基于ArcGIS平臺的蘆山地震房屋震害數據分析

王世元，黎大虎

(四川省地震局，四川成都 610041)

據中國地震臺網中心(CNEC，http://www.cenc.ac.cn/)，北京時間2013年4月20日08時02分，四川省蘆山縣發生 Ms7.0 強烈地震，矩震級6.6 級左右，震中位于蘆山縣境內(30.314°N，102.934°E)，震源深度12.3～15 km，震源斷層走向N40°E，傾角約35°［1-2］。地震重災區為蘆山縣、寶興縣與天全縣。地震造成震區大量的房屋建筑物被破壞，尤其是位于本次地震的Ⅸ度區(極震區)和Ⅷ度區的鄉鎮房屋受損嚴重。Ⅸ度區內的龍門、清仁、雙石、太平和寶盛5個鄉鎮的房屋多數嚴重破壞，少數倒塌;Ⅷ度區內房屋少數倒塌，多數嚴重破壞或中等破壞;Ⅶ度區內房屋普遍輕微破壞，多數中等破壞，少數嚴重破壞，個別老朽房屋傾倒;Ⅵ度區內房屋多數輕微破壞，少數中等破壞，個別老朽房屋嚴重破壞。總之，本次地震Ⅵ度區以上總面積為18 682 km2，僅雅安災區遭嚴重破壞、倒塌或損毀的農房達15.58萬戶［3］。

筆者在震后第一時間參加地震災害評估與應急科學考察，并對震區高烈度區內房屋給出Ⅸ度區內鄉鎮的房屋破壞比，以及部分鄉鎮的房屋毀壞面積和主要結構的破壞比［4］。據考察結果，蘆山地震震區內房屋的主要結構類型為磚混結構、磚木結構，城鎮和農村地區房屋主要為自建房，一般是磚混結構和磚木結構的二層建筑，少量土木結構房屋。本文將數據分析整理、復核后仍發現一些異常值。這些異常值或離群值如果是真實可靠的，則很可能就是研究和理解數據的關鍵所在。因此本文基于ArcGIS平臺，對蘆山地震時搜集的房屋破壞點進行探索性數據分析，提取數據離群值，分析其離群的因素，研究房屋破壞特征及其原因。

1 數據來源及預處理

蘆山地震發生后，中國地震局立即啟動Ⅰ級地震應急預案和應急科學考察，組織了共計180余人270多組次對蘆山縣等21個縣(市、區)256個鄉鎮進行地震宏觀烈度調查和房屋建筑災害損失評估，執行標準為GB/T18208.3-2000《地震現場工作第三部分:調查規范》。截至2013年5月6日，筆者搜集整理房屋建筑災害損失評估資料，共計360個調查點和231個抽樣點，以此為基礎，對一些重要的調查點進行了復核，最終形成勾繪破壞調查點分布(圖1a)，部分鄉鎮的建筑物破壞數據見表1。蘆山地震烈度圈取自中國地震局頒布的四川省蘆山“4·20”7.0級強烈地震烈度圖［5］，主要斷裂取自全國第五代區劃圖、汶川地震和蘆山地震后科學考察工作修訂的成果。筆者參考了2011年四川省年鑒資料［6］中的人口、房屋建筑面積數據，算出房屋建筑破壞率，將破壞率分配給所在的鄉鎮，導入ArcGIS軟件中進行圖件渲染和數據分析準備(圖1b)。

圖1a 蘆山地震房屋破壞調查點分布

圖1b 蘆山地震房屋毀壞率

表1 蘆山地震部分鄉鎮建筑物破壞數據

2 研究方法

ArcGIS平臺具有強大的探索性空間數據分析處理功能，能夠結合統計學和圖形、圖表顯示對空間數據進行描述和歸納性研究［7］，而探索性空間數據分析(ESDA)是ArcGIS模塊中集成得很成熟的數據分析方法，在區域經濟、農林產業和中國SARS疫情等方面的空間數據分析領域都有很好的運用［8-11］，其方法、原理和算法已在相關文獻中有介紹［12］，本文不再贅述。本文利用ArcGIS提供的探索性空間數據分析工具，對蘆山地震房屋破壞調查數據進行分析，可以檢驗數據的分布特征，查找異常值、極端值或離群值，檢驗數據分布趨勢，能更好地從空間和圖形角度認識、理解房屋破壞數據。

3 結果與分析

3.1 直方圖(Histogram)

將蘆山地震震區的房屋震害調查點整理計算后，按照經緯度導入ArcGIS平臺，經科學計算，分配整合導入各調查點所在的鄉鎮，繪制數據直方圖(圖2a)，可見，數據不服從正態分布。在標準差為7左右的條件下，直方圖右側有三個較明顯的離群值，經點擊對應的鄉鎮為清仁鄉、龍門鄉和建山鄉。經對數變換后的數據如圖2b，數據近似服從正態分布，清仁、龍門、建山的離群現象不明顯，在最左側的低值部分，出現負值，對應的鄉鎮為紫石鄉和張場鎮。

圖2a 毀壞率直方圖

圖2b 對數變換后的直方圖

3.2 Normal QQplot圖

對房屋震害調查點原始數據不做變換，直接生成Normal QQplot圖，結果見圖3a，經對數變換后生成Normal QQplot圖，結果見圖3b。由圖可知，原始數據并不服從正態分布，在最右側有明顯的離群值，查看這些離群值所對應的點，清仁鄉、龍門鄉和建山鄉是離群值最大的點，其次是雙石鎮、寶盛鄉和蒙頂山鄉，低值部分為紫石鄉、嚴道鎮、大田壩鄉、廖場鄉和張場鎮;將數據進行對數變換后，可以擬合為線性關系;僅從采樣點值的分布看，在小值區域存在個別離群點值，而在大值區域未見明顯的離群現象。特別值得注意的是，在大值區域，在未經變換時離群最大的清仁鄉，離群現象小于龍門鄉和建山鄉。

圖3a Normal QQplot圖

圖3b 經對數變換后的Normal QQplot圖

3.3 半變異協方差函數云圖

將房屋破壞原始數據生成半變異協方差函數云圖，結果見圖4。由圖4所示，云圖上方有三個梯次的與離群點值相對應的浮點，表明有明顯的離群點值;下方的云圖表面圖顯示，沿北東側兩側為房屋破壞的集群區域。框選圖4中的浮點得出的映射結果表明，所對應的點值為清仁鄉、龍門鄉、建山鄉。

3.4 Voronoi地圖與普通QQP分布圖

對強震臺站的東西向記錄原始數據生成Voronoi地圖，并疊加蘆山地震等震線，結果見圖5a。由圖可知，房屋破壞的密集度呈北東展布，集中在兩個條帶區域，兩條帶中間有一弱密集度區。圖5b是破壞率與人口戶數的普通QQPlot分布圖，破壞率與人口戶數呈線性關系，可以用一個一元一次方程擬合。

圖4 半變異協方差函數云圖

圖5a 房屋破壞率的Voronoi地圖

圖5b 破壞率與人口戶數的普通QQPlot分布圖

4 結論與討論

(1)探索性空間數據分析結果顯示，蘆山地震房屋建筑破壞率的原始數據不服從正態分布，位于圖1中A區的清仁鄉、龍門鄉和B區的建山鄉離群現象較明顯。A區破壞率高與這些房屋多建于相距震中較近的河谷沉積盆地，具有一定的場地效應有關;建山鄉所在的B區位于龍門山前展式斷裂的前緣，破壞率異常可能與該次地震的發震構造為大邑斷裂有一定的關聯，具有明顯的斷層上盤效應［13-15］。原始數據經對數變換后，呈現良好的正態分布，離群現象不明顯，數據具有良好的線性特征，而在大值區域未見明顯的離群現象。特別值得注意的是，在未經變換時離群最大的清仁鄉，離群現象小于龍門鄉和建山鄉;低值部分出現負值，對應的鄉鎮為天全縣紫石鄉和丹棱縣張場鎮，前者可能與房屋所處的寶興雜巖體上有關，后者可能與處于斷層下盤且相距較遠有關。

(2)房屋建筑物破壞率與所在的鄉鎮人口戶數對比分析表明，人口戶數與破壞率呈一定的線性關系，這表明，在蘆山震區廣大區域，地震后的房屋破壞與房屋建筑棟數有直接的關系，由此推斷這些區域的建筑物抗震性能差異不大，抗震性能均較差并和地方居民聚居特點有關。建議未來的人口集中居住區，應該摒棄老舊的建筑方式和格局，提高建筑物的抗震性能，在地震多發地區，特別是活動斷裂通過區域，應將居民點零星分布，避免房屋的集群破壞。

［1］劉超，許力生，陳運泰.2013年4 月 20 日四川蘆山 7.0 級地震(1.0 版).［EB/OL］.(2013-04-20)［2013-04-20］.www.cea-igp.ac.cn/jjxcdsxj/266826.shtml.

［2］USGS.M6.6-56km WSW of Linqiong，China［EB/OL］.(2013-04-20 00:02:47 UTC)［2013-04-21］.http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usb000gcdd#summary.

［3］四川科技報.“4·20”蘆山地震房屋應急評估報告出爐.［EB/OL］.(2013-05-08)［2013-05-09］.http://sckjb.newssc.org/html/2013-05/08/content_1842263.htm.

［4］王世元，何玉林，吳今生.蘆山7.0級強烈地震高烈度區房屋震害特征［J］.災害學，2013，24(4):125-131.

［5］中國地震局.四川省蘆山“4·20”7.0 級強烈地震烈度圖.［EB/OL］.(2013-04-25:23:18)［2013-04-26］.http://www.eqsc.gov.cn/zxxw/201304/t20130425_25999.html.

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