Development and application of seismic intensity rapid report system in Shandong province, China
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Keywords:
- seismic intensity calculation model /
- WebGIS /
- intensity rapid report
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发展地震烈度速报系统是我国现阶段防震减灾事业的一项重要工作. 其目的是在地震发生后，对强震动数据进行实时分析和处理，快速给出强震对地表的破坏程度——地震烈度分布图． 鉴于目前国内强震动台网分布密度及数据传输方式等诸多因素的限制，多数烈度速报系统是基于美国的ShakeMap系统进行二次开发生成烈度分布图，其计算过程更多地依赖于对地震破裂过程的反演及地震烈度衰减关系，产出的烈度图是静态位图，分辨率较低，与丰富的地理信息难以无缝衔接(Wald et al，1999a； 张晁军等，2010； 泽仁志玛等，2006)．
随着山东省防震减灾“十一五”规划重点项目建设的完成，全省数字化监测台网的不断加密，强震动数据全部实现了基于IP网络的实时传输． 在此基础上，以相对密集的台站实测值作为绘制烈度速报图的主要数据源成为可能． 如果能在快速发布的烈度图中叠加丰富的地理信息，就能为震后应急救援和灾害评估工作提供更多的决策性依据信息．
本文以山东省“十一五”期间建成的140个强震台站和110个测震台站的观测数据为研究基础，建立适合山东地区的地震烈度速报计算模型，利用可缩放矢量图形(scalable vector graphics，简写为SVG)及异步JavaScript与XML(asynchronous JavaScript and XML，简写为Ajax)技术,实现了基于WebGIS的地震烈度实时动态发布．
1. 地震烈度速报计算模型建立
根据山东地区台站分布情况及各类经验统计关系，建立了适合山东地区的烈度计算模型示意图(图1)． 地震发生后，根据地震三要素及触发台站的个数，判断是否有足量数据进行地震烈度图的绘制． 若不满足触发台站的数量，则利用山东地区烈度衰减关系(苗庆杰,许萍，2008)估计地面运动值； 若满足触发台站的数据阈值，则对每个台站实际记录到的地面运动数据做场地响应校正，然后将得到的离散数据进行统一的空间网格化处理，计算得到绘制烈度图的必要数据，传递给烈度信息发布平台，快速绘制并发布地震烈度图(董霜,朱元清，2005； 泽仁志玛等，2006)．
在烈度速报计算模型建立过程中，有两个关键技术点：
1) 峰值加速度(PGA)、 峰值速度(PGV)与地震烈度统计关系的建立. 地震烈度是地震对某一地区破坏程度的宏观度量． 这样一个宏观的、 模糊的、 缺乏物理基础的概念，与实际的仪器记录的物理参数间是不可能建立一个完美的函数关系的． 但通过长期的观察，我们发现宏观地震烈度与物理参数之间确实存在一种统计对应关系． 这种对应关系的建立也就是地震烈度物理标准的建立，是一个长期的研究积累过程(金星等，2008； 郝敏等，2005)． 地面运动的强度受到幅度值、 持时、 谱特性等诸多因素影响(Wu et al，2003; Boatwright et al，2003)． 其中，地面运动的幅度值是最主要因素． 因此峰值加速度和峰值速度成为体现地面运动强度的重要标志(Wu et al，2001)．
通过对山东地区以往具有宏观考察的地震烈度图的地震事件重新计算，将每一个台站的峰值加速度和峰值速度及其对应的宏观烈度记录下来(表1)． 经过对宏观烈度和峰值加速度与峰值速度的对数分别进行线性拟合，得到适合山东地区的峰值加速度(PGA)、 峰值速度(PGV)和宏观烈度(I)间的统计关系式为
在实际应用中，为了提高区域台网密度，烈度速报系统综合使用了测震、 强震动台网的实时观测数据，计算触发台站的峰值速度(PGV)或峰值加速度(PGA)，分别对应统计关系式(1)、 式(2)得到离散烈度值． 随着地震事件的增多，特别是强震事件的补充，该统计关系应会更加全面反映真实情况，计算结果有望更加稳定．
表 1 山东地区峰值加速度及峰值速度与宏观烈度对应关系（部分）Table 1. Seismic intensity and its corresponding PGA and PGV for Shandong region
2) 等值线数据的生成. 在烈度速报数据处理过程中，等值线数据的计算是重要的组成部分． 利用实时从各个强震台站获取的峰值加速度(PGA)离散数据，要客观地描述或表征该区域的地震烈度情况，须对该区域进行数据的网格化(李山有等，2002)． 而不同的网格化方法有不同的效果，因此，结合本地区的实际情况，通过分析和研究不同的网格化方法的适应范围及参数设置，选取一种最适合本地区的模型，对于客观、 正确地描述地震烈度情况有重要的意义．
通过对几种网格化方法的分析比较(刘兆平等，2010)，发现反距离加权插值法是利用区域内已知的样点值来预测区域内除样点以外的任何位置的值的数学方法. 其特征“任何一个观测值都对邻近的区域有影响，且具有影响的大小随距离的增大而减小的特征”，符合地震烈度随距离衰减的特性. 而且，不忽略孤立点数据也有效防止了烈度异常区的遗漏，适合用于台站分布较密的山东地区离散数据插值． 反距离加权插值法基本公式为
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通过反距离加权算法完成空间插值后，利用统计关系计算出Ⅰ—Ⅻ度烈度对应的峰值，依次从所绘制烈度区域的4个方向进行等值线追踪(刘兆平等，2010),得到一条或多条等值线数组. 将每条等值线中的点集用3次 B 样条曲线拟合即得到平滑的等值线数据，最后将得到的由经度、 纬度、 烈度值组成的 n(n ≤12)条等值线数组传递给烈度信息发布系统．
2. 基于WebGIS的地震烈度信息发布
为了保证地震烈度信息发布的时效性和高可靠性，需要寻求一种既满足需求又便于实现的开发策略（代志勇，2011； 蔡寅等，2010； 刘希强等，2010）． 笔者认为，基于SVG的开放式WebGIS开发策略，给问题的解决提供一个很好的方案． SVG可升级矢量图形标记语言是一种使用标准可扩展标记语言（extensible markup language,简写为XML）来描述二维图像的语言，将地图及图形数据使用SVG存储，当涉及大量的数据操作和复杂的分析任务时，可以让计算能力很强的服务器来处理，如台站离散数据的空间化处理分析． 当涉及到用户交互较多的任务时，可以用客户机来进行处理，如对地图数据的基本操作． 在这种情况下，服务器和客户机可以共享它们的性能和数据处理能力，从而合理地把数据和数据处理程序分配，使系统的整体性能最优．
基于SVG的开放式WebGIS地震烈度信息发布系统逻辑架构分为3层：
1) 数据存储层. 数据资源层存放着两种资源数据: 一种是以XML编码标准的SVG地图数据; 另一种是存储在关系数据库的触发台站数据，作为绘制烈度分布图的基础数据． 对于以XML编码的SVG地图数据可以直接加载到客户端进行展现，逻辑应用层也可以通过XML查询语言（XML query language，简写为XQL）对所需的要素数据进行检索并以XML文档的形式返回．对于关系数据库中的触发台站数据，逻辑应用层可以通过结构化查询语言（structure query language，简写为SQL）查询的方式进行数据检索，将返回数据作为烈度速报计算模型的基础数据．
2) 逻辑应用层.逻辑应用层采用ASP.NET实现，用于响应前端展现层客户的请求，利用从数据资源层获取触发台站数据进行地震烈度计算，将计算结果整理成前端展示层便于解析绘制的SVG图形要素，传递给前端实时显示． 满足触发台站个数的烈度计算模型方法Intensity Computational Model主要代码如下：
3) 前端展现层. 前端展现层采用javascript脚本语言实现，主要完成两部分功能: 一部分功能是客户端的基本GIS功能，例如对地图的放大、 缩小、 漫游、 复位、 测距、 鹰眼及图层选择等操作，这些功能在地图数据无变化的情况下，完全在客户端实现，不需要与服务器交互； 另一部分功能是利用从逻辑应用层传递过来的数据，实时绘制烈度速报图形要素．
3. 系统集成与应用示范
3.1 系统集成
用户通过点击某个触发地震事件来访问Web服务器,利用Ajax异步数据传输技术与Web服务器的进行信息交互．Web服务器将客户端用户请求的地震事件相关参数传递给烈度计算模型，模型根据事件的唯一标示从后台数据库检索相应的台站参数及峰值数据，进行空间数据分析得到等值线数据，将经过整理后的等值线数组（经度、纬度、烈度值）返回给发出服务请求的客户端，在客户端自动完成烈度图的绘制.系统数据流图如图2所示． 这样在减少服务器端的数据计算压力的同时，提高了客户端的用户交互体验，实现了基于WebGIS的地震烈度速报信息实时发布．
3.2 应用示范
自2010年6月1日—2010年9月30日，山东省地震烈度速报系统在山东省地震台网中心试运行． 期间，山东台网共记录到ML>3.0天然地震8次(表2)． 其中有3次地震震中距山东省边界大于200 km，烈度速报系统未触发，其余5次全部触发，平均初报时间285 s．
表 2 烈度速报系统试运行期间速报情况汇总表Table 2. Summary of rapid intensity reports during test period of the rapid report system
4. 讨论与结论
本文以2010年6月18日18点59分在山东栖霞发生的 ML3.8地震为例，对烈度速报结果进行分析．图3a为所开发的烈度速报系统给出的烈度图，图3c为震后经过宏观考察所得到的烈度图． 通过与宏观地震烈度考察图的对比，震中烈度相同，两者在形态上有一定的相似性．
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图 3 烈度速报图与震后宏观考察烈度图对比(a) 烈度速报系统产出的烈度图； (b) 震中附近台站较少时烈度速报系统产出的烈度图；(c) 震后宏观考察烈度图. 红色圆点表示震中，绿色三角表示触发的台站Figure 3. Predicted intensity map generated by intensity rapid report system and macroscopic observation intensity map after the earthquake(a) Intensity map generated by seismic intensity rapid report system; (b) Intensity map generated by seismic intensity rapid report system when there were fewer stations near the epicenter; (c) Intensity map from macroscopic observation after the earthquake. Red circles indicates the epicenter,green triangles denote the triggered stations为了检验在震中区没有台站或触发台站数量较少的情况下，系统能否产出相对客观的烈度图，我们在震后去掉震中Ⅳ度区触发台站的记录值，重新绘制烈度图． 系统自动使用烈度衰减关系计算震中区烈度值，结合周边触发台站的地震动参数重新绘制了烈度图(图3b)． 通过图3c与图3b的对比可以看出，后者的Ⅳ度范围较大，主要是由于使用烈度衰减关系计算的震中区烈度值较高，但两者在整体形态具有相似性．
综上所述，山东省地震烈度速报系统综合利用测震、 强震动台网数据，建立了空间数学模型与烈度衰减关系相结合的烈度计算模型，实现了基于WebGIS的地震烈度信息发布，10分钟内提供自动烈度速报结果，可为政府应急救援工作提供重要参考依据．
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图 3 烈度速报图与震后宏观考察烈度图对比(a) 烈度速报系统产出的烈度图； (b) 震中附近台站较少时烈度速报系统产出的烈度图；(c) 震后宏观考察烈度图. 红色圆点表示震中，绿色三角表示触发的台站
Figure 3. Predicted intensity map generated by intensity rapid report system and macroscopic observation intensity map after the earthquake(a) Intensity map generated by seismic intensity rapid report system; (b) Intensity map generated by seismic intensity rapid report system when there were fewer stations near the epicenter; (c) Intensity map from macroscopic observation after the earthquake. Red circles indicates the epicenter,green triangles denote the triggered stations
表 1 山东地区峰值加速度及峰值速度与宏观烈度对应关系（部分）
Table 1 Seismic intensity and its corresponding PGA and PGV for Shandong region
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表 2 烈度速报系统试运行期间速报情况汇总表
Table 2 Summary of rapid intensity reports during test period of the rapid report system
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