基于GIS跨断层场地基础信息系统构建＊

屈 佳 张四新

（中国地震局第二监测中心，西安710054）

基于GIS跨断层场地基础信息系统构建＊

屈 佳 张四新

（中国地震局第二监测中心，西安710054）

针对青藏块体东北缘跨断层测量场地基础信息严重缺乏的客观情况，应用Visual Studio 2008和ArcGIS Engine 9．3组件开发技术，构建了跨断层场地基础信息系统，实现了场地基础信息采集、管理、监测数据统计和信息可视化等功能。跨断层场地基础信息系统的构建和运行，可以为地震预报和相关科研提供科学而可靠的数据支持。

青藏块体东北缘；跨断层；GIS；形变异常

引言

传统跨断层场地信息的管理主要采用文件系统管理，效率低下，共享性差。随着3S（RS，GIS，GPS）技术、计算机技术的发展，以及跨断层地震预报对所需数据的海量性、科学性的需求日益增强，在此背景下建立基于GIS的跨断层场地信息系统来辅助日常地震分析预报是可行和必要的。目前，随着中国地震局监测预报司“青藏块体东北缘跨断层流动形变场地优化改造”项目的即将实施，建立这样一个系统来达到对基础资料管理的标准化和规范化也是大势所趋［1］。青藏块体东北缘跨断层场地基础信息系统是运用GIS技术，通过对跨断层场地各种信息的采集、分析和处理，提供具有空间地理特征的各种信息服务。构建的系统使得跨断层场地信息的管理方式和信息服务方式等发生了根本性的改变。跨断层信息系统的构建和运行，对跨断层数据进行了有效而规范的管理，提高了数据的可视性和处理效率，从而可为地震预报提供科学而可靠的数据支持。本文对该系统的主要设计思路进行了简要的介绍。

1 系统技术方案

1．1 系统目标

利用GIS和信息处理技术，实现跨断层场地信息的采集、管理、分析处理、查询等功能，为地震预报提供信息服务和数据支持。系统要实现的主要功能有：测区与场地基础地理信息、测区与场地的气候、地质环境信息、相关地理数据和调查数据与结果信息的空间图形显示、信息查询与统计分析、信息更新等。

1．2 系统总体构架

跨断层场地信息系统主要由跨断层场地基础信息管理系统和跨断层地震信息采集系统组成。系统具有与其他地震信息系统的数据交换接口。

1．3 系统技术路线

采用VS 2008作为开发环境，以C＃为开发语言。以ESRI的ArcGIS Engine 9．3作为开发系统GIS功能的组件。ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS 9版本才开始推出的新产品，它是一套完备的嵌入式GIS组件库和工具库，使用ArcGIS Engine开发的GIS应用程序可以脱离ArcGIS Desktop而运行。

在搭建好的环境中调用ArcGIS Engine组件实现GIS基本功能，通过调用动态链接库的方式实现地震信息管理的功能，对各种数据、图件、分析结果和一些空间数据分析方法及综合评价进行集成，并在实现类似于Arc Map的数据加载、视图管理、查询等基本功能的基础上，根据系统信息管理的需要，构建友好的用户界面，从而更好地实现跨断层数据库管理、信息查询、空间分析等功能的一体化，并充分利用计算机软硬件条件，使得系统向高效、实用、独立的方向发展［2］。

2 数据库设计与实现

跨断层场地基础信息系统的最终目的，是运用GIS方法对海量数据（基础地理数据、形变监测数据等）进行整合、管理、分析，从而为地震预报提供基础的数据信息。

2．1 数据库设计

跨断层场地信息系统的核心是数据库系统，其所有的功能都是在对已有数据分析处理的基础上完成的，而所有的跨断层数据都是通过数据库来存储和处理。因此，数据库系统建设的好坏将直接影响到系统的功能和效率。系统的数据类型分为2部分，即基础属性数据和空间数据。为实现它们之间的信息同步和一体化管理，选择了性能强大的关系数据库SQL做后台管理，用ArcGIS SDE做空间数据库引擎，对空间数据进行存储和管理。

考虑到跨断层形变总是具有一定的空间关系，为了分析地壳形变的空间关系，首先建立一个测区数据库，该数据库主要存储和管理青藏块体东北缘跨断层测区的基础地理信息和测量信息，具体内容见表1，该数据库主要用于地壳形变的分析。另外建立一个场地数据库，主要用于管理场地的基础地理信息和变形监测信息，并进行场地监测结果的分析，具体内容见表2。

2．2 数据组织

2．2．1 空间数据组织

（1）基础地理信息数据，包括定位基础、交通、境界与政区、地貌、植被与土质等，用于表示场地的基本面貌并作为各种专题信息空间定位的载体［3］。由于系统涉及到多个比例尺的基础地理数据，而研究区域基础地理数据比例尺较大，因此往往存在着地方坐标系与国家坐标系的转换问题。

表1 跨断层测区数据库设计表

（2）专题信息数据，即跨断层数据，该部分数据是本研究中最重要，也是最复杂的一类数据［4］。包括跨断层场地分布图、断裂带分布图、周围历史地震时空强分布图等。实现空间数据库设计的关键问题是分解地理要素［5］，即将空间数据进行分层管理。分层的原则是：①要考虑后续数据的更新及维护；②要尽量减少数据冗余。在确定统一的地理参考的基础上，将图形数据以点线面的矢量形式表达，并建立拓扑关系。这样才能在空间属性查询和空间相关分析时得到正确的结果。

2．2．2 属性数据组织

属性数据库主要完成图形实体的属性输入域管理、各种报表的管理与输出等，但它与图形数据库不是孤立的，图形数据域属性数据通过数据接口和数据库服务器实现动态连接［6］。属性数据主要是对各种图形单元（点要素、线要素）的信息描述，即属性数据库的设计与图形数据库的设计紧密相连［7］。以断层数据为例，一个断层图层对应一个二维属性表。因此，对属性数据的组织采用扩充断层点、线所对应的属性表（添加字段）的方式添加属性。场地和断层对应的点线属性结构设计分别见表3和表4。

表2 跨断层场地数据库设计表

表3 场地数据结构表

表4 断层数据结构表

2．3 跨断层数据库的实现

青藏块体东北缘跨断层数据库的实现是按照地理数据库（Geodatabase）对地理要素类和要素类之间的相互关系、地理要素类几何网络、要素属性表对象、注释类等来进行管理，并支持对地理数据库要素数据集、关系以及几何网络进行建立、删除、修改、连接、分析等操作［8］。Geodatabase组织数据是按照层次组织的，主要包括以下4大类：对象类（Object Classes）、要素类（Feature Classes）、要素数据类（Feature Datasets）以及关系类（Relationship Classes）。

（1）建立特征数据集。建立特征数据集需定义其空间参考（包括地理坐标和投影坐标、X／Y Domain、Z Domain、M Domain），数据集中所有的特征类都用这个坐标系统及坐标域，如本文据此建立的场地数据集和测区数据集。

（2）建立要素类。要素类可以建立在数据集内或地理数据库中，不同的是，在地理数据库中建立独立要素类时，必须定义空间参考坐标。断层数据库中所有的要素类，按照相互之间的相关性分别建立在数据集内［9］，其中场地数据集建立测段要素类、监测点要素类、断层要素类等；测区数据集建立场地要素类、地质地貌要素类等。

（3）建立关系类。关系类有从源类到目标类关系和从目标类到源类关系2种。而地理数据库中的简单关系支持一对一、一对多、多对多的基数［10］。本文建立的简单关系是在同一个数据集内建立关系类，比如，断层数据集内，断层测段要素类和监测点要素类之间存在简单关系类。

3 系统功能设计与实现

跨断层场地基础信息系统功能实现过程是：首先，可以实时获取、存储、处理、分析和显示场地基础信息，为形变异常分析提供可靠依据，提高分析预报的科学性和准确性；其次，可以在场地环境遭受干扰或发生改变时，做到实时更新和补充，避免分析工作误入歧途；再次，有利于业务管理部门实时掌握场地的动态情况，了解断层形变最新状况，便于今后的震情跟踪工作安排和场地改造。

3．1 跨断层地震信息采集系统

跨断层地震信息采集系统储存各类与地震相关的基础信息（断层信息、地质构造信息、场地周边地震信息等）、异构数据处理结果等，以及实时更新的信息（环境信息、场地破坏信息、基础地理信息等）。主要功能如图1所示。

图1 跨断层地震信息采集系统功能

（1）信息管理功能。可以输入各类地震信息和调查数据，包括：断裂带调查信息、场地基础信息、各类其他相关调查信息、场地视频、照片等，及收集到的场地社会经济信息。

（2）信息交换功能。实现与其他地震信息系统的数据交换。

（3）空间信息采集功能。根据系统存储的基础地理信息，通过人工输入或GPS采集的空间位置信息，显示场地地点的行政区划、地名、断裂带信息、历史地震信息、地质构造信息、地理环境等。

3．2 跨断层场地基础信息管理系统

跨断层场地基础信息管理系统主要由实现GIS环境下的跨断层信息管理、信息处理和信息服务组成（图2）。

图2 跨断层场地基础信息管理系统功能组成

3．2．1 信息管理功能

实现了地图浏览功能，获取并显示了地图的坐标系统和当前比例尺。该功能的实现不仅能反映出断层形变异常的时空分布情况，而且能展示跨断层场地的空间属性和空间关系。

图层控制功能可用于展示系统各个专题数据层情况，可根据分析需要，选择专题图层作为研究对象。测量功能可以用于测量断层长度或者极震区、烈度区的面积等，主要使用了．NET和Ajax技术。

实现了多媒体信息浏览回放功能；系统储存的测区、场地、测点的图片和视频信息等，用户可以随时调用；实现了点、线、面图形以及文本的绘制与输入功能，该功能可以使地震工作人员通过这项服务灵活地编辑地图，实现地震专题地图的绘制。图3为跨断层场地的水准数据（高差）及其波动图像显示界面。

3．2．2 信息处理功能

接收存储的地震调查信息和其他系统生成的各类数据，进行相应的编辑处理后输入数据库相关的表中。对系统数据采用可视化的方式进行必要的整理加工，同时添加必要的说明性的内容。跨断层场地图片录入界面如图4所示。

图3 场地水准（高差）数据及其波动图像显示界面

图4 跨断层场地图片录入界面

3．2．3 信息服务

数据查询是GIS最基本、最常用的功能，也是它与其他数字制图软件相区别的主要特征。GIS的主要功能特色之一就是根据图形查询属性和根据属性条件查询相应的图形［11］。本系统支持以下4种查询方式：

（1）基于矢量图的单目标查询。这里的目标约定为单个目标，可能是一个测站、一个行政区域或一个断裂带等。用户通过点击某一目标，能查询该目标的属性信息、特征信息、历史信息以及实时与历史信息的比较。查询结果有多种表现方式：表格、示意图、过程线、矢量图形、栅格图像等。跨断层场地信息查询界面如图5所示。

图5 跨断层场地信息查询界面

（2）基于矢量图的多目标查询。用户通过分别选择多个目标，实现实时信息、特征信息、历史信息的多目标查询。

（3）基于矢量图的区域查询。用户任意圈划的区域查询（框选、圈选等），如查询该区域的断裂带、地震震级等。

（4）逻辑条件查询。根据用户给定的时间、地点、目标、类型等条件，组合查询数据库系统中满足该条件组合的所有信息。系统空间查询界面如图6所示。

图6 系统空间查询界面

4 结束语

借助GIS进行跨断层场地信息管理，不但提高了信息的可视性，便于信息的分析利用，而且提高了信息处理的实际效率。本文将AO组件、数据库管理以及GIS等技术相结合，通过大量的开发工作，完成了具有完善GIS功能且不依赖于固定平台的信息系统，从而为地震预报及相关科研提供了科学、可靠的数据支持。

（作者电子信箱，屈佳：qujia1984＠sina．com）

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［3］韩克勇．基于ArcGIS Engine的城市地下综合管线信息系统．城市建设，2011（3）：37-39

［4］李策，杜云艳，于贵华，等．基于ArcGIS的地震活断层多源数据组织与管理研究．地球信息科学，2008，10（6）：716-723

［5］钱玉龙．城市污水供热制冷分析．科学技术与工程，2005，5（1）：14-15，22-24

［6］张龙，卢建军，郝勤霞．结合GIS的煤矿安全远程监测系统设计．西安科技大学学报，2007，27（1）：25-29

［7］席楠，姜立新．基于ArcGIS Server的地震应急数据与服务共享研究．地震，2011，31（1）：135-145

［8］张敏，李自红，刘鸿福，等．基于GIS的太原市活断层探测数据管理系统．山西地震，2008，4（2）：35-40

［9］殷娜，韩军青．基于GIS的临汾市活断层数据库建立的研究．科协论坛，2011，5（下）：114-115

［10］秦波．城市地理信息系统二维数据查询与浏览．大连：大连理工大学博士论文，2005

［11］张剑英，赵岩．用灰色关联度分析法分析矿井充水水源．煤田地质与勘探，1994，22（1）：41-42

Study on cross-fault site information system based on GIS

Qu Jia，Zhang Sixin
（Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054，China）

Considering the situation of seriously deficient in cross-fault basic information in northeastern margin of the Qinghai-Tibet block，cross-fault GIS is established with the integrated Visual Studio 2008 and ArcGIS Engine 9．3．In conclusion，by establishing the cross-fault GIS，it can provide scientific and reliable data for earthquake prediction．

northeastern margin of Qinghai-Tibet block；cross-fault；GIS；deformation anomaly

P208；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．04．009

2013-09-20；

2014-01-08。

地震科技星火计划项目（XH12074）资助。