基于ArcEngine的地震災害快速評價系統的設計與實現

田恒宇 ， 簡 季* ， 李為樂

(成都理工大學 a.地學空間信息技術國土資源部重點實驗室；b. 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

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基于ArcEngine的地震災害快速評價系統的設計與實現

田恒宇a， 簡 季a*， 李為樂b

(成都理工大學 a.地學空間信息技術國土資源部重點實驗室；b. 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

地震災害的信息化管理是實現地震災害預測、預報和預防的基礎。為了滿足評價過程中對不同模型數據與因子數據的管理需求，結合ArcEngine二次開發技術，設計、實現了集災害數據分析、災害評價模型管理、模型應用與評價結果可視化等功能于一體的地震災害快速評價系統，并將其應用于蘆山地震滑坡災害危險性評價過程。測試結果表明，該系統可以快速穩定完成不同模型下數據的分析與輸出，有效地提高災害信息提取的工作效率，為抗災減災贏取時間。

地震災害評價； 滑坡； 地理信息系統； ArcEngine； 二次開發

0 引言

地震導致的山體滑坡是我國地質災害中最為嚴重的一類[1]，國內、外有不少針對其成災機理及對預測的研究工作，其評價模型經歷了定性模型、半定量模型和定量模型的發展，定量模型基于控制災害要素與地質災害之間的數學表達，采用二元或多元回歸等方法獲得地質災害的評價結果[2]。法國專家提出的ZERMOS理論，該理論利用兩種控制因素建立滑坡危險性分區的數學模型，并以法國局部山區為例，進行滑坡危險性分區研究[3-4]；Finlay P.J.和Fell Robin[5-6]對香港滑坡進行了災害風險研究，建立了預測滑坡災害水平運動距離的多元回歸模型；John R Dymond等[7]用GIS研究了暴雨條件下滑坡災害發生的概率，建立了評價模型；李家存等[8]建立的用于區域滑坡危險性評價的概率指數模型；李為樂等[9]建立了汶川地震次生地質敏感性評價模型。

數據處理與表達是各種評價模型應用的重要環節，因此，GIS和計算機技術的發展為地震地質災害提供了平臺，可以將GIS的空間分析與預測模型相結合，完成地質災害各影響因子的空間疊加，快速進行災害的危險性預測。GIS技術作為工具，主要是利用其空間數據庫、空間分析以及可視化等功能，針對輸入的各評價因子的柵格圖層作某種函數疊加運算，從而很方便的得出地質災害易發性、危險性和損失等方面的評價及相應的災害區劃[10]。

在國內已經有不少城市或地區針對地質災害建立起了相應的管理信息系統[11]，但系統的設計實現大多面向于某一特定區域或者某一個模型的應用，缺少應用區域的擴展性和災害模型的選擇性。作者從地震地質災害滑坡數據與模型管理角度對系統進行設計，利用GIS技術的圖形圖像功能，實現滑坡預測結果的直觀可視化表達，用戶可以方便地對不同模型進行編輯保存，完成模型中各種因子數據的管理操作。

1 需求分析

地震災害評價預測數據處理涉及到空間分析操作，根據用戶需求，運行速度快、數據處理效率高、使用簡潔是系統開發的總體要求。結合系統用例模型圖(圖1)，總結歸納出該系統需要實現的主要功能包括：

1)因子數據讀取。其中涉及多種格式單波段柵格數據，以及用戶對柵格值的區間劃分，新值的輸入等，數據的顯示以及操作以表格的方式呈現。

2)因子數據重分類。系統需要能夠依照用戶輸入的表格及輸出路徑等參數完成重分類工作。

3)不同影響因子的空間疊加。用戶可以自由選擇因子圖層，將其添加到評價模型式中，并根據模型公式完成致災因子疊加運算得到評價結果。

4)災害模型的選擇、編輯、存儲。用戶在進行區域地震災害評價過程中可能會用到多種災害模型，不同模型會產生不同的評價結果，系統應該滿足用戶對于多種災害模型的選擇要求，并能使其完成模型公式的自定義。

5)地圖顯示、瀏覽、渲染、輸出。系統應提供地圖顯示以及放大、縮小、平移等瀏覽功能，還有根據柵格顏色顯示自定義等數據渲染及輸出功能。

圖1 地震災害快速評價系統用例模型圖Fig.1 The use case diagram of rapid earthquake disaster evaluation system

2 系統設計

基于ArcEngine的地震災害快速評價系統屬于空間型信息系統，其總體設計目標是以地理信息系統技術為核心，使用C#語言在ArcEngine及Microsoft Visual Studio 2010平臺上進行二次開發，緊密結合地震災害評價模型，實現滑坡等地質災害的快速評價預測，并結合地圖可視化方案呈現地理信息評價結果，為決策人員提供決策支持。

2.1 系統結構設計

地震災害快速評價系統設計用于滑坡等災害模型的管理及應用，利用ArcEngine中封裝的各種功能組件作為軟件的開發工具，災害評價模型可以被寫入系統代碼中實現計算分析，幫助地震災害評估預測。系統整體框架(圖2)分為三層：①基于柵格、矢量數據及模型數據的數據庫層；②系統功能層；③用戶層。

系統不同部分的交互可以描述為：功能組件從空間數據庫中讀取模型文檔，用戶對讀取的數學模型進行編輯操作，根據模型因子再從數據庫中選擇因子數據，執行后面的一系列基于模型的操作，包括因子分類賦值、評價模型建立。結果數據包括參數修改后的模型文檔、柵格數據、圖片，這些數據都保存在空間數據庫中。最終用戶通過交互界面實現數據庫中地圖數據的瀏覽。

圖2 地震災害快速評價系統結構圖Fig.2 The architechure of rapid earthquake disaster evaluation system

2.2 數據庫設計

滑坡等地震災害的評價預測工作涉及多源、多時相數據，主要包括：

1)行政區劃、交通、地形地貌等基礎地理數據。

2)地層巖性、斷層、河流水系等地質水文數據。

3)地震峰值加速度等災害數據。

4)災害評價模型數據。

為了便于系統對數據的安全、高效管理，系統數據采用ESRI的地理數據模型Geodatabase中的個人Geodatabase進行管理[12]。Geodatabase是一種采用標準關系數據庫技術來表現地理信息的數據模型，它可以將空間數據(矢量、柵格、影像、三維地形等)及其相關的屬性數據統一存放在工業標準的數據庫管理系統DBM中，對于小型的GIS項目和工作組來說，個人Geodatabase是非常理想的工具。

2.3 系統功能設計

根據系統結構設計所述，本系統功能模塊及一系列工具組成，所有工具都被整合進一個圖形用戶界面(GUI)。在系統UML序列圖(圖3)描述了用戶端與系統各個單元之間的信息交互，功能模塊的信息輸入包括柵格數據、模型公式。不同單元之間有不同的信息反饋，包括表格、列表、文本、圖片。

圖3 系統UML序列圖Fig.3 The UML sequence diagram of the system

2.3.1 因子分類賦值模塊

因子分類賦值模塊主要功能是，參照已有的經驗模型對評價因子進行分類賦值。交互界面包括載入因子數據路徑、分類屬性表格及其功能按鈕、因子分類輸出路徑、因子分類賦值輸出功能按鈕，根據用戶需求，因子分類賦值分為兩種模式：①區間賦值；②唯一值賦值。

其組織結構圖(圖4)表示了該模塊七個單元的相互關系，其中RasterWorkspaceFactory與RasterWorkspace是ArcEngine中用于柵格數據操作的類，RasterWorkspaceFactory實現了IrasterWorkspaceFactory接口，RasterWorkspace類實現了IRasterWorkspace接口，這兩個接口定義了用于打開和設置一個數據集對象，CreateRasterDataset方法用于產生一個新的基于文件的柵格數據集對象，這個數據格式可以為GRID、TIFF和ERDAS Image之一，讀取的數據由GetGeodataset單元轉換成ArcEngine中的geodataset類型。RasterStatistics作為ArcEngine DataSourceRaster類庫中的普通類，封裝了用于柵格像元值統計的方法，這些方法通過IrasterStatistics接口實現，其返回結果臨時保存到表文件中，由DataGridView單元進行讀取并顯示。該表文件與geodataset類型數據作為方法參數傳遞給RasterReclassOp單元。RasterRecalssOp作為ArcEngine GeoAnalyst類庫中的普通類，封裝了用于柵格數據分析的方法，包括Lookup、Reclass、ReclassByASCIIFile、ReclassByRemap、Slice，因子分類賦值模塊的分類賦值功能由Reclass方法實現[13]。ToolStrip是用于表格數據編輯的輔助工具集，包括插入行、刪除行、清空表格、增加區間數、減少區間數、唯一值賦值、數據顯示等工具。

圖4 因子分類賦值模塊組織結構圖Fig.4 The organization chart of factor classification and assignment module

2.3.2 評價模型建立模塊

評價模型建立模塊包括：①圖層；②經驗模型；③模型編輯；④評價結果輸出與顯示四個組成部分。組織結構圖(圖5)顯示了在程序執行過程中各個單元的連接關系。LayerManager單元用于因子圖層的管理；Calculator包括數字鍵和基本運算符；ModelExpressionEditor是Visual Studio 2010中的Textbox控件，此單元可以讀取LayerManager中的圖層名稱和ModelManager中的模型公式，ToolStrip工具為用戶提供了添加、刪除、顯示因子圖層按鈕；RasterMapAlgebraOp單元是ArcEngine SpatialAnalyst類庫中用于柵格運算的組件類，該類封裝了ImapAlgebraOp接口，接口提供三個方法BindRaster、Execute、UnbindRaster，當用戶執行計算輸出時，BindRaster方法將傳遞的Geodataset綁定到ModelExpression的因子名稱，然后Execute方法讀取ModelExpression開始運算，并將運算結果保存到指定路徑中。

圖5 評價模型建立模塊組織結構圖Fig.5 The organization chart of evaluation model building module

用戶可以通過該模塊自由靈活的完成模型的新建、修改、刪除、保存，實現多模型管理的需求。如圖6所示，添加模型至經驗模型中，可以在模型編輯中做任意調整修改，此處將該模型公式中的“因子1”刪除，并重新保存修改后的模型公式，命名為“自定義模型”。

圖6 評價模型管理系統界面圖Fig.6 The interface of evaluation model management

2.3.3 數據顯示與渲染模塊

數據顯示與渲染窗口為用戶提供了圖層管理、地圖瀏覽、坐標定位、距離測量、地圖渲染、圖片導出、地圖保存功能。為了讓用戶快速方便的對因子分類賦值、評價模型建立兩個模塊中的數據執行顯示操作，共設置了五個功能按鈕關聯數據顯示與渲染窗口，分別用于當前載入數據顯示、分析結果數據顯示。在地圖渲染中，用戶可以對不同分類區間設置不同顏色以增強差異顯示。

3 系統實現與應用

在本文所建立的評價系統中，圖層管理在圖形數據庫的管理中是一主要的特征，此種情況下，圖層為空間處理和分析的基本單元。在由ArcGIS創建的個人數據庫中，把空間數據按照評價因子圖層進行劃分管理，其中包括過程數據以及最終因子數據，數據類型可以是矢量，也可以是柵格。以汶川地震次生地質敏感性評價模型為例，由于蘆山地震震后災區影像資料匱乏，為了能大致掌握地震地質災害可能的分布范圍，利用該模型對“4·20”蘆山地震地質災害的空間分布進行快速評價，對應急救災有一定的指示意義。汶川地震地質災害敏感性多元回歸模型公式如下[9]：

(1)

式中：Ls為崩塌滑坡發生可能性，取值范圍為0～1；d為到發震斷層的距離；α為地形坡度；L為地層巖性；r為到水系距離；h為海拔高度；A為地震峰值加速度(PGA)。

在將模型評價因子載入系統前，數據的預處理及建立數據庫工作在ArcGIS中進行，包括坐標系定義、緩沖區分析、矢量柵格數據轉換等。

以地形坡度因子為例[9]，按照分類賦值標準將其值分為六個區間(表1)，執行因子分類輸出并將分類結果添加到評價模型建立模塊；按照此步驟加載其余五個評價因子數據；選擇經驗模型管理單元中的汶川模型，模型編輯單元中出現此模型的表達式；在圖層單元中雙擊已添加的地形坡度數據，將其加載到模型表達式中；依次加載其余五個評價因子數據；選擇評價結果輸出路徑并計算輸出執行程序；查看分析結果并在數據顯示界面中唯一值渲染(圖7)。

表1 汶川地震次生地質敏感性評價模型中坡度分類賦值表[9]

圖7 蘆山地震次生地質災害預測評價流程圖Fig.7 The flow chart of evaluation process

圖8為系統操作界面，為了對比系統輸出結果，將汶川地震地質災害敏感性多元回歸模型中的地形坡度、海拔高度、到發震斷層距離因子做三次參數修改并保存至經驗模型中，分別命名為“自定義模型1”、“自定義模型2”、“自定義模型3”，并計算出三次結果，生成結果渲染圖(圖9)，其差異反映出三種模型對同一地區不同評價結果。從模型修改、保存到因子分類與疊加再到數據顯示與渲染，整個過程系統運行流暢，數據分析準確。

圖8 地震災害快速評價系統界面圖Fig.8 The interface of rapid earthquake disaster evaluation system

4 結束語

作者基于ArcEngine二次開發，在Visual Studio2010平臺上利用C#語言構建了地震災害快速評價系統，該系統從地理信息系統角度，將空間數據管理、空間分析模型融入到地震災害評價中，實現了對不同致災因子數據和評價模型的管理操作，極大地簡化了在評價過程中數據處理流程，為滑坡模型實驗研究提供有效依據，能夠滿足地震災害評價的應用需求。但其系統框架是初步的，在面向不同地區的災害風險評估指標體系的建立、評價模型的表達等方面需要不斷的完善。

圖8 三種模型輸出結果對比圖Fig.8 Comparison of output results in three models

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Design and realization of rapid earthquake hazard evaluation system based on ArcEngine

TIAN Heng-yua, JIAN Jia*, LI Wei-leb

(Chengdu University of Technology a.Key Laboratory of Geoscience Spatial Information Technology, Ministry of Land and Resources of the China, b.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment of Protection,Chengdu 610059,China)

The information management of earthquake hazards is the foundation of earthquake prediction, forecasting and prevention. In order to meet the administrative requirements of different models and factor data in the process of evaluation, we designed and implemented a rapid earthquake hazard evaluation system based on ArcEngine, which combined the disaster data analysis with the management and application of disaster models and the visualization of evaluation results. It was then used in the evaluation process of Lushan earthquake geological hazard. The test results prove that the system can complete the analysis and output task using different models fastly and steadily, which greatly improves the efficiency to extracting information from disasters areas.

geological hazard assessment; landslides; GIS; ArcEngine; secondary development

2015-07-13 改回日期：2016-03-21

國家自然科學青年基金資助項目(41202210)

田恒宇(1989-)，男，碩士，研究方向為地圖制圖與地理信息工程， E-mail：hengyu.hengyu@163.com。

*通信作者：簡季(1972-)男，教授，研究方向為高光譜遙感和地理信息工程，E-mail：jianji@21cn.com。

1001-1749(2016)05-0708-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.22