安基文 徐敬海 聶高眾 白仙富

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 2)南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院， 南京 211816 3)云南省地震局， 昆明 650224

高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐的地震災(zāi)情快速評估

安基文1)徐敬海2)*聶高眾1)白仙富3)

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 2)南京工業(yè)大學(xué)測繪學(xué)院， 南京 211816 3)云南省地震局， 昆明 650224

地震災(zāi)情快速評估是震后地震應(yīng)急響應(yīng)的核心技術(shù)支撐。目前， 隨著高精度人口社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的推廣， 中國地震局下屬單位的地震災(zāi)情快速評估所采用的承災(zāi)體數(shù)據(jù)大多由原來的縣級精度提升到30″×30″(經(jīng)緯度)的高精度。然而， 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度得到提升的同時， 災(zāi)情評估的主要算法和技術(shù)流程卻沒有改變。結(jié)果是評估準(zhǔn)確度得到了一定提高， 而縣級精度數(shù)據(jù)支撐下的評估耗時較多(10～20min， 大震時可在30min以上)， 震害損失空間分布不夠精細(xì)等問題仍然沒有得到解決。因此， 文中首先介紹了高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)(30″×30″)， 描述地震災(zāi)情快速評估的原理及縣級數(shù)據(jù)支撐下的實現(xiàn)過程， 之后闡述利用高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)改善地震災(zāi)情快速評估數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的原理， 在評估過程中利用柵格代數(shù)運算提高計算效率和保持?jǐn)?shù)據(jù)精度的原理， 以及通過分割和重新組織快速評估技術(shù)流程提高評估速度的方法。經(jīng)試驗驗證， 改進后地震災(zāi)情快速評估的準(zhǔn)確度有所提高， 能夠產(chǎn)出高精度的(30″×30″)的震害分布， 并且評估耗時縮減到1min以內(nèi)(不含出圖耗時)。大范圍的高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)是一種模擬數(shù)據(jù)而非調(diào)查數(shù)據(jù)， 盡管其基礎(chǔ)是普查數(shù)據(jù)， 但準(zhǔn)確度與實際情況仍有一定的差距， 需要進一步研究與優(yōu)化。

高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù) 地震災(zāi)情快速評估 地震應(yīng)急救援 震后應(yīng)急響應(yīng)

0 引言

中國是地震頻發(fā)且災(zāi)情嚴(yán)重的國家。20世紀(jì)中國大陸發(fā)生了445次6.0～7.9級地震、 9次8.0級以上地震， 死亡約59萬人①。長期的理論研究與工作實踐證明， 震后應(yīng)急救援是減少地震傷亡和損失的有效途徑(Wegscheideretal.， 2013; Xuetal.， 2014)。地震應(yīng)急救援的關(guān)鍵點在于能否在最短的時間內(nèi)， 做出科學(xué)合理的應(yīng)急救援計劃并付諸行動。破壞性地震發(fā)生之后的短時間內(nèi)， 往往無法獲得災(zāi)區(qū)現(xiàn)場的真實的震害信息， 因此， 此時地震應(yīng)急救援計劃的擬定， 其科學(xué)依據(jù)由災(zāi)區(qū)后方的技術(shù)部門提供。震后應(yīng)急救援技術(shù)支撐的核心是地震災(zāi)情快速評估， 這是對地震災(zāi)害損失情況的模擬與評價， 是震后短時間內(nèi)應(yīng)對真實災(zāi)情信息缺失的有效手段， 其準(zhǔn)確度、 信息質(zhì)量和評估速度等直接影響震后應(yīng)急救援的效率。

美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey， USGS)響應(yīng)全球范圍的重大地震， 常常在尚未有現(xiàn)場災(zāi)情報告上報之前， 迅速評估地震影響， 并向應(yīng)急響應(yīng)部門、 政府機關(guān)和援助機構(gòu)發(fā)出警報， 告知可能發(fā)生的地震破壞事件。為此， USGS開發(fā)了PAGER(Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response)系統(tǒng)， 用于震后快速評估可能的人員傷亡和經(jīng)濟損失的范圍(http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/pager/)。中國地震局負(fù)有快速響應(yīng)發(fā)生在或波及到中國境內(nèi)的地震事件， 迅速評估地震影響并向國務(wù)院匯報潛在地震破壞事件的責(zé)任。中國地震局及其下屬單位也開發(fā)了類似PAGER的地震災(zāi)情快速評估技術(shù)系統(tǒng)。

本研究開展之初， 中國地震局下屬單位的災(zāi)情快速評估大多仍在采用縣級精度的承災(zāi)體數(shù)據(jù)， 僅有中國地震局地質(zhì)研究所、 山西省地震局、 四川省地震局等少數(shù)單位采用高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)(30″×30″)(聶高眾等， 2011; 楊斌等， 2011)。之后， 依托中國地震局地震行業(yè)科研專項南北地震帶大震極災(zāi)區(qū)速判及關(guān)鍵技術(shù)研究”(楊建思等)和國家科技支撐計劃項目 “地震災(zāi)情服務(wù)及應(yīng)急決策支撐平臺研究”(聶高眾等)， 在中國地震局的支持下研發(fā)并在其應(yīng)急工作中可用的高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)得到進一步完善和更新； 依托 “國家地震社會服務(wù)工程(中國地震局地質(zhì)研究所)”(張培震等)， 高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)在地震災(zāi)情快速評估中的應(yīng)用已在中國各個省、 自治區(qū)和直轄市的地震應(yīng)急工作中得到普及。然而， 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度得到提升的同時， 災(zāi)情評估的主要算法和技術(shù)流程卻沒有改變。結(jié)果是評估準(zhǔn)確度得到了一定的提高， 但是縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下快速評估中存在的其他問題仍然沒有得到解決。原地震災(zāi)情快速評估中存在如下幾個亟待改進的問題：

(1)評估誤差較大。主要來源于地震影響場模擬偏差、 震害評估模型誤差和承災(zāi)體數(shù)據(jù)誤差等。縣級精度的數(shù)據(jù)認(rèn)為承災(zāi)體在行政單元內(nèi)部均勻分布， 因此當(dāng)1個行政單元與1個烈度范圍有部分重疊時， 該部分的承災(zāi)體數(shù)量由重疊面積乘以承災(zāi)體平均密度得出。顯然， 這是不合理的， 有可能產(chǎn)生大量誤差。

(2)評估得出的震害分布不夠精細(xì)。受限于承災(zāi)體數(shù)據(jù)的精度， 評估結(jié)果只能給出縣級精度的震害分布， 而對于分秒必爭的地震應(yīng)急救援， 這個范圍可能會顯得非常大(尤其在中國西部地區(qū))， 在對救援目標(biāo)的進一步搜尋中， 很可能會失去挽救更多生命的機會。

(3)評估速度不夠快。目前震害評估的耗時大多在10～20min， 遇到特大地震時甚至需要30min以上。對于災(zāi)情快速評估結(jié)果， 地震及其他領(lǐng)域的專家會進一步進行分析與討論， 形成災(zāi)情報告并提交給政府相關(guān)部門。2008年汶川地震后， 中國政府要求技術(shù)支撐部門于震后1h之內(nèi)提交第1次災(zāi)情報告， 留給災(zāi)情分析與報告編寫的時間非常有限。為了給專家們更多的時間以更好地完成災(zāi)情分析工作， 災(zāi)情評估需要提速。

地震應(yīng)急快速評估有很多模型， 可歸類為基于統(tǒng)計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?傅征祥等， 1993; 高惠瑛等， 2010; 劉金龍等， 2012)和基于震害機理的分析模型(程家喻等， 1996; 馬玉宏等， 2000； 李媛媛等， 2014)， 而目前作為主流的是分析模型。分析模型要求對建筑物進行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分類， 再通過結(jié)構(gòu)的抗力分析或歷史震害的統(tǒng)計求得其易損性， 震時根據(jù)地震烈度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系求出建筑物的倒塌概率， 繼而結(jié)合人口或經(jīng)濟的暴露情況求出相應(yīng)的損失。國內(nèi)將以分析模型為核心的震害評估方法稱為易損性分類清單法， 于1995年提出并有詳細(xì)描述(李樹楨， 1995; 尹之潛， 1995)， 后來也有很多學(xué)者對該方法的發(fā)展做出貢獻。易損性分類清單法是先進的， 目前絕大多數(shù)單位的震害快速評估所用的都是這個方法， 而且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度的改變對評估模型沒有適用性方面的要求， 但是與模型的具體實現(xiàn)， 即算法有直接的聯(lián)系， 甚至需要調(diào)整算法以適應(yīng)新的數(shù)據(jù)。因此， 本研究不提出或改進震害評估模型， 而是在算法層面上， 對評估技術(shù)進行改進， 以提高快速評估的效率。

本文首先肯定地震災(zāi)情快速評估中采用易損性分類清單法， 并以其分析模型的原理為背景， 充分利用高精度格網(wǎng)數(shù)據(jù)的技術(shù)特點， 改進震害快速評估的主要算法， 改進評估模型的業(yè)務(wù)邏輯在技術(shù)上的實現(xiàn)流程， 以圖解決或改善目前震害快速評估中依然存在的一些問題。本文在第2節(jié)說明地震災(zāi)情快速評估的原理及縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下的評估技術(shù)流程。在第3節(jié)詳細(xì)說明高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下地震災(zāi)情快速評估的改進。在第4節(jié)利用歷史地震案例進行試驗與評價。最后， 在第5節(jié)進行討論與總結(jié)， 并提出對未來研究工作的設(shè)想。

1 數(shù)據(jù)

可獲得的中國的國家普查數(shù)據(jù)一直以縣行政區(qū)劃為基本統(tǒng)計單元。本文的研究工作開展之初， 中國地震局下屬單位的災(zāi)情快速評估大多仍在采用縣級精度的承災(zāi)體數(shù)據(jù)。然而， 在以往多次破壞性地震的應(yīng)急救援工作中已充分認(rèn)識到縣級精度的不足， 并一直努力發(fā)展符合中國地震應(yīng)急救援工作需求的高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)技術(shù)。

高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)是相對縣級精度的數(shù)據(jù)而言的， 目前沒有明確規(guī)定必須達到某個分辨率。本文所指的是30″×30″經(jīng)緯度大小(在赤道附近有約1km的分辨率)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)， 內(nèi)容包括中國大陸范圍的人口、 分類型建筑物及GDP(本文沒有使用)數(shù)據(jù)， 相較縣級數(shù)據(jù)其精度優(yōu)勢是非常明顯的。實際上， 國際上也有100m分辨率人口格網(wǎng)數(shù)據(jù)的研究案例(Linardetal.， 2012)， 但是就目前我們所掌握的資源， 只能研制30″×30″分辨率的承災(zāi)體數(shù)據(jù)， 而該分辨率已可以滿足地震應(yīng)急響應(yīng)與救援業(yè)務(wù)的需求。

將通過普查獲得的1個行政單元的社會要素數(shù)量值， 利用數(shù)學(xué)模型分解到該行政單元內(nèi)部細(xì)分的格網(wǎng)中， 以便更精確地反映其分布情況， 這就是高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)原理， 很多學(xué)者稱之為社會要素空間化。目前， 人口空間化的研究案例很多(Lietal.， 2005; Yueetal.， 2005； Balketal.， 2006; Briggsetal.， 2007; Liuetal.， 2008; Silvn-Crdenasetal.， 2010; Azaretal.， 2013; Batista e Silvaetal.， 2013)， 也產(chǎn)出了實用的高精度人口數(shù)據(jù)集。美國能源部所屬橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory， ORNL)開發(fā)的LandScan數(shù)據(jù)是全球人口分布的領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)(Dobsonetal.， 2000； Bhadurietal.， 2002; Caietal.， 2006; Bhadurietal.， 2007)。它利用空間數(shù)據(jù)與影像分析技術(shù)和多變量密度建模方法將人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)分解到行政單元內(nèi)部的30″×30″經(jīng)緯度大小(在赤道附近有約1km的分辨率)的格網(wǎng)中， 是目前精度最高的全球人口動態(tài)分布數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集覆蓋全球84°N到90°S的范圍， 目前僅對美國聯(lián)邦政府機構(gòu)免費提供(GIST， http: ∥web.ornl.gov/sci/landscan/index.shtml)。

圖1 高精度(30″×30″)中國人口和房屋面積分布Fig. 1 The high-precision(30″×30″)population and housing area distributions in China.a 人口分布； b 全部房屋建筑分布； c 多層鋼筋混凝土房屋分布； d 多層砌體房屋分布； e 單層房屋分布； f 其他類型房屋分布

依托于中國地震局地震行業(yè)科研專項“地震應(yīng)急數(shù)據(jù)指標(biāo)化和應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系技術(shù)研究”(聶高眾等)， 中國地震局地質(zhì)研究所與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所合作開發(fā)了1套中國大陸范圍的高精度人口與分類型房屋建筑數(shù)據(jù)集(30″×30″)(圖1)。通過現(xiàn)場調(diào)查獲取了大量的關(guān)于人口、 房屋建筑要素密度與多種環(huán)境因子關(guān)系的樣本， 分析得出回歸模型， 并將第5次全國人口普查數(shù)據(jù)(2000)分解到細(xì)分的格網(wǎng)中。數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)充分考慮了地震行業(yè)的應(yīng)用需求， 比如房屋建筑數(shù)據(jù)按照承災(zāi)體的地震易損性及已有的房屋建筑地震破壞比資料分為4類——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、 多層砌體結(jié)構(gòu)、 單層民宅和其他。2013年， 我們采用第6次中國人口普查數(shù)據(jù)(2010)對數(shù)據(jù)集進行了更新。我們研制高精度人口社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的方法及數(shù)據(jù)已應(yīng)用于多個研究中(黃耀歡等， 2007； 陳振拓等， 2012; 韓貞輝等， 2013; 丁文秀等， 2014)， 其適用性已得到驗證。

2 地震災(zāi)情快速評估的原理

2.1 震害的快速評估

地震災(zāi)情的詳細(xì)評估是震后通過對災(zāi)區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查得出的， 結(jié)果比較準(zhǔn)確和真實， 但需要調(diào)查人員進入災(zāi)區(qū)， 而且完成調(diào)查需要較長的時間， 往往是幾天甚至幾周。由于時效性較差的緣故， 此類評估對于地震應(yīng)急救援是沒有意義的， 因此我們在震后短時間內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法模擬地震災(zāi)情， 給震后應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支撐， 并稱之為地震災(zāi)情快速評估。

在地震災(zāi)情快速評估中， 震害的大小由承災(zāi)體暴露量和承災(zāi)體在地震影響下的破壞比或傷亡比決定(傅征祥等， 1993; 李樹楨， 1995; 尹之潛， 1995)(式(1))。為了得到準(zhǔn)確的地震災(zāi)情， 震害快速評估需要做到準(zhǔn)確地提取受到地震影響的承災(zāi)體暴露量， 以及正確地獲取承災(zāi)體的損失比或傷亡比。

damage=exposure×loss_ratio

(1)

承災(zāi)體暴露量是指暴露在地震影響之下的承災(zāi)體數(shù)量， 通過匯總被地震影響場所覆蓋范圍內(nèi)的承災(zāi)體數(shù)量得出。因此， 震害快速評估首先需要獲得準(zhǔn)確的地震影響場范圍， 再根據(jù)準(zhǔn)確的承災(zāi)體空間分布， 利用GIS技術(shù)提取承災(zāi)體的暴露量。

房屋建筑的倒塌是導(dǎo)致地震人員傷亡的主要原因之一(李樹楨， 1995)， 因此傷亡比往往由房屋建筑的震害推導(dǎo)而出， 其空間差異性由房屋建筑震害的空間分布決定。房屋建筑的破壞比由建筑物的抗震性能和地震動作用的強度決定。建筑結(jié)構(gòu)、 建筑材料、 建筑年代和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等都是影響房屋抗震性能的因素。因此， 房屋建筑的破壞比在不同區(qū)域， 不同烈度下很可能是不相同的。

由于以上原因， 震害快速評估中需要根據(jù)房屋建筑破壞比的地域性和地震烈度圈對災(zāi)區(qū)進行分割(圖2)， 對每個分區(qū)提取承災(zāi)體的暴露量， 并采用合理的破壞比參數(shù)進行震害的計算， 最后對整個災(zāi)區(qū)進行災(zāi)情的匯總。

2.2 縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下的地震災(zāi)情快速評估

針對地震災(zāi)情快速評估模型中房屋建筑破壞比參數(shù)的地域性和烈度相關(guān)性， 學(xué)者們通過對指定范圍的震例研究， 提出了適用于中國大陸不同地區(qū)和各個烈度的地域性模型參數(shù)(房屋建筑破壞比)(尹之潛， 1995； 胡少卿等， 2010)。地域性模型參數(shù)一般存儲為表格格式， 同時將模型參數(shù)的適用范圍存儲為多邊形矢量格式， 并通過索引進行關(guān)聯(lián)(圖2)。由于房屋建筑的抗震性能往往以行政地區(qū)為研究范圍進行評價， 地域性模型參數(shù)的適用范圍邊界與部分行政區(qū)劃邊界重疊。

目前中國地震局在震害快速評估中采用的縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)以多邊形矢量格式存儲。地震發(fā)生之后， 快速評估技術(shù)系統(tǒng)首先通過疊加承災(zāi)體多邊形與分割出的災(zāi)區(qū)小分區(qū)， 計算小分區(qū)的承災(zāi)體數(shù)量。其次， 對每個災(zāi)區(qū)小分區(qū)讀取與之關(guān)聯(lián)的地域性模型參數(shù)， 建立各自的地域性快速評估模型， 分別進行評估， 最后進行匯總(圖2)。

圖2 地域性模型參數(shù)的原使用方式和基于格網(wǎng)的新的使用方式Fig. 2 The original and grid-based new usage of regional model parameters. ID1—5所標(biāo)識的地區(qū)分別有各自適用的地域性模型參數(shù)； 虛線圈定的地區(qū)表示受到地震影響的范圍； layera、 layerb和layerc是地域性模型參數(shù)a、 b和c的空間化表示

3 地震災(zāi)情快速評估的改進

高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)往往以柵格格式存儲和使用， 有利于數(shù)據(jù)的定位存取， 以及疊加及代數(shù)或邏輯運算， 簡單而高效。地震災(zāi)情評估過程中， 多數(shù)操作是區(qū)域的疊加、 區(qū)域內(nèi)數(shù)值統(tǒng)計、 區(qū)域和區(qū)域的對位運算等， 非常適合以柵格代數(shù)運算方式實現(xiàn)。因此， 我們將評估中涉及的其他數(shù)據(jù)， 包括地震影響場和地域性模型參數(shù)等， 也由矢量結(jié)構(gòu)或數(shù)值轉(zhuǎn)換為柵格結(jié)構(gòu)， 以便參與柵格代數(shù)運算。

地域性模型參數(shù)的柵格化， 首先將參數(shù)適用范圍轉(zhuǎn)換為同等精度的柵格， 再將關(guān)聯(lián)的參數(shù)值賦到對應(yīng)的柵格中， 而每個參數(shù)形成1個數(shù)據(jù)層， 最終產(chǎn)出多個數(shù)據(jù)層(圖2)。柵格化之后， 地震影響場跨越多個參數(shù)適用范圍的情況下， 不再需要對災(zāi)區(qū)進行分割， 因為通過柵格化已經(jīng)體現(xiàn)了模型參數(shù)的地域性特點。災(zāi)情快速評估時， 根據(jù)評估模型， 直接對承災(zāi)體和模型參數(shù)等的柵格數(shù)據(jù)層實施柵格代數(shù)運算即可， 避免了繁雜的分割、 循環(huán)計算等操作。

3.1 評估準(zhǔn)確度有所提高

地震災(zāi)情快速評估中采用縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)的情況下， 縣行政區(qū)劃與災(zāi)區(qū)小分區(qū)的部分重疊是不可避免的， 而由此產(chǎn)生1個問題——如何計算重疊區(qū)域的承災(zāi)體暴露量？對于縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)， 我們認(rèn)為承災(zāi)體在行政單元內(nèi)部是均勻分布的， 藉此將1個縣的統(tǒng)計數(shù)值除以該縣的面積而得出承災(zāi)體分布的平均密度， 而重疊區(qū)域的承災(zāi)體暴露量由該部分面積乘以承災(zāi)體密度得出。這種做法很可能會產(chǎn)生較大的誤差， 尤其在縣政府所在地位于重疊區(qū)域之外的情況下， 因為在中國的很多縣， 縣政府所在地的承災(zāi)體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整個縣的平均密度， 而部分鄉(xiāng)或村及其周邊的承災(zāi)體密度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個縣的承災(zāi)體平均密度(圖3)。

圖3 3種情況下人口分布的模擬Fig. 3 The simulations of population distribution in three cases.a 行政單元級別精度下人口的均勻分布； b 基于居民點的人口實際分布； c 高精度下人口的模擬分布； 點表示人口而紅色邊界圈定的地區(qū)表示受到地震影響的范圍

高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)對承災(zāi)體分布的模擬比較接近真實情況， 可以描述行政區(qū)劃內(nèi)部承災(zāi)體分布的不均勻性， 但是在每個格網(wǎng)單元內(nèi)部， 認(rèn)為承災(zāi)體是均勻分布的。盡管如此， 其精確度與準(zhǔn)確度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縣級數(shù)據(jù)， 足以滿足地震應(yīng)急的需求。

3.2 災(zāi)情定位精度大幅提高

采用縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)的情況下， 震害快速評估中的部分處理步驟脫離空間處理過程， 而進行數(shù)值計算。通過多邊形的疊加計算災(zāi)區(qū)小分區(qū)的承災(zāi)體數(shù)量的過程是一個空間處理過程。而接下來， 將小分區(qū)的承災(zāi)體暴露量輸入到對應(yīng)的地域性評估模型進行計算， 產(chǎn)出的震害損失是數(shù)值結(jié)果， 這是一個數(shù)值計算過程。最后， 再根據(jù)行政區(qū)劃或烈度將震害損失的數(shù)值結(jié)果進行匯總(圖2)。受限于承災(zāi)體數(shù)據(jù)的精度， 產(chǎn)出的災(zāi)情分布的精度也只能到縣級。

采用高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)的情況下， 災(zāi)情快速評估以柵格代數(shù)運算實現(xiàn)模型中的各個計算過程。柵格代數(shù)運算同時在每個格網(wǎng)單元處實施獨立的計算操作， 過程中不改變格網(wǎng)單元的空間位置， 具有保持?jǐn)?shù)據(jù)精度和空間信息的特點(圖4)。因此， 高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下的震害快速評估始終進行空間處理， 最終產(chǎn)出同樣高精度的震害損失分布。

圖4 柵格代數(shù)運算過程中空間信息的持續(xù)性Fig. 4 The persistence of spatial information during the grid algebraic operations.

3.3 評估速度大幅度提升

如3.1節(jié)所述， 破壞性地震發(fā)生之后， 縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下的地震災(zāi)情快速評估首先必須獲得地震影響場， 之后開始整個震害評估流程(圖5)。從圖5 的評估流程可以發(fā)現(xiàn)， 所有評估耗時均發(fā)生于震后應(yīng)急響應(yīng)階段， 而其中大部分耗時用于災(zāi)區(qū)的分割、 承災(zāi)體暴露量的提取以及震害損失的計算等3個進程中。

圖5 原來的地震災(zāi)情快速評估過程Fig. 5 The original process of earthquake disaster rapid assessment.

采用高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)和柵格代數(shù)運算方式之后， 不再需要對地震災(zāi)區(qū)進行分割(圖2)。這一點啟發(fā)我們用不同的方式去思考震后災(zāi)情快速評估的技術(shù)流程。新的計算環(huán)境下， 原技術(shù)流程中的進程1—3(圖5)可以從整個評估流程中剝離出來， 于日常工作中完成。而地震發(fā)生之后， 只需要根據(jù)地震烈度范圍從日常工作中準(zhǔn)備好的中國全境的震害損失中提取本次地震影響范圍內(nèi)的損失即可。新的技術(shù)流程如下(圖6)：

圖6 改進的地震災(zāi)情快速評估過程Fig. 6 The new process of earthquake disaster rapid assessment.

(1)日常數(shù)據(jù)維護。1)將中國全境的縣級承災(zāi)體數(shù)據(jù)和各個烈度下的地域性模型參數(shù)(房屋建筑破壞比)轉(zhuǎn)換為相同精度的柵格數(shù)據(jù)， 模型參數(shù)的地域性將直接體現(xiàn)在柵格數(shù)據(jù)中(圖2)； 2)計算設(shè)定烈度下中國全境的震害損失分布。得益于高精度柵格環(huán)境， 我們可以不考慮具體的地震影響場， 而分別設(shè)定中國全境處于Ⅵ—Ⅹ度中的1個烈度下， 并根據(jù)中國全境的高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)和該烈度下的地域性模型參數(shù)的柵格數(shù)據(jù)， 按照評估模型實施柵格代數(shù)運算， 得出各個設(shè)定烈度下中國全境的高精度震害損失分布并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

以上操作都是比較耗時的， 也是原技術(shù)流程中占大部分評估耗時的工作內(nèi)容。在新的技術(shù)流程中， 這部分工作在日常工作中完成， 其耗時對震后災(zāi)情快速評估不會有任何影響。

(2)震后災(zāi)情快速評估。 1)以地震影響場中各個烈度范圍作為掩膜， 從日常工作中準(zhǔn)備好的設(shè)定烈度下中國全境高精度震害損失分布中分別提取對應(yīng)烈度下的震害損失。 2)將各個烈度下的震害損失拼接成1個地震影響場范圍的震害損失分布。 3)根據(jù)需求， 對震害損失分布進行空間統(tǒng)計分析并輸出。

上述流程中， 震后評估工作的內(nèi)容少、 操作簡單， 耗時也非常少， 大幅度提升了評估速度。

4 試驗與評價

本文以近幾年在中國大陸發(fā)生的4次破壞性地震為例(表1)， 分別用原評估系統(tǒng)和新的評估系統(tǒng)進行地震災(zāi)情快速評估， 評估中采用的地震參數(shù)和影響場范圍等信息均來自震后中國地震局正式發(fā)布的資料。2次評估的內(nèi)容、 各類損失評估模型是相同的。

表1 案例研究與評價中采用的破壞性地震的信息

Table1 The information of destructive earthquakes used in the case study and evaluation

ID發(fā)震位置發(fā)震時間震級(MS)震源深度/km最大烈度E1中國四川省汶川縣,31.0°N103.4°E2008-05-1214:288.01411E2中國云南省彝良縣,27.6°N104.0°E2012-09-0711:195.7148E3中國甘肅省岷縣、漳縣交界,34.5°N104.2°E2013-07-2207:456.6208E4中國云南省魯?shù)榭h,27.1°N103.3°E2014-08-0316:306.5129

我們將原評估系統(tǒng)和新的評估系統(tǒng)安裝在同一臺PC機上， 在相同的運行環(huán)境下(Intel Core2 Quad CPU Q9550@2.83GHz， 4.00GB RAM， Windows 7 Pro 32-Bit with SP1)， 分別運行評估系統(tǒng)對上述4個震例逐個進行災(zāi)情快速評估。我們主要考察對應(yīng)急救援最為關(guān)鍵的人員死亡評估結(jié)果。另外， 對整個災(zāi)情評估所消耗的時間進行了測量， 結(jié)果如表2 所示。

表2 評估結(jié)果和實際死亡人口

Table2 The assessment results and the actual deaths

評估內(nèi)容結(jié)果來源E1E2E3E4死亡(人)原評估系統(tǒng)170739(246.6.1%)31(38.8%)68(71.6%)237(38.4%)新評估系統(tǒng)63093(91.1%)75(93.8%)70(73.7%)369(59.8%)真實的情況692278095617耗時原評估系統(tǒng)20min以上8min以上9min以上9min以上新評估系統(tǒng)38s26s30s29s

注 死亡人數(shù)后括號里的百分比是評估死亡人數(shù)與實際死亡人數(shù)的比值。

試驗評估結(jié)果， 改進之后的評估準(zhǔn)確度確實有一定的提高， 尤其是對汶川地震和彝良地震人員死亡的評估比較成功， 準(zhǔn)確率均達到90%以上。對魯?shù)榈卣鹑藛T死亡的評估準(zhǔn)確率較低， 根據(jù)我們震后的現(xiàn)場調(diào)查， 由以下幾個原因?qū)е铝说卣饟p失的加重： 1)云南省魯?shù)榭h是國家級貧困縣， 經(jīng)濟發(fā)展落后， 房屋的抗震性能非常差； 2)魯?shù)榭h有87.9%的面積屬于山區(qū)， 地震滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)， 加重了震害損失。

改善之后， 幾次震例的評估耗時(包括人員死亡及其他損失評估)均在30s左右， 遠(yuǎn)少于原來的評估耗時。新的評估系統(tǒng)產(chǎn)出30″×30″精度的震害損失分布， 其精度與承災(zāi)體數(shù)據(jù)的精度一致(圖7)。

圖7 以高精度柵格方式表現(xiàn)的汶川地震人員死亡分布(評估結(jié)果)Fig. 7 The high-precision grid distribution of earthquake deaths in Wenchuan earthquake(assessed results).

5 討論與總結(jié)

與原災(zāi)情快速評估相比， 高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)和柵格代數(shù)運算支撐下的地震災(zāi)情快速評估在地理信息表達的精確性與地理處理的效率上具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)試驗驗證， 評估準(zhǔn)確度有所提高、 災(zāi)情分布的精細(xì)度和評估速度大幅度提升， 高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)支撐下地震災(zāi)情快速評估能力確實得到有效的提高。

借助地震災(zāi)情快速評估能力的提高以及高精度的災(zāi)情信息， 我們可以以多個尺度表示震害分布， 如省級、 市級、 縣級、 鎮(zhèn)級和格網(wǎng)級， 并給出不同層次上的資源調(diào)度與救援指引相關(guān)的決策建議， 以幫助政府部門擬定科學(xué)合理、 高效的指揮決策。簡單介紹如下：

(1)災(zāi)情的多尺度分析與資源調(diào)度相關(guān)的建議。 以省級到縣級的各個尺度表示災(zāi)情分布， 并在各個尺度分析與定位重災(zāi)區(qū)。在此基礎(chǔ)上可以給出以下方面的決策建議。 1)在省級尺度上， 根據(jù)各省的死亡人口判斷并建議是否啟動國務(wù)院地震應(yīng)急響應(yīng)及啟動幾級響應(yīng)， 是否成立國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部或省抗震救災(zāi)指揮部， 以統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)抗震救災(zāi)工作， 是否立即出動國家級地震災(zāi)害救援隊或省級地震災(zāi)害救援隊， 同時組織和出動醫(yī)療隊伍等； 2)在市級尺度上， 根據(jù)災(zāi)區(qū)各市的死亡人員識別重災(zāi)市并建議優(yōu)先調(diào)動哪些城市的地震專業(yè)救援隊和物資儲備， 并準(zhǔn)備接收轉(zhuǎn)移的傷患等； 3)在縣級尺度上， 根據(jù)災(zāi)區(qū)各縣的死亡人員識別重災(zāi)縣并建議調(diào)動周邊各縣的救援人員、 設(shè)備和物資儲備， 并指示準(zhǔn)備接收轉(zhuǎn)移的傷患和疏散民眾。根據(jù)各縣的震害， 根據(jù)已有模型估算救援需求， 如救援隊伍需求、 醫(yī)療隊伍需求以及帳篷需求等， 并上報國務(wù)院。

(2)救援目標(biāo)的精確定位與救災(zāi)路線設(shè)計相關(guān)的建議。 根據(jù)鎮(zhèn)級尺度的震害表示， 分析與識別重災(zāi)鎮(zhèn)， 并結(jié)合災(zāi)區(qū)公路分布與我們的其他研究成果——災(zāi)區(qū)滑坡導(dǎo)致的公路阻斷快速評估結(jié)果， 給出關(guān)于救援目標(biāo)定位和救災(zāi)路線設(shè)計的決策建議。到達重災(zāi)鎮(zhèn)之后， 救援隊伍可以根據(jù)技術(shù)支撐部門提供的格網(wǎng)級精度的震害表示， 進行精確尋址， 找到救援目標(biāo)。

地震應(yīng)急救援需要政府部門統(tǒng)籌、 有序和高效地指揮救援力量的部署和救援物資的調(diào)配， 如快速成立符合行政管理程序的應(yīng)急指揮體系， 指出重點救援目標(biāo)和優(yōu)先調(diào)動的救援資源， 擬定合理的救援行動計劃等。這就要求政府部門掌握精確而多尺度的災(zāi)情信息， 以擬定出科學(xué)的應(yīng)急救援計劃。高精度的震害分布及基于多尺度表示的重災(zāi)區(qū)逐級定位可以在一定程度上滿足政府部門的信息需求。

地震災(zāi)害快速評估的準(zhǔn)確度是非常不易控制的， 因為其影響因素太多太復(fù)雜， 包括地震影響場的偏差， 評估模型產(chǎn)生的誤差(主要是建筑物易損性的不確定性太大)， 地震次生災(zāi)害如地質(zhì)災(zāi)害、 火災(zāi)以及毒氣災(zāi)害等的難以定量評估， 還有高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)所固有的誤差等。本文通過提高評估所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度在一定程度上提升了評估準(zhǔn)確度， 但其影響非常有限。比如， 在試驗驗證中考察的魯?shù)榈卣鹑藛T死亡， 評估誤差還是非常大的， 盡管相比原評估技術(shù)有所提高。中國地震局對震害快速評估準(zhǔn)確度的要求是將評估誤差控制在1個數(shù)量級以下?？梢娞岣哒鸷焖僭u估的準(zhǔn)確度， 現(xiàn)狀不容樂觀而未來還要繼續(xù)努力。目前， 高精度承災(zāi)體數(shù)據(jù)在中國境內(nèi)的部分地區(qū)沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)質(zhì)量較差， 對災(zāi)情評估和應(yīng)急決策建議工作有較大影響， 需要在未來的工作中進一步深入研究。

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EARTHQUAKE DISASTER RAPID ASSESSMENT FOR EMERGENCY RESPONSE SUPPORTED BY HIGH-PRECISION DATA OF HAZARD BEARING BODY

AN Ji-wen1)XU Jing-hai2)NIE Gao-zhong1)BAI Xian-fu3)

1)InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)CollegeofGeomaticsEngineering，NanjingTechUniversity，Nanjing211816，China3)YunnanEarthquakeAdministration，Kunming650224，China

The earthquake disaster rapid assessment(EDRA)is the core technical support for the post-earthquake emergency response. At present， with the popularization of high-precision population， social and economic data， most of the subordinate units of China Earthquake Administration(CEA)have heightened the precision of hazard bearing body data used in EDRA from the original county-level precision to the 30″×30″ precision. However， while the precision of fundamental data has been heightened， no efforts have been made to improve the main algorithms and the technical process of EDRA. It turns out that the assessment has become more accurate， but the problems of the time-consuming process(10-20 minutes， probably 20 minutes or more in great earthquakes)and the low-precision losses distributions that exposed in EDRA supported by county-level precision data remain unresolved.

This paper introduces the high-precision(30″×30″)hazard bearing body data， and describes the principle of EDRA and its implementation under the support of county-level precision data at first. Then the paper elaborates the principle of improving EDRA’s data foundation using high-precision hazard bearing body data， the principle of improving the computation efficiency and persisting the data precision in the assessment process by means of the cell-to-cell grid algebraic operation， and the method for improving the assessment speed through the segmentation and reorganization of the technical process of EDRA.

It is validated that through the improvements， the EDRA has become more accurate and much less time-consuming(less than 1 minute)， and is able to output high-precision(30″×30″)distributions of seismic losses. The high-precision hazard bearing body data of wide range are the simulated data but not the survey data. Though the data have been simulated based on the census data， there is still a gap between their accuracy and the real situation. Further research and optimization on the data are needed.

high-precision hazard bearing body data， earthquake disaster rapid assessment， earthquake emergency rescue， post-earthquake emergency response

10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.022

2014-11-13收稿， 2015-05-18改回。

中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA1109)資助。 *通訊作者： 徐敬海， 副教授， E-mail: xu_jing_hai@163.com。 ① 中國地震信息網(wǎng)， http: ∥www.csi.ac.cn/。

P316

A

0253-4967(2015)04-1225-17

安基文， 男， 1981年生， 2010年于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所獲地理信息系統(tǒng)與地圖學(xué)專業(yè)博士學(xué)位， 助理研究員， 主要研究方向為地震應(yīng)急與減災(zāi)， 電話： 010-62009159， E-mail： coramap@outlook.com。