基于實時技術和3D WebGIS的地震信息發布系統

李珀任 吳建平 黃 靜 王長在（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

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基于實時技術和3D WebGIS的地震信息發布系統

李珀任 吳建平 黃 靜 王長在
（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

摘要隨著社會對地震信息服務提出更高要求，現有地震信息系統（基于GIS）動態數據處理能力不足，地震信息表達與真實三維環境表達存在一定差距，結合實時技術和GIS，設計和實現基于三維WebGIS的地震綜合發布信息系統。該系統改進GIS對動態地震信息的處理模式，利用三維可視化技術表征動態地震信息，為地震信息服務提供一種快速、直觀形象表達地震綜合信息的方法，在大地震震情分析應用中發揮了重要作用。

關鍵詞實時；WebGIS；地震信息；數字地球

0 引言

向公眾和科研人員提供優質高效的地震監測數據信息, 是地震數據管理的主要任務之一。隨著計算機應用技術、互聯網、數據存儲等技術的發展，用戶對地震數據的服務水平提出更高要求。可利用GIS技術管理各種地震數據，將不同數據組合成一個可視化圖形，通過網絡在用戶瀏覽器/客戶端呈現，即地震信息的可視化發布系統，使地學工作者通過網絡共享寶貴的信息資源, 最大限度地利用地震數據、時空信息，并使得從大量數據中挖掘信息成為可能（Pessina et al，2009；吳微微等，2009）?？梢暬l布系統構建不僅能有效地為社會和職能部門提供數據支持和信息服務，也有助于推動防震減災研究的信息化進程, 促進防震減災研究成果為社會共享。

GIS在地震監測預報、震災預防、震情評估和震后緊急救援等方面取得廣泛應用，提高了城市防震減災能力，但在處理地震數據方面還存在不足，如地震信息的及時（實時或近實時）發布和可視化。對于最新發生的地震事件，地震后地震烈度圖等動態數據，在現有的基于GIS的應用系統中處理能力較弱（Yu，2012）；對于網絡發布的地震信息進行可視化，現有基于WebGIS的系統（于海英等，2007；侯建民等，2008；侯建民，2009）多采用二維地圖技術，即在地震信息圖層與地形圖層，模擬表達真實的地震發生環境，與人們所見的真實三維世界有很大差距。

為滿足地震應急、震后災情分析等需求，在討論實時技術與GIS結合基礎上，基于三維WebGIS模型，設計并實現集實時地震信息、多源地學信息于一體的三維地震信息可視化發布平臺——EqMap3D（基于C/S架構，Java語言開發），并以實際地震事件為例，闡述該系統在地震綜合信息展示的功能特點，討論系統的應用前景。

1 實時技術與GIS

在地震行業各個部門，實時數據無處不在。隨著地震傳感器、傳輸網絡、計算機軟硬件的發展而建立起的數字地震觀測網絡，為地震監測提供實時地震信息成為可能（HirooKanamori et al，1998）。數字地震觀測網絡、地震前兆系統、地殼運動觀測提供實時信息源（陳會忠，2007），如：實時的地震波形、重力、地磁、地下流體和地殼形變等數據。而地震震情、災害信息管理和應急輔助決策管理系統提供實時震情分析結果，如：實時地震信息發布、地震動預測分布、災害區域范圍等。為管理和分析這些種類繁多但具有空間特征的實時數據，能否可以利用GIS的多源數據集成特性和圖形可視化特點，使其在統一平臺上進行有效地管理和表達提供了一種實現思路。

傳統的GIS主要以靜態空間數據為操作對象，被動的接收數據，而對實時性數據的接收、分析、分發能力不足，難以滿足電力、交通、應急指揮、災害監測等有實時性需求的領域（陶留鋒等，2013）。GIS應當改變為可以主動獲取實時數據甚至預約未來數據的新一代GIS——實時GIS。國內外學者對此做了大量研究工作。ESRI公司的ArcGIS Tracking Analyst模塊（Esri，2014）就是GIS和實時數據結合應用的示例；龔健雅等（2014）提出一種面向動態地理對象與動態過程模擬的實時GIS時空數據模型，為實時數據描述提供依據。可見，地震行業中的實時地震信息應當利用實時GIS技術方法進行管理和組織。

2 可視化發布系統結構設計

考慮地震應急和震后決策分析需要，根據地震事件（發生時間、震源、震級）的實時特性，結合WebGIS分層模型，設計集實時地震事件信息收集、分析處理、發布和三維可視化顯示于一體的三維地震信息實時發布系統。該系統由4個層次結構組成，分別為采集層、數據層、應用服務層和表現層，見圖1。

圖1　基于3D WebGIS的地震信息實時發布系統框架結構Fig.1 The architecture of real-time earthquake information publishing system based on 3D WebGIS

采集層負責實時地震信息數據的接入，通過實時地震信息接收模塊獲取從EQIM（全國地震速報系統）服務器（楊陳等，2009）和首都圈地震預警原型系統EEW（Peng et al，2011）發布的包含最新地震事件的三要素（發震時間，震中和震級）信息，以及ShakeMap系統（陳鯤等，2010）提供的地震動參數分布數據，并將這些實時信息寫入數據層的實時數據庫。

數據層由空間數據庫和實時數據組成，其中，空間數據庫存儲行政區劃、遙感影像和高程等矢量、柵格數據，實時數據庫管理實時數據接收器傳送來的實時數據，兩者構成時態數據庫。目前，空間數據庫構建的主要數據有：1∶100萬全國主要交通、河流、行政點等地理GIS數據等矢量基礎數據；SRTM30全球90 m精度的地形高程數據、BMNG（Blue Marble Next Generation）全球8 km、2 km和500 m分辨率衛星影像、Landsat7 全球15 m分辨率衛星影像數據；2008—2013年全球5級以上地震目錄；1∶400萬中國活動斷裂數據（鄧起東等，2002）作為地震活動構造背景數據。

應用服務層由實時數據處理和推送服務、地圖服務和Web服務器組成。從數據層獲取實時數據后，實時數據處理和推送服務設定實時數據篩選條件和接收滿足條件的實時數據，將實時地震信息進行格式轉換和投影變換后推送給可視化層（三維可視化的客戶端），而對ShakMap實時數據進行分析處理后，以地圖服務（WMS/WFS）方式進行發布。地圖服務將不同類型的GIS數據進行整合，供Web服務器調用。系統平臺的地圖服務由開源地圖服務器GeoServer提供網絡地圖服務（WMS）和網絡要素服務（WFS），為可視化層提供基礎地理信息（如公路、鐵路等、行政區劃等）、臺站分布、地質（斷層和板塊邊界）、遙感影像等地圖發布服務。

可視化層利用基于開源WorldWind Java SDK工具包（Bell et al，2007）的數字地球（Virtual Globe）技術，對應用服務層提供的數據進行三維實時渲染，包括矢量數據（震中、公路、鐵路、斷層等）、海量影像數據和高程數據的可視化。不僅能發布對時間要求高的最新地震事件（實時數據）、災后短期產出的地震震動數據（近實時數據），還能夠發布諸如地震構造、地震活動性等歷史性數據，滿足當前防震減災中不同領域對數據要求各異、動態共享的需求，并最終在三維地貌場景中表現出來，表達完整地震綜合信息。

本文主要處理地震事件此類的實時動態信息，利用實時GIS技術，在原有WebGIS基礎上，增加實時數據處理功能。為使客戶端支持動態數據處理，設計一種特殊動態圖層。該動態圖層關聯到動態空間對象，接收動態對象的更新。也就是說，該圖層包含具有共同結構和行為特征的空間對象（地震事件），并可隨時添加和移除空間對象。使用該圖層時，可以對地震事件做統一樣式設置，如符號、顏色等。設計該圖層除了考慮地震事件的位置變化外，還考慮地震事件的時態變化。因為一個新的地震事件對于當前影響表現在兩方面：一種是地震事件的空間信息隨時間發生變化，另一種是地震事件的屬性信息（即狀態值，如發震時刻距離當前的時間）也會隨時間發生變化的動態變化。同時出現了位置和屬性狀態的動態變化是一類復雜的動態變化。本文采用一種復合變化模型來動態顯示地震事件的位置和其某屬性隨時間的變化，即位置變化直觀地由空間位置變動顯示，而屬性變化（如發震時間對當前的狀態）通過可視化中的顏色等視覺變量表示其動態變化。

3 應用

三維地震信息可視化發布系統EqMap3D是集地震信息接收、存儲、處理、發布、表達為一體的信息服務平臺，2014年11月在中國地震局地球物理研究所部署并投入運行，在中國大地震的震后應急中得到應用。

3.1 新疆于田7.3地震

EqMap3D系統首先用于2014年2月12日17時19分50.3秒新疆于田MS7.3地震震情分析。此系統實時地震信息接收模塊在17時35分27秒接到中國地震臺網中心正式地震速報數據后，三維客戶端自動定位到震中（以動態閃爍方式表示最新發生的地震），以導航瀏覽方式顯示震中周圍區域的地貌、地形特征、地質斷層（圖2）。狀態欄顯示最新發生地震的三要素信息，用鼠標懸停到震中點源（黃色圓點），客戶端顯示該地震事件發震時刻、經緯度、震級、深度等詳細信息（白色矩形信息窗）。烈度速報數據于19時10分15秒經系統分析模塊處理完成，由應用服務層發布，可在三維場景中根據震區震動預估圖查看該地震對周圍區域造成的破壞程度（圖3）。通過縮放瀏覽查看地震動Ⅸ區和Ⅷ區的地質地貌，均顯示為高山無人區。除了瀏覽動態數據外，用戶可以根據不同研究主題添加不同圖層，如：和田地區的人口分布、道路等靜態數據，對地震災害評估做進一步判斷。

圖2　2014年2月12日新疆于田7.3級地震實時發布結果Fig.2 The Yutian MS7.3 earthquake published in real time

圖3　新疆于田7.3級地震震后35 min地震動預測圖發布結果Fig.3 The shake map published 35 minutes after the Yutian MS7.3 earthquake

3.2 云南魯甸6.5級地震

EqMap3D系統能夠在多比例尺間進行無級縮放，自動加載不同分辨率的遙感影像，滿足不同的觀察需求。2014年8月3日16時30分10.2秒在云南省昭通市魯甸縣發生MS6.5地震。圖4展示了系統在不同比例尺下該震中區域（不同分辨率的衛星影像覆蓋）進行實時渲染的三維地貌視圖。圖4(a)顯示比例尺為1∶2 000 m的地形地貌狀況，衛星影像為分辨率為15 m的Landsat7。圖4(b)顯示比例尺1∶50 m高分影像震中地貌分布。三維地貌環境視圖實時概覽地震發生地的三維地貌環境，為地震應急救援和救災指揮提供準確、及時的局部精細地形地貌信息。

圖4　不同比例尺下加載不同分辨率遙感影像后的云南魯甸6.5級地震震中顯示效果Fig.4 The Ludian MS6.5 epicenter display, automatically loading different resolution remote sensing images at different scales

3.3 云南景谷6.6級地震

EqMap3D系統不僅能實時查看最新地震發生情況，也能及時了解大震后余震序列分布。圖5顯示了2014年10月7日云南景谷6.6級地震主震（紅色圓點）和余震（2.5級以上）分布，可以明顯看出余震呈北西向以較窄條帶分布，與震后余震重新定位結果一致。此外，可以結合斷層（圖5中白線）性質，進一步分析該地震的構造成因。

圖5　云南景谷6.6級主震和余震序列與斷層分布Fig.5 The mainshock and aftershock of the Jinggu MS6.6 and the fault distribution

4 結束語

本研究利用數字地球技術，將實時動態的地震信息在三維空間中展現出來，直觀、形象地表達了地震活動的時空分布特征，提供了一種快速、生動、形象的地震信息表現形式，為地震信息動態數據發布和可視化提供了一種思路，對于實時地震信息等動態數據處理提供了一個通用性系統框架。三維地震信息可視化發布系統為防震減災領域中復雜的多源數據管理和應用提供了一個共享、展示、分析的平臺，對于抗震救災輔助決策具有一定實際意義。地震研究人員通過此平臺，可以方便地集成各種數據資源，多角度展示并綜合分析，促進成果交流。同時，利用形象的三維可視化技術，將地震研究人員使用的復雜的地震機制術語、推演和分析結果轉化為公眾易于理解的形式，直觀、生動地展示地震活動場景，推進防震減災科普教育和地震科學知識傳播。

參考文獻

陳會忠. 地震信息系統發展綜述[J]. 地球物理學進展，2007，22（4）：1 142-1 146.

陳鯤，俞言祥，等. 考慮場地效應的ShakeMap系統研究[J]. 中國地震，2010，26（1）：92-102.

鄧起東，張培震. 中國活動構造基本特征[J]. 中國科學，2002，32（12）：1 020-1 030.

龔健雅，李小龍，等. 實時GIS時空數據模型[J]. 測繪學報，2014，43（3）：226-232.

侯建民，黃志斌，等. 國家臺網地震速報綜合信息發布系統研究[J]. 中國地震，2009，25（4）：445-454.

侯建民，劉瑞豐，等. 基于WebGIS的地震目錄數據發布系統研究[J]. 地震地磁觀測與研究，2008，29（2）：106-111.

陶留鋒，邢廷炎，等. 實時GIS體系結構與關鍵技術研究[J]. 計算機工程與設計，2013，34（9）：3302-3306.

吳微微，楊建思，等. WebGIS在防震減災工作中的應用與發展趨勢[J]. 國際地震動，2009，3：20-27.

楊陳，黃志斌，等. 全國地震速報信息共享服務系統[J]. 地震地磁觀測與研究，2009，30（5）：133-138.

于海英，解全才，等. 基于WebGIS的強震動臺網數據發布系統研究[J]. 世界地震工程，2007，23（3）：13-17.

Bell D G, Kuehnel F et al. NASA World Wind: Opensource GIS for mission operations[J]. Aerospace Conference, 2007，IEEE, Big Sky, MT, IEEE.

Esri. ArcGIS Tracking Analys (http://www.esri.com/software/arcgis/extensions/trackinganalyst). 2014.

Hiroo Kanamori, 索敏. 實時地震學與地震減災[J]. 世界科學, 1998, (3): 21-22.

Peng H, Wu Z et al. Developing a Prototype Earthquake Early Warning System in the Beijing Capital Region. Seismological Research Letters[J], 2011, 82(3): 394-403.

Pessina V and Meroni F. A WebGIS tool for seismic hazard scenarios and risk analysis[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2009, 29(9): 1 274-1 281.

Yu L and Gong P. Google Earth as a virtual globe tool for Earth science applications at the global scale: progress and perspectives[J]. International Journal of Remote Sensing, 2012, 33(12): 3 966-3 986.

Design and implementation of earthquake information publishing system based on real-time technology and 3D WebGIS

Li Poren，Wu Jianping，Huang Jing and Wang Changzai
(Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081，China)

Abstract

With modern society continues to put forward higher requirements for seismic information services， a 3D WebGIS system based on a comprehensive three-dimensional seismic information publishing systems by combining real-time technology and GIS is designed and implemented，overcoming the deficiencies in dealing with dynamic data capability of the existing earthquake information systems based on geographic information systems (GIS)， and the gap between expression of earthquake information and the real three dimension environment. The system can improve the capacity of dynamic earthquake information for the systems based on GIS and represent the earthquake information by 3D visualization technology. It provides a fast， intuitive method of integrated seismic information for the earthquake information services， as well as plays an important role in analysis of large earthquake event.

Key words：real time，WebGIS，earthquake information，digital earth

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 018

基金項目：中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（DQJB12B29）

作者簡介：李珀任（1976—），男，助理研究員，主要從事地震信息技術、地震監測工作

本文收到日期：2014-12-12