基于ArcGIS Engine 的地震烈度圖動態快速制圖系統設計與實現1

趙 真 郭紅梅 張 瑩 廖 華 劉 軍 孫艷萍

1）四川省地震局，成都 610041

2）貴州省地震局，貴陽 550000

3）甘肅省地震局，蘭州 730000

引言

地震烈度是指地震對人工建筑物或地面影響的強弱程度（胡聿賢，2006），即建（構）筑物遭受地震影響的破壞程度及地表面變化情況，是衡量地震破壞力的標準之一。地震烈度圖是指一次地震事件后烈度的空間分布情況，直觀反映災區不同地區的受災程度和地震造成的破壞范圍，是政府部門震后第一時間了解地震破壞規模及范圍最直觀的方式，為評估地震災害損失、確定地震應急救援方案、部署救援力量、擬定災民救助方案和物資發放等抗震救災工作提供科學依據（李金香等，2013；王曉青等，2015），因此快速高效產出地震烈度圖具有重要實踐意義。

目前，地震行業內常用的地震烈度圖生成方法是以地震應急指揮技術系統為基礎，基于地震應急基礎數據庫中的靜態數據，在破壞性地震發生后，根據地震三要素和地震衰減關系模型，生成初評估地震烈度圈，從而產出初評估地震烈度圖，但存在地震烈度圖圖件制作不規范，符號、標注、圖面整飾因人而異等問題；震后通過衛星遙感、無人機遙感、現場調查等手段不斷獲取災情信息，作為烈度圈修正的輔助信息，專業人員根據輔助信息采用GIS 軟件以手動勾畫的方式對烈度圈進行修正，生成修正后的地震烈度圖。該方法專業要求較高，自動化程度及制圖效率低，且缺乏全時程地震烈度圖動態修正及自動出圖。

由于地震應急救援工作時間緊迫，震后快速高效產出地震應急專題圖十分重要（席楠等，2016）。現階段，地震應急專題圖的快速生成技術已十分成熟，普遍采用的是模板匹配法，即首先利用專業的GIS 軟件平臺，設計并研制地震應急專題圖模板，然后基于ArcGIS Engine 組件式開發技術或Python 語言、Arcpy包進行二次開發（魏艷旭等，2014， 2016；孫哲等，2016；韓貞輝等，2020），從而建立脫離GIS 桌面軟件的地震應急專題圖快速生成系統。該方法滿足專題圖自動化、規范化輸出流程，在一定程度上提高了地震應急專題圖制圖效率。

針對現有地震烈度圖存在的問題，本文基于《地震烈度圖制圖規范》（GB/T 38226-2019）（中華人民共和國國家市場監督管理總局等，2019）要求，研制不同幅面和版面的地震烈度圖模板，并根據震后不同時段動態修正及更新烈度圈的需求，設置時間節點自動產出多期地震烈度分布圖。在此基礎上，基于Arc Engine 組件式開發技術研發地震烈度圖動態快速制圖系統，實現全時程地震烈度圖標準化、自動化出圖，大大提高了烈度圖制圖效率，為地震應急指揮和應急救援提供支持。

1 地震烈度圖特點

（1）動態性

地震烈度圖是政府部門第一時間了解地震破壞規模和范圍最直觀的方式，為政府啟動應急響應等級、應急救援部署等提供依據。因此，對地震烈度圈的要求首先是快中求準，滿足地震應急時效性需求。由于剛開始地震烈度圈可能不是很“準”，需要對其進行動態修正。動態修正是指利用地震三要素進行地震烈度初評估后，根據現場調查、遙感影像、無人機影像、微博、微信、手機短信、災情上報APP 等手段不斷獲取災情信息，對烈度圈進行動態調整，使得地震烈度圈在數量特征和空間分布上與現場調查結果接近，輔助應急救援決策。

（2）階段性

地震應急期一般劃分為應急啟動、緊急救援和過渡性安置階段（王海鷹等，2013）。針對不同階段，地震應急圖產出需求不同。在應急啟動階段，地震烈度圖主要通過地震動衰減關系或地震烈度經驗衰減關系擬合得到，為初步判定地震影響范圍及受災規模，時效性要求較高，其結果可能與實際地震烈度圈的符合程度較低。在緊急救援階段，由于現場反饋的災情信息有限，通過衛星遙感、無人機遙感、互聯網、觀測臺站等多種途徑獲取災情信息，動態修正地震烈度圈，為指揮部提供更準確的地震烈度圈，以使確定應急救援方案、指導救援力量部署等。過渡性安置階段以災區現場調查信息為主，結合余震數據、星機地多源災情信息等，勾畫最終的地震烈度圈，為震后恢復重建提供依據。

（3）易讀性

地震烈度圖是地震災區政府部門宏觀掌握災區情勢的重要情報，是進行救災決策和工作部署的重要參考依據。因此，地震烈度圖中應展示哪些圖層、用什么符號表達均應根據《地震烈度圖制圖規范》（GB/T 38226-2019）要求進行設計，并保證繪制的等震線處于視覺核心。最后，根據地震烈度圖標題圖、圖件區、說明區、注釋區的版式要求進行設計，生成標準化、規范化、易讀性強的地震烈度圖。

2 地震烈度圖動態快速制圖系統設計

基于上述地震烈度圖特點，研發滿足其特點要求的地震烈度圖動態快速制圖系統，服務于地震應急救援、震后損失評估和恢復重建等工作。其中，“動態”體現地震烈度圖的階段性和動態性，能根據系統設置的時間節點，自動調用當前階段獲取的多源災情信息，不斷修正烈度圈，產出多期地震烈度專題圖。“快速”反映地震烈度圖的制圖效率，即能在地震發生后第一時間迅速產出初評估烈度圈，隨著各類災情信息的不斷涌入進行動態修正，實現全時程地震烈度圖自動化出圖。“易讀性”體現在根據《地震烈度圖制圖規范》（GB/T 38226-2019）要求研制烈度圖模板，實現地震烈度圖的標準化產出。本文將從邏輯結構、系統功能、業務流程、功能模塊耦合分析等方面對系統進行總體設計。

2.1 邏輯結構設計

地震烈度圖動態快速制圖系統采用B/S 架構模式，由基礎設施平臺、數據資源庫、應用支撐平臺、應用層及信息安全保障體系、運行維護體系、標準規范系統構成（圖1）。

圖1 地震烈度圖動態制圖系統架構圖Fig. 1 Architecture diagram of the dynamic mapping system of seismic intensity map

（1）基礎設施平臺

基礎設施平臺包括服務器、數據中心、網絡、安全、存儲設施等硬件設備。

（2）數據資源庫

數據資源庫是通過解析業務邏輯層對數據需求，為系統業務提供數據的服務。數據資源涵蓋地震烈度圖動態快速生成所需的數據，主要包括基礎空間數據庫、基礎屬性數據庫、災情信息數據庫、地震烈度模板數據庫、元數據庫，根據數據類型劃分為不同存儲方式，包括文件存儲和DB 存儲。

（3）應用支撐平臺

應用支撐平臺是整體應用系統建設的基礎保障，為地震烈度圖動態快速生成提供通信網、ESB 系統總線、報表工具、操作系統和GIS 系統平臺等支撐系統運行的軟硬件設備。

（4）應用層

業務應用層集成了多因素控制的地震烈度初評估子系統、烈度圈動態修正子系統、烈度圖快速制圖子系統、地震烈度一張圖展示子系統。集成后的地震烈度圖快速制圖系統可以在震后第一時間產出多因素控制的烈度初評估及在應急期內按時間間隔給出融合星機地多源災情信息動態修正地震烈度圈，實現烈度圈的動態修正和烈度圖快速自動出圖，將地震烈度圈和居民地等各類基礎信息、遙感影像、救援力量分布、救災物資分布、離散災情點等信息疊加展示，實現地震烈度一張圖展示，為地震應急指揮和應急救援提供直觀的綜合信息展示。

2.2 功能設計

地震烈度圖動態快速制圖系統軟件包括多因素控制的地震烈度初評估模塊、烈度圈動態修正模塊、烈度圖自動制圖模塊、地震烈度一張圖展示模塊，具體功能如圖2 所示。

圖2 系統功能圖Fig. 2 System function diagram

（1）多因素控制的烈度初評估模塊

系統接收到地震速報自動觸發或手動輸入參數觸發評估，啟動地震烈度快速初評估，根據地震三要素獲取震區附近潛在發震斷層信息，根據發震區域選擇合適的地震動衰減關系計算地震動參數，考慮場地局部放大效應，利用場地放大系數校正由衰減關系計算的地震動參數，參照《中國地震烈度表》（GB/T 17742-2008）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2009）中的地震烈度與地震動參數的關系，將其轉換為地震烈度，繪制地震烈度等值線，生成初評估地震烈度圈。

（2）烈度圈動態修正模塊

烈度圈動態修正子系統提供自適應修正和專家修正模式。以時間節點為軸，每次地震觸發后持續監聽當前時間，到達預先設置的時間節點后，系統調用本次地震獲取的離散烈度點進行自適應修正，并將每次修正結果進行保存。同時，到達或未到時間節點時均可通過人工干預進行局部修正或自動擬合，也可以進行基于專家經驗的烈度圈調整，主要是將余震序列、地震破裂方向、震源機制、地形地貌、多源災情信息等展示在地圖中，基于專家經驗，運用旋轉、平移、縮放、點編輯、平滑等工具實現地震烈度圈的手動勾畫。

（3）烈度圖自動制圖模塊

烈度圖自動制圖子系統包括專題圖分類管理模塊、專題圖模板管理模塊、專題圖輸出參數管理模塊、專題圖圖冊管理模塊和專題圖自動生成模塊。根據《地震烈度圖制圖規范》（GB/T 38226-2019），定制達到準出版標準的不同幅面和版面的地震烈度圖模板，在建立烈度圖模板庫的基礎上，實現模板管理，對烈度模板庫進行統一管理。針對每次地震事件生成的專題圖結果文件進行管理，并能導出矢量圖和自動打印符合繪制規范的地震烈度圖，為地震應急各階段及應急指揮、現場救援、物資調度、余震趨勢判斷、恢復重建等工作提供地震烈度圖。

（4）烈度一張圖展示模塊

烈度一張圖展示子系統包括專題圖展示模塊、專題圖輸出模塊和專題圖圖冊輸出模塊。專題圖展示模塊將地震烈度圈和居民地等各類基礎信息、遙感影像、救援力量分布、救災物資分布、離散災情點等信息疊加展示，實現地震烈度一張圖展示，并可投影到應急技術指揮大廳屏幕，為應急指揮決策提供依據。專題圖輸出模塊通過研制不同震級、不同幅面和版面的地震烈度圖模板，導出矢量圖并自動打印符合繪制規范的地震烈度圖。專題圖圖冊輸出模塊可獲取該地震事件產出的全套專題圖圖冊，支持手動選擇或批量輸出矢量圖。

2.3 業務流程設計

利用地震烈度圖動態制圖系統獲取不同階段地震烈度專題圖時，各功能模塊之間的數據流按一定數據導向進行相互調用，根據系統的邏輯結構和功能結構設計，對系統總體業務流程進行設計，如圖3 所示。

圖3 系統業務流程Fig. 3 System business flow chart

系統實時接收地震速報，隨后自動觸發評估或手動輸入參數觸發評估；獲取地震三要素后開啟執行地震烈度初評估流程，根據發震區選擇合適的地震動衰減模型，計算每個公里格網點基巖PGA、PGV 值，結合場地類別分區數據，得到土層放大系數空間分布，進行場地校正，得到地表PGA、PGV 值，依據《中國地震烈度表》（GB/T 17742-2008）中的地震烈度與地震動參數關系進行烈度換算，得到地表烈度，并繪制烈度圈等值線，生成初評估地震烈度圈，調用地震烈度圖制圖模板，并與基礎數據疊加，產出地震烈度初評估相關專題圖。

地震初評估烈度圈生成后，系統可監聽修正事件。事件觸發后，首先判斷該事件是否為專家修正，如果是，則導入余震、震源機制解、破裂方向、地形地貌等多源數據，與烈度圈進行疊加顯示，行業專家基于自身經驗利用系統提供的修正工具包進行手動修正，生成烈度圈，并根據地震烈度圈模板生成專題圖；如果不是，則獲取當前地震所接收的災情，對災情進行預處理，利用多源災情信息與烈度轉換模型生成離散烈度點，并判斷修正事件是否進行災情擬合。如果進行災情擬合，基于離散烈度點生成烈度圈及專題圖；否則在現有烈度圈的基礎上，基于離散災情點進行局部自適應修正，經過修正后生成專題圖。每次生成專題圖后，用戶可查看專題圖并下載。系統會繼續判斷當前地震是否已經完成了所有階段的修正，如果完成，則結束整個流程，否則回到修正事件的監聽，繼續監聽下次修正事件。

基于各階段獲得的烈度圈矢量數據，將地震烈度圈和居民地等各類基礎信息、遙感影像、救援力量分布、救災物資分布、離散災情點等信息疊加展示，實現地震烈度一張圖展示，為地震應急指揮和應急救援提供直觀的綜合信息展示。

2.4 功能模塊耦合分析

本系統采用模塊化思想，各功能模板可以完全獨立或者具備一定的松散耦合關系。以業務流程為驅動，部分功能模塊需要依賴其他模塊的分析結果，如烈度圖自動制圖模塊需要依賴于初評估模塊生成的初評估烈度圈或者烈度圈動態修正模塊生成的修正烈度圈。因此，模塊間均采用非直接耦合或者數據耦合的方式進行關聯，以保證各模塊的獨立性。根據本系統業務流程和各模塊間數據的流動，繪制本系統各功能模塊的耦合關系，如圖4 所示。由圖 4 可知，當地震發生后，直接觸發地震烈度初評估模塊生成初評估矢量烈度圈，該數據一方面可以流入烈度圖自動制圖模塊，結合預先制定的MXD 模板，產出地震烈度專題圖；另一方面可以進入烈度一張圖展示模塊，疊加居民地等各類基礎信息、災情信息、救援力量等信息，在大屏上清晰直觀展示；可以為烈度圈動態修正的輸入，在此基礎上，根據災情信息和系統提供的修正工具修正后，生成修正烈度圈，作為烈度圖自動制圖模塊、烈度一張圖展示模塊和烈度圈動態修正模塊的輸入。

圖4 模塊功能關系Fig. 4 Module functional relationship

3 地震烈度圖動態快速制圖系統實現及案例應用

在地震烈度圖動態快速制圖系統整體架構下，在規范的地震烈度圖模板庫研發基礎上，本文采用B/S模式，基于Arc Engine 組件式開發技術研發了地震烈度圖動態快速制圖系統。該系統可在接到正式地震速報15 min 內給出多因素控制的地震烈度快速初評估結果，按照6 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h 等階段給出地震烈度修正結果，并根據研制的地震烈度圖制圖模板，動態產出多期地震烈度專題圖。

3.1 系統實現

該系統采用Spring Boot 微服務架構模型，以前后端分離的開發方式，將系統分為前端工程和后臺業務服務工程。前端著重頁面邏輯與用戶交互體驗，后端著重服務資源提供、自動化服務調度、數據引擎以及專題圖出圖引擎的計算實現。以較低粒度的方式，實現服務模塊化、專一化，降低后期的維護成本與難度，同時提高系統的穩定性、可靠性。

該系統主界面如圖5 所示，系統左邊界面為主要功能菜單，包括地震烈度初評估、烈度圈修正、烈度圖制圖和一張圖。界面最上方是標題欄，未執行任何功能時當前事務不出現，執行某功能時滾動顯示當前運行節點。界面主體為地圖窗口，為地震烈度圖動態修正、各類信息的可視化提供底圖。地圖窗口上方橫條展示目前使用過的功能，點擊想要使用的功能名稱可以直接跳轉到該功能，點擊“×”可使其不顯示在該狀態欄上，右上方可展示二級菜單的功能及圖層控制按鈕，控制圖層的顯隱，左上方豎行滾動條控制地圖比例尺縮放，左下方為地圖鷹眼。

圖5 系統界面圖Fig. 5 System interface diagram

3.2 案例應用

本文通過歷史地震案例對系統功能進行驗證，以四川省九寨溝7.0 級地震為例。收集整理四川省基礎地理信息數據、場地分類格網數據、地質構造數據、九寨溝余震數據等信息，并根據系統制定的災情模板模擬九寨溝地震災情信息，用于演示地震動態產出各階段地震烈度專題圖產出。

首先，調用系統地震事件觸發功能，手動輸入九寨溝地震參數觸發地震，啟動評估。3 min 內根據多因素控制的地震烈度初評估模型生成初評估烈度圈，并在1 min 內產出初評估地震烈度專題圖，如圖6 所示。然后，采用人工干預的模式導入預先模擬的災情信息并選定時間階段，2 min 內根據多源災情信息與烈度轉換模型將其轉換成離散烈度點，并基于自適應局部修正模型自動進行動態修正烈度圈，當人工判讀離散烈度點在空間均勻分布時，手動觸發災情擬合，1～2 min 完成烈度圈自動修正，并保存1 次修正記錄。同時，在設定時間段全過程中均可進行專家修正，并保存每次修正記錄，修正記錄結果如圖7 所示。最后，將修正烈度圈矢量數據疊加到預先制定的MXD 地震烈度專題圖模板上，并于1 min 內產出當前階段的地震烈度圖，生成的部分烈度圈專題圖如圖8 所示。

圖6 初評估烈度圖Fig. 6 Initial assessment of intensity map

圖7 烈度圈修正階段記錄Fig. 7 Record of intensity circle correction phase

圖8 地震烈度專題圖Fig. 8 Thematic map of seismic intensity map

4 結論

本文介紹了地震烈度圖的基本特點，明確了地震烈度專題圖制作及產出需求，闡述了地震烈度圖動態快速制圖系統邏輯結構設計、功能設計、業務流程設計和各功能模塊耦合關系。在此基礎上，根據標準規范研制了滿足要求的地震烈度圖模板，基于Arc Engine 組件式開發技術研發了一套地震烈度圖動態制圖系統，實現了地震烈度圖標準化和自動化產出。該系統不僅提高了地震烈度圖制圖效率，而且提升了對烈度圈動態修正的能力，實現了全時程地震烈度圖的快速制圖，可以為地震應急救援、震后損失評估、恢復重建等提供科學依據。