学校编码 :10384 分类号密级学号 :X UDC 工程硕士学位论文基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现 Design and Implementation of the Earthquake Disaster Loss Assessment System B

Size: px

Start display at page:

Download "学校编码 :10384 分类号密级学号 :X UDC 工程硕士学位论文基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现 Design and Implementation of the Earthquake Disaster Loss Assessment System B"

态适卓
4 years ago
Views:

1 学校编码 :10384 分类号密级学号 :X UDC 工程硕士学位论文基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现 Design and Implementation of the Earthquake Disaster Loss Assessment System Based on GIS 指导教师 : 王伟杨律青副教授专业名称 : 软件工程论文提交日期 : 年 4 月论文答辩日期 : 年 5 月学位授予日期 : 年月指导教师 : 答辩委员会主席 : 2013 年 5 月

2 厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下, 独立完成的研究成果本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果, 均在文中以适当方式明确标明, 并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范 ( 试行 ) 另外, 该学位论文为 ( ) 课题 ( 组 ) 的研究成果, 获得 ( ) 课题 ( 组 ) 经费或实验室的资助, 在 ( ) 实验室完成 ( 请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称, 未有此项声明内容的, 可以不作特别声明 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

3 厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文, 并向主管部门或其指定机构送交学位论文 ( 包括纸质版和电子版 ), 允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅借阅本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士硕士学位论文共建单位数据库进行检索, 将学位论文的标题和摘要汇编出版, 采用影印缩印或者其它方式合理复制学位论文本学位论文属于 : ( )1. 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文, 于年月日解密, 解密后适用上述授权 ( )2. 不保密, 适用上述授权 ( 请在以上相应括号内打或填上相应内容保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文, 未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文此声明栏不填写的, 默认为公开学位论文, 均适用上述授权 ) 声明人 ( 签名 ): 年月日

4 摘要新疆地震活动分布广强度大频度高类型全, 是我国地震灾害最为严重的地区之一随着西部大开发战略的实施, 我区社会经济将有更快的发展, 城市生命线工程重大工程特殊工程及基础设施建设规模将不断扩大, 城镇化进程将加快, 在这样一个多震的地方, 一旦发生破坏性地震, 其损失将会加大因此, 在积极发展经济的同时, 努力减轻地震灾害带来的人员伤亡和财产损失, 把地震对社会的影响控制到最小程度, 是地震应急管理工作的重要任务在当今科研条件下, 人类尚无法控制地震的发生也不能在震前对地震进行准确的预报, 为了减轻地震的直接经济损失, 只有在震后的紧急救援过程和应急响应方面采取高效的措施经验证明, 通过对灾区进行的准确的快速评估就可以提高地震应急救援的综合能力, 很的程度上减轻地震灾害地理信息系统技术由于其空间数据管理功能, 空间分析和建模能力空间数据可视化和制图功能等优点, 在震害预估评估及防震减灾研究中发挥着不可替代的作用本文通过对震害评估模型和方法的分析及基于组件式 GIS 开发技术的研究, 利用 C# 语言和 ArcGIS Engine 组件, 实现一套基于 GIS 的震害损失评估系统, 能为地震灾害进行快速灾害损失评估, 为指挥长提供辅助决策关键词 : 灾害损失评估 ; 地震应急 ; 地理信息系统 ;

5 Abstract Xinjiang earthquake activity of wide distribution, high strength, high frequency, type the whole, is one of the most serious areas of earthquake disaster in china. With the implementation of the western development strategy, our district economy society, will have a faster development, city lifeline engineering, major projects, special projects and infrastructure construction will continue to expand the scale, the process of urbanization will be accelerated, in such a place once the earthquake occurs, the destructive earthquake, the loss will increase. Therefore, in the positive development of economy at the same time, efforts to mitigate earthquake disasters caused casualties and property losses, to control the influence of earthquake on society to a minimum, is an important task for earthquake emergency management. In the present research conditions, the human is unable to control the occurrence of earthquakes is not before the earthquake on seismic accurate prediction, in order to direct economic loss mitigation of earthquake, only to take effective measures in respect of the emergency rescue process after the earthquake and emergency response. Experience proves, through the rapid assessment of disaster accurate can improve comprehensive ability of earthquake emergency rescue; it is the extent of earthquake disaster reduction. The geographic information system technology because of its function of spatial data management, spatial analysis and modeling capabilities, the advantages of spatial data visualization and mapping function, in the earthquake damage prediction plays an irreplaceable role in the research on Evaluation and earthquake prevention and disaster mitigation. Based on the seismic damage assessment model and analysis method and research and development technology based on component GIS, using C# language and ArcGIS Engine components, to achieve a set of assessment system of earthquake loss based on GIS, for the earthquake disaster rapid disaster assessment, for the commander to provide auxiliary decision. Keywords: Disaster loss assessment; Earthquake emergency; Eeographic information system.

6 目录第一章绪论地震灾害损失评估研究及其意义国内外研究现状本文的研究内容论文结构与安排... 5 第二章基本概念和相关技术概述地震灾害损失的概念系统开发平台地理信息系统数据库技术本章小结第三章地震灾害损失评估方法模型确定与计算椭圆模型的选择地震灾害损失评估模型本章小结第四章地震灾害损失评估系统的需求分析与设计系统的需求分析系统设计原则系统总体架构设计功能模块设计数据库设计本章小结第五章基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的实现开发与运行环境... 40

7 5.2 系统主要代码系统实现的主要界面实现的应用展示辅助决策报告系统测试本章小结第六章总结与展望总结展望参考文献致谢... 63

8 Contents Chapter 1 Introduction Evaluation of earthquake disaster losses and its significance Research status at home and abroad The research contents of this paper The structure and the arrangement... 5 Chapter 2 Overview of the Basic Concept and Related Technology The concept of earthquake disaster loss System development platform Geographic Information System Database technology The summary of this chapter Chapter 3 Earthquake Disaster Loss Evaluation Method Determination and calculation model The ellipse model selection The earthquake disaster loss assessment model The summary of this chapter Chapter 4 Requirement Analysis and Design of the Earthquake Disaster and Loss Prediction System The system needs analysis The design principle of the system The overall system architecture design The function module design Database design The summary of this chapter Chapter 5 Implementation the Earthquake Disaster and Loss Prediction System... 40

9 5.1 Development and runtime environment System code The main interface of system implementation The application shows Auxiliary decision-making Report System testing The summary of this chapter Chapter 6 Summary and Outlook Summary Prospect Reference Thanks... 63

10 第一章绪论第一章绪论 1.1 地震灾害损失评估研究及其意义地震灾害损失评估研究地震灾害评估是指在地震发生后以对人和经济社会发展的影响为核心, 因地震而造成人们生活的物质的灾害损失的程度和灾害破坏的规模进行总结, 通过相关计算, 对灾情损失大小做出的评定与估计 [1] 一般来讲, 地震灾害损失评估主要分为三种模式 : 第一种方式是在地震尚未发生之前, 通过预报人员的科研和研判, 划分该区域的潜在地震危险区对潜在地震危险区未来因地震遭造成的地震灾害及损失所作的预估, 其目的主要为了防震减灾事业规划, 震害防御部门或者建设部门可以根据该地区的地震灾害的评估与预测, 采取必要的防震抗震措施一般将其称为震前预估 [2] ; 第二类评估方式是地震发生的较短时间内 ( 一般震后半个小时 ), 由于灾情调查非实时性的客观原因, 对灾区已经或可能发生, 截止目前尚且不能准确掌握的灾情进行的估计, 该评估的直接目的是为了应急救援和现场指挥, 为指挥长的科学有效的安排应急救灾提供辅助决策 [3], 一般称为实时评估 ; 第三种方式是专业评估队员赴地震灾区后, 通过前期的灾情了解, 对震后灾区的房屋基础设施等各类灾区信息进行破坏性调查计算统计, 对该次地震的准确灾情损失所做的计算和评判, 其目的是评定该次地震造成的损失大小, 并且其所得出的经验 ( 如影响场破坏矩阵 ), 又可以反过来为研究前两种评估模式提供理论基础和服务, 一般称其为震后损失评估上述三种评估的最终目的具有统一性, 都是以减轻地震灾害损失为目的然而, 由于业务发生的时间和评估的条件不尽相同, 在实际评估过程中, 三种评估模式和计算方式等不尽相同 [4] 地震灾害损失预测评估研究在地震灾害评估中具有重要意义, 它主要指地震对人工建筑环境破坏所造成的经济损失和人员伤亡等情况做出预测和评估影响地震灾害损失程度的两个主要因素是该区域的地震烈度衰减关系和人工建筑设施的易损性 [5] 所以, 烈度衰减关系和建筑易损性分析是地震灾害损失预测和评估的两项重要内容地震发生后, 准确的确定已经发生的地震 ( 成为设定地震或潜在震源 ) 的位 1

11 基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现置, 预测获取地震震中的经纬度信息和震级, 是地震危险性分析的基本任务 [6] 目前常用的两种地震危险性分析方法是历史地震重演法和概率法易损性分析是研究地震对建筑物及其他人造设施的损害, 这部分工作主要由地震台网中心和建筑师和社会经济学家等完成 [7] 在地震烈度衰减关系及建筑易损性分析研究的基础上, 对地震所造成的灾区人员伤亡 ( 包括死亡人数重伤轻伤及无家可归人员 ) 建筑物损坏 ( 包括不同类型建筑物毁坏严重破坏中等破坏和轻微破坏 ) 程度灾区经济损失的预测也都包含在地震灾害损失预测研究的范畴之内一般来讲, 近代地震灾害预测研究可以划分为三个相对独立而又相互联系的内容 : 地震参数地震动和地震动灾害及其损失预测研究 [8] 本文的研究出发点就是通过震中位置的地震烈度衰减关系和历史震害的易损性计算, 在震后对现场评估人员还到达现场之前, 对此次地震造成的损失进行快速评估, 即第二种模式新疆地区地震灾害损失评估研究背景新疆是中国大陆主要的强震活动区, 强震区与人口稠密区经济发达区重要工业设施等同带 ( 区 ) 分布, 其面积约占全国的六分之一, 但地震活动却远高于这个比例据统计 : 公元 250 年以来中国大陆共发生 18 次 8 级地震, 新疆有 4 次, 占 22%;21 次 7 级地震, 新疆有 4 次, 占 19% 仅 20 世纪全区就发生 6 级地震 95 次 1949 年至 2012 年 8 月新疆共发生 6.0~6.9 级地震 59 次,7 级以上地震 7 次, 平均每年发生 6 级地震 1 次, 平均 7 年就有 1 次 7 级以上大震发生 90 年代以来, 新疆地震呈频繁活动的态势, 巴楚伽师地区连续发生十几次 6 级地震,2008 年于田发生 7.3 级地震 2011 年全国圈定的 11 个地震危险区中, 新疆就有 2 个特别需要指出的是, 国务院批准确定的 24 个 ( ) 全国地震重点监视防御区中, 新疆有 3 个, 包含了我区的主要城市和经济带, 这些地区是我区政治经济文化可持续发展的基础所在新疆地震活动分布广强度大频度高类型全, 也是我国地震灾害最为严重的地区之一 1985 年新疆乌恰 7.4 级地震, 死亡 67 人, 伤 200 余人, 直接经济损失 1 亿元 1996 年 3 月 19 日至 1998 年 8 月 27 日, 新疆阿图什伽师地区 2

12 第一章绪论连续发生 6 级以上地震 11 次, 尽管地震部门对有些地震做出了具有减灾实效的强余震预报, 大大减小了损失, 但仍有 48 人死亡,361 人受伤, 直接经济损失 15 亿多元 2003 年 2 月 24 日的巴楚 - 伽师 6.8 级地震造成 268 人死亡, 受伤 4853 余人, 其中重伤 2058 人, 直接经济损失亿元新疆的重要城镇和大型工矿企业多位于高烈度区乌鲁木齐等 12 个重要城镇都位于 Ⅶ 度以上地震烈度区, 占全疆 16 个重要城镇的 75% 有 45 个县城遭受过 Ⅶ 度以上地震破坏, 占全部县城的 71% 17 个县城遭受过 Ⅵ 度以上地震破坏实践表明, 经济的迅速发展, 人口的快速增长和社会城市化进程的加快, 使同等强度的地震造成的经济损失成倍增长 (1976 年唐山 7.8 级地震造成 24 万人死亡, 直接经济损失 100 亿元 ;1995 年 1 月 17 日日本阪神 7.2 级地震, 死亡 6418 人, 直接经济损失 1000 亿美元 2008 年 5 月 12 日汶川 8.0 级地震, 造成 8 万余人死亡和失踪, 直接经济损失亿元 ) 随着西部大开发战略的实施, 我区社会经济将有更快的发展, 城市生命线工程重大工程特殊工程及基础设施建设规模将不断扩大, 城镇化进程将加快, 在我们这样一个多震的地方, 一旦发生破坏性地震, 其损失将会加大因此, 在积极发展经济的同时, 努力减轻地震灾害带来的人员伤亡和财产损失, 把地震对社会的影响控制到最小程度, 是地震应急管理工作的重要任务地震灾害评估研究的意义地震灾害评估研究是在地震危险性分析建筑物和生命线工程等易损性分析, 以及区域或国家级建筑物设施和人口状态及分布的详细调查基础上对实时发生的地震或预测未来地震灾害造成的经济损失和人员伤亡状况 [9] 现实表明, 即使在地震参数预测研究和实用方面取得无可争议的成功之日, 也仍然阻止不了地震灾害的产生然而, 通过研究该区域的历史地震灾害特性, 对灾区进行快速的评估地震灾害的损失, 并可以对灾区进行准去有效的应急指挥, 便可能较大程度上减轻灾害的损失, 既减轻刚刚发生的地震灾害可能对人们社会及环境造成影响的得到快速救援, 势必很大程度上减少伤亡和经济损失 [10] 地震灾害损失预测是一门新的科学, 它要解决的问题, 是对一次地震或一个 3

13 基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现地区在某一时期内人工建筑可能遭受到的地震破坏人员伤亡和由此引起的经济损失的定量估计它是指挥长制订应急救援和防灾投入的理论依据在当今科研条件下, 人类尚无法控制地震的发生也不能在震前对地震进行准确的预报, 为了减轻地震的直接经济损失, 只有在震后的紧急救援过程和应急响应方面采取高效的措施例如, 在在某一个地区发生强震后, 制定相关的应急救援路线, 筹备救灾物资, 灾区可能造成的水库交通危险源的破坏等情况经验证明, 通过对灾区进行的准确的快速评估就可以提高地震应急救援的综合能力, 很的程度上减轻地震灾害在制订了上述各种应急方案之前应对刚刚发生的地震灾害损失进行定量估计 [11] 作为制订抗震减灾对策的依据, 它对领导决策和优化地震工作布局还有下列的意义为选定地震重点监测区提供参考背景 [12] 选定地震重点监测区首先考虑具有潜在灾害有监测站和中期地震前兆显示的地区 1.2 国内外研究现状在地震应急响应方面,GIS 在地震应急和灾害损失评估中近有十几年的发展, 但是却具有突飞猛进的发展在 1994 年美国洛杉矶 Northrie 地震应急过程中, Gis 在灾害损失评估中的优势得到充分展现从震后灾区灾情信息的快速获取管理, 到地震损失评估灾后恢复重建的工作的整个中,GIS 的空间分析功能准确地为民众提供了各类灾害信息, 迅速成为 GIS 在应急指挥专业的典范在第二年, 美国 ABCG (Association of Bay Area Governments) 在地震发生后 San Franciso 地区的交通控制系统进行了快速的灾害损失评估 [13] 随着国际科技发展和地震的发生, 在欧美国家和日本地区发生的系列地震促使西方发达国家加大力度研究怎样准确快速的评估地震对社会经济的影响作用在 1997 年, 美国加州大学地震工程研究中心的科研人员组织研究了大地震对社会经济影响方法研究, 且斯坦福大学对地震危险性和危害性进行了评估, 加州大学伯克利分校研究了关于震后的社会经济影响 [14] 目前来说, 我国地震灾害损失评估的研究进行从技术层面来看, 与西方发达国家相比, 在评估方法上存在一定的差距 [15] 但是, 在模型应用层面, 我国则完全可与西方国家和日本相提并论从国民减灾防灾意识和响应方面和政府的灾害 4

14 第一章绪论应急和协同层面来看, 与美日相比, 存在较大的差距在 2008 年, 在国家地震局应急救援司领导下的十五项目里对中国地震灾害损失预测和研究, 并给出了中国未来 50 年地震灾害可能造成的损失在新疆地区, 由于经济社会相对缓慢, 相关管理部门对震后的经济损失快速评估和救援部署重视度不够新疆地震局主要通过经验模型在震后对地震进行快速损失评估然而, 这样在一定程度上不能为灾区的应急救援和灾区的指挥提供参考意见随着十二五项目建设及援疆项目的实施, 主管部门对新疆地震震后的快速震害损失计算和辅助决策依据有着迫切的需求, 为此, 本文拟对该课题进行研究, 对震后的灾区的经济损失进行快速评估, 并产出相关的辅助决策报告, 为指挥长的科学的决策和应急部署提供依据 1.3 本文的研究内容本文的研究内容主要包括三个方面 : (1) 烈度衰减模型的相关介绍 (2) 基于地理信息系统的震害评估系统研制利用地理信息系统的二次开发控件 Arcgis engine 进行基于 GIS 的震害损失预估评估系统的开发研究, 根据地震灾害评估的具体需求共开发了数据库管理, 地震危险性分析, 设定地震研究, 地震烈度影响场计算, 建筑易损性分析, 地震灾害损失评估等功能模块, 整个系统及其各功能模块都是基于 Arcgis engine 提供的对象, 通过对不同对象的属性方法事件的调用而实现的 (3) 震害评估系统应用研究运用该系统进行新疆地区震区内的衰减关系建筑物易损性分析的研究, 给出研究区设定地震的震害损失预测研究结果, 主要包括 : 人员伤亡建筑物毁坏和灾区经济损失等的预测结果 1.4 论文结构与安排本文主要分六章进行, 主要结构如下 : 第一章绪论本章主要介绍地震灾害损失评估研究的概念及新疆地区地震 5

15 基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现灾害损失评估研究背景, 以及地震灾害评估研究的意义第二章基本概念和相关技术概述对系统中所用到平台技术进行介绍第三章地震灾害损失评估方法本章主要介绍地震灾害损失的概念, 地震灾害损失评估模型及衰减关系模型及拟合, 以及对地震灾害损失评估模型和公示进行介绍和阐明第四章地震灾害损失预估 GIS 系统的分析与设计本章重点介绍系统的功能设计及架构第五章系统主要功能及系统的界面展示第六章总结与展望对本文进行总结与展望 6

16 第二章基本概念和相关技术概述第二章基本概念和相关技术概述随着信息技术飞速发展, 集成型信息系统逐渐成为当今管理信息系统的主要发展方向的一条重要分支 [16] 集成型信息系统在功能方面能有机的协调且能将效能发挥最大化, 并且, 系统能有效的支持和促进各用户信息管理集成化本文设计的地震灾害损失评估系统立足于管理信息系统技术和 GIS 系统的二次开发地理信息系统技术具有良好的实现空间信息展示和空间信息查询与分析等多项优点, 基于各自的优势, 开发人员可以采用组件式开发, 利用组建技术实现属性数据与空间图形信息进行有机组合, 共开发人员访问, 能较大程度发挥信息管理的功效 2.1 地震灾害损失的概念在地震应急管理中, 目前被普遍认可的地震灾害损失方法主要分为经济损失和社会损失两方面内容在震害损失评估中, 经济损失对生产生活和社会物质具有明显的影响, 是可以用数学方法来度量的 ; 社会损失从宏观上来看往往无法度量, 对社会的影响是一种潜在的影响, 对价值观社会文化都具有一定影响 [17] 经济损失概念地震灾害经济损失按照损失类别可分为直接经济损失与间接经济损失两方面内容直接经济损失包括因为地震引起的建筑物本身破坏造成的损失, 建筑物内部财产的损失及因为地震引起的建筑破坏导致的企事业单位停产停工造成的经济损失间接经济损失是一个相对比较复杂的问题, 从广义上来讲, 除发生地震次生灾害引起的构筑物和建筑物等损坏和人员伤亡外, 同时还包括地震破坏造成的企事业停产歇业和物质财产损失, 其中, 包括能源供应行业和原材料供给行业的减产甚至停产造成依附此原料和能源加工的行业引起的连锁反应和影响 [18] 社会损失概念地震作为一种自然灾害, 给人类物质生活造成的损失是极端复杂多元的, 比如, 因为地震造成的房屋毁损压砸的人员伤残和死亡对人们心理和精神方面的 7

17 Degree papers are in the Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database. Full texts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on and submit requests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-calis member libraries, please mail to etd@xmu.edu.cn for delivery details.

2

10384 -------- 9601008 UDC---------------------- 1999 1999 1999 ------------------------ ------------------------ 1 2 .4...4 7 14.14..18..22..22..24 3 4.27.32.39 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 5 12 6 1 2 3 4

学校编码 :10384 分类号密级 学号 :X UDC 工程硕士学位论文 基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的 设计与实现 Design and Implementation of the Earthquake Disaster Loss Assessment System B

学校编码 :10384 分类号密级学号 :X UDC 工程硕士学位论文基于 GIS 的地震灾害损失评估系统的设计与实现 Design and Implementation of the Earthquake Disaster Loss Assessment System B