基于開源GIS 的地震災情速報信息收集與處置研究
——以河南省地震局為例1

王斐斐 韓貞輝 樊 華 宋鵬展

（河南省地震局, 鄭州 450016）

引言

地震給人類生命財產安全、社會經濟發展和社會穩定帶來嚴重威脅，地震發生后快速獲取災情并用于應急指揮決策成為地震應急工作的重中之重。河南省地震局現有的地震災情獲取手段包括12322 熱線、12322短信平臺和應急通災情上報系統APP（王斐斐等，2018）等，而這些手段均需等待人員上報消耗時間，嚴重影響了震后災情處置效率。通過向災情速報員撥打電話可主動、實時獲取災情，使該手段成為震后快速獲取災情的重要手段。

以震中所在位置紙質地圖為基礎，選取該區域災情速報員電話通訊錄（屬性數據）進行人工撥打，無法得知該災情速報員與震中的實際位置，且耗時耗力，工作效率低，無法滿足地震應急工作對災情快速獲取的工作要求，因此實現災情速報員電話號碼屬性數據空間化，快速定位其位置信息，并撥打地震影響范圍內災情速報員電話，成為亟需解決的問題。

隨著屬性數據空間化技術（廖順寶等，2003，2009；李明杰等，2008；李亞龍等，2019）和信息分類處理方法（董曼等，2014；王琳等，2019；鄧樹榮等，2019）的廣泛應用及GIS 開發的信息管理系統逐漸應用于遙感、林業、航空、航海、氣象、市政等領域，有關技術逐漸在地震行業得到應用（許時光等，2009；周鋒等，2009；帥向華等，2014；屈佳等，2014）。但商業GIS 軟件的高額費用在一定程度上限制了其推廣與普及。20 世紀90 年代，開源GIS 具有免費、可跨平臺（Linux、Windows）性能，使開源GIS 成為GIS 研究和應用創新的重要領域（Boulos 等，2006；Curtis 等，2006；Vanmeulebrouk 等，2008；薛杰，2012；郭建興等，2013；鄧欣等，2016；張土金，2017；左天惠等，2017；吳熙彥，2017；劉俊等，2018；吳珍云等，2020）。其中，QGIS 以其用戶界面友好且支持Python、C++等語言的二次開發等優勢，已在地震行業得到了應用（陳燁等，2017）。與此同時，微信小程序以其占用內存小、開發框架簡單、無須安裝、便于后期維護升級、可在iOS 和安卓系統手機上運行等優勢，在氣象、水利、林業、醫療等行業得到了廣泛應用（原世偉等，2016；胡寒冰，2019；陳靜嫻，2020；何瑞娜等，2020；李查瑋等，2020），在地震行業得到了初步應用（王琛等，2018；肖本夫等，2020），但在地震災情收集與處置中的應用較少。

因此，需建立基于開源GIS 的地震災情速報信息收集與處置系統，以最快的速度實現災情速報員屬性數據空間化及撥打電話的自動任務分配，將通過撥打電話獲取的災情信息實時動態展布到開源GIS 系統（QGIS）中，快速生成地震有感范圍圖和地震災情信息匯總報告，并將其部署在微信小程序中，為河南省防震抗震指揮部提供決策支持，在少震、弱震省份地震應急及提高災情處置效率方面發揮作用，為地震系統應急管理人員工作提供便利。

1 關鍵技術與難點

1.1 基于地圖API 的信息展布

采用微信小程序自帶的騰訊地圖作為底圖，基于地圖API 實現首頁重置、地圖切換、手機定位、行政區劃顯示等基本功能，支持全省災情速報人員、斷裂帶分布、地震事件位置等數據展布于地圖上，災情速報員可自動填報當前地址，實現了基于精細位置的災情數據上報，為后續精準的災情評估奠定基礎。

1.2 震后影響范圍象限圖自動生成

依據地震三要素和斷裂帶數據，選用圓形或橢圓模型（圖1），估算地震影響范圍，作為震后災情調查人員分配任務的重要依據。

圖1 震后影響范圍計算流程Fig. 1 Flow chart for calculating post earthquake influence range

在地震影響范圍繪制過程中，采用Shapely 包作為計算機幾何學處理工具，實現地震有感范圍圖生成、橢圓形變換等。Shapely 為Python 包，其實現的幾何對象基本類型是點、曲線和曲面，用于設置平面特征的理論分析和操作。

地震影響范圍確定后，以斷裂走向為基準，在圓形或橢圓形內按照等面積原則劃分為4 個象限（圖2），自動提取4 個象限內災情速報員信息（姓名和電話），用于災情調查工作人員向4 個方向分配撥打任務。

圖2 四象限圖Fig. 2 Four quadrant diagram

1.3 有感范圍圖自動繪制

將震后相關速報信息的填報結果進行有感范圍匯總，分別統計有感、受災和極災的上報位置，并對位置集合進行最小凸多邊形、緩沖區等空間分析，分類生成并繪制受災范圍圖。采用PostGIS 直接對空間數據庫進行查詢，操作便捷，提高了空間分析操作效率。

1.4 災情報告自動生成

災情上報以結構化數據存儲，地震后自動匯總受災情況，使用docxtpl 包通過加載word 文檔模板，實現對其修改，產出地震災情首報和續報，可在線查看與下載災情報告文檔。

2 系統設計

2.1 數據庫設計

本研究設計了災情收集表、地震事件表、人員信息表、地震影響表、有感范圍采樣點表、有感范圍表、災情報告表、當前人員信息表、用戶賬號信息表等，并研究了數據庫表之間的關系，為系統設計研發奠定了基礎。

2.2 系統邏輯設計

系統邏輯設計為3 層結構，分別為數據層、服務層與應用層（圖3）。數據層負責時空數據、業務數據和系統數據存儲，并定時在中國地震臺網同步地震三要素信息。服務層提供執行數據查詢、篩選與匯聚功能及基于微信API 的人員權限認證和快捷登陸服務、震后影響范圍分析服務、地震災情匯總統計服務、地震報告生成等服務。應用層包括地震災情一張圖、震后影響范圍專題圖、災情上報與報告、系統管理功能等，通過微信小程序為地震災后管理人員提供快捷的數據上報、災情管理等功能。

圖3 系統邏輯架構Fig. 3 System logic architecture

2.3 系統功能設計

基于成熟性、穩定性和易維護性原則，設計“首頁”“災情速報”和“我的”功能模塊（圖4），以微信小程序為框架，采用開源GIS 組件實現近鄰、緩沖區等空間分析，疊加災情速報人員、地震事件和斷裂帶等數據，實現地震事件災情上報與匯總統計，同時具有用戶登陸、權限管理、日志記錄等功能。

圖4 系統功能模塊設計Fig. 4 System function module design structure diagram

3 系統開發與實現

3.1 開發環境

開發環境為Windows 7 及以上版本系統，開發工具為Python 3、QGIS、PostgreSQL 11、PostGIS。其中QGIS 用于提供數據顯示、編輯、分析和導入數據庫功能，PostgreSQL11 用于實現事務、子選擇、觸發器、視圖、外鍵引用完整性和復雜鎖定等功能，Post-GIS 用于存儲、管理空間數據，實現OpenGIS 的相關規范。

3.2 功能模塊的實現

“首頁”模塊按照交互友好、操作便捷、界面簡潔的要求，聚合了互聯網電子地圖、遙感影像、災情速報人員信息、省界及各地市界等區劃范圍、斷裂帶及歷史地震事件等數據，實現了地震災情一張圖（表1）。

“災情速報”模塊是本系統的核心功能模塊，當系統數據庫同步到地震災情后，可實現地震災情信息急速上報、地震影響范圍預估評判和災情信息匯總統計等（表1）。

“我的”模塊實現了用戶權限、歷史記錄等系統功能，并可手動增加地震信息，以彌補地震事件遺漏、滿足地震演練開展等需求（表1）。

表1 系統模塊實現功能Table 1 Function table of each module of the system

3.3 系統測試

針對現有產品各功能模塊及實施結果進行功能測試，檢測整個系統是否達到說明書要求及系統用戶界面是否友好等。針對整個系統集成后提供服務的能力進行系統測試，包括易用性、可靠性、安全性、可維護性等。系統易用性測試結果如表2 所示，由表2 可知，該系統整體運行正常，各模塊相對穩定，滿足工作需求。

表2 系統易用性測試結果Table 2 Table of platform usability test results

3.4 實際應用

系統經測試和試運行后，在河南省真實地震案例中發揮了積極作用（圖5、圖6）。

圖5 系統主要功能展示界面Fig. 5 Main function displayinterface of the system

圖6 系統主要災情信息收集處置功能Fig. 6 Schematic diagram of main disaster collection functions of the system

4 結語

本文在詳細分析數據庫設計、系統總體設計和功能設計的基礎上，深入研究了本文架構的系統涉及的關鍵技術，解決了以下實際問題：

（1） 結合地震災情應急實際需求，開發了以微信小程序為載體的地震災情速報信息收集與處置平臺，可便捷、高效地收集與處置災情數據。

（2） 采用開源GIS 手段，在地震發生后的第一時間獲取災情信息，自動化評估影響范圍，選取四象限范圍內速報人員，為災情調查工作人員自動分配工作任務提供參考。

（3） 隨著災情數據收集工作的有序推進，實時繪制地震有感范圍圖，統計受災情況，自動生成災情報告。

本文架構的系統極大程度地提高了震后地震災情收集效率，滿足河南及鄰區小震、弱震較多地區地震應急、應急演練工作需求，可在省、市、縣地震應急及震后提高災情信息收集處置效率方面發揮作用，也為其他應急系統建設提供參考。但本文未研究影響范圍模型、震后災情追蹤、快速獲取周邊應急避難所及路徑、應急調度等，今后將開展有關研究。