常兆中 黃世敏 符圣聰 江靜貝 倪永軍 葛學禮 朱立新

(1.中國建筑科學研究院,北京 100013; 2.北京交通大學,北京 100044)

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城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應用

常兆中1黃世敏1符圣聰1江靜貝1倪永軍2葛學禮1朱立新1

(1.中國建筑科學研究院,北京 100013; 2.北京交通大學,北京 100044)

基于SuperMap平臺，開發(fā)了城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)，設計了軟件系統(tǒng)的功能框架和數(shù)據(jù)庫結構，在SuperMap Object上進行二次開發(fā)，編制了地震動分析、道路分析、市政管網(wǎng)分析和建筑物分析功能模塊，開發(fā)了外部數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了GIS系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)的批量輸入，系統(tǒng)可應用于城市的信息管理、城市震害預測評價和防震減災輔助決策。

地理信息系統(tǒng)，抗震防災規(guī)劃，SuperMap Object二次開發(fā)

0 引言

隨著城市化進程的加快，我國城市的規(guī)模和城市的數(shù)量急劇擴張，城市中由于地震而產生巨大損失的風險越來越大。國內外地震經驗和地震災害調查表明，做好城市的抗震防災規(guī)劃對于規(guī)避地震風險、減輕地震災害具有重要的意義。2003年,建設部發(fā)布了《城市抗震防災規(guī)劃管理規(guī)定》，明確提出了城市抗震防災規(guī)劃作為城市總體規(guī)劃下的一個專項規(guī)劃。2007年，我國頒布了《城市抗震防災規(guī)劃標準》,規(guī)定了抗震防災規(guī)劃編制的具體要求，至此，我國城市抗震防災規(guī)劃的編制工作已經制度化，編制的工作任務日益繁重，GIS，GPS等新技術在抗震防災規(guī)劃中的應用受到日益廣泛的重視。地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，基于GIS系統(tǒng)進行抗震防災規(guī)劃，可以方便的將城市的地理空間信息與抗震防災規(guī)劃的數(shù)學模型相結合，充分利用GIS的圖形和數(shù)據(jù)處理能力，實時、動態(tài)處理大的信息量和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地震災害分析和預測的可視化，有效提高城市抗震防災規(guī)劃的研究和應用水平。

GIS在城市抗震防災中的應用研究在美國和日本開展的比較早，目前在國際上已經形成了一定的規(guī)模。美國聯(lián)邦急難管理署(FEMA)基于ESRI公司的ArcView和MapInfo公司的MapInfo6.0于1997年開發(fā)了標準風險評估方法系統(tǒng)HAZUS-97，隨后不斷升級和開發(fā)，迄今已包括了地震災害潛勢分析、基本數(shù)據(jù)、直接災害、次生災害、直接和間接損失等模塊。在日本，建筑署研究所和NASDA等政府機構基于Arc/Info軟件建立了防震減災應急系統(tǒng)，日本國土廳基于Arc/Info軟件組織開發(fā)了地震防災情報系統(tǒng)(EDIS)，在日本的抗震防災工作中發(fā)揮了積極的作用。我國從“八五”和“九五”開展典型城市綜合防災對策示范研究開始，經過數(shù)十年的研究和發(fā)展，GIS在我國城市防震減災中已廣為應用，應用主要集中在地震動參數(shù)區(qū)劃圖的編制、抗震設防區(qū)劃、地震危險性分析、地震損失評估、生命線工程震害預測、城市建筑物震害預測、城市道路交通系統(tǒng)震害預測、震后次生災害預測和城市地震輔助決策與應急指揮等，應用過程中先后開發(fā)了基于國內外現(xiàn)有GIS平臺或自主開發(fā)平臺的軟件系統(tǒng)[6-]13〗。目前，GIS技術在城市抗震防災中的應用大都處于震時和震后的應急響應以及平時的信息查詢管理上，對震害的動態(tài)評估、預測、模擬等研究還缺乏深度，軟件系統(tǒng)功能單一，GIS強大的空間分析功能未能得到很好地應用。本文基于SuperMap GIS平臺[14]，以空間分析、網(wǎng)絡分析等為基礎，結合有關專題數(shù)據(jù)模型，開發(fā)了城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)，將地震危險性分析與地震動小區(qū)劃、建筑物震害預測、生命線工程震害預測、經濟損失與傷亡人員預測、防震減災對策與輔助決策等研究成果進行集成，并在多個城市的防震減災規(guī)劃工作中得到了應用。

1 系統(tǒng)框架設計

系統(tǒng)在SuperMap平臺上進行了二次開發(fā)，在平臺原有地圖操作、文件操作和數(shù)據(jù)庫維護等基本功能的基礎上，增加了外部數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)查詢維護和災害預測與輔助決策子模塊，軟件的系統(tǒng)框架見圖1。

系統(tǒng)開發(fā)的核心是防震減災專業(yè)模型和信息管理功能如何在GIS平臺上實現(xiàn)。專業(yè)模型計算所需的數(shù)據(jù)由GIS系統(tǒng)輸入和維護，計算結果存儲在GIS系統(tǒng)中，通過GIS系統(tǒng)的可視化功能顯示計算結果。系統(tǒng)設計時，防震減災專業(yè)模型的實現(xiàn)采用了以下三種方式：基于SuperMap Objects直接編寫功能模塊，功能模塊作為動態(tài)鏈接庫由GIS系統(tǒng)調用，功能模塊作為外部程序由GIS系統(tǒng)調用。對于數(shù)據(jù)量大的專業(yè)計算模塊，核心計算程序由數(shù)值計算能力強大的Fortran語言編寫，由GIS系統(tǒng)調用執(zhí)行。城市抗震防災規(guī)劃需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理，因此，數(shù)據(jù)輸入和輸出的效率，防震減災專業(yè)模型與GIS系統(tǒng)間大量數(shù)據(jù)的交互，是本系統(tǒng)設計的關鍵。

目前，系統(tǒng)集成了城市用地抗震性能評價、地震危險性分析、土層地震反應分析、道路橋梁和市政管網(wǎng)的震害預測與分析，人員傷亡和地震損失計算，人員避震疏散分析等功能。各子模塊的主要功能框架見圖2～圖5。

2 系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)庫設計

GIS系統(tǒng)包括兩種地理數(shù)據(jù)：空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)是描述自然界中空間實體的空間位置和空間拓撲關系的數(shù)據(jù)，分為矢量和格柵兩種形式，作為城市抗震防災規(guī)劃的研究對象，建筑物、道路、橋梁和管網(wǎng)等通過空間數(shù)據(jù)以圖形的形式在系統(tǒng)中表示。屬性數(shù)據(jù)是描述空間實體特征、性狀的信息數(shù)據(jù)，如建筑的結構類型、層數(shù)和層高等信息，工程場地的場地類別、特征周期等信息，由用戶輸入。

根據(jù)城市抗震防災規(guī)劃編制的研究對象，建立了包括城市建筑數(shù)據(jù)庫、城市道路數(shù)據(jù)庫等在內的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(見圖6)。根據(jù)數(shù)據(jù)對象對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和計算結果的存儲要求，設計了各數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)矢量表結構，并由系統(tǒng)自動創(chuàng)建。數(shù)據(jù)對象的屬性并可通過屬性輸入窗口進行輸入和修改(見圖7)。

城市建筑、道橋和管網(wǎng)等原始數(shù)據(jù)通常存儲在CAD圖形文件和txt,Excel等文本文件中，如何將龐大的數(shù)據(jù)輸入至GIS系統(tǒng)中是軟件開發(fā)和應用的難點。SuperMap作為通用的地理信息系統(tǒng)平臺，提供了讀入CAD和txt等數(shù)據(jù)源的接口，但需要針對不同的數(shù)據(jù)庫結構開發(fā)專用的數(shù)據(jù)接口。

在SuperMap中，常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)輸入方式僅適用于數(shù)據(jù)量比較少的GIS應用。當數(shù)據(jù)量比較大時，逐個輸入數(shù)萬、幾十萬，甚至上百萬的屬性數(shù)據(jù)是不可想象的巨大工作。為解決批量屬性數(shù)據(jù)的輸入問題，本系統(tǒng)對SuperMap的屬性數(shù)據(jù)輸入功能進行了擴展[15]，可提取CAD圖形文件中的圖形屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了屬性數(shù)據(jù)的批量輸入功能。批量輸入的基本思路是AutoCAD圖形對象和GIS中的數(shù)據(jù)集對象具有相同的空間坐標，在GIS系統(tǒng)中通過節(jié)點坐標來得到數(shù)據(jù)集對象節(jié)點的標識碼，根據(jù)節(jié)點標識碼從屬性文本文件中讀取屬性數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)批量輸入。

數(shù)據(jù)輸入至數(shù)據(jù)庫后，通過在GIS平臺上開發(fā)的數(shù)據(jù)庫查詢、修改、刪除等功能進行維護，除此之外，本系統(tǒng)對SuperMap的數(shù)據(jù)庫功能進行了擴展，增加了根據(jù)輸入的空間數(shù)據(jù)表格，對圖形對象的拓撲關系進行檢查的功能。

防震減災子模塊的計算結果保存在數(shù)據(jù)庫中，并可在GIS系統(tǒng)中圖形化顯示。通過開發(fā)的數(shù)據(jù)輸出接口，可將計算結果輸出為CAD圖形文件，如在CAD文件中繪制道橋和市政管網(wǎng)系統(tǒng)的震害預測結果。

3 系統(tǒng)應用

城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)可用于城市的信息管理、城市震害預測評價和防震減災輔助決策。

利用GIS平臺強大數(shù)據(jù)庫和圖形能力，可以實時、動態(tài)進行城市基礎信息的管理，為震時和震害決策提供基礎數(shù)據(jù)。

城市震害預測主要包括建設場地抗震適宜性評價、基礎設施的抗震評估、城區(qū)建筑的抗震評估和地震次生災害危險性評價。

系統(tǒng)的輔助決策功能目前主要包括地震損失和人員傷亡估計、震后市政管網(wǎng)的連通性、震后道路和橋梁的連通性及人員疏散方案。以震后道路和橋梁的連通性為例，通過對地震作用下道路和管網(wǎng)的震害計算，根據(jù)對震后城市的道路網(wǎng)絡連通性和市政管網(wǎng)的連通性分析結果，用不同的顏色將網(wǎng)絡的連通等級顯示在GIS圖形平臺，使震害預測與評估成果可視化、動態(tài)化，便于輔助決策。

4 結語

本文根據(jù)城市抗震防災的要求，基于SuperMap平臺開發(fā)了“城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)”，建立了地震動分析、道路網(wǎng)絡分析、市政管網(wǎng)分析和建筑震害預測與輔助決策等四個子功能模塊。該系統(tǒng)可對城市建筑物、生命線管網(wǎng)、道路交通系統(tǒng)的抗震性能進行評估，并預測可能出現(xiàn)的震害，為城市管理和抗震防災管理部門的決策提供基礎數(shù)據(jù)。

[1]GB 50413—2007,城市抗震防災規(guī)劃標準.

[2]Kang-tsung Chang.地理信息系統(tǒng)導論.北京：科學出版社,2003.

[3]FEMA 366. HAZUS-99 Estimated Annualized Earthquake Losses for the United States. Federal Emergency Management Agency,2000.

[4]滕五曉,加藤孝明,小出治.日本災害對策體制.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[5]黃世敏.地理信息系統(tǒng)在國內城市防震減災中的應用研究綜述.四川建筑科學研究,2007(33):1-6.

[6]葉 洪,周 慶.在中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編制中GIS信息系統(tǒng)的應用.地震地質,2004,26(4):742-749.

[7]馬東輝,蘇經宇.基于GIS的抗震設防區(qū)劃計算機應用模型.自然災害學報,1998,7(2):74-76.

[8]王曉青,丁 香.基于GIS的地震現(xiàn)場災害損失評估系統(tǒng).自然災害學報,2004,13(1):118-125.

[9]湯 皓,陳國興.COMGIS在工程場地地震災害風險預測中的應用.自然災害學報,2005,14(4):127-134.

[10]葛學禮,朱立新.城鎮(zhèn)與企事業(yè)單位抗震防災管理軟件及其應用.工程抗震,1999(2):38-43.

[11]江建華，李素貞，李 杰.基于GIS的城市生命線工程地震反應仿真研究——以上海市供水系統(tǒng)為例.災害學,2001,16(1):23-28.

[12]高 杰，馮啟民.基于ArcViw9.0的城市震害預測及應急預測信息系統(tǒng)研究.世界地震工程,2006,22(3):32-39.

[13]鄭茂輝，羅奇峰.基于GIS的城市抗震防災規(guī)劃信息管理系統(tǒng).災害學,2010,25(S0):343-345.

[14]北京超圖地理信息技術有限公司,SuperMap DeskPro用戶手冊.2001.

[15]常兆中,黃世敏.城市抗震防災規(guī)劃地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入方法.測繪與空間地理信息,2013,36(12):4-7.

Development and application of Geographic Information System for urban planning on earthquake resistance and hazardous prevention

Chang Zhaozhong1Huang Shimin1Fu Shengcong1Jiang Jingbei1Ni Yongjun2Ge Xueli1Zhu Lixin1

(1.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China; 2.BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

The Geographic Information System for urban planning on earthquake resistance and hazardous prevention is developed based on the SuperMap platform. The software system framework and database structure are designed, the secondary development of SuperMap Object is carried out, the modules of seismic analysis, road network analysis, the municipal pipe network analysis and building analysis are build. This report develops a external data interface and provides a practical solution for attribute data batch input to GIS. The system can be applied to the information management of city, the urban earthquake disaster prediction and evaluation and the assistant decision-making.

GIS， planning of earthquake disaster prevention and reduction, SuperMap Object secondary development

1009-6825(2015)21-0016-03

2015-05-13

常兆中(1970- )，男，博士，高級工程師

TU352

A