基于Python和天地图的地震应急快速反应系统研究--以江苏地区为例.pdf

余其鹏，董建平.基于 Python 和天地图的地震应急快速反应系统研究以江苏地区为例 J.地震科学进展,2023,53(7):296-302.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-139YuQP,DongJP.ResearchonearthquakeemergencyrapidresponsesystembasedonPythonandTianditu:AcasestudyofJiangsuJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(7):296-302.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-139学术论文基于 Python 和天地图的地震应急快速反应系统研究以江苏地区为例*余其鹏董建平（镇江市地震台，江苏镇江212000）摘要为提升地震应急能力，方便震后快速获取地震影响场、地震应急专题图件和快速评估报告，为地震应急决策和救援提供专业技术支持。通过 QT 开发可视化窗体，利用天地图 API 调用天地图作为底图，天地图逆地理服务 API 获取基础地理信息，最后叠加地震专题数据。用户输入震中经纬度坐标等信息后，Arcpy 库自动批量创建震中地区地震专题图件，并利用 Python-docx 库自动产出快速评估报告。实际应用结果表明，Python 脚本封装后系统程序只有一个单文件，即拷即用，部署简单，专题图批量生产、自动化产出震情简报等，应急效率显著提升，地震应急信息化服务水平显著提高。关键词地震；地震专题图；地震应急；Python中图分类号：P315.9文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)07-0296-07doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-139Research on earthquake emergency rapid response system based onPython and Tianditu:A case study of JiangsuYu Qipeng,Dong Jianping(ZhenjiangSeismicStation,JiangsuZhenjiang212000,China)AbstractInordertoenhanceearthquakeemergencyresponsecapability，andtoconvenientlyandquicklyobtainseismicinfluencefield，earthquakeemergencythematicmaps，andtorapidlyassesspost-earthquakereports，itisabletoprovideprofessionaltechnicalsupportforearthquakeemergencydecision-makingandrescue.WedevelopvisualizationformthroughQT，usetheTianditumapAPItocallTianditumapasthebasemap，anduseTianditumapgeocodingAPItoobtainthebasicgeographicinformation，andfinallyoverlaytheseismicthematicdata.Afterusersinputinformationsuchasepicenterlatitudeandlongitudecoordinates，arcpylibraryautomaticallycreatesabatchofearthquakethematicmapsfortheepicenterarea，andarapidassessmentreportisautomaticallyoutputbyusingthePython-docxlibrary.TheactualapplicationresultsshowthatthesystemprogramhasonlyasinglefileafterthePythonscriptencapsulated，which*收稿日期：2022-09-08；采用日期：2022-11-07。通信作者：余其鹏（1987-），男，工程师，主要从事 GIS 与地震活动性研究。E-mail：。第53卷第7期地震科学进展Vol.53No.72023年7月ProgressinEarthquakeSciencesJul.,2023isreadytobecopiedandused，makingiteasytodeploy.Ithasfeaturessuchasmassproductionofthematicmapsandautomated output of earthquake briefings.These functions have led to a significant increase in emergency responseefficiency.Thelevelofseismicemergencyinformationservicehasbeensignificantlyadvanced.Keywordsearthquake;earthquakethematicmap;earthquakeemergency;Python 引言在我国，地震灾害被列为群灾之首，地震灾害死亡人数居各类自然灾害死亡人数之首，比率高达54%，据统计我国的地震死亡人数约占全球地震死亡人数的一半1。破坏性地震发生后，快速产出的震中地区地震专题图以及震情简报能够直观的反应出震中情况，为地震应急决策和救援提供第一手的参考资料和强有力支持。所以地震相关专题图的制作以及震情简报都是各级地震工作部门在震后必须要面临的一项重要的工作任务，也有着较高要求，因此高效准确的制作地震影响场、震中地区历史地震和构造图等专题图件，以及快速形成一份专业震情简报以及后续的震情详细情况报告具有非常重要的现实意义。从国内外研究来看，关于地震应急专题图以及震情评估报告的制作，许多学者通过手动、自动、本地网络等多种方法进行过探索。马宝君等2利用 VB6.0开发系统，建立独立的数据库和独立的地震应急图件产出平台获取专业图件并批量输出。樊琪和刘洪光3通过建立预存储的地图切片数据拼接出需要的应急专题图地理底图，以达到快速批量出图的目的。韩贞辉等4利用 Python 语言编写脚本程序调用预制的地震应急指挥专题图模板进行出图。程显洲等5利用 ArcGIS 模型构建器快速调取数据和处理数据。使用 Arcpy 自动出图脚本进行自动批量制图，从而加快不同要求下地震应急专题图的制图速度，提高专题图的出图效率。利用天地图作为基础数据地图是研究者们常用的方法，孙哲等6通过研究“天地图陕西”的切片方式和服务方式，在 ArcGIS 中实现了 天 地 图 瓦 片 数 据 与 矢 量 数 据 相 结 合 并 基 于Python 语言和 ArcPy 包的出图技术。Zhou 等7基于ArcPy 进行渔业海洋图集自动化制作，有效提高了绘制效率。Buckley和 Watkins8基于 GIS 数据库驱动制图，总结了具体的自动化地图制作工作流程。针对前述研究，地震应急快速反应系统的关键问题有：一是基础数据的时效性，即能够及时调整更新系统内的基础数据，使其始终保持最新的数据；二是个性化定制性，即针对不同的需求，可以快速方便的调整产品的产出。本文利用 Python 语言，通过QT 开发可视化窗体，结合天地图 API 调用天地图作为底图，天地图逆地理服务 API 获取基础地理信息，保证了基础数据的时效性，并叠加本地地震专题数据。用户输入震中经纬度坐标等信息后，Arcpy 库自动批量创建震中地区地震专题图件，并利用 Python-docx 库自动产出快速评估报告。本文通过天地图 API获取基础地理信息，摆脱保密数据限制，同时将Python 脚本封装后系统程序只有一个单文件，无需安装，即拷即用，具有部署简单，专题图批量生产、自动化产出震情简报等优点，让软件产出更加丰富和可调整，让应急效率显著提升，地震应急信息化服务水平得到显著提高。1研究区概况与数据1.1 研究区概况江苏位于长江三角洲地区，总面积 10.72 万 km2，下辖 13 个地级行政区。江苏及其周边地区位于华北、华南两大地震区的交接部位,多年来一直被列为我国地震重点监视区9。江苏地区在大地构造上跨越中朝断块、扬子断块和秦岭大别褶皱带 3 大一级单元构造10。该地区内有郯庐断裂、茅山断裂带等多条断裂带，20122022 年 10 年来，江苏地区大约发生 ML2 地震 106 次，其分布如图 1 所示。1.2 数据来源与处理本文所用到的数据主要是基础地理信息数据和地震专题数据，基础地理数据是利用天地图 API 调用天地图作为底图，天地图逆地理服务 API 获取基础地理信息，如行政区、交通、POI（兴趣点）等。另外一个是地震专题数据，包括历史地震和断层数据。本研究的地震目录数据和断层数据均源于中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http:/），地震目录数据记录了研究时间段内所有 ML2.0 的地震，数据列出了发震时间、经纬度、震源深度、震级、参考位置等详细记录，为 xls 存储格式，断层数据为 1/400 万中国活动构造空间数据库，存储格式为 shapfile 矢量格式。为了方便研究和存储，研究建第7期余其鹏等：基于 Python 和天地图的地震应急快速反应系统研究以江苏地区为例297立了 Geodatabase 空间数据库1,11，将地震目录数据转换为坐标点矢量数据，然后建立数据集并导入空间数据库，同时将断层数据建立数据集也导入空间数据库。2研究框架本文利用 Python 编程语言，使用天地图 API 调用天地图作为底图，天地图逆地理服务 API 获取基础地理信息，并叠加本地地震专题数据。使用 Arcpy库自动批量创建震中地区地震专题图件，并利用Python-docx 库自动产出快速评估报告。通过 QT 开发可视化窗体，QT 是 Python 开发窗体的工具，具有良好的兼容性，支持 Windows、Linux、MacOSX 三大操作系统。用户只需要输入震中经纬度坐标等信息，程序即可自动运行。最后利用 Pyinsatller 对程序进行封装成单文件文本，方便使用。其技术路线图如图 2所示。系统界面如图 3 所示。2.1 专题图制作地震发生后，快速产出地震专题图件是地震应急的重要部分，为了规范破坏性地震应急专题图件的制作，中国地震台网中心发布了破坏性地震应急专题图件产出与产出标准。本研究专题图部分主要包括地震影响场快速评估图、震中位置图、历史地震分布图、震中地区断层分布图、震中与主要城市距离图以及震区人口密度图等图件（图 4）。2.1.1 地震影响场生成自动生成影响场的具体计算步骤为：（1）通过聂高众等12在 2018 年提出的震中烈度与震级、震源深度的关系式计算出震中烈度大小，公式如下：Ie=4.154+0.113M20.0515H(1)式中，Ie是震中地区的烈度，M 是震级，H 是震源深度。（2）确定影响场的方向，本研究通过查看距离震中最近的地震活动断层的走向来确定烈度圈的方向。（3）通过中国东部地区烈度衰减模型13，计算出烈度圈的长轴和短轴，公式如下：Ia=5.019+1.446M4.136lg(Ra+24)Ib=2.240+1.446M3.070lg(Rb+9)(2)式中，Ra为长轴，Rb为短轴，I 为烈度值，M 为震级，标准差取值为 0.517。Nkm历史地震区域断裂省界市界图1江苏地区地震专题图Fig.1ThematicmapofearthquakesinJiangsu298地震科学进展2023年（4）通过公式（2），可以计算出烈度圈的长轴和短轴，具体公式如下：Ra=10(5.019+1.446MIa)/4.13624Rb=10(2.24+1.116MIb)/3.079(3)通过上述方法输入震级和震源深度，以等效圆的方式展现。其生成的烈度图如图 5 所示。2.1.2 地震专题图生成地震发生后的情况比较复杂，本研究按照破坏性地震应急专题图件产出与产出标准进行出图，利用 Arcpy 库将不同需求目录下的 mxd 模板文件转化成可打印的 jpg 文件，快速出图。除了震后第一时间产出震中分布图、震区历史地震图、烈度分布图和行政区划图等外，还尽可能满足多种用途，并不断补充各类专题地图，更好地服务于地震应急（图 6）。2.2 快速评估报告产出本文按照江苏省防震减灾条例以及本地区的地震应急预案，制作快速评估报告模板，内容包括震情基本信息、距主要城市距离、震中地区历史地震和构造情况、影响区域以及相应建议等，系统利用Python-docx 库将计算的数据和前期生成的专题图插入模版自动生成快速评估报告（图 7）。为领导和专家的地震救援决策提供参考和服务，以支撑应急救援的协调指挥。目前该系统已经在镇江市防震减灾工作中开始应用，为全市、全省多次地震应急演练以及小震的处置工作提供辅助决策支持，快速产出专题图件和快输入地震参数调用天地图 API烈度计算获取震中位置计算地震影响场快速评估报告调用专题数据专题图模板批量生成专题图打印图件调用数据打印报告ArcpyPython-docx确定震中位置和绘图边界逆地理服务获取基础地理信息计算震中到主要城区距离区域内历史地震断层数据人口数据重点场所图2技术路线图Fig.2Technologyroadmap图3系统界面Fig.3Systeminterface第7期余其鹏等：基于 Python 和天地图的地震应急快速反应系统研究以江苏地区为例299119 0 E119 30120 032 30 N32 02.02.9km3.03.94.04.95.05.96.06.97.0区域断裂震中位置震级图4震中历史地震和构造图Fig.4Historicalearthquakeandtectonicmapoftheepicenter历史地震震中区域断裂省界县km图5江苏镇江京口区 6.0 级地震（测试）烈度图Fig.5IntensitymapoftheM6.0earthquake（test）inJingkouDistrict，ZhenjiangCity，JiangsuProvince300地震科学进展2023年地震应急专题图应急中心人员用图领导专家用图救援队伍用图震中分布图震区历史地震图震区烈度分布图震区行政区划图震区地势地貌图震区各类建筑物分布图震区公里格网人口分布图震区经济 GDP 分布图震区机场码头车站分布图震区交通破坏图震区医院学校分布图震区应急避难场所位置图图6地震应急专题图类别Fig.6Typesofearthquakeemergencythematicmaps图7地震快速评估报告Fig.7Earthquakerapidassessmentreport第7期余其鹏等：基于 Python 和天地图的地震应急快速反应系统研究以江苏地区为例301速评估报告，软件也在多次演练反馈中得到了不断改进和优化。3结论和展望本文利用 Python 语言，通过 QT 开发可视化窗体，采用天地图 API 调用天地图作为底图，天地图逆地理服务 API 获取基础地理信息，叠加地震专题数据，生成数据库。用户输入震中经纬度坐标等信息后，系统自动批量创建地震专题图件，并自动产出快速评估报告。实际成果已经应用于镇江市多次地震应急演练中，效果显著，专题图和快速评估报告均能在 3min 内自动生成，且程序只有一个单文件，即拷即用，部署简单，让应急效率显著提升，地震应急信息化服务水平得到显著提高。地方地震应急系统的建设通常是长期补充优化的过程。虽然本文中基础数据使用天地图，在更新上比较方便，但系统仍有需要完善和改进的地方，如调用天地图 API 依赖网络，地震评估模型还不完善，与其他部门数据共享不尽完善等。下一步将在开发单机版系统，基础数据高效更新，以及不同行业的数据共享方面进行深入探索。参考文献余其鹏，程晓东.基于 Geodatabase 面向对象的地震应急数据库的设计与实现以镇江市为例 J.防灾减灾学报，2018，34(1)：66-71YuQP，ChengXD.DesignandrealizationofearthquakeemergencydatabasebasedonGeodatabase：AcasestudyofZhenjiangCityJ.SeismologicalResearchofNortheastChina，2018，34(1)：66-711马宝君，李太岩，赵建通，等.地震应急专题图快速产出系统开发以黑龙江省为例 J.地震地磁观测与研究，2021，42(5)：172-179MaBJ，LiTY，ZhaoJT，etal.Developmentofrapidoutputsystemforthematicmapsofearthquakeemergency：TakeHeilongjiangProvinceasanexampleJ.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch，2021，42(5)：172-1792樊琪，刘洪光.地震应急专题图离线自动出图研究与应用以海南省为例 J.地震科学进展，2021，51(7)：304-308FanQ，LiuHG.Researchandapplicationofoff-lineautomaticmappingofearthquakeemergencythematicmap：AcasestudyofHainanProvinceJ.ProgressinEarthquakeSciences，2021，51(7)：304-3083韩贞辉，何重阳，谢恒义，等.基于 Python 的地震应急专题图快速出图技术研究 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