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MapGIS地震信息化,开创广东省抗震设防新局面

发布日期:2019-10-12 发表者:傅鹏 刘辉 浏览次数:32次

地震直接灾害是地震的原生现象,如地震断层错动,以及地震波引起地面振动,所造成的灾害。主要有:地面的破坏,建筑物与构筑物的破坏,山体等自然物的破坏(如滑坡、泥石流等),海啸、地光烧伤等。地震次生灾害是直接灾害发生后,破坏了自然或社会原有的平衡或稳定状态,从而引发出的灾害。主要有:火灾、水灾、毒气泄漏、瘟疫等。我国是一个多地震的国家,位于世界两大地震带--环太平洋地震带与欧亚地震带上,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分活跃。目前仍处在20世纪以来的第五个地震活跃期,地震活动频繁,防震减灾工作将直接影响着我国的经济发展及社会安定。在过去的多年里,地震信息化一直在试图利用新的技术来突破地震监测、预报的难题,而我们从地震局发布的十三五规划来看,重点放在了强化防震减灾社会管理、拓展防震减灾公共服务、全面提升防震减灾基础能力三个层面。


城市抗震设防基础数据三维可视化服务系统建设

在防震减灾整体工作中,震害防御工作具有非常重要的地位。为了实现广东省地震局“十二五”规划内容,以及为广东省地震安全创新服务平台提供更多技术先进、内容实用的震防产品,广东省地震局启动了“城市抗震设防基础数据三维可视化服务系统建设”项目,从而期望实现防震减灾“地上结实,地下清楚”的目标。武汉中地数码科技有限公司联合广东省地震局,共同研发完成了“城市抗震设防基础数据三维可视化服务系统”。该项目研究区为广州市主城区,包括天河、越秀、黄埔、白云、荔湾和海珠区,面积达1500 km2。充分利用历史钻孔数据和“城市抗震设防基础数据三维可视化服务系统”来开展工作。系统将地震、地震地质、震害预测、地震小区划、活断层探测等抗震设防数据集中管理,并以二、三维形式表达,实现地下、地表、地上抗震设防基础数据二、三维一体化,为工程规划决策、初步设计、选址及施工提供更为直观和全面的分析,并以更为广泛的抗震设防信息服务于社会。

  系统基于最新的地理信息基础平台MapGIS10平台研制。功能模块包括数据管理与维护子系统(C/S)、专业分析评价子系统(C/S)、三维建模子系统(C/S)、二三维综合展示子系统(C/S)、广东地震灾害风险管理服务平台(B/S),系统架构图如图1所示。


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图1系统总体框架


       地震数据建库管理

       地震数据库是指当震灾发生后,及时控制灾源、快速开展地震应急救援活动,做好指挥决策需要了解和掌握的社会、经济、人口、自然地理地貌、重要目标位置、救灾队伍情况等基础性数据资料中心,是政府应对地震突发事件的重要决策依据,对于提高政府防震减灾和应对突发地震事件能力具有十分重要的意义

数据管理与维护子系统将基础地理数据、DEM、遥感影像、钻孔数据(基本信息、分层、试验数据)、钻孔柱状图(含试验曲线)、剖面图、基础专业数据(地震构造图、地震动区划图等)、地震小区划、震害预测(建筑物分布图、供水供气管线等)、震源分布、活断层探测数据等二、三维抗震设防数据按照标准数据结构处理后,统一组织和管理;依据相关规范和标准,建立了符号库。除常用的数据录入、导入、导出、添加、修改、删除、分析和输出,文档管理、数据检查、数据字典等功能外,还支持编辑标准地层、钻孔地层标准化等。

 

地震小区划分析评价

结合地震地质专业数据,按照国家和地方标准提供地震小区划分析评价,包括砂土液化判别、软土震陷判别、建筑物场地类型评价、抗震防灾用地类型评价、城市用地抗震适宜性评价、避震救援疏散路径分析等,为城市规划、工程建设提供直观的抗震设防分析评价结果。

利用历史钻孔数据,依据相关规范、计算方法,运用地震数据定量分析与模型数学分析评价技术,自动生成场地工程地质条件、地震小区划分布图,以及城市用地分布图等,运用模版定制与剖面制作技术,自动生成钻孔柱状图、剖面图等,提高了成图效率与精度。

砂土液化判别:根据地震裂度分区,结合工程地质结构调查获取的浅层砂层空间分布情况、地下水位情况根据相关规范标准进行砂土液化评价,生成砂土液化分布图;如下图2所示,砂土液化较严重的地区主要分布在广州南部珠江沿岸地带,也与实际地质条件相符。


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2砂土液化判别


软土震陷分布图:根据软土层厚度、及剪切波速特征值、塑性指数、液性指数、液限含水量等参数,按照规范标准中划分等级判别软土震陷,生成软土震陷分布图,见图3,系统集成了三种软土震陷计算标准,适用于不同地区的软土震陷评价。

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          图3软土震陷分布图                                图4建筑场地类别分布图


建筑场地类别分布图:根据《建筑抗震设计规范》进行判断,依据岩石的剪切波速或土层的等效剪切波速进行分类生成建筑场地类别分布图(图4)。


三维建模与分析

所谓“三维地质模型”,是指真实反映地层、地貌、地质构造以及地质现象等的几何模型。三维地质建模技术本身是一种集合了地质学、数学、计算机图形学、地球物理学以及概率统计学等多种学科的技术,是多种先进技术有机结合的产物。由于三维地质模型中的各项基础数据有着较多的来源途径,所以必须在对各种数据进行综合分析及考虑的基础上,才能够建立起最终的三维地质模型。

运用三维建模与可视化技术,对全工作区638 km2的范围,利用钻孔数据,结合地形图、地质图等相关资料,按照地层年代进行三维地质体快速自动建模(图5)。


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图5地质体自动建模



建设地质体三维模型、地下管线三维模型、褶皱构造三维模型、断层构造三维模型、震源分布三维模型、建筑物三维模型、曲面三维模型、地形三维模型等,使建立的三维地质模型以三维真实感图象的形式形象地表达地质体真实形态、特征以及三维空间物化属性参数的分布规律。

系统提供地上建筑物三维模型构建工具,基于地上建筑物分布图以及建筑高度数据自动构建地上三维建筑模型(图6),模型需要支持真实、立体的纹理贴图,针对草地、水泥地、球场等不同材质地面通过遥感影像解译可以确定区域位置,并且按照其范围分割成独立的部分,每一部分单独贴上材质和纹理。

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6建筑物建模



对已经建立的三维建筑模型,系统提供破坏效果可视化功能,并支持分析结果可视化展示(图7)。此功能主要是根据房屋破坏程度的不同,在三维建筑物模型上用纹理贴图显示不同破坏效果,同时进行统计分析,将不同破坏程度的建筑物范围进行统计并输出分布图(图8),也支持查询指定地震烈度下某种破坏状态的建筑物分布范围。显示破坏效果时包括五类效果,按照建筑物破坏程度逐渐加重划分为5级(基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏),每一级对应一类破坏效果纹理图片,每种类型提供多个破坏效果在建筑物模型上随机显示。

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7建筑物震害结果二三维一体化展示


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8 建筑物震害分析结果统计


系统提供地下三维管线建模功能,管线建模工具支持基于MapGIS网文件,线文件及指定格式的文本数据来进行管线模型建立,提供管线破坏效果计算及判别的功能,输入地面运动速度、水平地震系数、面波传播系数、管道壁厚、管道外径等信息,可以计算出管轴向变形、轴向压缩变形等数值,还可以进行震害判别(图9)。

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9管线三维震害分析


全空间三维展示

对空中、地上、地表、地下三维信息进行一体化管理与显示(图10),完整表达三维空间信息,实现多维时空信息的全共享。集成展示全空间地上地下一体化三维模型,使得地上景观模型、地下地质结构模型、地下管线模型、地铁模型进行一体化的集成展示。支持地上地下三维模型无缝对接展示。对地形、地上人工构建筑物、地下管线、地震工程场地三维地质模型、断层及震源分布进行三维展示,同时基于一体化的三维模型,结合抗震设防等级进行建筑物、管线震害分析,为震害评估和救援提供辅助决策依据。

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图10地上、地表、地下模型一体化展示



取得的成果

本项目取得的成果之一是从根本上改变了地震局原有的工作方式,极大提高了工作效率之余也为地震地质专业人员提供了一个更新更全面信息服务平台,实现了地震资料数据的集中管理,地震小区划成果的自动化计算和图件的自动、半自动生成,实现了地下、地表、地上三位一体三维建模,更直观地展示震害防御信息,使用户更有效利用各类成果;在广州市地震地质灾害危险性评估中,利用系统自动生成了建筑场地类别分布图、场地土类型分布图、砂土液化判别图、软土震陷分布图、城市用地抗震防灾类型分布图、建筑物场地有利-一般-不利和危险地段分布图、城市用地抗震适宜性分布图等,以上成果为广州市城市用地规划、防震减灾规划、建设工程选址、区域地震安全性评价等提供直观、详尽的抗震信息,为广州市城市建设和经济可持续发展提供保障。

 

地震信息化展望

随着大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴技术的飞速发展,在地震信息化领域对我们提出了更高的要求。

首先是地震监测预警的可视化:实现对监测台网各属性信息的管理,满足对监测台网空间信息的查询、检索、统计,并实现二三维一体化的展示;地震监测卫星数据可视化,利用地震卫星波形数据、频谱数据的进行三维显示与分析。

其次是地震次生灾害预测分析:强震发生后,自然以及社会原有的状态遭到破坏,造成山体滑坡,泥石流,危险物爆炸,火灾等一系列的因地震引起的次生灾害,严重威胁人类生命财产安全,需要实现对次生灾害的可视化模拟,采用三维虚拟现实技术对洪水淹没、滑坡预测、水污染分析和火灾等进行预演。

最后在地震应急救援领域,能够在基础数据库和现场信息的支持下,迅速判断地震的规模、影响范围、损失等情况,并结合灾区现场的实际情况提出一系列科学的救灾方案和调度方案,协助指挥人员实施各种地震救灾行为.实现地震应急信息和图件快速传递、高效处理,提高应急救灾指挥与决策的技术水平,加快应急指挥辅助决策材料的产出,最大限度地减少震时的混乱和人员伤亡。

未来,我们相信将会共同见证地震信息化广泛服务。