基于模板匹配的地震应急制图方法
徐敬海1, 周海军1, 聂高众2, 安基文2
1)南京工业大学测绘科学与技术学院, 南京 211816
2)中国地震局地质研究所, 北京 100029

作者简介: 徐敬海, 男, 1977年生, 2006年于武汉大学获得摄影测量与遥感专业博士学位, 教授, 主要从事地震应急、 空间技术减灾集成与工程应用研究, 电话: 025-58139462, E-mail: xu_jing_hai@163.com

摘要

震后各类应急图件可为有效开展应急指挥与救援提供参考和依据, 地震应急制图具有快速性、 动态性、 表现方法多样等特点。 文中引入受众理论, 系统研究了地震应急制图的对象及制图内容, 将地震应急制图对象划分为地震应急指挥决策人员、 辅助决策技术人员、 应急救援人员和普通公众, 论述了不同受众对地震应急图件的需求及这些图件的表达方法, 并在此基础上研究了基于地震应急制图模板匹配的快速制图方法。 该方法在震前根据不同受众需求, 设计不同的地震应急制图模板及对应的数据库结构, 震后在GIS与专业模型的支持下, 根据灾情信息动态更新制图模板, 实现快速地震应急制图。 文中设计了地震应急制图模板库体系, 包括制图对象层、 地图模板层、 模板图层和具体地图元素层等及相应的地震应急制图通用模板。 最后, 应用ArcEngine开发了地震应急制图系统, 通过案例展示了系统的制图应用, 可为震后快速、 系统地生成各类地震应急图件提供支撑。

关键词: 地震应急; 应急制图; 模板匹配; 应急响应; 制图系统
中图分类号:P315.9 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0748-14
RESEARCH ON EARTHQUAKE EMERGENCY MAPPING METHOD BASED ON TEMPLATE MATCH
XU Jing-hai1, ZHOU Hai-jun1, NIE Gao-zhong2, AN Ji-wen2
1)College of Geomatics Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China
2)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

After an earthquake, earthquake emergency response and rescue are important ways to mitigate earthquake-induced losses. Various earthquake emergency maps can provide effective references and guidance to those actions. Currently, related studies include the investigation on symbols of emergency maps, remote sensing emergency mapping and GIS-based mapping methods. However, the existing studies overlook the characteristics of rapidity, dynamicity and variety of presentation methods in making earthquake emergency maps. In this paper, a map template matching method is used to quickly make earthquake emergency maps considering their characteristics. We take investigations on the service objects(users)of the earthquake emergency maps to understand the needs of making earthquake emergency maps. The audience theory in mass media field and map information transmission theory are adopted to classify the users of the earthquake emergency maps into four categories: earthquake emergency commanders, technical staffs for decision-making, earthquake emergency rescuers, and the public. The components of different types of users are described and then their diverse demands in earthquake emergency maps are analyzed, such as the needs of on-field disaster information maps, earthquake information maps, physical geography and social economic maps. Following those needs, we introduce the representation methods of the earthquake emergency maps according to their formats(vector or raster)and contents, such as point symbolization method, kilometer grid method, line symbolization method and range method. Then, we study the rapid plotting method of earthquake emergency map based on map template matching method. The core steps of the method include: 1)before earthquake, the templates of different earthquake emergency maps are designed, prepared and connect the earthquake emergency features with their related spatial database. The map layout and map elements are stored in the templates. 2)After earthquake, the earthquake emergency features will be generated from seismic models(such as attenuation model of earthquake magnitude and seismic intensity)or the information obtained from field investigation. 3)Corresponding earthquake emergency map template is selected in accordance with the generated seismic features. And the features are used to update related features inside the selected template. 4)Minor adjustments are made such as to the map scale and some map annotations to finally generate the formal earthquake emergency map. Architecture of template system of the earthquake emergency maps is designed, including map user level, map template level, template layer level and map element level. Regrading to the architecture, the general map template of earthquake emergency is presented which includes four main regions: title region, main picture region, auxiliary region and annotation region. The main picture region is the essential, which lays geographic background maps and earthquake emergency features. Finally, an earthquake emergency mapping system is developed. Based on the system, a case study is presented, which demonstrates making a simulated seismic intensity influence map. From three aspects, the case presents the application of the template-matching method including: generating earthquake emergency features, substituting the features inside the template with the generated features, and revising map annotations. Therefore, the map template matching method is verified so that it can be used to quickly generate various earthquake emergency maps.

Keyword: earthquake emergency; emergency mapping; template match; emergency response; mapping system
0 引言

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一, 时至今日准确的中短期地震预测仍是一个科学难题。 在此背景下, 地震应急救援已成为震后减轻地震灾害的重要方式, 并已在多次实际地震中验证了其有效性(聂高众等, 2012)。 为增强地震应急救援的效果, 应急制图成为震后应急救援的指路灯, 可为有效开展应急指挥与救援提供依据。 地震应急制图通常采用专题图的方式, 展示地震应急指挥和救援需要的各种信息, 使得地震应急指挥与救援人员能更加直观地了解地震震情、 灾情, 从而更加及时、 有效地实施救灾与指挥。 应急制图既是 “ 应急测绘保障服务能力建设” 的重要组成部分(朱庆等, 2014), 也是震后各级应急指挥部门的重要工作内容之一(姜立新等, 2012)。 鉴于地震应急制图的重要性, 一些学者已开展了相关研究, 并取得了一定的效果。 席楠等(2016)研究了基于本体技术的制图规则表达模型, 并开发了地震应急专题制图系统。 也有研究人员对地震灾情符号开展了研究。 李晓丽等(2010)应用莫里斯符号三分法对地震灾情符号的语构、 语义和语用等3方面展开研究; Anthony等(2013)开发了面向应急管理的符号库, 并实现了符号库的可视化管理及基于网络的共享, Bianchetti等(2012)也开展了类似的研究。 近年来, 对地观测技术得到了快速发展, 同时也被应用于地震应急制图, 并形成了一些基于遥感技术的应急制图方法(Piero, 2013; Wegscheider et al., 2013; 薛腾飞等, 2017; Kostelnick et al., 2019)。 Brenning等(2008)陈文凯等(2015)史圆圆(2017)应用GIS技术研究了面向快速制图需求的应急制图方法, 如基于模板的自然灾害应急制图方法。 该方法的主要思路是基于灾害前准备的应急制图模板, 在灾后通过修改和重定制模板实现快速应急制图。 总体而言, 现有的工作主要集中于各种制图方法的研究, 并开展了有益的探索。 常规制图方法的流程较为复杂, 难以适用于地震应急制图。 基于模板的制图方法有望在应急制图中取得较好的效果, 然而目前专门针对地震应急制图的研究还不足。 由于不同的应急对象对同一灾情现象的需求并不相同, 而现今的模板设计存在未针对地震应急需求、 制图服务对象不明确等问题, 容易出现制图效用不高的现象, 难以满足地震应急制图的快速性、 动态性及内容合理性等多方面的需求。 基于以上现状, 本文将从地震应急制图的服务对象出发, 根据不同制图对象对制图内容的需求, 构建地震应急制图模板库, 在此基础上开发基于模板匹配的地震应急制图方法。

1 地震应急制图的需求及制图表达方法

地震应急图件具有及时性、 便于理解、 内容的专业性和阶段性等要求, 除应对制图过程和方法开展研究外, 制图服务的对象也是一个需要考虑的重要因素。 明确制图对象(为谁制图)、 需求及内容(制什么图), 设计合理的信息表达方式, 可规范制图模板, 从而提升制图效用。

1.1 地震应急制图对象及内容

地震应急制图对象的划分和选择是地震应急制图的基础, 所有的地震应急制图均需回答 “ 应急制图面向谁” 的问题。 本研究根据媒体传播中的受众理论(Guy, 2004)和地图信息传播理论(Denis, 1997), 从理解制图对象选择、 反应和效果的角度将地震应急制图对象分为4类: 地震应急指挥决策人员、 辅助决策技术人员、 应急救援人员和普通公众, 如图 1 所示。

图 1 地震应急制图对象Fig. 1 Audiences of earthquake emergency mapping.

不同制图对象对地震应急制图的需求各不相同。 根据不同对象的特点研究地震应急制图内容, 既是地震应急制图的基础, 也是地震应急制图的主要工作之一。 本研究提出的不同对象对地震制图内容的需求见表1

表1 不同制图对象对地震应急制图内容需求 Table1 Content needs of earthquake emergency mapping for different audiences

1.1.1 应急指挥决策人员(领导小组)

地震应急指挥决策人员是整个地震应急救援组织和实施的核心, 有较强的行政管理经验。 以下几类应急图件可辅助其决策:

(1)决策建议类图件, 如交通管制建议图、 地震救援路线图、 快速评估出地震损失及其分布图、 可能存在危险的次生灾害源分布图、 建议保全的重点目标分布图等。

(2)现场灾情类图件, 如极重灾区分布图、 人员伤亡信息图、 建筑物损失分布图、 生命线工程损失分布图等。

(3)震情类图件, 如震中分布图、 预估影响场分布图等。

(4)基础自然地理与社会经济类图件, 如灾区行政区图、 重要水系分布图、 人口分布图、 GDP分布图、 民族分布图等。

1.1.2 辅助决策技术人员(地震减灾领域专家)

此部分对象包括地震应急救援过程中参与辅助决策的专家、 技术人员, 如抗震救灾指挥部成员单位中的相关人员等。 此部分对象也是地震应急制图的共享服务对象, 其在地震应急期跟踪、 了解震情、 灾情发展, 及时动态收集发布各种信息, 需要以下几类图件:

(1)自然地理与社会经济类图件。 与指挥决策类人员对此类信息需求不同, 需要更加详细和专业的信息, 如DEM图、 年降雨量分布图、 建筑物分布图等。

(2)震情类图件。 对此类图件的需求同样比指挥决策人员更加专业和详细, 如灾区地震地质构造图、 地震后的震动图(shakemap图)、 灾区历史地震图、 余震分布图等。

(3)现场灾情类图件。 对此类图件的需求与指挥决策人员类似。

1.1.3 应急救援人员(救援行动者)

此部分对象指在地震现场开展救援工作的应急救援行动者, 专题图件的支持可帮助其提高应急救援工作的效能。 其对应的地震应急制图内容包括:

(1)搜救目标类图件, 如埋压人员集中地点分布图等。

(2)搜救保障类图件, 如机场、 码头、 车站分布图, 交通图和交通被破坏情况图, 物资储备库和临时物资集散点分布图等。

(3)现场救援指挥类图件, 如各级指挥部位置图、 救援态势图等。

1.1.4 普通公众

此部分对象是震后对地震应急制图需求较高的群体。 出于对地震灾害的担心, 其对制图内容的需求主要包括震情类和现场灾情类信息, 同时也包括应急救援的进展。 然而, 由于普通公众未必能完全理解专业的图件, 需采用其它直观的地震图解展示这些信息。

1.2 地震应急信息的表达方式

不同制图对象除了对内容的需求不同外, 即使相同类别的图件, 其制图表达的侧重点和方式也不相同。 对于不同制图对象, 可灵活选用合适的专题地图制图呈现方式, 以专业的形式将所需的地震应急信息表达出来(图 2)。 图2a主要面向应急救援人员, 呈现可能被压埋人员的地点分布, 该数据由km格网人口数据经地震领域的专业模型计算得到。 图2b面向辅助决策技术人员, 直接采用km格网的方式展示模拟影响场内的建筑物分布情况。 本研究设计的不同制图对象所需具体图件的专题信息展示方法见表2

图 2 地震应急图件展示方式
a 地震后可能被压埋人员的分布图; b 灾害房屋分布图
Fig. 2 Display method of earthquak emergency maps.

表2 地震应急信息的呈现方式 Table2 Earthquake information display method for different audiences
2 地震应急制图模板库的设计
2.1 基于模板匹配的地震应急制图流程

实现快速制图是地震应急的突出需求之一。 本研究设计了面向地震应急制图的模板匹配制图方法, 该方法在震前采用图库结合的方法, 应用GIS软件制作完成应急图件模板。 模板中的地震应急专题要素在震前利用空间数据库存储, 由于震前专题要素在数据库表中的数据为空, 如模拟影响场等, 震前并不显示, 但其对应的数据库表结构以及 “ 图” 和 “ 库” 的关联关系在震前已完成, 从而为震后的快速动态更新奠定了基础。 震后根据采集到的震情信息, 应用地震应急相关专业模型(如震级-烈度衰减关系)动态生成专题要素, 并更新对应数据库中的数据, 完成制图模板中对应的地震应急专题要素的更新, 从而自动生成地震应急图件。 由于有数据库的支持, 该方法易于实现制图流程的自动化, 可提高制图速度。

模板匹配地震应急制图方法的流程见图 3。 该流程需面向不同用户的需求在震前制作各种地震应急图件模板, 完成图件中应急要素的呈现、 整饰和布局等工作, 并设计好各类数据库存储的基础底图、 制图符号等; 震后根据实际情况对模板中的地震专题要素图层进行替换和具体化, 从而实现快速制图。 具体步骤为: 1)生成地震应急制图所需的专题要素, 此专题要素可能是直接对制图输入的整理和处理, 也可能是将参数输入地震减灾领域的模型自动生成, 如模拟影响场、 可能灾情的评估等。 2)根据制图对象及制图内容选取制图模板, 此模板包括制图整饰要素以及要素的布局。 3)根据不同需求适当修改制图要素的制图符号, 并根据制图符号实现专题要素的符号化表达。 4)通过替换制图模板中的要素, 实现快速地震应急制图。

图 3 基于模板匹配法的地震应急快速制图方法的流程图Fig. 3 Earthquake emergency quick mapping workflow based on template matching method.

图 4 地震应急制图模板库体系Fig. 4 Design of template library for earthquake emergency mapping.

2.2 地震应急图件模板的设计

模板替换方法可快速实现地震应急制图, 但如何制出满足不同用户需求的图件, 也是地震应急制图中的另外一个核心需求。 本研究采用模板匹配方法满足不同地震应急用户的不同需求, 因此需设计不同类别和不同用途的专题图模板。 所设计的模板体系具体见图 4, 包括制图对象层、 地图模板层、 模板图层和具体地图元素层等。 在设计地震应急制图模板时需考虑用户需求, 参照历史地震应急制图经验, 并遵循国家和行业相关标准。 根据以上模板体系, 设计了地震应急制图通用模板(图 5)。 在通用模板中, 图件可分为4个主要区域: 标题区、 主图件区、 辅助区和注释区。 其中, 主图件区为应急图件模板的核心部分, 该区放置地理底图、 地震应急专题要素等地图数据, 其它分区则能帮助制图对象更好地理解地震应急图件。

图 5 通用制图模板Fig. 5 General map template.

图 6 地震应急图件模板示例
a 地震影响场分布模板; b GDP分布模板图
Fig. 6 Examples of earthquake emergency map template.

上述模板综合考虑了信息表达力、 美观程度、 制图标准及人们对专题图的认知习惯等因素, 是地震应急图件的制作基础。 针对不同制图对象对地震应急制图的需求及特点, 在通用模板的基础上, 具体设计了2幅具有代表性的地震应急图件模板(图 6)。 该图件数据为模拟数据, 使用时只需替换主图件区的专题要素即可。

3 地震应急制图系统的实现与应用
3.1 地震应急制图系统的开发

结合以上模板体系与相应的制图方法, 采用ArcEngine10.2与Visual Stuido C# 2012开发了地震应急制图系统, 系统总体架构分为4层, 包括用户层、 应用层、 模板层和数据层, 如图 7 所示。

图 7 地震应急制图系统架构Fig. 7 Architecture of earthquake emergency mapping system.

该系统的任务是在发生地震时进行快速响应, 制作出面向不同用户(受众)的地震应急图件。 根据此需求, 系统的核心功能分为4个模块, 即地震设定、 图件制作、 整饰调整和打印出图模块。 其中最重要的图件制作模块又可根据制图对象类型分为指挥决策人员、 辅助决策人员、 应急救援人员和普通公众4个子模块。 同时, 面向不同对象的需求系统设计了不同制图模板, 这些模板采用ArcGIS mxd文件存储, 其中基础底图数据采用ArcGIS File GDB格式存储。 在此基础上, 系统实现了具体功能模块, 以保证在地震发生后可快速提供专业的地图数据, 系统的主界面如图 8 所示。

图 8 地震应急制图系统主界面Fig. 8 Main interface of earthquake emergency mapping system.

3.2 系统应用案例

下文以快速生成模拟地震影响场分布图为例, 进一步论述系统的实现过程, 展现系统应用。

3.2.1 模拟影响场专题要素的生成

以中国西部地区为例, 采用椭圆震级-烈度衰减模型计算理论烈度场, 案例采用中国西部的烈度衰减模型(式(1))。 在GIS中生成模拟影响场要素时, 需要用到Clip和Merge 2个空间操作, 图 9 展示了Ⅵ 度场和Ⅶ 度场的生成过程。

Iα=5.253+1.398M-4.164lg(Rα+26)Iβ=2.019+1.398M-2.943lg(Rβ+8)(1)

图 9 模拟地震影响场专题要素的生成过程Fig. 9 Generating process of the thematic feature of simulated seismic influence field.

根据以上原理, 地震应急制图系统根据设定的地震三要素参数(震中位置、 震源深度和震级)等信息快速生成模拟影响场的专题要素。

3.2.2 模板要素替换

当模拟地震影响场要素生成后, 系统自动打开事先制作的地震影响场模板(图5a), 该模板包括基础图层和地震应急专题要素层2类, 每层均与地理数据库中的数据连接, 且要素样式和布局已由系统模板提前设置, 只需将其专题要素层替换为模拟影响场要素即可。

3.2.3 标注修改

在地震应急制图系统中设计了不同主题的符号库, 以便对不同制图对象展示具有不同特点的符号。 本案例使用应急指挥决策人员符号库, 在布局视图中, 根据主题内容修改注释和符号便可得到模拟地震影响场分布图。

图 10 模拟地震影响场的制图过程Fig. 10 Mapping process of simulated seismic influence field.

制图实现过程如图 10 所示, 震前准备好模拟地震影响场制图模板和对应的空间数据库, 震后根据模型计算生成专题要素后模拟地震影响场的专题要素便可正常显示出来, 之后完成注记的修改, 从而实现地震应急快速制图。

4 结语

震后应急专题图件是呈现地震信息的有效方式之一, 对提高地震应急响应速度和救援效果有重要的作用。 本文从用户需求出发, 将信息传播领域中的受众理论引入地震应急制图, 将地震应急制图面向的对象划分为地震应急指挥决策人员、 辅助决策技术人员、 应急救援人员和普通公众, 针对不同制图对象的特点和需求给出不同地震应急图件的表达方法, 并基于此设计了地震应急制图模板体系。 接着研究了基于模板匹配的地震应急制图实现方法, 此方法在震前准备制图模板库、 符号库, 在模板库中保存专题要素的表达方法, 为制图做准备。 震后根据采集到的地震信息, 应用地震应急相关专业模型动态生成专题要素并更新模板, 从而实现地震应急图件的自动生成。 此方法可提高制图效率, 并使得制图流程更加便捷, 适合地震应急领域相关人员使用。 最后, 基于模板库和制图方法开发了相应的地震应急制图系统, 通过案例进一步阐释了本研究的制图方法。 未来将进一步优化和完善地震应急制图系统, 丰富其功能, 并研究更多地震应急领域模型的制图应用。

参考文献
[1] 陈文凯, 孙艳萍, 周中红, . 2015. 甘肃省地震应急专题图的设计与实现[J]. 地震工程学报, 37(3): 884-889.
CHEN Wen-kai, SUN Yan-ping, ZHOU Zhong-hong, et al. 2015. Design and implementation of earthquake emergency thematic map of Gansu Province[J]. China Earthquake Engineering Journal, 37(3): 884-889(in Chinese). [本文引用:1]
[2] 姜立新, 帅向华, 聂高众, . 2012. 地震应急指挥协同技术平台设计研究[J]. 震灾防御技术, 7(3): 294-302.
JIANG Li-xin, SHUAI Xiang-hua, NIE Gao-zhong, et al. 2012. Study on the design of earthquake emergency command collaboration technology platform[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 7(3): 294-302(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 李晓丽, 李志强, 黄猛, . 2010. 地震灾情符号的初步研究[J]. 自然灾害学报, 19(2): 147-154.
LI Xiao-li, LI Zhi-qiang, HUANG Meng, et al. 2010. A preliminary research on symbol for earthquake disaster situation[J]. Journal of Natural Disasters, 19(2): 147-154(in Chinese). [本文引用:2]
[4] 聂高众, 安基文, 邓砚. 2012. 地震应急灾情服务进展[J]. 地震地质, 34(4): 782-791. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2012. 04. 020.
NIE Gao-zhong, AN Ji-wen, DENG Yan. 2012. Advances in earthquake emergency disaster service[J]. Seismology and Geology, 34(4): 782-791(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 史圆圆. 2017. 应急专题地图的快速制图研究 [D]. 西安: 长安大学.
SHI Yuan-yuan. 2017. Research on emergency thematic map rapid mapping method [D]. Chang'an University, Xi'an(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 席楠, 杨天青, 姜立新. 2016. 地震应急专题制图规则及其领域本体模型研究[J]. 震灾防御技术, 11(2): 384-395.
XI Nan, YANG Tian-qing, JIANG Li-xin. 2016. The research of earthquake emergency thematic mapping rules and its domain ontology model[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 11(2): 384-395(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 薛腾飞, 张景发. 2017. 应用于地震应急的遥感自动制图实现[J]. 自然灾害学报, 26(3): 19-27.
XUE Teng-fei, ZHANG Jing-fa. 2017. Implementation of remote sensing automatic mapping used for earthquake emergency[J]. Journal of Natural Disasters, 26(3): 19-27(in Chinese). [本文引用:1]
[8] 朱庆, 曹振宇, 林珲, . 2014. 应急测绘保障体系若干关键问题研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 39(5): 551-555.
ZHU Qing, CAO Zhen-yu, LIN Hui, et al. 2014. Key technologies of emergency surveying and mapping service system[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 39(5): 551-555(in Chinese). [本文引用:1]
[9] Anthony C R, Scott P, Sarah T, et al. 2013. Symbol Store: Sharing map symbols for emergency management[J]. Cartography and Geographic Information Science, 40(5): 415-426. [本文引用:1]
[10] Bianchetti R A, Wallgrün J O, Yang J L, et al. 2012. Free classification of Canadian and American emergency management map symbol stand ards[J]. The Cartographic Journal, 49(4): 350-360. [本文引用:1]
[11] Brenning A, Dubois G. 2008. Towards generic real-time mapping algorithms for environmental monitoring and emergency detection[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 22(5): 601-611. [本文引用:1]
[12] Denis M Q. 1997. Audience Analysis[M]. SAGE Publications, Incorporated, Thousand Oaks, CA, USA. [本文引用:1]
[13] Guy S D. 2004. Estimating audiences: Sampling in television and radio audience research[J]. Cultural Trends, 13(1): 3-25. [本文引用:1]
[14] Kostelnick J C, Hoeniges L C. 2019. Map symbols for crisis mapping: Challenges and prospects[J]. The Cartographic Journal, 56(1): 59-72. [本文引用:1]
[15] Piero B. 2013. New perspectives in emergency mapping[J]. European Journal of Remote Sensing, 46(1): 571-582. [本文引用:1]
[16] Wegscheider S, Schneiderhan T, Mager A, et al. 2013. Rapid mapping in support of emergency response after earthquake events[J]. Natural Hazards, 68(1): 181-195. [本文引用:]