實時震情跟蹤與快速發布系統建設

王想 李永慶

引言

震情跟蹤和震情信息發布是地震局監測預報部門的主要職能之一。但是震情跟蹤工作的現代化水平不足，遠遠不能滿足政府和社會公眾的迫切要求，同時也不能滿足地震信息工作者本身對地震信息的要求。因此，有必要進行供給側改革，豐富新常態下和非常態下的公共服務產品，提高震情跟蹤工作的網絡化、自動化和智能化水平。

今天，互聯網已成為地震消息發布的主要載體，比如專業地震信息網，中國地震臺網速報微博，各省地震局的政務微博等。互聯網與各個傳統行業深度融合、快速發展的互聯網+時代，對震情跟蹤消息發布的時效性、開放性、通俗性以及專業性都提出了更高的要求。一方面，地震觀測數據的應用方式發生了新的變革，越來越注重多學科交叉和數據資源的開放共享，而目前單機模式的分析預報軟件彼此孤立，形成了信息孤島，影響了資源的交換共享。另一方面在政府和社會公眾聚焦震情跟蹤相關信息發布的情況下，整個過程要求分析預報人員快速、準確、高效地完成，分析預報軟件單機模式的滯后性、封閉性、復雜性的問題日益顯露，影響了震后應急處置的效率。

圖1 系統工作流程圖

本研究研制了一套實時震情跟蹤與震情快速發布系統，充分利用服務器強大的存儲和處理能力、寬帶通信網絡的高速數據交換能力、WebGIS平臺的空間數據處理能力以及測震業務系統開放的服務接口，實現震情的實時、快速、自動分析與發布，通過設計良好的自動化程序大幅提高震情跟蹤工作效率以及地震應急響應速度，為震情跟蹤工作、地震活動性分析、地震應急會商、地震趨勢研判提供軟件工具，實現分析預報業務系統部分功能的網絡化、自動化和智能化。

實時震情跟蹤與快速發布系統的工作流程

實時震情跟蹤與震情內容的快速發布都屬于科研型業務流程，主要涉及收集數據、分析數據和可視化數據三個方面的工作，整個系統功能側重網絡化、自動化和智能化（圖1），兼顧時效性和適用性，專業性和通俗性。收集數據功能同步了現有的EQIM（EarthQuake Instant Messenger）地震速報消息服務系統以及測震統一編目系統；分析數據功能減少人機交互過程，實現了部分地震學分析方法，提供交互式的地震活動性分析、震情跟蹤方法；可視化數據生成的數據產品包括：地震專題的WebGIS服務，震情分析與發布，測震學短臨異常指標動態跟蹤結果和安卓客戶端APP。

實時震情跟蹤與快速發布系統的架構

我們參考傳統Web應用架構設計了本系統的三層結構，自下而上分別是：數據層、業務層和應用層（圖2）。通過在各層次上擴展空間數據管理功能，實現Web與WebGIS業務的綜合集成。其中在數據層，用關系型數據庫PostgreSQL管理一般數據，用其空間擴展PostGIS管理斷層分布、行政區、道路等空間數據；在業務層，將Web和WebGIS服務統一部署到Web容器Apache Tomcat中；在應用層，使用JavaScript客戶端訪問常規Web服務，使用OpenLayers客戶端訪問WebGIS服務。

圖2 系統技術框架結構圖

實時震情跟蹤與震情快速發布系統的核心內容

（一）收集數據——地震目錄同步

通過中國地震局“九五”“十五”項目建設，國家逐步建成了大震速報(EQIM)、統一編目等一系列共享軟件系統，新的統一編目系統也于2015年底進行上線測試。這些系統是我們可靠的數據來源。

我們采用Java SE+Eclipse IDE技術同步以上震情數據系統，程序以預設的同步周期主動訪問EQIM系統和統一編目系統的數據，檢測到數據更新時，將新數據寫入本系統的數據庫表中。為保證數據的時效性，同步周期與速報系統和編目系統的數據更新周期保持一致。EQIM系統的數據是實時更新的，因此同步周期設置為10～30秒；統一編目系統中包括快報目錄和正式報目錄，數據更新周期分別是24時和4周，同步周期設置為24時。地震目錄同步服務啟動后，數據同步和發布將自動完成，全程無須用戶參與。系統同時提供了操作地震目錄的交互式界面，一旦自動同步失敗或者出錯，用戶可以手動更新數據。

（二）分析數據——震情分析服務

震情分析服務集成了震情分析業務邏輯、Web服務、Web客戶端、WebGIS服務和WebGIS客戶端等多種組件。

WebGIS服務是系統的關鍵功能模塊，用戶的各種操作都要依托WebGIS平臺完成。WebGIS平臺的搭建流程是在服務器端：①安裝數據庫PostgreSQL和空間數據引擎PostGIS，創建數據庫、數據表，導入數據；②安裝、配置WebGIS服務器GeoServer，發布WMS（Web Map Service）和WFS（Web Feature Service）。在客戶端：利用OpenLayers調用WMS和WFS。

震情分析服務系統從JMS（Java Message Service）數據交換總線上讀取地震目錄數據，利用PostgreSQL和PostGIS數據庫將地震目錄轉換為空間數據，再利用開源的WebGIS服務器GeoServer將地震數據發布為WMS服務，在客戶端使用Openlayers技術將WMS渲染成電子地圖，并提供多種地圖操作控件。用戶通過Web瀏覽器進行震情分析，無須安裝任何客戶端程序，也無須任何配置。大震應急時，現場工作人員亦可通過手機等智能終端訪問系統。

（三）可視化數據——震情發布服務

速報地震將自動觸發震情信息，并通過Web接口和安卓客戶端進行發布。使用了Python總體技術路線，利用WebGL技術實現了斷層的3D模擬，采用Threejs技術實時渲染，根據斷層的實際參數如斷層性質（正斷層、逆斷層、走滑斷層）、走向角和傾角，反映斷層在地殼內的真實展布狀態。

實時震情跟蹤與快速發布系統的功能

（一）地震目錄及信息服務

支持對地震目錄數據庫的交互式管理。管理模塊提供了對地震目錄進行增、刪、改、查、導入/導出、排序和分類統計的功能。目錄中選中的地震在地圖中居中顯示，并彈窗顯示地震的基本參數，包括：發震時刻、震中位置、震源深度、ML震級、MS震級、震中地名等。

系統支持震情時空分析，災情風險評估，震情發布以及對第五代地震動參數區劃圖、人口網格、GDP 網格、建筑網格、應急避難場所分布的查詢等功能。平臺主頁包括三個功能區域（圖3）：頂部是系統LOGO和快捷按鈕區，中部是WebGIS功能區，右側是圖層配置區。除了提供通用的視圖縮放、多邊形選擇、測量等編輯和圖層配置工具外，快捷按鈕可以分別鏈接到地震目錄管理、圖層配置和震情信息等八個模塊。功能區將最近發生的一次地震作為主震，呈現動畫效果。

系統實現了分等級用戶權限。用戶進入系統后，游客用戶僅能使用“地震目錄”“時空分析”和“風險評估”這3個模塊。普通用戶，可以使用“地震目錄”“時空分析”“風險評估”和“震情發布模塊”。管理員用戶，可以使用系統全部模塊。其中地震風險評估結果綜合展示平臺利用公里網格的人口、GDP 數據對我省的地震風險進行了計算，并利用WebGIS 方式進行展示。

（二）實時震情跟蹤服務

圖3 地震空間分析

系統支持測震學短臨異常指標實時動態跟蹤，對顯著平靜、缺震、b 值、小震窗等在河北地區應用效果較好的測震學短臨異常指標進行跟蹤。具體方法包括震級-時間（M-T）、發震次數-時間(N-T)、發震次數-震級(N-M或lgN-M）、發震時間間隔-時間（Δt-t）分析等8種方法。通過對劃定的研究區域，比如華北、首都圈、冀晉蒙、冀魯豫、唐山、京津等，按照預設的窗長、步長對指標進行自動計算，超過閾值則發布異常報警消息。然后通過圖形用戶界面，實現分析結果的空間可視化，并將分析結果存入數據庫，以JMS消息的方式上傳到ActiveMQ。

（三）震情快速發布服務

震情推送服務根據專業用戶和大眾用戶不同的需求，主要功能是將生成的震情信息分為常態推送和非常態推送兩種，進行統一的存儲、管理和發布。常態推送是自動生成并發布日常會商涵蓋的震情信息內容，減少了科研人員在更新維護地震數據以及圖件編制方面的工作量。非常態推送是在顯著地震后，對符合觸發條件的地震自動生成首期震情信息，可以跟蹤地震發展并自動更新后續多期震情內容。常態推送包括會商版震情信息和常態版震情信息；非常態推送包括顯著地震發生后，速報服務產生的大眾版震情信息和專家版（多期）震情信息。兩類四種震情信息均可以通過Web接口和安卓客戶端進行實時發布。

系統提供自動觸發條件的配置界面，觸發條件的內容包括經緯度范圍和震級范圍（MS震級或者ML震級）。震情內容（一期）包含地震基本參數、震中和鄰近斷裂附近歷史地震活動和地震類型的統計情況；震情（二期）增加了余震、歷史地震震源機制解讀及推測發震構造基本參數等情況。當有余震不斷發生時，系統會自動跟蹤余震序列的發展趨勢，并定期產出“震情（N期）”，做到震情的實時跟蹤播報。

生成的手機安卓APP主要包括四個模塊：應急、震情、地圖和列表（圖4）。

成果推廣應用及下一步工作設想

系統上線后，在河北省地震局預測研究中心，部分市局、中心臺的周、月以及年度會商的震情跟蹤工作，地震活動性分析，測震學短臨異常指標自動更新，地震趨勢研判中發揮了積極作用。2018年以來在包括永清4.3級地震在內的26次顯著地震的應急工作中發揮了積極作用。為服務政府、服務社會起到了積極作用，為公眾輿論引導，科學解讀地震知識發揮了實際作用（圖5）。

圖4 手機安卓APP

與傳統的預報軟件相比，本軟件有一些突出的優勢：

1.建立了統一的地震目錄數據服務平臺，數據實時更新，免去了用戶人工維護數據的煩惱。目前地震目錄的種類和格式眾多，更新周期和震級標度各不相同，使得地震目錄維護工作成為困擾科研人員的難題，成為影響數據交換共享和科研交流的瓶頸。系統服務大大提高了分析預報人員日常工作更新地震目錄的工作效率，降低了出錯概率，保證數據的時效性和準確性。利用這一服務，在地震應急時，分析預報人員不必浪費時間進行地震目錄的收集和整理，可以直接投入目錄分析與研究工作，提高了應急響應工作的效率。

2.用B/S服務模式，無須安裝客戶端程序，也無須復雜的配置，使用通用的Web瀏覽器即可訪問系統服務，降低了系統的使用門檻，增強了易用性。

盡管本研究建立了預期的系統平臺，但仍有進一步進行研發和擴展的迫切需求，首先 “十五”以來，我國地震系統的監測預報、震害防御和應急救援三大體系各自發展了一系列優秀的行業應用軟件，比如：測震臺網的JOPENS系統、EQIM系統，預測研究中心的MapSIS系統，應急中心的災情評估系統等，但由于部門各有分工，這些行業應用軟件各自遵循相對獨立的發展脈絡，相互之間少有聯合和協同，因而形成了各自為政的局面，在部門之間形成了信息孤島甚至技術壁壘。本系統將繼續嘗試匯集監測預報、應急救援、震害防御等各部門的資料，為大震應急工作提供統一的數據交換平臺，實現各部門數據的無縫集成。

圖5 通過媒體開展地震科普宣傳和引導公眾輿論

其次本軟件核心內容僅限于測震學科，且方法比較單一，用于作為震情會商的支撐平臺仍顯能力不足，下一步將在數據層接入前兆資料、更多測震學參數（如震源機制）、更豐富的基礎地理數據（如人口、GDP）；在業務層，增加更多分析預報的方法，豐富系統的方法庫；增加自動化模塊，使系統能夠自動跟蹤地震形勢并持續自動產出多期震情信息，逐漸豐富震情信息的內容。最終形成一套性能可靠、自動化程度較高的、能支撐地震部門防震減災基礎能力提升的系統平臺。