QGIS铁路地震影响场自动计算和发布

孙文韬，王友彪，周学影

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

0 引言

地震是影响铁路行车安全的自然灾害之一，为增强我国高速铁路防震减灾能力，自2012年起原铁道部和中国地震局联合攻关，开始共同研发高速铁路地震预警系统［1-3］，2015年底高速铁路地震预警监测系统研发基本完成，并在福厦、成灌、大西等高速铁路开展了地震预警监测系统试验，目前已在大西［4］、太焦［5］、京张、京雄等高速铁路运用，并逐步向全国推广。

地震强弱程度和范围是描述地震影响的2个指标，可以通过地震峰值加速度或烈度等地震动参数的分布反映出来。根据《高速铁路地震预警监测系统技术条件》［6］等相关标准要求，将峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）40、80、120 gal作为高速铁路地震预警紧急处置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的加速度阈值，故选取铁路行业最关心的PGA作为地震影响场指标。

地理信息系统（GIS）在防震减灾中作用的研究起始于20世纪80年代末。经过30年的发展，GIS已在灾害评估、地震危险性分析、地震预警、地震烈度速报和紧急救援等领域发挥了至关重要的作用［7］。随着我国铁路建设蓬勃发展，高速铁路已四通八达，铁路线在空间上呈交错分布，地震发生的随机性导致无法提前预估受地震影响的铁路位置。利用GIS强大的空间分析能力能更好、更快地展现地震的震中和周边铁路的分布，再结合地震动传播衰减规律可快速估算地震对周边铁路的影响。通过第一时间计算出地震对铁路的影响区段并将影响信息自动发送，可以使铁路工作者和管理单位最快、最精准地了解可能受到地震威胁的铁路，为震后处置和防灾、减灾提供数据支撑。根据前期调研情况，目前铁路行业尚未应用地震后快速计算铁路影响场并实现信息自动发布的系统。在QGIS（Quantum GIS）软件中设计并开发一个插件，根据国家地震台网中心地震目录，利用铁路地理信息数据和地震动衰减关系实现地震后快速估算地震对最近铁路的影响并自动发布信息，是铁路地震分析需要进行的工作。该工作可为铁路地震应急处置和灾后救援提供数据支撑。

1 QGIS发展现状

QGIS是一个方便使用的开源地理信息系统，是地理空间开源基金会（OSGeo）的一个正式专案软件，可在Linux、Unix、Mac OS X和Android等系统上应用，并支持众多矢量、栅格、数据库格式及功能。QGIS目前的测试版本已经更新至3.22，稳定版更新至3.16。与成熟但昂贵的商业软件ArcGIS不同，QGIS最友好的特点之一就是开源，这使其在短短20年中发展迅速。QGIS是开源GIS的集大成者，整合了GRASS、SAGA GIS等多个开源桌面软件工具，开发者可以自行检阅与调整程序代码，并保障让所有使用者可以免费且自由地修改程序。QGIS拥有自己的开源插件社区，供世界各地的学者相互应用和分享插件［8］。QGIS中各算法之间可以相互调用，基于QGIS开发铁路地震加速度影响计算和发布程序简便易行。

2 国内外研究现状

地震防灾、减灾领域中，国内外相关学者利用GIS开展了不同方向的研究应用。孙哲等［9］基于陕西省不同分区的椭圆和线源两种烈度衰减模型，采用Python自动化技术和Arcpy空间绘制技术自动生成地震影响场方法，通过ArcGIS Server实现影响场地图服务的自动发布；冯骏等［10］基于Arc Engine、C#编程语言开发设计了毕节市地震应急分类响应研究中地震危险性模型、建筑物易损性模型及系统，研发出适合研究区域震情的地震应急分类响应系统，该系统实现了四大功能，包括基础数据管理、地震信息管理、地震知识库管理和震时评估；美国湾区政府协会（ABAG）利用GIS对旧金山湾区交通系统开展了易损性评估，并将成果用作该区域交通规划的依据；日本建筑署建筑研究所在横滨大地震后，同样建立基于GIS的防震减灾系统，开展了横滨大地震的震后损失评估，利用GIS数据库统计了地质、断层、建筑物震害等资料［11］。

3 地震动衰减关系应用

地震动衰减关系是建立震级与加速度关系的经验公式。GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》基于国内外大量强震记录和美国NGA（Next Generation Attenuation）的研究成果，同时利用我国区域观测数据和实际情况换算统计，得到适用于我国的地震动衰减关系模型（见式（1））［12］。

式中：Y为地震动参数PGA，A、B、C、D、E为回归系数，M为震级，R为震中距。

标准中按照地震带将我国分为4个大区：青藏区、新疆区、东部强震区和中强地震区，每个区域对应不同的回归系数。

根据地震发生的震源三要素信息，可以在QGIS中定位震源所在区域。将震源位置与最近铁路的距离带入式（1）R中，可以得到铁路最近位置的PGA；将PGA=40、80、120 gal分别带入Y中，也可以得到相应的震中距R。以R为半径圆的范围，即对应了PGA=40、80、120 gal的影响范围。

根据铁路行业应用的安全余量，衰减关系通常运用长轴结果。对应公式中，将表1中不同区域的长轴回归系数带入式（1）计算，可对应获得该地震的地震影响场。

地震动衰减关系是基于一定样本量的经验推导，估算结果可能与实际测量值有一定偏差。由于我国绝大多数地区并非密集布设地震台站，所以根据地震动衰减关系预估我国任一地区的地震动PGA是目前行业内的通用做法。特定区域中有符合局部特征更好的衰减关系，在此不做分析。分区PGA衰减关系系数见表1。

表1 分区PGA衰减关系系数

4 铁路地震影响场自动计算和发布

实现铁路地震影响场自动计算和发布需要2个模块。一是信息处理模块，可对地震目录进行抓取、图层生成、图文撰写、整合排版，并推送至短信服务器；二是地震计算模块，可基于信息处理模块抓取的信息，进行数据分析处理和数据输出。2个模块配合工作，QGIS铁路地震影响场自动计算和发布流程见图1。

图1 QGIS铁路地震影响场自动计算和发布流程

4.1 数据处理

利用QGIS实现铁路地震PGA影响的计算主要依靠以下基础数据：

（1）我国铁路线分布矢量数据。我国已建成铁路线的数据为开源信息，应用类地图软件（例如高德地图、百度地图等）对于铁路线的位置均有明确标记。研究选取OpenStreet Map上中国地区的铁路线数据，进行合并矢量、几何校正、名称校对等人工处理工作，作为基础铁路线数据，开源铁路线数据见图2。

图2 开源铁路线数据

（2）衰减关系分区数据。如利用第五代区划图中的衰减关系进行运算，需按照表1系数判断震中所处位置的分区属性。相关信息可查阅GB18306—2015和中国标准出版社出版的《中国地震动参数区划图》。衰减关系分区数据见图3，其中，深蓝色为东部强震区、浅蓝色为中强地震区、粉色为新疆区、橙色为青藏区。

图3 衰减关系分区数据

如利用其他衰减关系，可替换表1中的数据。

（3）底图数据。底图数据主要为展现地震震源、铁路线等要素的具体参考位置和周边兴趣点（POI）信息，不参与地震分析和计算。底图需要在线或离线加载，研究建议选取天地图的瓦片服务形式在线加载，具体可查询天地图官网（https：//www.tianditu.gov.cn/）。

以上数据为开源数据，程序的功能实现不受数据准确性的影响。如需在路网环境应用，则应将相应各矢量数据替换为专业工程数据。

4.2 设计流程

（1）从中国地震台网中心界面抓取地震信息目录。抓取的时间间隔可人为设定，也可人工点击进行抓取，并将结果单独保存至本地。

（2）在抓取到新地震数据后进行自动分析，可对震中位置进行区域判断，并根据地震位置运用表1中不同的PGA系数，计算结果为PGA影响范围的半径。根据高速铁路地震预警监测系统的规则习惯，需计算当PGA=40、80、120 gal或人工输入值时对应的范围半径，将所有结果保存至本地。此处预留衰减关系替换功能，可根据运用的不同算法替换衰减关系系数，以达到精准预测的目的。

（3）将所得影响分布结果在QGIS中以新建图层的方式进行可视化展示，震中以“☆”标注，大小和颜色随震级而定，并配以描述性标签文字；影响范围是以震中为圆心、步骤（2）中计算结果为半径的圆，在圆外侧的适当位置标注半径大小。将以上结果保存在本地。

（4）人工输入距离参数，如100，200 km等。寻找震中到这个参数范围内铁路线最近的位置，并计算最近的距离；根据地震衰减公式计算出铁路线最近处的地震动参数PGA。同时，支持判断该位置处于哪条铁路线上，将最近位置的经纬度坐标输出，并反解析地址。将以上结果保存在本地。

（5）将步骤（4）的结果以新建图层的方式可视化展示，铁路线最近处默认以“×”显示，与震中连线并标注距离。将PGA计算结果标注在“×”旁边。

（6）步骤（5）图层创建后，选取适当的界面比例尺进行截图保存，要求截图中包含所有计算结果生成的图形。将计算结果串连文字输出。每个地震输出一段文字配一个截图。将此内容保存至本地。

（7）将步骤（6）的文字和截图链接至网站接口，自动以网页形式进行排版编辑，完成后将网址链接发送给短信服务器。

（8）由短信服务器根据信息模板将简短文字和网页链接发送给订阅的用户。

经以上步骤，最终实现地震信息自动抓取、分析、自动可视化展示、输出文字，自动发布等一体化全部功能。

4.3 实现流程

4.3.1 创建基础化文件

工作计划基于QGIS利用Python语言进行开发，根据4.2的设计流程，创建插件需要的基础化文件，包括：

（1）__init__.py，主要描述插件的基本信息、开发者、版本号、程序主体类、载入方式等。

（2）resources.qrc和resources.py，描述引用的相关资源文件路径。

（3）earthquake_analyzer_dialog_base.ui和earth⁃quake_analyzer_dialog.py，是地震插件界面的ui文件。

（4）earthquake Data.py（地震信息下载和格式化数据）、earthquake_analyzer.py（界面交互逻辑）、geo.py（经纬度反解析）、mapTool.py（坐标转换、测量、创建图层等）、worker.py（主要计算功能）、scheduler.py（间隔定时自动采集）等各类运用的算法及函数。

4.3.2 操作插件

4.3.2.1 插件安装

在QGIS界面菜单栏中点击“插件（P）”选项中的“管理并安装插件...”菜单栏（见图4）。在插件安装界面中选择左侧“从ZIP文件安装”栏目，选择安装包文件后点击“安装插件”按钮（见图5）。安装成功后提示“插件已成功安装”。插件中会显示“”图标。

图4 插件安装菜单栏

图5 选择安装插件

4.3.2.2 基础数据载入

载入源数据图层，包括铁路线信息、地震区划图第五代分区图和地图底图（见图6），建议数据的坐标系设定为WGS 84（EPSG：4326）。

图6 载入数据源图层

4.3.2.3 插件使用

点击数据采集配置，插件配置参数见图7，数据采集配置参数有采集间隔、铁路线图层、地震带图层、判别距离、考虑深度、存放路径，短信服务URL。

图7 插件配置参数

（1）输入参数。“采集间隔”代表自动采集时从网页抓取地震目录的时间间隔；“铁路线图层”和“地震带图层”选择第4.3.2.2节中载入的数据源；“判别距离”定义为：若震中在此距离范围内存在铁路线则进行分析和计算，如果此距离范围内没有铁路线，则不执行后续流程；“考虑深度”勾选时输入地震目录中的震源深度参与计算，此时式（1）的R由震中距替换为根据深度几何关系计算得到的震源距；“存放路径”代表用户存放截图和数据表格的本地地址；如勾选“自定义半径”，可根据用户设定的半径距离，以震中为圆心画圆，如不勾选则跳过此步骤；“短信服务URL”为短信推送的接口链接地址。

（2）采集数据。系统软件采集数据支持自动采集和手动采集2种模式。

手动采集数据模式是指用户手动点击系统软件“手动采集”按钮，会有窗口弹出，此时根据用户需求输入数字n，代表主动获取国家地震台网中国境内地震最新n条目录，并执行后续步骤。

自动采集数据模式是指系统软件根据第4.3.2.3（1）节中设定的采集间隔，自动采集获取国家地震台网中国境内地震最新目录，并执行后续步骤。长期监测时使用自动采集模式，实现铁路地震影响场的自动计算和发布。

4.3.2.4 数据记录

执行插件后，存放目录将生成若干个本地文件夹（见图8）。文件夹名称为采集时间，文件夹中包括当时的地震截图和数据（见图9），记录了地震事件基础信息，包含震级、发震时刻、经度、纬度、参考位置、最近的铁路线名称、最近铁路线经纬度信息、最近铁路距离，最近位置预测PGA大小及40、80、120 gal半径和文字描述等数据。

图8 采集数据本地文件目录

图9 采集数据本地文件

以2021年09月21日14时45分29秒发生的M3.0级河南省郑州市新密市地震为例，输出文件为地震信息和影响情况，具体为：“据地震台网中心测定，2021年09月21日14时45分29秒河南省郑州市新密市（113.50，34.53）发生3.0级地震（疑似塌陷），震源深度0 km。距离附近铁路线最近位置为新密线河南省郑州市新密市岳村镇，最近位置约2.5 km，预估PGA为54.75 gal。预估地震40 gal半径范围为3.86 km；预估地震80 gal半径范围为1.07 km。”要素图层生成后地震信息整体可视化展示见图10。

图10 地震信息整体可视化展示

4.3.2.5 信息发布

设计短信管理系统，该系统提供短信号码订阅和管理功能，订阅用户在地震后可收到铁路影响信息网页链接。手机号码状态“是”为推送状态，手机号码状态“否”则为不推送状态，短信用户管理页面见图11。点击“短信日志信息”可以看到已推送的用户和手机短信内容。

图11 短信用户管理页面

信息发布及推送截图见图12，用户接收的信息见图12（a），点击链接（图中已隐去）即可查看最近一次铁路影响信息（见图12（b））。

图12 信息发布及推送

4.4 测试结果

基于QGIS的“铁路地震影响加速度计算及发布插件”开发完成后，开展了3个月的内部测试。因开发所用数据和软件皆为开源性质，为稳定运行，环境部署在互联网云服务器上。

（1）稳定性测试中，插件经过2 000余h测试无执行错误、崩溃、内存溢出等运行故障，能及时获取地震信息，并通过链接短信正确发送文字、图片等信息至用户手机。

（2）准确性测试中，插件在周期内共计分析、发送地震信息1 000余次，其中153次为自动获取的台网中心天然地震数据，其余为人工添加的历史地震测试数据，地震加速度影响计算无误。

5 结论

在详细分析铁路地震需求和合理设计实现流程的基础上，利用铁路基础地理信息数据，基于地震动衰减关系开发了一个开源QGIS插件，主要实现了以下功能：

（1）自动抓取国家地震台网中心地震目录页面的地震三要素，并应用地震动衰减关系对地震影响场进行分析。

（2）自动计算震源与最近铁路线的距离，并预估铁路线最近位置的地震动峰值加速度（PGA）。

（3）对计算分析的数据和地图可视化展示，并实时发送给订阅用户。

此插件可在地震后及时通知相关人员地震影响范围和最近铁路的预估峰值加速度，可为铁路地震分析、应急处置和灾后救援提供数据支撑。