基于GIS的大慶市震害預測系統研發

張云輝+張若飛+朱東旭+裴彪+黃猛

摘要：文章根據WEBGIS的工作原理，在WEBGIS基礎平臺上，采用計算機網絡和數據庫管理技術，對大慶市的基礎公共設施數據進行采集、存儲、管理、分析、計算和圖形處理顯示，以百度地圖作為互聯網地理系統的底圖進行開發，設計大慶市災害預測信息平臺，實現對基礎公共設施數據的算法分析模擬情況。該系統的構建為大慶市的震害預測情況提供可靠的數據分析。

關鍵詞：GIS，地震，震害預測，研究

隨著社會經濟的高速發展，人民生活質量的提升，城市的建設也越來越趨于完善，在此社會現狀和背景下，迫切需要一套評定和提高城市抗震防災能力加強地震關鍵技術研究，采取有效措施減少地震損失，因此，我們決定采用IT+GIS的方式設計一套針對此情況的實時性信息系統。

廊坊市震害預測系統是本系統采用B/S系統架構，基于GIS空間數據庫、坐標轉換技術、GIS空間分析技術和PHP開發技術，應用震害因子算法預測不同強度地震災害條件下城市的受損程度及空間分布并進行二維可視化顯示、綜合查詢分析和高效的輔助決策功能，確定城市抗震薄弱環節并快速預警。本文詳細介紹了本系統的開發過程。

一、系統分析

大慶市震害預測系統的系統功能結構圖如圖1所示。它的工作流程是根據大慶市地質災害分布及危險度、建筑物和建筑設施的基本情況（包括名稱、空間分布、結構類型、目前工作狀態等），建立了大慶市地震震害預測空間數據庫，采用MVC設計模式+CI框架，結合GIS空間分析應用模型和地震工作基本原理，對地震災害破壞程度及空間分布做出預測，實現城市防震減災工作中由靜態規劃到動態管理的轉變。

二、系統設計與實現

大慶市震害預測系統是基于PHP CI框架+MYSQL數據庫+百度地圖接口+ARCGIS Shp圖層（進行投影轉換）進行開發的，充分利用GIS工具軟件對空間數據庫的處理，分析功能，提高了應用系統的開發效率，開發出的系統具有良好的外觀效果，強大的底層數據庫，可靠性良好，移植性強，易于維護。

（一）CI框架的選取

如果在IT系統建設過程中缺乏總體架構和規劃，系統將在管理上面臨眾多的挑戰。比如：業務越來越復雜，IT系統越來越龐大，檢查一個錯誤就需要在整個項目中查找；不清楚IT系統中各個模塊的現狀，更談不上合理規劃新的功能；系統難以維護等問題。因此，一個適用的框架是非常重要的。

CodeIgniter（CI）是一個小巧但功能強大的 PHP 框架，作為一個簡單而“優雅”的工具包，它可以為開發者們建立功能完善的 Web 應用程序。它有如下特點：

1. 小巧的框架，CodeIgniter 3包括用戶手冊的安裝包僅有 2MB 大小。

2. 出色的性能，CodeIgniter 的性能始終優于大多數同類框架。

3. 沒有大規模集成類庫，CodeIgniter 不是一個大而全的框架。在保持簡潔的同時提供足夠強大的功能來提高你的生產力，在此基礎之上也有許多第三方擴展為你提供更多功能。

4. 幾乎 0 配置，CodeIgniter 奉行約定勝于配置的理念（例如把模型文件放到“models“文件夾中）。當用戶希望修改配置的時候，在“config“文件夾中有許多配置項供用戶修改。

5. 廣泛兼容各種主機環境，CodeIgniter

3只需 PHP 5.3.7 版，幾乎可以運行在任何虛擬主機或云平臺上。對于需要數據庫的 Web 應用來說，CodeIgniter 支持包括 MySQL 在內的大多數常見數據庫。由于本系統經過測試后要部署在大慶市自己的服務器上，因此兼容性強是選擇本框架的核心。

基于以上優點，CI框架非常適合本系統的開發。

基于CI框架，系統的主界面通過選擇xx數據集，可以進行分類數據的相應的展示，這里用到了百度地圖的BMAP.POINT對后臺數據進行集成，使用icon類進行點顏色的選擇，并且設置了圖形的透明度等屬性，以求給用戶一個大方美觀的界面。

系統的主界面如圖2所示。

（二）空間數據庫設計

基于任何一個GIS系統的核心都是數據庫的建設，由于本系統要對城市的抗震能力進行分析，因此不僅要包含基礎的行政區劃圖、建筑物統計信息表等（其中包含了建筑物類型、空間分布、結構類型、抗震設防、目前工作狀態等30余項內容）基礎地理信息，還要包含生命線（鐵路、公路、水系、橋梁、水管、電線、煤氣管線、暖氣管線）等基礎信息，經過半年多的前期調研，整個基礎信息數據文件有13.4GB之多，這么多的數據如果不能給他們進行清晰的按類劃分，對于程序員的后期開發將會產生災難性的后果，因此項目組依據前期所調查出來的結果，把所有數據按照類型分為三大類（公共基礎數據、生命線數據、地理信息數據）近200張表。如圖3、圖4所示。

三、數據查詢

有了數據庫，那么下一步就是提供給用戶方便的查詢功能，據百度大數據統計，在所有的IT用戶中，85%以上的用戶每天適用最頻繁的就是查詢功能。為了方便用戶本系統提供了精確查詢和模糊查詢2個功能。尤其是模糊查詢，是本系統的一個特色，為了在模糊查詢時能精確查找出所有匹配的建筑，項目組對數據庫中的建筑物所在位置字段進行了重新定義，把原來的一個字段分解為了5個字段（建筑物所在的（市）字段，（轄區/縣/胡同）字段，（街道/鄉鎮）字段，（小區名/村名/單位名）字段，（樓號）字段。），并且重寫了search類進行實現。雖然增加了工作量，但是對于后期的系統開發卻大大提升了效率，效果如圖5所示。endprint

（一）地震烈度算法的選擇

本系統提供圓形模型和線性模型兩種烈度算法給用戶提供選擇，在進行相應的參數輸入后，進行計算，然后用戶選擇添加想要分析的數據，系統經過一系列的比對算法之后，會給用戶呈現出不同顏色的數據集。

此部分是整個系統的核心部分，在計算機行業中有一句話叫：數據的呈現是軟件，程序的靈魂是算法；為此專門設計了一個烈度圖的類intensityShow。

在此類中共有三個方法intensityRArray，drawOval， ovalPoint.

1. 根據烈度返回距離 intensityRArray方法

此方法根據沙海軍提出的衰減模型進行距離的選擇和判斷，根據相應計算出的烈度，然后進行距離的選擇，以確定長短軸。

2. 繪制橢圓 drawOval方法

此處調用百度地圖的BMAP. Polygon方法進行覆蓋物的繪制，這樣就可以和百度地圖進行對接，使得功能在百度地圖上展示出來。

3. 計算烈度圈的點 ovalPoint方法

此方法是核心的算法，因為百度地圖BMAP. Polygon方法要求的是一個裝有經緯度數據點的數組，因此，計算相應的數據點就成為了此算法的核心部分，根據橢圓的標準公式和直線的點斜式公式，依次對橢圓上180度的點進行計算，分別在四個區間內進行分別處理，這樣我們就可以得到經過計算的360個點。

a^2=b^2+c^2長短軸之間的關系（1）

F1P+F2P=2a橢圓上任意一點到兩焦點之間的距離相等（2）

x^2/a^2+y^2/b^2=1 x軸的橢圓標準方程（3）

y=kx+b（默認過橢圓圓心，因此b值為0） （4）

我們模擬這條線從0度開始，持續選擇180度，在每一度進行計算，因此，我們沒一度都可以得到第一（第二）象限，第三（第四）象限的坐標點，逐次計算，最終得到360個橢圓的邊界點。

但是這里面還有兩個核心的問題沒有解決。

1. 如何得到這個長軸的點呢？因為它使用的是經緯度的單位，所以就得使用經緯度的坐標進行轉換，但是百度地圖的投影和我們日常使用的投影完全不一樣，如果強行使用則會產生較大誤差，所以必須利用百度的相應接口進行間接的坐標計算，因此我使用了縮進方法，每次以極微弱的經緯度差距在同一經度（緯度）進行向前尋找，以距離為限制條件，一旦搜索到和距離相匹配的點，則就選中這個點，那么這個問題就解決了

for（vari=0.0000；i

var bLat = centre.lat+i；

bPoint = new BMap.Point（centre.lng，bLat）；

if（map.getDistance（centre，bPoint）.toFixed（0）==b.toFixed（0）*1000）{//在這個經度下尋找距離為b的點

bPointLat = bLat；

break；

}

}

2. 如何將繪制好的橢圓進行旋轉呢？

在線性代數中，坐標相對位置的轉換可以看成矩陣的變換，則使用向量法，將每一個點的坐標向同一方向進行偏移，最終實現了橢圓的旋轉。

var x=Math.abs（lng*Math.cos（angle））；

var y=Math.abs（ lng*Math.sin（angle））。

（二）建筑物震害評估

由于大慶市有數萬棟建筑，因此在計算時本系統采用基于網格計算的震害因子法。并基于不同的震級給出不同的建筑物受損情況。

如何在現有的極少的數據下進行拓展查詢呢？這些數據并沒有被調查到，只能最大程度的去模糊搜索這些數據，策略是若某一棟被搜索的建筑并沒有數據，那么我們就查找它在哪一個區域，因為這個區域的屬性應該是一樣的，我們就默認這個區域的宏觀屬性是所查找建筑的詳細屬性，這樣，即使數據不全，我們也可以對整個城市的建筑群，進行一個客觀的評估。

圖7是經過計算分析的經濟損失是否達到震害損失合格線的效果圖。

（三）圖表繪制

經上述算法和相關計算，將各種破壞情況下的數據統計繪制出來。

此圖表的繪制主要使用EChart進行實現，主要調用Echart的EChart.setOption（）方法進行圖標繪制， EChart.title（）設置標題，EChart.tooltip（）設置工具信息，EChart.legend（）設置x軸坐標信息，EChart.series設置數據比例值，這樣數據圖表就渲染和制作完成。

（四）截圖繪圖PPT&&WORD快速產出

在整個系統流程中我們設計了一套流程進行模擬分析，設置模擬地震，選擇分析數據集，進行餅狀圖繪制，導出PPT&&WORD，在此過程中，我們在關鍵流程位置進行自動截圖，這在我們點擊事件中點擊觸發，但是并不影響用戶對本系統使用，截圖時是每次成圖的界面進行自動截圖，然后將這些圖片早生成word時自動導入到word中，這樣達到快速產出的功能。

此功能需要調用office的接口，為此我們專門寫了一個類，PowerPointExport進行實現，在此類中，我們把引用office如下方法getProperties.createTemplatedSlide實現每一頁模版的創建；getProperties. createRichTextShape實現創建文本的樣式；getProperties. setHorizontal實現創建偏移量的設定；getProperties.createTextRun實現繪制文本框；getProperties.setPath實現路徑的保存；getProperties.setDescription實現背景的渲染等一系列近20種方法進行修飾，這里不再一一贅述。效果如圖10所示。

四、結論與展望

本系統利用IT+GIS技術，實現了對公共數據的分享，分析，與發布，方便業內人士進行數據分析，該系統的開發希望可以讓業內人士避免在數據的繁雜中尋找自己想要的可用數據，方便了人們的日常工作，同時由于本系統在數據庫維護，GIS空間數據抽取算法中還有一些問題，在今后的研發過程中將做進一步的修改和優化。

參考文獻：

[1]汪素云.中國分區地震動衰減關系的確定[J].中國地震，2000（02）.

[2]姜開興.城市抗震減災策略[J].中國減災，2007（11）.

[3]李淑貞.地震災害評估[M].地震出版社，2006.

*基金項目：2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目——基于GIS的大慶市震害分析模擬系統（201611775029）；中央高校基本科研業務費專項資金創新團隊資助計劃項目（ZY20110102）。

（作者單位：防災科技學院）