基于WebGIS的地震数据服务系统建设及关键技术研究*

赵 曦，姬建中，常 俊，孙 哲

（陕西省地震局，陕西西安710068）

基于WebGIS的地震数据服务系统建设及关键技术研究*

赵 曦，姬建中，常 俊，孙 哲

（陕西省地震局，陕西西安710068）

随着社会经济和信息化技术的快速发展，面向社会提供更为便捷有效的信息共享服务已成为政府和民众的普遍所需。在总结分析以往地震数据服务中存在的不足和问题的基础上，介绍了WebGIS在构建地震数据服务方面的优势和特点，并就基于WebGIS的地震数据服务系统的设计思路和主要功能，以及基于浏览器的大规模地震目录数据的地图发布、地震事件波形数据的快速读取和可视化展示、连续观测数据的图形化动态展示等关键技术进行说明和讨论。最后基于陕西省地震监测数据，建立了基于WebGIS的陕西省地震观测数据服务系统。

WebGIS；天地图；地震目录；SEED；数据拟合

近年来，地震灾害频繁发生，惨痛的损失与代价使防震减灾成为社会关注的重要话题，也为地震预报研究等工作提出了更多更高的要求。随着我国地震数字化监测网络建设的快速增长，地震数据资源已成为防震减灾事业发展和地震科学研究的重要基础，因而迫切需要一套合适的数据服务系统，用于满足公众对于地震行业专业数据内容的了解以及专业研究人员进行深入研究的需求。

通过国家科学数据共享工程的实施，地震科学数据共享系统已经初具规模（全国31个省市均建立了地震科学数据共享服务系统），并在数据整合和共享服务方面取得了实效［1］。随着各类应用服务的不断深化，人们对数据服务的可视化和便捷性需求有了更高的要求，在得到常规数据服务的同时，人们越发重视数据与空间和环境的关联信息，希望能够更全面地了解数据产出的环境和所使用的观测仪器，以便对数据的使用有一个恰当的把控。与此同时，由于技术所限，以往所建数据服务系统多为文本对话和列表展示的服务模式，不能很好体现数据内在的时空特性，并且在功能和性能方面都有所局限，用户界面过于专业化，数据服务的直观性与通用性有所欠缺，给用户的使用带来一定的限制和不便［2］。

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物，高效开发富有表现力的WebGIS应用系统已成为GIS应用开发的主流［3］。尤其是新一代网络应用RIA（Rich Internet Application）的出现，以其良好的交互性、表现力和用户体验，给WebGIS带来了新的发展契机，使得WebGIS开始面向传统行业和广大民众。在地震行业，美国、欧盟、俄罗斯、日本等地震多发国家已将WebGIS技术应用于地震信息的管理和发布工作，我国也开始了这方面的应用研究并取得了一定的成果［4－7］。地震数据由于其较强的专业性及数据本身具备的抽象性，使得地震数据始终难以为用户提供专业性的服务，而WebGIS平台所具备的分布式、动态系统、可视化地图等特点，可以很好地将抽象的数据以形象的图形方式展示出来，给用户带来更为直观的时空体验。

本文阐述了基于WebGIS的地震数据服务系统的设计思路，论述了系统建设中的几个关键性问题，并建立了基于WebGIS的陕西省地震观测数据服务系统，实现了地震数据的可视化查询下载等功能，为进一步系统有效地加强地震数据的共享、管理及服务提供了很好的借鉴。

1 系统架构设计

1.1 需求定位

通过地震科学数据共享工程和“十五”数字地震观测网络系统的建设，地震系统已建立了分布于全国各省的地震数据库系统，数据库含盖测震、强震动、地磁、地电、地下流体、大地形变、定点地壳形变、重力、地震遥感等多种观测数据，并且集成了观测台站、观测环境、观测仪器、观测日志等大量的基础辅助信息。上述大部分数据都具有显著的时空特征，不难想象，当我们能够向用户提供具有时空表征的可视化数据服务时，用户将会对数据有一个更好的体验和直观认识，因此，在系统的总体设计上提出了以下需求定位。

（1）系统应构建于GIS支撑平台，实现数据与地理空间的有机融合，能够充分体现地震数据的时空特性；

（2）系统具有良好的扩展性和兼容性，能适应多类地震数据服务的集成和功能扩展，且易于系统的不断升级和应用模块的加载、更新；

（3）系统应采用B／S体系架构，以满足用户对数据服务的便捷性和易用性需求；

（4）系统可根据地震数据的内在特性实现仪器、环境、日志等多种信息的动态关联，可向用户提供更为全面的数据信息服务，便于对数据的深入了解和把控；

（5）系统应充分体现数据服务的可视化和直观性需求，为用户提供便于理解、易于操作的用户界面，体现图形和数据相互对应、所见即所得的服务思路。

1.2 系统架构

为了满足系统的易用性和高效性，确保数据服务的快速与准确，同时考虑到系统应具有良好的可扩展性，地震数据服务系统的构建采用SOA的体系架构，系统架构如图1所示。

图1 系统结构图

表现层是用户与系统直接交互的窗口，也是整个系统核心功能的体现入口。用户通过浏览器对系统所有模块进行访问；WEB服务层用于托管WEB应用程序和服务，这些程序和服务实现接受请求并对数据进行处理，完成业务逻辑，将结果打包返回；GIS服务层提供GIS相关服务，托管GIS资源和GIS核心功能，并通过REST API封装后作为服务，呈现给客户端应用程序；数据层是整个系统的最底层，负责空间数据和属性数据的存取机制，维护各种数据之间的关系，并提供数据备份、数据存档、数据安全机制等，为系统的正常运行提供数据源的保障。

数据服务系统要实现数据的空间分布展示、查询、分析，GIS平台的选择十分重要，ESRI公司的ArcGIS平台为用户提供了一个可伸缩的，全面的GIS平台，包括桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGISEngine）以及服务端GIS（ArcGIS Server）。利用ArcGIS平台能将空间数据库中的数据集按设计的专题图要求制作成地图服务定义文件（Map Service Definition，MSD），并通过ArcCatalog以相应的服务类型，包括地图服务、实体服务、几何服务和地理处理服务等，发布到ArcGIS Server。上述这些服务均以REST架构风格创建，客户端可以通过url来访问相应服务类型所暴露出来的资源和操作［8］。

2 关键性问题与解决方案

2.1 支撑地图

数据服务系统是以WebGIS为主要支撑的软件系统，因此电子地图的选择是系统建设的重要环节。系统需要一套既可服务于公众互联网，又具备良好性能的地图数据，用以支撑数据服务的时空展示特性。为此，对地图数据的选择提出了以下基本要求。

（1）数据符合国家互联网发布地图规定，不涉及保密问题；

（2）数据包含全国范围中大比例尺地图数据和局部大比例尺地图；

（3）能够保证访问的可靠性和稳定性，尤其在发生地震时，要保证能够正常访问。

经过多方研究对比，笔者认为可选择“天地图”作为WebGIS平台的地图支撑。“天地图”是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务平台，它是“数字中国”的重要组成部分，是国家地理信息公共服务平台的公众版［9］。“天地图”区别于其他地图服务的关键在于其服务模式，目前主流地图服务提供商只能提供远程服务调用，而“天地图”可将地图数据存储在用户端的专用服务器内，并在该服务器上部署GIS Server，由该服务器来提供地图服务。这样用户端的应用系统使用地图不必连接互联网，直接从局域网内获取地图，可大大提高应用系统的速度和稳定性。对地震行业尤其如此，当地震发生后，地震行业网络应用的互联网访问量成爆炸性增长，要从互联网获取地图变得非常困难，而本地部署的天地图就不会受此影响，能够稳定的提供地图服务。

天地图提供了一套Web API，它是由JavaS-cript语言编写的应用程序接口，用户使用该接口就能够制作各种类型、行业的地图应用，还可以使地图功能够以模块化集成在不同类型的系统应用中。除此之外，天地图还能够根据用户需求提供专业的定制服务，根据用户的专业需求利用Arc-Map制作地图，然后将地图服务发布到ArcGIS Server中供用户调用，同时，可通过设置IP和token来保证服务及数据的安全性。

2.2 地震目录标绘

大规模地震目录的高效率标绘是系统实现有效服务的关键。通常的做法是直接读取数据，在地图上动态标绘渲染，但是由于浏览器的限制，当数据量大时，动态标绘渲染会使系统加载缓慢，甚至造成浏览器的假死，对于这种情况，流行的解决方法是使用cluster集群，即根据地图的缩放等级来显示搜索结果数据中的一部分数据。当地图较小时，只显示出搜索结果的个数，而不在地图上显示出详细信息。地图放得越大，就越能清晰地看到更细节的标注，直到能看到所有有效的标注。但是cluster并不适用于地震目录的显示，通常用户查看地震目录时希望查看一定范围一段时间内的所有数据，通过其的分布情况做深入分析，而使用cluster显然不能满足用户的需求。

ArcGIS提供了一种数据查看方式，将地震目录从业务数据库表中取出，转存为空间数据，利用ArcGIS桌面工具对数据进行加工，定义每个点的大小、颜色等规则，再将该数据作为地图服务发布到ArcGISServer中，前台通过url调用该地图服务并根据用户输入条件在空间数据中查找相应的地震目录。这种方式能够快速将大量数据在浏览器上进行显示，并不会给浏览器和服务器造成压力。但是，ArcGIS的地图服务不能自动随着源数据的更新自动更新，造成了地图服务不能显示最新地震目录的问题。

鉴于以上所述问题，数据服务系统可使用动态标绘加地图服务的模式提供地震目录服务。即最新的地震目录通过动态标绘来表现，其余的地震目录通过发布地图服务来表现。如每个月第1天将所有数据发布成地震服务，该月1日之后的地震目录通过动态标绘来展示，该月之前的地震目录通过地震服务进行展示。该方法解决了动态标绘系统响应慢、地图服务不实时的问题，实现了大规模地震目录基于浏览器的快速准确实时的展示。

2.3 地震波形数据读取与展示

地震事件波形是地震记录的一个重要信息，目前我国地震事件波形是以SEED格式进行保存的。SEED格式是由FDSN、IRIS和USGS共同发布的地震数据交换标准，SEED文件包括控制头段和波形数据两部分，控制头段部分以ASCII格式存储，波形数据以二进制格式存储［10－11］。如何快速解析SEED格式文件并以良好方式展示给用户是系统开发中的另一个重点。

考虑到系统响应速度和直观性，在解析上可采用异步解析方式处理SEED文件，即事先将SEED文件解析，将一个地震事件的SEED文件解析成若干图片和txt文本，一个SEED文件包含若干记录到该次地震事件的台站，每个台站都包含数个通道，则一张图片代表一个台站的一个通道的波形图，一个txt代表一个台站的辅助信息。用户查看事件波形时可直接调用对应的图片和txt文本，不必每次解析SEED文件，提高了系统的响应速度。

在存储上，SEED格式结构清晰，命名规范，故可使用文件格式存储，利用FTP提供服务，文件创建结构为年／月／SEED名／台站缩写／文件。

在显示上，采用列表＋图片＋地图的方式来展示（图2）。列表为该SEED文件中包含的所有台站名称，图片为选中台站记录到的波形的图片，地图上标注的是震中位置和所有相关台站的位置，当在地图或列表中选中一个台站时，该台站高亮显示，并显示其与震中的直线距离，以及该台站记录的波形图片。

图2 事件波形查看

2.4 前兆数据的图视化

为了提高前兆观测数据的直观性和可用性，可通过二维曲线图来动态展示前兆观测数据。前兆观测数据根据采样率不同分为秒值（秒采样）、分值（分采样）、时值（时采样）和日值（日采样），当用户选择了所需要的数据展示时间范围后，将该范围内的数据以其最高采样率的数据值绘制出二维曲线进行展示。同时，为了能够更好的理解数据，还需要将具有相同观测类型的所有台站的观测数据在同一个坐标轴内展示，通过对比查来查看某一时间段内的数据变化。

由于前兆观测数据格式复杂，数据量大，尤其是秒值，查看时如果不加以限制，当选取数据过多时，会造成浏览器假死，并对系统产生很大的负担，所以为了保证系统的稳定性及数据的安全性，需要对数据取值范围设置限定，包括默认显示时间范围和最大显示时间范围，并且为不同采样率设置不同的限定范围。如分值默认显示最新1小时的观测数据，并且最多显示一天的观测数据。

2.5 面数据拟合

由于在实际应用中，需要的不仅是各个台点观测到的数据值，而且还需要将多个台点的数据进行组合查看，如地磁场、重力场等。所以需要研究如何将点目标数据变成面数据展示给用户。

ArcGIS通过调用空间分析或地统计分析工具对点数据进行插值运算，运算结果为栅格型面数据。所以可以利用ArcGIS桌面程序来进行地震数据的拟合。首先选择要拟合的数据（表或点图层），然后选择拟合方法，即插值计算方法，ArcMap提供了多种插值方法，如克里金法、自然邻域法等，根据需要拟合的数据特征选择合适的插值方法，进行数据拟合；再对拟合结果进行处理，制作成符合需求的地图文件（MXD等）；最后将该地图文件作为服务发布到ArcGIS Server中。这样用户就能够在前台通过服务调用来查看数据拟合结果。

由于数据拟合是一个静态的结果，而随着数据的不断更新，当需要对新数据进行拟合时，就得重复选择数据、选择算法、加工数据、发布服务等步骤，不仅复杂，而且容易出错。而通过建立模型则能很好地解决该问题，在模型中定义数据源（表或图层）、插值方法、参数、结果类型、保存位置等，运行该模型，只需要输入几个必要的参数，就能完成拟合工作，模型只需一次制作，可以重复使用。数据拟合模型见图3。

图3 数据拟合模型

3 陕西省地震数据服务系统

通过对数据服务系统的深入研究，本文依托陕西省数字化地震监测系统，利用flexviewer、webservice等技术，使用“天地图”作为地图，建立了基于WebGIS的地震观测数据服务系统，实现了前兆、测震等多种地震观测数据的可视化查询下载功能。

3.1 系统搭建

（1）数据准备

陕西省地震局目前收集并存储全省的观测数据，包括陕西省前兆台网从1972年以来至今共36个台站的电磁、流体、形变、重力的观测数据，以及1980年至今的陕西台网地震目录、震相数据和相应的事件波形图，1970年至今的全国地震目录，公元1年至1969年中国及邻近区域5级以上的大震目录。

本系统使用Oracle搭建系统数据库；用ArcSDE与Geodatabase组合搭建空间数据库；使用文件系统存储测震波形文件和大量的台站、仪器等图片，并用FTP来提供服务。

（2）系统开发技术

本系统利用FlexViewer搭建的，FlexViewer即ArcGIS Viewer for Flex，是ESRI公司推出的基于Flex创建的可以高效开发基于WebGIS的一种应用程序开源框架。该框架提供一个地图为中心的系统原型，实现了基础的地图操作，如地图放大、缩小、拖动、鹰眼等。在本系统中，我们通过对FlexViewer程序根目录下的congfig.xml文件的修改来配置整个系统的外观、风格、地图等。并按照FlexViewer提供的模块接口进行前兆、测震等专业模块的开发。

Flex应用程序不能直接连接到远程数据库读取数据，本系统利用JVAV开发基于http协议的WebService来实现前台页面与后台数据的通讯。WebService能使得依据其规范实施的应用之间，无论它们所使用的语言、平台或内部协议是什么，都可以相互交换数据。

使用FlexViewer和webservice搭建的陕西省地震观测数据服务系统，实现了地震观测数据的统一化模块式开发，其松耦合高内聚的设计决定了系统具有灵活性和可维护性，并具有良好的可扩展性。

3.2 系统功能及说明

目前，陕西省地震观测数据服务系统已正式在陕西省地震局部署应用，为地震专业人员和社会群众提供可视化的地震数据查询、下载服务。系统界面如图4所示。

图4 系统主界面

（1）点目标查看

本系统能够通过多种筛选条件，将符合条件的台站显示在地图上（图5）。同时，本系统通过地图服务和动态标绘的方式实现了大批量地震目录的同时显示，并通过颜色及大小区分地震震级大小和发震时间（图5）。

（2）面数据查看

本系统实现了多种地震观测数据的插值拟合，如地磁观测数据、地电观测数据等，效果如图6所示。

（3）其他信息查看

本系统实现了台站基本信息、观测数据曲线图、地震震相报告、地震事件波形等信息的查看功能（图7）。

图5 点目标查看

图6 面目标查看

图7 其他信息查看

（4）数据输出

对所需要的数据，本系统为用户提供了输出功能，如台站信息、前兆数据、地震目录、seed文件等，都能够通过系统进行下载；对于地图信息，本系统提供截图、打印功能，能够将用户视图范围或选择范围的地图输出，可保存为图片或直接进行打印。

4 结束语

将WebGIS应用于地震数据服务领域，弥补了传统地震观测数据服务平台数据表现形式单一、可用性差、专业需要高的缺陷，提高了数据的利用率和时效性，为地震监测系统中各类数据的共享和服务提供良好的平台，具有一定的实用意义和发展前景。

［1］ 刘瑞丰，蔡晋安，彭克银，等.地震科学数据共享工程［J］.地震，2007，27（2）：9－16.

［2］ 詹小艳，许红梅，朱升初，等.江苏省地震科学数据共享平台技术研究［J］.防灾科技学院学报，2012，14（1）：57－63.

［3］ 高惠瑛，刘明琼，蔡宗文，等.基于WEBGIS的地震灾情快速评估系统研究［J］.灾害学，2010，25（Supp.1）：314－316.

［4］ 黄健，巨能攀，何朝阳，等.基于WebGIS的汶川地震次生地质灾害信息管理系统［J］.山地学报，2012，30（3）：355－360.

［5］ 张广平，谢忠，罗显刚，等.面向服务的地质灾害预警预报功能库［J］.灾害学，2013，28（4）：45－49.

［6］ 范灵春，胡斌，李谊瑞.西安市地震应急指挥技术系统设计与实现［J］.震灾防御技术，2011，6（2）：190－198.

［7］ 方怡，张力方，钱海涛，等.面向用户的地震地质灾害信息系统［J］.震灾防御技术，2011，6（4）：461－470.

［8］ Yang Y，Shao L，Zhu Y，et al.A study on Erhai Lake environment information service base on ArcGISand Flex［C］／／19th International Conference on Geoinformatics.Shanghai：CPGIS，2011.

［9］ 董星宏，和朝霞，段锋.“天地图”在地震行业中的应用初探［J］.地震研究，2011，34（4）：552－557.

［10］周辉，申学林，王文青，等.通用测震数据获取软件包的设计与实现［J］.地震研究，2011，34（1）：102－107.

［11］何加勇，吴建平，王未来.中国地震科学探测台阵数据服务系统［J］.地震学报，2010，32（4）：490－494.

Key Technologies and Construction of Seism ic Data Service System Based on WebGIS

Zhao Xi，Ji Jianzhong，Chang Jun and Sun Zhe
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi′an 710068，China）

With the rapid development of social economy and information technology，providingmore convenient and effective information sharing service to the community has become widely needed by the government and people.Based on summarizing and analyzing the problems and deficiencies of the previous seismic data in the service，advantages and characteristics ofWebGIS in the construction of earthquake data services are introduced，Some related key technologies are meanwhile described and discussed，including the design idea and main functions of seismic data service system based on WebGIS，fast reading and visual display of earthquakewaveform data，and the dynamic graphical display of continuous observation data.Finally，according to earthquake monitoring data of Shaanxi Province，a WebGIS-based Shaanxi earthquake observation data service system is built.

WebGIS；Map World；earthquake catalog；SEED；data fitting

X43

A

1000－811X（2014）03－0224－05

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.03.041

赵曦，姬建中，常俊，等.基于WebGIS的地震数据服务系统建设及关键技术研究［J］.灾害学，2014，29（3）：224－228.［Zhao Xi，Ji Jianzhong，Chang Jun，etal.Key Technology and Construction of Seismic Data Service System Based on WebGIS［J］. Journal of Catastrophology，2014，29（3）：224－228.］

2014－01－07

2014－03－18

地震科技星火计划项目（XH12044Y）

赵 曦（1984－），男，陕西西安人，硕士，工程师，主要从事信息网络建设和应急指挥系统的研究和建设等工作.

E－mail：zhaoxi_0625＠126.com