS數據格式轉換標準進行轉換，實現空間數據的共享，疊加實際影響場烈度分布圖，以Google Earth為代表的三維數字地球環境作為整合平臺，可視化展示了空間信息技術融合地震、遙感、GIS等多源數據進行存儲、組織、管理、發布、共享的強大功能，簡單直觀的將專業數據展示出來。在無需了解具體地震災情的情況下，從圖中就可以得到此次地震發生在四川都江堰、彭州交界處，龍門山前山斷裂帶上，震中區烈度為黃色Ⅴ度，監測范圍大成都市域范圍內離震中區最近的都江堰市影響烈度Ⅳ度強，汶川縣Ⅳ度強，成都市主城區及鄰區主要城市Ⅰ度基本無感。監測范圍內的震后災情情況詳細直觀，根據監測評估結果直觀的反映出震中區位置以及受災極重區的影響范圍，為應急救援、輔助決策提供依據。

4 結論

基于空間信息技術的地震災害監測評估是集合GIS、遙感以及數字地球平臺等多種方法進行多源數據整合，互相支撐補充，趨利避害，真實、客觀、快速、有效的對地震災害及其引發的次生災害提取信息，進行監測評估，以確定震害程度及其分布范圍。與傳統的地面調查相比大大節約了災后救援寶貴時間，在地質環境復雜，災害發生后交通堵塞、通信中斷的情況下為抗震救災、輔助決策提供快速有效的科學依據。

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