利用“天地圖”設(shè)計(jì)和研發(fā)建筑物震害風(fēng)險信息平臺

李 飛,孫偉偉,張順寶,李 輝，張蓓蕾

(1. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211; 2. 寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211; 3. 寧波市科技(地震)局，浙江 寧波 315000)

利用“天地圖”設(shè)計(jì)和研發(fā)建筑物震害風(fēng)險信息平臺

李 飛1,孫偉偉1,張順寶2,3,李 輝2，張蓓蕾3

(1. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211; 2. 寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211; 3. 寧波市科技(地震)局，浙江 寧波 315000)

基于“天地圖”API技術(shù)和地震災(zāi)害風(fēng)險評估模型，以寧波市為例，建設(shè)建筑物震害風(fēng)險信息發(fā)布系統(tǒng)平臺。該平臺實(shí)現(xiàn)了單體建筑物抗震等級和避難場所等地震信息查詢、不同烈度下建筑物毀損程度預(yù)估、建筑物經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡評估及地震科普等功能，能夠提供更加直觀準(zhǔn)確的輔助決策信息來幫助降低建筑物毀損和人員傷亡。

天地圖；震害風(fēng)險評估；建筑物；地理信息系統(tǒng)

我國是地震災(zāi)害多發(fā)國家，地震的突發(fā)性和破壞性帶來了巨大的建筑物毀損和人員傷亡，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與社會和諧穩(wěn)定[1]。因此，如何有效采用信息化手段準(zhǔn)確把握地震災(zāi)害可能導(dǎo)致的大城市建筑物毀損和人員傷亡信息，對及時制定抗震防災(zāi)措施來降低地震災(zāi)害損失至關(guān)重要[2]。

多年來，地震行業(yè)在建筑物地震災(zāi)害風(fēng)險評估信息化系統(tǒng)方面做了許多工作，如基于谷歌地圖的地震信息可視化系統(tǒng)[3]、基于VGI的地震災(zāi)情速報系統(tǒng)[4]，以及基于云平臺和WebGIS的HAZ-China地震災(zāi)害損失評估系統(tǒng)[5]。然而地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時勢性要求較高，加上過高的系統(tǒng)研發(fā)和維護(hù)成本，限制了當(dāng)前的震害風(fēng)險評估信息系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及推廣[6]。

“天地圖”是國家測繪地理信息局建設(shè)的地理信息綜合服務(wù)網(wǎng)站，能夠以門戶網(wǎng)站和服務(wù)接口兩種形式向公眾、企業(yè)、專業(yè)部門、政府部門提供不間斷“一站式”地理信息服務(wù)，幫助有效緩解地震風(fēng)險評估系統(tǒng)開發(fā)利用中技術(shù)難度大、建設(shè)成本高、動態(tài)更新難等問題[6]。目前已經(jīng)有學(xué)者嘗試將“天地圖”應(yīng)用于地震風(fēng)險評估信息發(fā)布中，如基于“天地圖”的地震應(yīng)急服務(wù)平臺[7]、基于“天地圖”的地震信息集成平臺[8]。然而，以上平臺大多側(cè)重于地震發(fā)生后震害信息的簡單集成和發(fā)布，無法提供針對單體建筑物或建筑物群的定量化震害風(fēng)險評估信息來幫助輔助決策以降低震害損失[9]。

本文基于“天地圖”系統(tǒng)平臺和建筑物震害風(fēng)險評估模型來開展研究，以寧波市為例，調(diào)用天地圖提供的在線地圖服務(wù)，結(jié)合震害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和震害風(fēng)險評估模型，建設(shè)建筑物震害風(fēng)險評估信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑物抗震等級和避難場所等地震信息查詢、建筑物毀損程度預(yù)估、建筑物經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡評估等功能。本系統(tǒng)將為建筑物抗震管理提供直觀準(zhǔn)確的工具，為降低震害損失提供科學(xué)輔助決策功能。

1 相關(guān)技術(shù)與理論

1.1 “天地圖”API

“天地圖”是國家測繪地理信息局建設(shè)的地理信息綜合服務(wù)網(wǎng)站，是“數(shù)字中國”建設(shè)的重要組成部分[9]。“天地圖”開放的平臺和三維地圖的API是由一套JavaScript腳本構(gòu)成的應(yīng)用服務(wù)接口。用戶能夠進(jìn)行二次開發(fā)，并在網(wǎng)站中方便地加入功能豐富、交互性強(qiáng)的電子地圖應(yīng)用，基于Web就可輕易實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽效果和基本電子地圖操作功能[8]。地震行業(yè)利用“天地圖”豐富的地理信息資源和開發(fā)接口，可較容易地整合發(fā)布信息，避免重復(fù)投入，有效促進(jìn)信息共享和高效利用[7]。

1.2 震害風(fēng)險評估模型

1.2.1 海洋地震的概率烈度模型

寧波瀕臨東海邊界，存在較大的海洋地震風(fēng)險[10]。地震動衰減關(guān)系是震害風(fēng)險分析的重要內(nèi)容。不同于陸地地震，海洋地震與豎向地震動的衰減關(guān)系相關(guān)，因此本文采用海水對海底豎向地震動的衰減關(guān)系來研究寧波的地震動衰減問題[11]。

地震動衰減與地震動反應(yīng)譜參數(shù)密切相關(guān)，能夠準(zhǔn)確描述地震發(fā)生時地震動的加速度信息[11]。近幾十年的地震記錄中，豎向地震動加速度峰值基本都在最大水平加速度峰值的2/3以上，且不少豎向加速度峰值超過水平最大加速度峰值甚至達(dá)到1.5倍[12]。本文借鑒李恒等[13]的研究成果，將豎向地震動加速度峰值換算為水平地震動加速度峰值，進(jìn)而求得寧波海洋地震的概率烈度。

1.2.2 建筑物破壞程度和直接經(jīng)濟(jì)損失預(yù)估模型

在確定地震的概率烈度的基礎(chǔ)上，采用震害指數(shù)評估建筑物破壞程度。震害指數(shù)是評價某個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受到地震作用后的破壞狀態(tài)的無量綱指數(shù)，是地震后對受損建筑物作出處理決策的重要理論依據(jù)，通常以房屋的震害程度進(jìn)行分級[14]。本文采用震害因子法計(jì)算震害指數(shù)，通過將計(jì)算得到的震害指數(shù)值與根據(jù)以往震害案例求得的范圍表相對照，即可判定建筑物的震害情況[15]。

1.2.3 建筑物直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡預(yù)估模型

城市房屋建筑物震害直接經(jīng)濟(jì)損失分為三部分：主體結(jié)構(gòu)損失、裝修損失和室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失[5, 16]。建筑物的結(jié)構(gòu)抗力會隨時間發(fā)生變化，因此不同年份的震害矩陣有所差異。本文參考《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊》[17]中關(guān)于不同建設(shè)年代建筑物折舊計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算出經(jīng)過建設(shè)年代修正后的建筑物主體結(jié)構(gòu)損失，進(jìn)而求得建筑物直接經(jīng)濟(jì)損失。

同時，綜合考慮國內(nèi)外地震人員傷亡評估方法的準(zhǔn)確性和平臺實(shí)際需求，本文采用參考文獻(xiàn)[18]中的方法對人員傷亡進(jìn)行預(yù)估。

2 平臺設(shè)計(jì)與搭建

2.1 平臺總體架構(gòu)

本平臺基于JSP技術(shù)并根據(jù)寧波震害風(fēng)險評估需求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個B/S模式的WebGIS平臺，總共分為3層：表現(xiàn)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，3層體系結(jié)構(gòu)便于平臺的維護(hù)和管理，平臺框架如圖1所示。

圖1 寧波建筑物震害風(fēng)險信息平臺框架

表現(xiàn)層借助“天地圖”的背景對寧波市建筑物、避難場所等地震相關(guān)信息進(jìn)行發(fā)布，使社會公眾能夠借助網(wǎng)絡(luò)平臺了解寧波市建筑物的震害風(fēng)險信息。邏輯層的任務(wù)是接受用戶的請求，通過相應(yīng)的擴(kuò)展程序與數(shù)據(jù)庫連接，向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)處理申請，等待數(shù)據(jù)處理結(jié)果，而后提交給Web服務(wù)器，傳送回客戶端。數(shù)據(jù)層將電子地圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，充分利用“天地圖”數(shù)據(jù)的權(quán)威性及現(xiàn)勢性強(qiáng)的優(yōu)勢，融合數(shù)據(jù)庫中建筑物、避難場所的屬性信息等數(shù)據(jù)，如建筑物和避難場所等，在此基礎(chǔ)上疊加震害專題數(shù)據(jù)，為查詢、統(tǒng)計(jì)、分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 平臺數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在整個平臺中處于核心地位，結(jié)合寧波市實(shí)際情況，根據(jù)平臺的開發(fā)目的和編程要求，本平臺將采集的基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)包括人口數(shù)據(jù)、綠地和公園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、建筑物調(diào)查數(shù)據(jù)、輔助決策數(shù)據(jù)和科普宣傳資料數(shù)據(jù)等，具體數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式見表1。

表1 平臺數(shù)據(jù)采集類型和內(nèi)容

考慮到數(shù)據(jù)描述對象的不同，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類。空間數(shù)據(jù)描述寧波市建筑物、避難場所對應(yīng)的空間信息，包括矢量、影像兩種。屬性數(shù)據(jù)描述寧波市建筑物、避難場所對應(yīng)的屬性信息，包括各個地理實(shí)體對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)等。在本次平臺開發(fā)過程中，矢量空間數(shù)據(jù)完成編輯后，經(jīng)過空間校正，連同屬性數(shù)據(jù)由ArcGIS Sever發(fā)布后管理。

2.3 平臺功能設(shè)計(jì)

本平臺采用Eclipse開發(fā)WebGIS核心代碼，以Visual Studio .Net 2013為編程環(huán)境，利用JSP搭建Web網(wǎng)站，采用JavaScript編程，選用ArcGIS Sever實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為應(yīng)用基礎(chǔ)的建筑物震害風(fēng)險信息的發(fā)布與共享。

通過JavaScript編程語言來構(gòu)建相關(guān)功能模塊，包括地圖預(yù)覽模塊、信息查詢模塊、損失預(yù)估模塊和地震科普模塊，如圖2所示。地圖預(yù)覽模塊實(shí)現(xiàn)基本的WebGIS瀏覽功能，如平移、縮放、距離量算、矢量圖和影像圖的切換等。其基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要由單體建筑物、避難場所數(shù)據(jù)組成。該模塊提供寧波市的基礎(chǔ)地理背景，分尺度顯示平臺已裝載的各類圖層。信息查詢模塊實(shí)現(xiàn)對寧波市建筑物、避難場所信息進(jìn)行空間查詢、檢索和空間統(tǒng)計(jì)分析。損失預(yù)估模塊模擬和展示不同等級震害風(fēng)險下，寧波市建筑物的直接經(jīng)濟(jì)損失、破壞程度和人員傷亡定量評估。地震科普模塊利用視頻、圖片和文字等多媒體信息，直觀生動地展示與地震相關(guān)的科普常識及應(yīng)對地震發(fā)生時的逃生策略，增強(qiáng)用戶對地震、防震、避震等科學(xué)知識的掌握能力，進(jìn)一步提高公眾防震避震能力。

圖2 建筑物震害風(fēng)險信息發(fā)布平臺功能

3 平臺功能實(shí)現(xiàn)

本平臺通過JavaScript編程語言構(gòu)建平臺的相關(guān)功能模塊，包括地圖預(yù)覽模塊、信息查詢模塊、損失預(yù)估模塊和地震科普模塊4部分。地圖預(yù)覽模塊實(shí)現(xiàn)對寧波地理信息的空間顯示控制、空間距離、面積量算及地圖切換等功能。信息查詢模塊實(shí)現(xiàn)對寧波市建筑物信息和避難場所信息的空間查詢、檢索和空間統(tǒng)計(jì)分析等功能，如圖3所示。損失預(yù)估模塊模擬和展示不同震害風(fēng)險下，建筑物的直接經(jīng)濟(jì)損失分布(如圖4所示)、建筑物破壞程度分布(如圖5所示)及人員傷亡(如圖6所示)。

圖3 建筑物信息查詢示意圖

圖4 建筑物直接經(jīng)濟(jì)損失分布情況示意圖

圖5 建筑物破壞程度分布情況示意圖

圖6 人員傷亡預(yù)估示意圖

地震科普模塊利用視頻、圖片和文字等多媒體信息，直觀生動地展示與地震相關(guān)的科普常識及應(yīng)對地震發(fā)生時的逃生策略。

4 結(jié) 語

本文基于“天地圖”API技術(shù)和震害風(fēng)險評估模型，構(gòu)建了寧波市建筑物的震害風(fēng)險信息發(fā)布平臺，緩解了傳統(tǒng)地震信息服務(wù)平臺存在的數(shù)據(jù)更新時勢性差且研發(fā)成本較高等問題，為地震災(zāi)害服務(wù)決策提供了新的系統(tǒng)平臺解決方案。在下一步研究中，還將充分利用“天地圖”的服務(wù)資源，結(jié)合地震行業(yè)來進(jìn)一步擴(kuò)充“天地圖”在震害信息發(fā)布的應(yīng)用。

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Design and Implementation of Building Seismic Hazard Risk Information Platform Based on Map World

LI Fei1,SUN Weiwei1,ZHANG Shunbao2,3,LI Hui2,ZHANG Beilei3

(1. Department of Geography and Spatial Information Techniques, Ningbo University, Ningbo 315211, China;2. Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China;3. Bureau of Science and Technology (Seismology) of Ningbo, Ningbo 315000, China)

Using the Application programming Interface techniques and seismic hazard risk assessment models, a building seismic hazard risk information platform has been developed with Ningbo city as an example. The platform could carry on much information query such as seismic grades of all buildings and shelters, and also estimate building damage degrees under different seismic intensity. Moreover, building financial loss and casualties can be estimated from the platform, as well as the illustration of seismic popular science. The estimated seismic hazard risk information system could provide more visual and accurate decision-making information to help reducing the building damage and casualties during the earthquake.

Map World; seismic hazard risk evaluation； building； geography information system

李飛， 孫偉偉， 張順寶，等.利用“天地圖”設(shè)計(jì)和研發(fā)建筑物震害風(fēng)險信息平臺[J].測繪通報，2017(5)：113-116.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0167.

2016-08-19

寧波社會發(fā)展攻關(guān)項(xiàng)目(2014C50067)；寧波市軟科學(xué)研究計(jì)劃(2014A10089)

李 飛(1993—)，男，主要從事海洋地震災(zāi)害風(fēng)險分析及地震GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。E-mail: 1751977982@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)05-0113-04