GIS 技术在地震学研究中的应用

第20卷 第1期地 球 物 理 学 进 展Vol.20 No.12005年3月(页码:160～164)PROGRESS IN GEOPHYSICSMarch 2005

GIS技术在地震学研究中的应用

周 斌1, 刘 涛2, 文俊武2

(1.中石化胜利油田地震台,东营257000; 2.山东省新特物探研究院,济南250014)

摘 要 地理信息系统(GeographicInformationSystems,简称GIS)是处理空间信息的强大工具.目前GIS技术广泛应用于地震分析预报、地震灾害预测和辅助决策、地震区划等地震学研究领域.我国目前已开始进行这方面的研究,并取得重大进展和成果.本文具体论述了GIS在我国地震学中的应用状况,分析了目前存在的问题,给出了解决问题的方法.关键词 GIS,地震科学,WebGIS,三维GIS中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2005)01-0160-05

TheCurrentapplicationofGISinearthquakestudies

ZHOUBin1, LIUTao2, WENJun-wu2

(1.EarthquakeObservationStationofShengliOilField,Dongying257000,China;2.XINTEGeophysicalExplorationInstituteofShandongProvince,Jinan250014,China)

Abstract Thegeographicinformationsystem(GIS)isastrongandpowerfultooltohandlespaceinformation.Cur-rently,thetechniqueofGIShavebeenappliedextensivelyinearthquakescience,suchasearthquakeforecasts,earth-quakedisasterpredictionandassistdecision,earthquakeregionlayout,andsoon.Thishavebeenpromotingthesci-enceleveloftheearthquakeprecautionanddisasterreductioninourcountrygreatly,anddevelopedanewwaytoworkfortheearthquakeprecautionanddisasterreductioninourcountry.Keywords GIS,thescienceofearthquakeprecautionanddisasterreduction,webGIS,threedimensionsGIS

收稿日期 2004-09-30; 修回日期 2004-10-30.作者简介 周斌,1972年生,男(汉族),山东省沾化县人,1995年毕业于西安矿业学院地质系,2002年在中国石油大学攻读计算机与应用专业硕士学位,工程师,现在主要从事GIS应用开发、地震监测预报与震害防御工作.(E-mail:qunfangz@slof.com)0 引 言

地理信息系统(GeographicInformationSys-tems,简称GIS)是建立在地球科学、信息科学和系统科学等基础上的边缘科学,是处理空间信息的强大工具,是一门技术引导的多技术、多学科交叉的信息空间科学.目前,GIS的应用遍及环境、石油、地籍、公安、急救、市政管理、城市规划、地震灾害损失预测和军事等众多领域[1,2].我国是一个多地震的国家,目前仍处在20世纪以来的第五个地震活跃期,地震活动频繁,能否做好防震减灾工作将直接影响着我国的经济发展及社会安定.地震信息的处理显然与空间位置相关,面对包

罗万象的信息,传统方法局限于枯燥无味的数据处理和表现,缺乏直观性和决策可视化,而GIS能够帮助人们将数据库中无法看到的数据之间的关系模式和发展趋势借助于其独有的空间分析、网络分析、数学模型分析和可视化功能,运用于地震分析预报、

地震灾害预测和辅助决策、地震区划等地震科学研究领域,并将分析结果以矢量图形的形式清晰直观地表现出来;同时能够根据实际需要准确真实、图文并茂地满足用户对空间信息的查询、检索、统计和计算要求,从而满足决策多维性的需求[3].

1 GIS的产生和发展

GIS萌芽于20世纪60年代初,加拿大的Rog-erF.Tomlinson和美国的DuaneF.Marble在不同地方、从不同角度提出了GIS[1,2].1962年,Tomlin-son提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据,并建议加拿大土地调查局建立加拿大

GIS(CGIS),以实现专题地图的叠加、面积量算等.到1972年,CGIS全面投入运行与使用,成为世界上1期周 斌,等:GIS技术在地震科学研究中的应用

第一个运行型的GIS.与此同时,DuaneF.Marble

在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统,以支持大规模城市交通研究,并提出建立

GIS软件系统的思想.GIS技术真正的推广和应用始于20世纪80年

代,计算机网络的建立,使地理信息的传输时效得到极大提高;GIS基础软件和应用软件的发展,使其应

用从解决基础设施的管理和规划(如道路、输电线)转向更复杂的区域开发,例如土地利用、城市规划、

人口规划与布置等.许多工业国家把GIS作为有关部门的必备工具,投入日常运转.与卫星遥感技术相

结合,GIS开始用于解决全球性问题,例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象与酸雨、核

扩散与核废料以及全球气候与环境变化的监测.进入20世纪90年代,随着微机和Windows的

迅速发展,以及图形工作站性能价格比的进一步提高,计算机在全世界迅速普及.一些基于Windows

和WindowsNT的桌面GIS,如MapInfo、Arc-View、GeaMedia等软件以其界面友好、易学好用的

独特风格,将GIS带入到各行各业.因特网发展,特别是90年代万维网的发展,为GIS在因特网上运

行提供了必要的技术条件,各软件厂商争相研究出基于万维网的GIS软件.

我国GIS的起步稍晚,但发展势头相当迅猛,大致可分为以下三个阶段[4,5].

第一阶段,从1978—1980年为准备阶段,主要是舆论准备,队伍组建,开始GIS的启蒙研究.

第二阶段,从1981—1985年为起步阶段,主要对GIS进行理沦探索和区域性实验研究,并制定国

家GIS的规范,并进行信息采集、数据库模型设计.1985年国家资源与环境信息系统实验室成立.

第三阶段,是从1986年到现在,为GIS的全面发展阶段,作为一个全国性的研究领域,GIS已逐步

和国民经济建设相结合,取得了重要进展和实际应用效益.一方面,以研究资源与环境信息的国家规范

和标准、省市县级的规范和区域性的规范为主体,解决信息共享与系统兼容的问题.另一方面,开展全国

性的自然资源与环境、国土和水土保持信息系统的建立和应用模式.第三方面是研制和发展软件系统

和专家系统,从技术上支撑上述研究领域的开拓与发展.如北京大学的地理专家系统、华东师大的地理

应用程序软件包等,并完成了一批综合性、区域性和专题性的信息系统,如黄土高原水土流失信息系统、

中国国土基础信息系统等.大、中、小城市的城市信息系统和土地利用信息系统,资源管理信息系统等

专题的GIS纷纷建立和运转起来.

2 GIS技术在地震科学研究中的应用

GIS作为一门新兴的技术,在美国、日本等发达

国家的地震科学研究中已得到了广泛的应用,形成了一定的规模.主要应用于地震区划、地震易损性分

析、地震危险性分析、防震减灾对策和震后救灾等方面.中国将GIS技术应用于地震科学研究工作则较

迟,但发展较快.1995年在新疆维吾尔自治区人民政府的领导下,中国地震局及新疆维吾尔自治区地

震局等有关部门为乌鲁木齐市研制“震害预测与防震减灾对策管理信息系统”,在GIS技术应用于城

市防震减灾方面迈出了可喜的一步.随后,一些地震研究机构和防震减灾管理部门先后开展了基于GIS

平台的地震分析预报、地震早期趋势判定、地震应急、地震灾害预测、地震信息管理和查询等方面应用

软件系统的开发研究,取得了丰硕的成果[3,6].尽管现存的GIS软件很多,但对于它的应用研

究,归纳概括起来有二种情况.一是利用GIS系统来处理用户的数据;二是在GIS的基础上,利用它

的开发函数库建立要解决问题的分析模型,二次开发出用户专用的GIS应用软件系统.目前GIS技术

在地震科学研究中的应用也主要是基于以上两种方式.2.1 GIS应用于地震基础信息的管理和查询

目前流行的数据库管理系统,与GIS数据库管理系统在对地理空间数据的管理上,存在两个明显

的不足;一是缺乏空间实体定义能力;二是缺乏空间关系查寻能力,这使得GIS在对空间数据管理上的

应用日趋活跃.空间数据库管理是GIS技术的核心,也是它最

具特色的一部分.地震基础信息资料的来源广、数据量大,既包括行政区划、地震地质构造、地震活动性、

城区建构筑物分布、生命线工程分布等基础图件,还包括与图件相关联的属性资料和人口分布、经济发

展等其他属性资料.GIS将各种图形和图像信息分图层以严密的逻辑结构存储在空间数据库中,并根

据数据类型的不同,分别采用基于矢量的数据结构、基于栅格的数据结构或矢量栅格混合的数据结构,

以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、快速查询检索,以多种方式输出决策所需的地理

空间信息.特别是对于一个大区域往往不能用一幅图表示,需要分成很多图幅,GIS利用其地图图库管

理功能可以有效的管理好众多图幅的数据并实现跨161地 球 物 理 学 进 展20卷

图幅的查询和分析.例如中国西部活断层及新构造

环境基础GIS数据库是应用WebGIS技术建立的一个可以在Internet上向国内外广大科学工作者以

及各个行业的用户提供中国西部活断层及新构造环境方面信息的基础数据库管理系统.该系统把属性

数据库和图形库连接,充分利用GIS的特点,实现了图文并茂的信息可视化;用户可以快速查询中国

西部中、强地震震源机制解及现代构造应力场、中国西部地震区带划分及震中分布等信息.

空间查询是GIS最主要的功能,也是GIS区别于其他信息系统的本质特征之一.GIS具有丰富的

查询功能,既有属性查询功能,也有图形查询功能,还可以实现图形与属性之间的交叉查询.例如全球

地震GIS查询是WDC中国地震学科中心每日动态收集的全球地震数据,以GIS为平台,在全球地图

上进行查询.用户可以使用GIS数据钻取功能,将地图任意放大,同时可以划定范围来查询该地区的

地震活动,也可以使用鼠标点取单个地震来查询该地震的参数.

2.2 GIS应用于地震灾害预测及辅助决策[7—11]

自20世纪80年代以来,我国对地震灾害预测

与辅助决策工作做了很多研究,但于过去的工具手段,主要以研究个体震害特征为基础,在研究过程

中只注意了损失及灾害的静态预测方法,缺少对城市震害损失估计的不确定性和随机性等动态特征方

面的研究,使得许多研究成果实际可靠性缺乏定量的估计,从而限制了其在地震科学研究工作中的应

用.中国地震局在“九五”重点项目“大中城市防震减灾示范研究”,首次将GIS作为一项重要的内容加