基于GIS地震震害信息系统功能评价和实现

第一章绪论

1.1选题背景
地震是一种突发性自然灾害，因造成的巨大破坏而引起人们的关注。我国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带活跃。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，死于地震人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%[2]。自1949年以来，100多次破坏性地震袭击了我国22个省(自治区、直辖市)，占全国各类自然灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌700余万间[3]。因此，利用现代新技术、新方法切实做好地震震害信息化工作、为灾后旅游产业发展、地震遗址保护、地震灾害研究、地震遗址区恢复重建以及政府决策和科学研究提供一手资料乃当务之急。
1.2选题的目的意义
地震是十大自然灾害之一，具有分布广、发生快、灾害损失严重等特点。如何通过对震害的可视化显示、数据的高效管理以及工程场地的地震安全性评价工作来更加深入细致地研究地震，以尽可能地减少地震造成的损失，保障我国经济建设顺利幵展，已成为众多学者共同关注的一个焦点问题。地震灾害具有以下特点：(1)突发性强，地震发生往往让人措手不及、防不胜防，一次地震往往只持续几十秒钟，却可在瞬间释放出极具破坏力的能量，地震成灾速度快、分布面积广，对人类造成的危害巨大。(2)破坏性大，如果地震发生在人口稠密的大中城市，往往会在顷刻造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。1976年，我国河北唐山市发生了 7.8级大地震，死亡24.2万人，重伤16万人，顷刻间，一座重工业城市毁于一旦，直接经济损失达100亿元以上[4]。(3)社会影响深远。大地震过后的一系列次生灾害、连锁反应以及人们内心的创伤很难即刻恢复，这对一个国家的经济发展、社会稳定造成了重大的影响。(4)防御难度大。与其他自然灾害相比，地震预测困难得多，同时，对抗震的提高也依赖国家整体经济水平的提升，这不是在短时间内就能解决的。为了克服和降低以上问题所造成的影响，本文将最近快速发展起来的三维激光虚拟现实技术和空间信息分析技术GIS技术引入到地震震害信息化研究中。利用三维激光扫描技术快速获取数字实体表面模型的独特技术优势，结合逼真的虚拟现实技术为地震灾后的虚拟重建、数字化存档以及科学研究提供了一种全新的方法。利用GIS技术有效地管理具有空间属性的海量地震震害信息，同时将数据收集、空间分析和地震安全性评价综合为一个信息流，极大地提高了工作效率和经济效益。
1.3三维激光虚拟现实技术和GIS在地震震害信息化中的研究历史和现状
目前，三维激光虚拟现实技术目前在国内做的比较少，利用三维激光扫描技术非接触测量优势可完成震后危险物体的量测，具有数据采样率高，分辨率高、精度高等特点，结合虚拟现实技术又可将可视化做到前所未有的高度，将是今后发展的主要方向。GIS技术在地震震害中的运用目前多为基于关系数据库上的属性数据库，没有利用GIS强大的空间信息将其与具体的评价模型联系起来，就目前来看，基于GIS技术的地震震害信息化研究还有很长一段路要走。
1.3.1三维激光虚拟现实技术在地震震害信息中的研究历史和现状
目前，单纯的三维激光扫描技术在我国地震震害信息化中的运用还不多。将其与虚拟现实技术相结合用于地震震害信息可视化的更少。2008年，董秀军和黄润秋将三维激光扫描技术成功运用在都汉公路的快速抢通中，形成各类有关地质灾害的基础性图件150余幅。同时，三维激光扫描技术的使用将调查人员的安全威胁降低到了最低程度。2009年12月，何秉顺、王玉杰等人在对坟川地震灾区的14座堪塞湖进行现场查勘时，利用三维激光扫描仪记录了堰塞体、滑坡、馈口型态等大量地形信息并收集了部分地质地形、水文及除险设计资料。2011年，李明，张向前等人将三维激光扫描技术运用于灾害评估和灾后重建中[6]。在国外，2003年9月，地震专家们利用三维激光扫描仪在短时间大面积扫描了日本北部的北海道地震区，获得了震后道路详细、精确的三维数据信息，第一次，专家们能够看到含有三维坐标且RGB彩色影像的破坏图。
1.3.2 GIS在地震震害信息中旳研究
历史和现状20世纪90年代，随着GIS技术的不断发展和成熟，越来越多的专家和学者将其运用到地震地质灾害的研究中。Barredol等人，运用GIS，采用层次分析法，对西班牙Tirajana地区地质灾害进行了综合评价[7]; R本东京技术研究所的Matsuoka 为利用国家土地数字信息（digital national land Infonnation(DNLI))对大城市的地面运动、液化和边坡失稳进行估计，建立了一个基于GIS的地震危险性区划制图系统。2000年M.Michael—Leba等在澳大利亚的一项城市发展规划项目斜坡地质灾害研究中，以GIS软件为技术平台，采用平面和三维评价系统，对Caims地区斜坡地质灾害的危险性和风险区划进行了研究[9]。国内将GIS技术用于地震震害信息化研究的起步较晚，研究的程度相对较低，但是，随着计算机技术和GIS技术的快速发展，国内也形成了一定的研究规模、取得了令人瞩目的成就。例如：中国地震局工程力学研究所是最早将GIS应用于地震工程的，谢礼立等人将GIS应用于地震危险性分析。1994年，雷明堂、蒋小珍等运用GIS技术分析岩溶塌陷，完成了针对唐山地区危险性评价及分区。2000年,中国科学院地球化学研究所刘荣高、李春来等人利用遥感和GIS技术对贵州镇兴公路地质背景进行了评价[11]。

    1.4 三维激光虚拟现实技术和GIS的研究内容和技术路线 ...........11-14
        1.4.1 三维激光虚拟现实技术的研究内容及方法 ...............11
        1.4.2 基于GIS技术的研究内容及方法 .....................11-12
        1.4.3 主要技术路线 .....................12
        1.4.4 本文创新 .....................12-14
第二章 三维激光虚拟现实技术应用实现 .....................14-22
    2.1 系统实现 .....................14-22
        2.1.1 扫描方案制定及数据采集 .....................15-16
        2.1.2 数据预处理 .....................16-18
        2.1.3 几何模型建立 .....................18-19
        2.1.4 视景输出 .....................19-22
第三章 基于GIS地震震害信息系统的建立 .....................22-44
    3.1 系统功能分析和设计 .....................22-23
    3.2 数据库的设计 .....................23-27
    3.3 系统实现 .....................27-44
        3.3.1 坐标系设置和转换 .....................27-28
        3.3.2 主界面介绍 .....................28-30
        3.3.3 系统基础功能 .....................30-34
        3.3.4 数据管理 .....................34-37
        3.3.5 数据处理 .....................37-38
        3.3.6 空间分析 .....................38-42
        3.3.7 布局 .....................42-44
第四章 工程验证 .....................44-72
    4.1 工程概况及工作内容 .....................44-46
    4.2 地震安全性评价验证 .....................46-71
        4.2.1 区域和近场区地震活动性评价 .....................46-56
        4.2.2 区域及近场区地震构造环境评价 .....................56-58
        4.2.3 场地地震危险性概率分析 .....................58-66
        4.2.4 工程场地地震工程地质条件勘测 .....................66-69
        4.2.5 场地设计地震动参数的确定 .....................69-70
        4.2.6 场地震害综合评估 .....................70-71

结论
本文将三维激光虚拟现实技术及GIS共同运用到地震震害信息化中，取得了良好的效果。通过研究地震安全性评价方法，设计地震震害信息系统的基础数据库结构，建立了基于GIS的空间数据库和基于SQL Server和ACCESS的属性数据库，开发了数据库管理模块，实现了地震震害信息管理的基本功能。根据需求分析、可行性分析和系统设计目标，完成了地震震害信息系统的结构设计和功能设计，幵发了基于GIS技术和三维激光虚拟现实技术的地震震害信息系统，对空间分析模块、数据管理、地震危险性概率分析模块、基础地理信息管理模块作了重点幵发。以闽侯县南通污水处理厂为实例进行了研究，取得了很好的效果，具有广泛的应用价值。
展望
除了已经取得的成绩外，也存在一些问题。就现阶段来说，三维激光虚拟现实技术在做地震震害可视化上效率太低，特别是对海量点云数据的处理上耗时耗力，望今后能幵发出快速处理点云构建模型的处理软件；目前地震安全性评价工作大多是出于人工制图，手工制表，效率低下，也很难数字化存档，没有和强大高效安全的数据库结合起来，因此地震安全性评价的信息化工作有广阔的发展前景。地震震害是一个很大的范畴，系统有待进一步开发。系统在容错性和稳定性方面存在缺陷，有待进一步完善。

参考文献
[1]董秀军，黄润秋.三维激光扫描测量在汶川地震后都汶公路快速抢通中的应用.工程地质学报，2008, 16 (6) :778-779
[2]李明，张向前，邹德龙，徐继勇，张玉敏，郑海芸.三维激光扫描技术在灾后重建中的应用.第十三届中国科协年会第12分会场-测绘服务灾害与应急管理学术研讨会论文集[C].北京：北京帝测科技发展有限公司，2011:1-5
[3]苗雨.基于GIS和Logistic模型的地质灾害危险性区划研究.中国优秀硕士论文
[4]MATSU0KA M. GIS 一 based Integrated seismic hazard mapping for a largemetropolitanarea.  Preoeedings of the 4th International ConfereneeonSeism, Zonaflon, Washington:a casestudy, 1991.
[5]吴允涛.基于GIS的工程地质评价信息系统研究.硕士学位论文.中国海洋大学，2008.
[6]贺龙鹏.西安市地震地质灾害区划与可视化研究.硕士学位论文，长安大学，2011.
[7]刘荣高、李春来，基于遥感与地理信息系统的贵州省镇兴公路地质背景评价，遥感信息，2000(1):23-25
[8]臧克.基于Riegl三维激光扫描仪扫描数据的初步研究.首都师范大学学报，2007年1期
[9]李长山.虚拟现实技术及其应用.北京：石油工业出版社，2006.
[10]殷坤龙，张桂荣，龚日祥，等.浙江省突发性地质灾害预警预报.武汉：中国地质大学出版社，2005.