基于三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺設計

丁 廣，張 羽

(吉林省地震局 地震與火山監測中心，長春 130117)

基于三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺設計

丁 廣，張 羽

(吉林省地震局 地震與火山監測中心，長春 130117)

針對目前地震系統在監測數據無法詳細立體展現的缺點，本文在傳統2D-GIS技術的應用基礎上，將3DGIS技術引入地震相關數據的處理中，設計出一款基于3D-GIS技術的地震監測系統分析演示平臺。通過分析3DGIS技術的數據處理原理，給出地震監測系統分析演示平臺的總體方案，并詳細說明了系統基本組成的功能，給出數據庫數據引用規則及數據應用指標。最后應用所設計的3D-GIS技術的地震監測系統分析演示平臺，對所采集的實際數據進行處理并給出了實際效果圖。

三維GIS;地震監測;ArcGlobe;數據庫

0 引言

地震災害具有突發性和不可預測性，在地震作用下地質會發生山體滑坡與崩塌、軟土塌陷、斷層破裂和地震海嘯等重大自然災害，并產生嚴重的次生災害，給國家和人民生命財產帶來巨大損失。例如，2008年5月12日14時28分，四川汶川(30.1°N，103.4°E)發生震級為8.0級地震，直接嚴重受災地區達10萬多平方公里，直接經濟損失8451億元人民幣。所以關于地震數據處理分析與預報技術已經成為地震研究領域的一個重要課題。

當前，地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)分析技術在世界各先進國家得到迅速發展，它是融合地理學、計算機科學、遙感技術和GPS等多種學科用于管理和研究空間數據的技術，通過提取和加工地理信息，以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果，實現輔助地理分析決策［1］。目前GIS技術的應用大多數以二維為主，而我國地震系統也多使用傳統的2D-GIS平臺，由于其顯示不直觀也不具體，對地震監測臺站周圍的環境、觀測儀器、布線情況都不能進行描述，所以就要求從三維空間來解決問題，更加準確和完整地表達和再現真實的三維空間信息。建立地震監測臺站建筑物、儀器、地面布線與地下三維模型，可在根本上解決這一難題，也是地震監測能力最為直觀的展示。本文針對目前在地震領域所面臨的問題，將結合3D-GIS技術的實際應用，設計出基于三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺，通過對實際數據的分析，將給出此系統的應用結果。

1 三維GIS技術的基本原理

GIS是多種學科交叉的產物，它以地理空間為基礎，采用地理模型分析方法，實時提供多種空間和動態的地理信息，其基本功能是將表格型數據轉換為地理圖形顯示，然后對顯示結果瀏覽，操作和分析。3DGIS的實現關鍵在于三維數據模型的建立。對空間實體及空間關系的準確、有效表達是三維空間建模的主要任務。

表1給出了3D-GIS技術的三維空間數據模型及三維空間構模方法。其中單一三維構模，是指采用單一的面元模型和體元模型實現對三維空間對象的幾何描述;集成三維構模是指采用兩種或兩種以上的不同模型，分別對系統中不同的三維空間對象進行幾何描述和三維建模;混合三維構模是指采用兩種或兩種以上的面元模型或體元模型，同時對同一三維空間對象進行幾何描述和三維建模［2］;面元是指存在某一個投影面，在這一個面上所有單元與投影面的距離都是單值，而體元是一個單元在投影面上的投影可能有隨機多個數值，這就給數據表達和空間分析造成了因數據量極大而導致計算速度緩慢，但是它的優點是便于空間操作和分析，表達是三維的。

表1 三維空間數據模型及三維空間構模方法

2 基于三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺設計

采用三維GIS技術的建模理論，以所采集的地震相關信息為研究對象，包括地形、水位、氣候等參數，建立地震監測系統分析演示平臺，其組成如圖1所示。

圖1 系統總體構成

2.1 地震監測系統分析演示平臺的組成

所設計的3D-GIS地震監測分析演示平臺系統，由三個相互獨立的子系統構成:Oracle空間和地震信息數據庫、ArcSDE服務器系統和客戶端應用系統。

Oracle空間數據庫系統，主要功能是存儲和管理海量的地理空間數據和地震業務數據。采用高性能的商用服務器部署Oracle數據庫系統，使得空間和業務數據更加獨立，進一步提高系統的穩定性和便于維護性。

ArcSDE應用服務器系統，負責響應客戶端的數據渲染和查詢請求，從數據庫中搜索、存取和分發海量數據。與后臺空間數據庫直接連接，根據當前客戶端和服務器的CPU使用情況和網絡占用情況，自動分配計算任務，能大大降低整個系統對數據服務器的依賴，有效提高系統整體性能。從而提高了三維技術對空間海量數據存取速度，為客戶端應用系統提供了更加有效的技術支持。

客戶端應用系統采用ArcGlobe三維技術加以展現，負責與地震監測人員交互，響應查詢、分析請求，使監測人員可以用一種自然方式以任意的角度，任意的高度，任意的路徑瀏覽三維地形。系統根據地震監測人員當前的視點和高度，確定地震監測人員的視野范圍，實時計算所需要顯示的最合適分辨率的地形數據，并向服務端提交請求。由ArcSDE應用服務器系統和Oracle數據庫管理系統響應客戶端的請求并將請求結果返回至客戶端。客戶端與地震監測定位軟件相掛載，地震監測人員通過地震監測定位軟件定位之后，可以直接瀏覽三維圖像［3］。

所設計子系統通過應用程序編程接口API，對包括數據的分析、繪圖模塊、二維的分析模塊、三維的分析模塊以及專業多維度空間分析模塊在內的控制模塊進行實時訪問。其目的就是使用SQL語言查詢、路徑分析、緩沖區分析并完成對分析過程的動態演示;對三維緩沖區進行通視分析、信號網絡覆蓋分析、模型制高點統計分析，并分析過程的動態演示;最后完成淹沒分析、剖面分析、雷達掃描分析、空間軌跡分析并生成動態影像模塊。

2.2 數據的選擇

2.2.1 數據選擇方法

建設3D-GIS地震監測系統分析演示平臺，需要多種空間數據，除了基礎地圖數據，還需要地形數據和地表數據，具體到數據類型，應該包括:DEM數據、遙感影像數據(衛星或航飛)、基礎地理數據、三維模型數據、專業地圖數據。

同時所設計的平臺需處理的數據選擇上必須有嚴格的要求。例如數據在時間上保證同期，尤其是遙感影像數據是實效性比較強的數據，在選擇時要考慮其拍攝的年份、季節等方面。

數據分辨率的選擇:如何從眾多的同類數據中，選擇最適合的數據，既能滿足系統建設的要求、又不會造成數據的冗余;不同分辨率的影像保密級別和獲取成本都不一樣。數據分辨率并不是越高越好，分辨率的提高帶來的是經濟成本、數據處理成本、時間周期成本的極大增加［4］。

數據之間的匹配性:3D-GIS地震監測系統分析演示平臺所使用的數據，是空間密切關聯的，不能出現不同數據源之間空間偏離的現象。這就要求在數據選擇時，要將各種數據統一在相同的坐標系統下。以免出現不同數據之間在“打架”問題。

數據精度的匹配性:不同精度的數據表達不同空間尺度的信息。3D-GIS地震監測系統分析演示平臺綜合了各類數據，這些數據在相同的應用需求下使用。那么就要求數據在精度上能夠匹配，不同空間尺度的應用需求都有對應精度范圍的地形、影像、以及地圖數據［5］。

2.2.2 數據選擇指標

3D－GIS地震監測系統分析演示平臺可使用1:25萬DLG數據、1:5萬DLG數據、主要城市1:1萬DLG數據、1:50萬地質數據、10米精度RS數據、1:5DEM數據和鉆孔數據制作完成。

影像顯示分辨率為10米，平面矢量分辨率主要城市1:1萬其它城市1:5萬。

每個地震監測臺站使用2千以上多邊形建模，貼圖精度控制在20MB以內。監測儀器使用1千以上多邊形建模，貼圖精度控制在10MB以內。地面布線與地下管線使用盡可能少的方法建模，以提高顯示速度。

3 三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺的實際應用

采集吉林省長白山區域的相關地理數據，應用所設計的三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺進行數據處理并給出分析結果，如圖2所示。

圖2描述的是長白山整個地區的俯視地試圖，詳細的標出不同區域的名稱，可以看到地址的平緩趨勢，同時標注出了地震多發區域圈，具有較強的數據表達特性。為了能更加具體的體現某些地勢特征，所設計的平臺可以通過數據實時展現出立體剖視效果，如圖3所示。為研究復雜地形地貌與地震關系提供了很好的技術支持。

4 結語

為解決當前地震系統在處理相關數據時所面對的實際問題，設計出基于三維GIS技術的地震監測系統分析演示平臺，相對于傳統2D-GIS技術，具有數據更全面、表述更清晰和結果更準確的特性，其應用可以為地震監測部門的決策提供多角度和多尺度的數據支持。應用所設計的系統對所采集的實際數據進行處理，從結果看出所設計的系統完全可以滿足當前的實際需要。

圖2 長白山地區地勢圖

圖3 長白山山勢立體圖

［1］ 肖樂斌，鐘耳順，劉紀遠，宋關福.三維GIS的基本問題探討［J］.中國圖象圖形學報:A輯，2001，6(9):842－848.

［2］ 李青元，林宗堅，李成明.真三維GIS技術研究的現狀與發展［J］.測繪科學，2000，25(2):47－51.

［3］ 黃心淵.3DMAX R4標準教程［M］.北京:人民郵電出版社，2001.

［4］ 陳述彭，魯學軍，周成虎.地理信息系統導論［M］.北京:科學出版社，2003.

［5］ 任海軍，文俊浩，徐玲.一種三維數字城市的構建和實現方法［J］.重慶大學學報(自然科版)，2006，29(4):101－104.

Three-dimension GIS Technology-based Design for Analysis and Demonstration Platform of Earthquake Monitoring System

DING Guang，ZHANG Yu

(Earthquake and Volcano Monitoring Center，Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China)

In view of the shortcoming that the monitoring data can not be shown detailedly and three-dimensionally in current seismic system，this paper，based on the traditional 2D-GIS technology，introduces 3D-GIS technology into the processing of earthquake datum and designs a 3D-GIS technology-based analysis and demonstration platform of earthquake monitoring system.Through analyzing the principle of data processing，it gives the overall scheme of the platform，describes the functions of basic components in detail and presents the reference rule of database data and the application index.Finally，it analyzes the effect of this platform on processing the collected datum by using this system and provides the practical effect diagram.

3D-GIS;earthquake monitoring;ArcGlobe;data base

TP392

A

1009－3907(2012)06－0660－05

2012-03-28

地震科技星火計劃項目(XH1008Y)

丁廣(1984-)，男，吉林大安人，工程師，主要從事地震監測方面研究。

責任編輯:吳旭云