（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于gis的上海市防震减灾能力评价方法研究.pdf

摘要 摘要 地震是人类所面临的主要灾害之一，它造成的损失主要集中在经济发 达的城市。由于经济总量大、人口集中、基础设施薄弱等一系列因素的影响， 城市地震灾害的损失也日益严重。2 0 世纪末，联合国国际减灾l o 年委员会 曾呼吁要对大中城市的防震减灾能力进行评估。1 9 9 4 年我国政府提出要使 我国大中城市、人口密集以及沿海经济发达地区具有抗御6 级左右地震的能 力。 一个城市或地区能确保其地震安全的能力被称之为城市防震减灾能 力。提高城市防震减灾能力是一切地震工程研究和实践的出发点，更是一切 地震工程研究和实践的归宿。通过一定方法来评价一个城市的防震减灾能 力，既是考察城市地震安全性的需要，也是降低城市地震灾害损失的需要。 如何确定评价城市防震减灾能力的方法成为了地震工程研究者需要解决的 重要问题。基于地理信息系统( g i s ) 开展对城市防震减灾能力的评价研究 是该领域的前沿课题。而w e b g i s 实现空间信息的共享和互操作，是g i s 在防震减灾研究中应用的新热点。由此，本文主要在以下方面开展研究工作： ( 1 ) 探讨城市防震减灾能力评价体系各指标的权值和定量分取值方 法，形成一套较为符合实际情况并能进行实际应用的城市防震减灾能力评价 指标体系。 ( 2 ) 以上海市浦东新区为示范区，调查并确定上海市浦东新区防震减 灾能力评价体系各指标值的大小，并对上海市浦东新区防震减灾能力进行计 算。 ( 3 ) 建立城市防震减灾能力数据库和基于b s 结构的城市防震减灾能 力评价w e b g i s 系统。该系统的基础数据库对权值和定量分进行管理。而能 力评价部分以s t r u t s 为整体框架，结合连接池、面向对象编程、s t r u t s 等技 术，实现对城市防震减灾基础信息的管理和防震减灾能力的快速计算。取得 摘要 并整理浦东新区基础信息g i s 数据，实现对浦东新区g i s 数据的管理和显 示，实现了漫游、查询等g i s 基本功能，并结合城市防震减灾能力评价方 法实现对街道能力评价等方面的分布式应用。 关键词：地震、城市防震减灾能力、评价方法、浦东新区、结果分析、数据库、 评价系统、w e b g i s a b s t r a c t a b s t r a c t e a r t h q u a k ei so n eo ft h em a i nd i s a s t e r st h a tt h r e a t e nt h ew o r l d t h eg r e a tl o s si t b r i n g si sm o s t l yi nc i t i e s b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fu r b a np l a c e s ，t h el o s s b e c o m e sg r e a t e rt h a ne v e rb e f o r e i nt h el a s td e c a d eo fm e2 0 “c e n t u r y , t h e c o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a ld e c a d ef o rn a t u r a ld i s a s t e rr e d u c t i o na p p e a l e dt ot a k e e v a l u a t i o nf o rt h em a i nc i t i e s a b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t e rp r e v e n t i o mi n1 9 9 4 ，t h e c h i n e s eg o v e r n m e n ta s kt h em a i nc i t i e si nc h i n at og e tt h ea b i l i t yt or e s i s te a r t h q u a k e d i s a s t e ra tl e a s ti n t e n s i t yv i a c i t y sa b i l i t yt os t a ys e c u r i t yw h e ne a r t h q u a k eh a p p e n si sn a m e da st h ea b i l i t y f o re a r t h q u a k ed i s a s t e rp r e v e n t i o n i m p r o v i n gc i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t e r p r e v e n t i o ni st h eo b j e c t i v eo fa l le a r t h q u a k ee n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c h e s e s t a b l i s h i n g am e t h o dt oe v a l u a t ee i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t e rp r e v e n t i o ni sn o to n l yt h e n e e dt oe x a m i n eac i t y se a r t h q u a k es e c u r i t y , b u ta l s ot h en e e dt or e d u c et h ed a m a g e o f e a r t h q u a k ed i s a s t e r t h ee v a l u a t i o nm e t h o do f c i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t e r p r e v e n t i o ni sat o p i cw i t hg r e a te n t h u s i a s mi nr e c e n ty e a r s t h em e t h o db a s e do ng i s i sa l s oan e wt a s ki nt h i sr e s e a r c h a sac o m b i n a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d g e o g r a p h i ca p p l i c a t i o n , g 1 8g e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w 曲g i s ，o p e n g i s ，3 d g i s b e c a m et h eo r i e n t a t i o no f g i sa p p l i e di nc i t y se a r t h q u a k e p r e v e n t i o n o nt h ew o r ko f o t h e rr e s e a r c h e r sh a v ed o n e , t h e s eb e l o ww e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h ew e i g h ta n dv a l u eo fe v e r yp a r t so ft h ec i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k e p r e v e n t i o ns y s t e mw e r ea l ld i s c u s s e di nt h i sp a p e r s o m ea m e l i o r a t i o nw a sm a d ew i t h t h ec o n s i d e r a t i o no ff a c t s t h e nam e t h o de v a l u a t i n gc i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k e d i s a s t e rp r e v e n t i o nt h a tw a sc o i n c i d e n tw i t hc i t i e s f a c t sa n dc o u l db eu s e di np r a c t i c e w a s g a i n e d ( 2 ) t a k i n gp u d o n gd i s t r i c ti ns h a n g h a ia se x a m p l e , t h ea u t h o rc o l l e c t e dt h e i n f o r m a t i o no fe v e r ya s p e c t , s u c ha sb u i l d i n g s ，t r a f f i c t h e nh ec o m p u t e dp l l d o n g s a b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t o rp r e v e n t i o n ( 3 ) ad a t a b a s es t o r i n gt h ed a t ao fc i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ep r e v e n t i o nw a s l a b s t r a c t c o n s t r u c t e d a n d 觚e v a l u a t i o nw e b g i ss y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r eu s e dt o e v a l u a t ec i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ep r e v e n t i o nw a sa l s oc o m p l e t e d c o n n e c t i o n p o o l ， o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n ds t r u t st e c h n o l o g yw e r ea p p l i e di nt h es y s t e m t h e w a yt ou s eg i sa sa s s i s t a n c et oe v a l u a t i n gc i w sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ep r e v e n t i o n w a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ew e b g i so f p u d o n gd i s a s t e rp r e v e n t i o na c t u a l i z e di n t h i sp a p e rm a n a g e dt h eg i sd a t ao f p u d o n ge f f e c t i v e l y s o m eb a s i cg i sf u n c t i o nw a s a c h i e v e d i n t e g r a t e dw i t ht h ee v a l u a t i o nm e t h o do fc i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k e d i s a s t e rp r e v e n t i o n , e v e r ys t r e e t sa b i l i t yw a sa l s og a i n e dr a p i d l y k e yw o r d s ：e a r t h q u a k e , c i t y sa b i l i t yf o re a r t h q u a k ed i s a s t e rp r e v e n t i o n , e v a l u a t i o nm e t h o d , p u d o n gd i s t r i c t , r e s u l ta n a l y s i s ，d a t a b a s e , e v a l u a t i o ns y s t e m , w e b g i s i v 申请同济大学工学硕士学位论文 基于g i s 的上海市防震减灾能力 评价方法研究 ( j 二海市科委资助项目编号：0 4 2 5 1 2 0 3 0 国家自然科学纂金资助项目编号：4 0 3 0 1 0 4 3 ) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 土木工程学院 测绘科学与技术 地图制图学与地理信息工程 副指导教师： 熊国锋 童小华教授 姚保华研究员 二oo 七年二月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 硐缉 卅年3 月i 中e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 蜘吩 矸弓月l l 日 第1 章概述 1 1 选题背景及研究意义 第1 章概述 地震是目前对人类社会的生命和财产安全造成巨大损失的自然灾害之一。 对全球和中国地震灾害的研究表明：城市由于人口众多、经济总量大、建筑物 密集的原因，巨大的地震灾害大都集中在城市地区，城市是防震减灾工作的重 心。从公元前7 0 年到1 9 8 0 年，全世界共发生死亡千人以上的地震3 2 5 次，死 亡人数达5 8 9 6 万人，其中大部分都波及到了不同规模的城市【l 】。我国1 9 7 6 年 发生的唐山大地震更是造成了2 0 多万人死亡、直接经济损失达2 0 0 亿元。根据 调查显示，我国有近1 3 百万人以上人口的特大城市位于v i i 度以上的地震高烈 度区 2 1 。1 9 9 4 年，中国政府提出了我国防震减灾的十年目标，即：在各级政府 和全社会的共同努力下，争取用十年左右的时间，使我国大中城市和人口稠密、 经济发达地区具备抗御6 级左右地震的能力。目前，日本东京则要求该城市需 具有抗御8 级地震的能力。2 0 世纪末，联合国国际减灾1 0 年委员会曾呼吁要对 大中城市的防震减灾能力进行评估。因此，如何切实有效地科学评估城市抵御 地震灾害损失的能力就成为迫切需要解决的问题。 城市发生地震所造成的损失受两方面因素的相互作用。其一是城市地震发 生时本身的烈度，即地震本身的至灾因素；其二为城市抗御地震灾害的建筑物 抗震设防、生命线系统震后满意度、消防点布设以及医院救护等因素综合体现 出来的防御能力，即城市的防御因素。因此，对于城市地震灾害的研究可以划 分为两个方面。一方面是对地震灾害本身的研究，另一方面是关于城市地震综 合防御能力的研刭w 。 从科学意义上来说，地震工程研究和实践的最终目标就是减轻地震灾害， 减轻地震灾害的重点无疑首先要减轻城市的地震灾害。由于目前地震监测与预 报工作还不能实现对地震的准确预报，因此减轻城市地震灾害的根本途经还是 在于提高城市对地震的防御能力。如何正确地定义和评价一个城市再地震发生 时所表现出来的防御能力是各国政府所关心的社会问题，同时也是各国地震工 程以及防震减灾领域的科学家们致力研究的重要问题之一。“城市对地震的防御 第1 章概述 能力”一般定义为城市人类及其活动所构成的社会经济系统与各种资源所组成 复合体的综合抗震能力。关于该综合防御能力各个部分的抗震能力研究，地震 工程学者已经做了大量的工作，在结构抗震理论和实践、地震发生时人员死亡、 经济损失的预测评估都取得了很多的研究进展。通过这些研究，地震工程研究 人员对于地震灾害的成害机理、结构抗震以及生命线震后满意度都有了较为详 尽的认识。这些不同种类的研究工作，在以往地震发生时都起了重要的作用。 但也要看到，这些研究缺乏系统性，偏重于对某一方面的研究而忽视了城市作 为整体对地震灾害的全面评估。其应用受到了限制。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是以多学科集成 为基础平台，用于搜集、存储、管理和分析各种空间信息的系引 】。它具有独 特的空间数据分析能力，并可以快速的进行数据综合和地理模拟，且可靠性高、 适应性强，满足城市综合抗震能力射击多领域、多学科集成、数据量大等复杂性 要求。因此利用g i s 技术进行城市抗震能力的研究是一种有效的途径。而城市 防震减灾能力指标体系是一个由众多自然因素和社会经济因素组成的复杂系 统，涉及到城市政治、经济生活的各个领域。如何将各个领域的研究理论成果 应用到城市防震减灾能力综合指数体系的计算中来也是需要探讨的问题。城市 防震减灾系统中包含有相当全面的城市防震减灾基础数据。实现数据合理共享、 资源有效利用、有效提高防震减灾能力评价的工作效率是一个不容忽视的重要 问题。w 曲g i s 是i n t e m e t 技术和w w w 技术应用于g i s 开发的产物，它将目前 作为信息发布共享平台的w e b 作为一个能够承载地理空间信息的平台，在w e b 上提供对地理空间数据的访问。从i n t e r n e t 的任一节点，人们可以浏览网上的各 种地理空间数据及属性数据，进行地理空间分析、查询，以支持辅助决策。利 用w e b g i s 的分布性，可以将分布于城市各处且相距较远的各行业系统的g i s 服务器通过网络相连接、相集成。这种分布存储数据的方式可降低系统负载、 提高访问速度、减少成本，使防震减灾工作的决策和分析更为科学。 上海是国际性大都市，是我国重要的经济、科技、文化、金融中心之一。 改革开放以来，上海在全国经济中的重要性日益明显，对于城市安全的需求也 是越来越高。然而，历史数据表明：上海及邻近地区的地震近年来地震活动比 较活跃。如：1 9 9 0 年太仓5 1 级地震，9 6 年长江口以东6 1 级地震等。并且， 上海市大部分地区均处于基本烈度v i i 以内。1 9 9 4 年，国务院将上海列为未来 十年或更长一段时期内的地震重点监视防御区，以及率先实现我国防震减灾十 2 第1 章概述 年目标( 拥有抗御六级地震能力) 的地区。 “九五”以来，上海市政府非常重视城市防震减灾工作，不断加大对防震 减灾工作的投入，使上海市的地震监测预报设施的更新、城市隐伏断层的探测 与评价、防震减灾指示的宣传等诸多方面均取得了令人瞩目的成绩。但是，目 前上海市的城市基础设施中，在一定程度上还存在着较为薄弱的部分，防震减 灾体系还不太健全、城市的地震易损性较高。为落实国务院的防震减灾目标要 求，同时也为了了解上海市方针减灾投入的效果，必须开展防震减灾能力指标 体系的研究，并进而对上海市的防震减灾能力进行综合的评价。另外，根据评 价结果，还可针对上海市所存在的防震减灾薄弱环节提出改进的措施和建议， 以便于政府部门决策参考。因此，本研究成果有助于提高政府部门制定城市发 展规划的合理性和科学性、有效的减轻城市地震灾害、保障人民生命财产安全、 促进社会稳定以及经济建设的可持续发展。 2 0 0 4 年上海市科委资助上海市地震局开展“上海市防震减灾能力评价方法 及其应用研究”的工作( 项目资助编号：0 4 2 5 1 2 0 3 0 ) 。笔者在项目的资助下对城 市地震灾害的成害机理、生命线抗震、城市综合防震减灾能力评估等领域进行 探讨。本文是在这些研究的基础上，开展了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 城市防震减灾能力评价体系研究，深入探讨城市防震减灾能力评价体 系各个指标的权值和定量分的确定方法，建立符合实际情况并能应用于实际工 作的防震减灾能力评价体系。 ( 2 ) 上海市浦东新区基础数据调查和能力计算与分析，调查浦东新区防震 减灾基础数据信息，通过对浦东新区在不同烈度情况下的防震减灾能力的计算 与分析，找出其中的薄弱环节。 ( 3 ) 防震减灾能力评价w e b g i s 建设与开发，建立城市防震减灾能力评价 w e b g i s 系统，实现对基础数据的管理与维护、防震减灾能力的计算与显示和基 于w e b g i s 的城市街道防震减灾能力的分布式计算与评价。 1 2 相关研究进展 1 2 1 震害预测震害损失评估的研究 根据工作目标的不同以及随着认识水平的逐步提高，对城市地震灾害的研 3 第1 章概述 究经历了从地震灾害预测、地震风险评估到防震减灾能力评价的阶段性发展过 程。 震害预测是指对某一地区在未来某一时段因地震可能造成的人员伤亡和建 ( 构) 筑物、工程设施破坏等经济损失及其分布的估计【2 】。美国在地震损失预测 方面所进行的研究比较系统、全面。7 0 年代，美国海洋大气管理局和美国地质 调查局有组织的开展了震害预测研究，并由此形成了所谓的n o a a u s g s 方法。 8 0 年代，美国联邦紧急事务管理局( f e m a ) 为此推行地震灾害研究的实用化， 又委托应用技术委员会( a r c ) 审查并给出了一套可以推广的方法，该委员会根 据对加利福利亚的研究，发表了a t c 1 3 报告，从而形成了a t c 方法【6 】。 我国的震害预测方面的研究始于唐山大地震【j ”。自“七五”计划以来，在 震害预测、地震损失评估方面开展了大量的工作，成果丰硕。主要工作包括： 自然科学基金会在“七五”期间支持的知识工程在震害预测中的应用，“八五” 期间支持的城市与工程防灾基础研究【8 】；国家地震局支持的全国未来地震损失评 估研究【9 】，以及全国各类城市的震害预测和应急反应研究等。 这些研究集中在单项损失的评估和某个地区的损失评估，而在整体上把握 一个城市的防震减灾能力的研究则较少【”，主要存在以下几个缺陷： ( 1 ) 灾害损失评估缺乏整体性：上述地震灾害的研究成果主要是关于各类 具体的构筑物，生命线工程等设施的，这些具体的实体只是组成城市的一部分， 很多影响因素都没有被纳入考察的范围； ( 2 ) 灾害损失评估方法缺乏普遍适应性：目前的震害损失研究方法主要采 取的清单方法，而这些实体清单往往取决于具体的城市，因此导致某个方法在 某个特定的城市适应性较好，而在其他的城市则可能难以获得比较完美的结果。 8 0 年代美国在联邦紧急事务管理局( f e m a ) 的组织下，对全美特别是对加 州未来的地震可能损失进行了评估，后在此基础上于1 9 9 6 年发展了一项自然灾 害预测研究计划一h a z u s 计划，研制出可以用来进行地震损失评估的方法。 1 9 9 1 1 9 9 2 年国际减灾十年科学技术委员会在制定评估有效减灾措施时，谢礼立 院士提出了4 p 和4 r 的防灾减灾框架，即：p l 锄一计划、预想，p r e d i c t i o n - - 预 测、预报，p r e v e n t i o n - - 预防和p r e w a m i n g - - 预警，以及r e s c u e - - 救难，r e l i e f 一救济，r e s e t t l e m e n t - - 安置和r e c o n s t r u c t i o n - - 重建。1 9 9 6 年起，联合国国际减 灾十年秘书处执行了一项称之为诊断城市地震灾害的风险评估计划r a d i u s 。 目的是对一个城市所面临的地震灾害风险水平进行评价。1 9 9 7 年美国斯坦福大 4 第1 章概述 学的r a c h e ld a v i d s o n 和h a r c s hs b a h 等人为了比较世界上不同城市潜在地震灾 害的严重程度，提出了用一个地震灾害风险综合指数e d r l ( e a r t h q u a k ed i s a s t e r r i s kb d e x ) 来评价各个城市的潜在地震灾害相对严重程度，图1 1 为地震灾害 风险因素1 9 9 8 年开始这个方案被r a d i u s 计划采纳，对世界上约5 0 个城市的 地震风险进行了分析与比科7 l 。 iil 地震危险 震区资源l 易损性 l 外部因素l紧急反映与恢复1 _ j 物理基础设施_ j 物理基础设施1 经济一计划 l _ 1 地震震动 一人 口l 一人 口i 1 交通一资 源i 一相关灾害i i 经济l 经济_ j 政治 机动存储能力l _ j 牡会政治系统叫社会政治系统_ j 文化 图1 1 地震灾害风险因素层次图 1 2 2 城市防震减灾能力评价的研究 一、城市防震减灾能力的提出 2 0 0 0 年，谢礼立等综合并发展了目前城市防震减灾研究工作成果，在国家 9 7 3 计划( 国家重点基础研究发展规划) 项目中，在国际上率先开展了“防震减 灾能力评价与评价指标体系的建立”课题的研究，并提出了一套具体的城市防 震减灾能力评价方法【7 】。图1 2 为城市防震减灾能力层次分析体系结构图。研究 中所给出的定义为：一个城市或地区的防震减灾能力是指该城市或地区所具有 的确保地震安全的能力，也即使该城市或地区免遭或减轻地震破坏和损失的能 力。一个城市或地区的防震减灾能力强，其相应的地震安全性也相应的越高。 对城市防震减灾能力的评价研究将有利于防震减灾工作的科学决策，对有效减 轻地震灾害所造成的损失将起到积极的作用。同时，也为城市防震减灾研究工 5 第1 章概述 作的发展开辟了一条新的研究思路。他们同时认为：一个城市的防震减灾能力 主要取决于该城市所具有的减少或消除地震人员伤亡的能力、减轻或不发生地 震经济损失的能力和缩短或不需要震后恢复时间就能使社会、经济和政治一切 恢复正常的能力。但是，一个城市即便是有了足够的防震减灾能力，也不能保 证地震时无人员伤亡、无任何经济损失、震后不需要恢复时间，而只能将这三 个要素控制在一定的程度内，该程度即社会可接受水平。张风华等对社会可接 受水平的研究也做了大量的工作i ”。 城市防震减灾能力 经济损失l1 人员伤亡ll 震后恢复时间 预地 报震 能监 力测 监测 能力 预报 水平 防工 御程 能抗 力震 刻 生命线 工程 习 影社政 响会治 能人经 力文济 城市政 治状况 城市 人口 城市经 济外部 型 公众堋 灾意识 法规保 障体系 图1 2 城市防震减灾能力体系 二、其它人对该问题的研究 层次分析矩阵各指标权值的计算确定是应用层次分析法进行分析和计算的 关键，目前常用的方法主要是：a ，行和正规化法；b ，列和求逆法；c ，和积法；d ， 特征值法；e 梯度特征值法；e 对数回归法；g ，最小平方法；h ，最小偏差法等1 1 】。 6 城市灾害管理能力 第1 章概述 金菊良等提出的一种基于加速遗传算法的层次分析法( a g a a h p ) 1 1 1 利用 判断矩阵所有元素的信息，并根据尽可能满足一致性条件而构造相应的优化问 题来推求排序权值，因此它具有置换不变性、相容性、对称性和完全协调性等 优良品质【1 2 1 。这种方法对处理不完全一致性矩阵甚至残缺判断矩阵和群体专家 判断矩阵适应性强，在判断矩阵确定时通过调整权值来改进一致性指标，能够 迅速有效的优化层次比较矩阵，所得到的各因素指标权值精度更高，结果更稳 定。城市防震减灾能力综合指数是一个由众多自然因素和社会经济因素组成的 复杂系统，涉及到了城市政治、经济生活的各个领域。如何将各个领域的研究 理论成果应用到城市防震减灾能力综合指数体系的计算中来也是需要探讨的问 题。 何玉林等在文献【1 3 】中，从风险评估的角度介绍了在联合国十年减灾委员会在 日本政府的资助下，实施开展城市地区抗御地震灾害风险评估工具( r a d i u s ) 项 目的情况。对项目评估的结果和经验进行了分析。候玉兰结合墨西哥、巴西在 加强城市环境综合治理、提高城市防震能力方面的做法，系统地介绍了两国在 综合提高城市环保水平和增强城市防震能力两项工作时的步骤和特点，并对北 京市如何开展这些工作提出了自己的建议【1 4 】。 1 2 3g i s 在城市防震减灾的应用研究 g i s 与层次分析法结合的方法，地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，简称g i s ) 是以多学科集成为基础平台，用作搜索、存储、管理和分析 各种空间信息的系统。它具有强大的空间数据分析能力，可以进行数据综合和 地理模拟，可靠性高、适应性强，可以满足城市防震减灾涉及多学科、运用多 种高新技术、数据量大等复杂性要求。因此，利用g i s 管理城市防震减灾信息， 是一种提高城市防震减灾效率的有效途径。而a r c a 3 i s 、m a p i n f o 等地理信息系 统软件功能强大，可以方便的进行图形处理、分析、叠加、缓冲区分析等操作， 可以有效地运用到城市防震减灾工作中。如对于城市防震减灾能力综合指数体 系中的城市工程性设施防御能力指标下的交通系统的冗余能力指标，如果用人 工调查的方法不但效率低下，而且不能保证调查数目的可靠性。如果通过g i s 的方法获取交通信息，则可以极大地提高信息提取速度和精度。利用g i s 方法 获取城市防震减灾能力综合指数基础信息过程见图1 3 所示。 7 第1 章概述 图1 3 ：获取城市防震减灾能力综合指数基础信息过程示意图 目前，g i s 技术已被广泛应用于地震工作领域，但在已有的防震减灾系统中， 很少全面系统的针对震害工作的各个环节提供支持服务，不能满足震前、震时、 震后各阶段工作的需要，还无法成为地震相关部门工作的必要。此外，虽然g i s 技术在地震灾害预测及其对策研究方面已经比较成熟，但在某些比较重要的研究 领域，如设定地震研究、地震预报等，仍处于探索阶段。这些领域的分析数据大部 分是跟空间有关的，利用g i s 的空间分析、查询和图形编辑功能，可以简化工作过 程。提高准确度。 此外，通过g i s 软件及二次开发，可以对基础信息库数据进行识别、归类、 统计、计算。如通过空间分析识别，可快速计算市的交通系统的冗余能力指标 值，提高了城市防震减灾能力综合指数计算的效率。随着计算机技术和互联网 的日益成熟，g i s 的分支研究领域w e b g i s 也蓬勃的发展起，来姚保华、谢礼立 等讨论了基于w e b g i s 的防震减灾信息系统实现方法i t s ，该文以大庆油田为例， 对基于w e b g i s 的防震减灾系统总体设计思想、功能模块组成与使用和系统实用 性等方面做了具体的探讨。 从以上论述可以看出，g i s 作为2 0 世纪后半段发展起来的新兴学科，其技 术方法可以有效地应用到城市防震减灾的各项工作中。包括地震地质资料管理 与分析、地震分析与预报、工程抗震管理、地震应急救灾等领域都可利用g i s 作为辅助工具开展工作。随着计算机技术的发展和g i s 理论方法的日益成熟， g i s 将在城市防震减灾工作中发挥更为重要的作用。 8 第1 章概述 1 3 本文的研究内容 从以上的论述可以看出，城市防震减灾能力可以作为评价城市在地震发生 时抗震能力的标准，应用于城市地震安全性评估。g i s 学科的新技术与方法，可 以有效地提高到城市防震减灾能力评价工作的效率和精度。因此，结合上海市 科委项目“上海市防震减灾能力评价方法及其应用研究( 项目编号：0 4 2 5 1 2 0 3 0 ) ”， 本论文拟开展如下几个方面的研究工作： ( 1 ) 建立一套适合上海实际的城市防震减灾能力评价体系。探讨生命线系 统抗震能力、次生灾害系统防御能力以及城市地震监测预报系统监测与预报能 力等对城市防震减灾的影响大小。通过专家调查，确定了各指标对城市防震减 灾能力的权值。对城市防震减灾能力评价体系中每一指标指标定量分的确定方 法进行探讨和确定。 ( 2 ) 以上海市浦东新区为目标，根据本文确定的城市防震减灾能力的计算 方法，对上海市浦东新区防震减灾能力进行计算。计算并确定地震发生时人员 死亡、经济损失和震后恢复时间的结果。根据该结果和城市对人员死亡、经济 损失和震后恢复时间的社会可接受水平的比较，确定上海市浦东新区防震减灾 能力的大小。 ( 3 ) 建立城市防震减灾能力评价w e b g i s 系统，探讨城市防震减灾能力评 价体系的数据库建模方法、基础数据录入管理和能力评价计算的软件实现过程。 包括以下几个方面的内容：对城市防震减灾能力体系各指标进行数据建模，建 立对应的数据库表；建立基于s t r u t s 的基础数据录入修改w c b g i s 系统，实现对 基础数据的管理和录入；研究能力评价的对象化程序设计，对建构筑物抗震能 力、生命线震后满意度、人员死亡、经济损失和震后恢复时间进行计算，实现 城市防震减灾能力的快速确定和结果显示。 ( 4 ) 研究城市g i s 基础数据的存储方式和检索查询方法。探讨基于a r c g i s 的城市防震减灾信息w 曲g i s 系统部署与实施，实现基于w e b 的客户端朋匣务器 端数据传输、服务器请求响应机制以及的地图显示方法。对利用w e b g i s 进行分 区域防震减灾能力计算和现实进行试验，实现利用w c b g i s 快速查询分类基础数 据并进行防震减灾能力评价。 最后对论文的内容进行总结和展望。 9 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 2 1 城市防震减灾能力评价体系 城市防震减灾能力的科学评价，应该建立在对城市震害影响机制和灾害特 点进行深入分析的基础之上。谢礼立、张风华等通过分析认为【7 l “，评价城市防 震减灾能力高低的基本标准有三个，即：震害所造成的人员伤亡的多少、经济 损失的大小以及震后恢复时间的长短。也就是说，防震减灾能力较强的城市， 在遭遇地震袭击后，人员伤亡、经济损失和震后恢复时间将相对较少或较短。 影响该三个准则的因素可被划分为六个方面，即：地震危险性分析能力、地震 监测预报能力、工程抗震防御能力、政治经济社会人文影响能力、城市灾害管 理能力和震后应急救灾和救助能力。 谢礼立、张风华等首先基于层次分析法理论模型建立了防震减灾能力的层 次结构【3 】。然后，再对各影响因素采取各自有针对性的分析方法( 如：城市建构 筑物抗震能力指数计算、生命线系统震后功能满意度分析、次生灾害防御线性 加权等) ，确定出构成六大因素的各子指标的权值。最后，根据震害实例和经验， 制定出每个指标的评价标准，并利用灰关联度方法确定城市防震减灾能力综合 指数，最终形成包括上述三个评价准则和六大因素的整个城市防震减灾能力指 标体系的具体内容、影响权数和定量取值标准。 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 是美国运筹学家t l s a t t y 于7 0 年 代提出的【7 1 。层次分析法的本质是一种决策思维的方法，它将复杂的问题分解成 各个处于不同层次的组成因素，将这些因素按支配关系分组形成有序的迭阶层 次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，综合人的判断 以决定决策诸因素相对重要性的顺序。层次分析法体现了人类思维的基本特征， 即分解、判断、综合。城市防震减灾能力评价是一个复杂的、系统的过程。层 次分析法所具有的系统化、层次化并可将定性分析和定量计算相结合的特点， 使其可以很好地适应防震减灾能力评价的要求。图2 1 为城市防震减灾能力评价 层次结构图。 1 0 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 图2 1 城市防震减灾能力评价的层次分析模型 层次分析法进行问题分析可以分为五个步骤： 1 建立目标问题的递阶层次结构； 2 构造两两比较判断矩阵； 3 由判断矩阵计算被比较元素的相对权重大小； 4 计算各层元素的组合权重； 5 对层次分析模型进行一致性检验。 城市防震减灾能力的评估是一个复杂、系统的过程，层次分析法适用于定 性和定量计算相结合、系统化、层次化的特点，使它很好地适应防震减灾能力 评估的要求。 城市防震减灾能力是一个由目标层、准则层、指标层及若干分指标层构成 的指标体系。图中，“城市防震减灾能力综合指数”由“人员伤亡”、“经济损失” 和“震后恢复时间”三个指标综合确定，而这三个由指标层的六个不同方面的 能力指标共同决定川。这六个方面的能力指标又由其对应的次级的指标决定，如 地震危险性分析评价能力由它下面的设计地震动小区划、地面破坏小区划共同 决定。 层次分析的最后结果由准则层和指标层中的各个指标对于相应上级指标的 “影响力”( 权) 的大小以及该指标的定量分值共同决定。用公式表示即为： a = i ( ( q ，岛) ，( a 2 ，岛) 9 * 0 9 “，吒) ) ( 公式2 1 ) 其中a 为层次分析的结果，口；，毛( f = 1 ，2 ，3 ，栉) 分别为某指标的权的大小以 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 及其定量分值的大小。 指标权值是通过专家打分来综合确定。如人员伤亡、经济损失和震后恢复 时问对城市防震减灾能力综合指数的指标权值大小。图2 2 为城市防震减灾能力 评价详细指标示意图。 4 一i i 搿i 匕纠一l 翌_ i 鼍黧搿i 1 8 黧譬鬻1 1 7 燃：謦誓爰i i 霖黑l 糯i 鬻i 罔l 懑；1 _ j 溺l ! 一l 一；“嚣铋镒嬲! 。器； ：妇确赢椭 l 4 | 撤 t 女派 “ 蚺d 。糌辨糟：7 ，；熟 鹾南嚣鬣嚣繁俐慝i 蓐l 霹游叫嚣? 4 ， 弱髓豳国 熹：蒙型j 1 1 一 下蕊万磕- 。 嘲丽碳；。蕾，蜒 当i 蹦 崮幽吲斟糟肆! 冀 4 。叩，： 圉图翟j l ：埝1 i | 霄誊淞l l 五 o 妇一 一 ll 一 上_k _ e罐 餮摹骗 女 赫 敞 、盼 #托 誊# * ” 髓锎 毓谁毪 *张 罐 目z敞 睦棼 #捷莛雌 弘 勰 勰 0# m “ 自 麟t ” ” 啦 囊攀孝毒毋警袭 垃： 一 型辫| 衄 一一一 一_ 一一 触 劓 棒 l a ， l - - - - 鳓藤丽隅。酣阿 图2 , 2 城市防震减灾能力评价指标体系 而对于指标值的确定，张风华主要应用了以下几种不同的方法对某一指标 层对上一指标层相应指标的影响力大小进行判断： ( 1 ) 区间划分法；主要应用于指标本身的实际值较连续的情况，如人口密 度、经济增长速度等。 ( 2 ) 定级打分法；该方法主要是针对层次结构中定性指标的确定，如地震 监测预报能力。 1 2 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 由于该层次指标体系指标和子指标较多，层次较复杂，指标值涉及到社会 政治、经济生活的各个方面。暂时还没有更有效的方法来确定这些权值和指标 值，在这种情况下，专家打分和经验评估不失为一种方便易操作的办法。 2 2 体系指标的研究 在城市防震减灾能力评估指标体系确定之后，则需进一步分析各个指标对 总目标的贡献程度，即确定指标的权重【1 7 1 。目前指标权数的确定方法一般分为 主观赋权法和客观赋权法。主观权数是指各位评价专家依据自己的经验，对各 评价指标的重要程度打分，再经统计分析后得出的权数，如专家打分法、评价 区间统计法、层次分析法、模糊聚类法等。客观权数是指利用样本数据所隐涵 的信息，经统计处理所得的权数，如灰色决策法、主分量分析法等。主观权数 往往带有专家的主观倾向性，而客观权数所赋权的信息直接来源于实际，相对 比较客观，但其结果随着样本的不同，也可能会有差异。 本文研究工作在确定各指标权重时，是在充分考虑各指标本身客观情况及 特点的基础上，针对不同指标权数，采用不同的确定方法。 专家咨询工作的目的是：通过专家问卷的调查方法，确立城市地震灾害损 失的可接收水平，建立评价指标体系中不便于客观分析的主要指标权值系统， 为上海市防震减灾能力评价方法的建立和对浦东新区防震减灾能力评价的具体 实施奠定基础。 该部分的内容由两部分组成，第一部分是制定问卷、收集资料，通过问卷 调查的形式开展专家咨询；第二部分是对问卷调查的结果进行整理、分析，在 此基础上确立城市地震灾害损失社会可接受水平值，以及建立对城市防震减灾 能力进行定量评价的各项评价指标权值。 问卷制定的基本思路是以城市防震减灾能力评价指标体系为基础，按照城 市地震灾害损失社会可接受水平和各项评价指标对城市防震减灾能力的影响程 度，分别针对三大准则和各项评价指标设置咨询题目进行咨询调查。 为了使专家咨询工作代表性更强，取得的样本数更多，笔者和课题组老师 联合中国地震局工程力学研究所共同开展这项调查工作。调查工作于2 0 0 6 年3 月全面展开，同年7 月问卷回收完毕。本课题组分别在上海市政协、同济大学 和上海市地震局的部分领导与专家中实施了专家咨询，共计发出问卷6 1 份，实 1 3 第2 章上海市防震减灾能力评价方法研究 际回收5 8 份，回收率9 5 1 。中国地震局工程力学研究所利用纪念邢台地震4 0 周年学术研讨会和纪念唐山地震3 0 周年学术研讨会的机会，分别在两个学术研 讨会上向部分专