全国活动断层数据集成与共享平台设计与建设
——以华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台为例
2015-07-01杜克平于贵华徐锡伟吴熙彦甘德强
隋 远 杜克平* 于贵华 徐锡伟 吴熙彦 甘德强
1)北京师范大学， 地理学与遥感科学学院， 北京 100875 2)中国地震局地质研究所， 活动构造与火山重点实验室， 北京 100029
全国活动断层数据集成与共享平台设计与建设
——以华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台为例
隋 远1)杜克平1)*于贵华2)徐锡伟2)吴熙彦2)甘德强1)
1)北京师范大学， 地理学与遥感科学学院， 北京 100875 2)中国地震局地质研究所， 活动构造与火山重点实验室， 北京 100029
对中国活动断层数据库建设的发展成果进行了简单介绍， 以 “华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台”的建设过程为例， 讨论了通过WebGIS实现活动断层数据发布与共享的可行性， WebGIS技术可较好地解决活动断层数据的共享问题。共享系统总体目标是快速安全地共享高精度、 专业化的活动断层数据。系统采用B/S模式流行的3层架构结构： GIS服务器+Web服务器+客户端浏览器， 后端数据库是将多个华北地区的活动断层子库集成后的总数据库。系统不但具有基本的浏览、 查询功能， 还可以进行条件查询、 点击查询、 断层定位等细粒度的操作。现阶段系统建设重点放在了 “数据共享的实现”和 “数据精度”上， 借助GIS的强大功能还可以实现更多， 比如在线编辑、 自定义GP模型等。
活动断层 WebGIS 数据发布 数据共享
0 引言
近几年地质灾害频发， 给人类的生产生活造成了巨大损失， 其中地震逐渐成为全球范围内发生最频繁， 破坏力最强的灾害之一。大量震例表明， 活动断层地震错动带或地震地表破裂带上的建筑物和生命线工程是无法以抗震设计的手段来减灾的， “避让”活动断层错动带是减灾的首选对策。因此， 准确探明活动断层的位置、 滑动速度等特性， 建立相应的数据库可以帮助社会减轻灾害带来的损失， 保护生命财产安全(徐锡伟等， 2002)。中国在1996年建成了第1个单机版的活动构造数据库(于贵华等， 1996)。随着国家 “十五” 重点科学工程 “中国数字地震观测网络项目”6个业务系统之一的 “中国地震活动断层探测技术系统”——“活动断层探测与地震危险性评价”分项工程等工作的开展， 以福州市活动断层信息管理系统(于贵华等， 2006)为首， 相继建起了一系列(柔洁等， 2008； 刘娜等， 2009； 葛孚刚等， 2011)活动断层数据库。另外， “中国地震活动断层探测技术系统”项目实施过程中， 以ArcGIS平台为基础， 基于活动断层探察的工作流程设计了活动构造数据库模板主体框架与建设方案， 同时为活动构造数据库建设配套研发了数据批量入库、 数据质量检测等软件， 本文涉及的华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台(简称 “断层共享系统”)是此项目下的一个Web子系统。经过近20a的探索和实践中国已经在活动断层数据库建设方面积累了丰富经验， 目前的问题是如何更好地利用和共享已有数据。
1 活动断层数据共享概述
1.1 地理数据共享技术
近年来， 随着地学相关学科的发展， 可被地学研究利用的数据种类也越来越丰富， 包括地图数据、 遥感影像、 实测数据、 统计数据、 图片文档等。但是， 由于缺乏有效的数据共享手段， 导致数据冗余、 管理低效和信息孤岛等问题愈发凸显。不过， 随着Internet及GIS技术的迅速发展并相互结合， 地理信息获取、 传输、 发布、 共享和应用的方式开始不断被优化。从最早的Google Map开始， WebGIS技术让公众第1次体验到了地理数据的魅力和价值， 之后的Baidu Map以及LBS技术的出现， 使共享地理数据在人们的生活中不断发光发热。当然， 地理数据的发布与共享不仅方便了公众生活， 更重要的是它在政府决策、 城市规划、 道路交通、 国土和水利等方面也逐渐发挥着巨大作用。比如： 华南农业大学利用ArcIMS建立了广东省土壤资源信息WebGIS系统， 客户使用普通的Web浏览器即可实现土壤资源空间信息远程查询访问， 使土壤资源信息能够更广泛地为广东省农业生产服务(吴顺辉等， 2002)， 国家环保总局建立的江苏省环保信息查询管理系统是基于WebGIS的环境MIS系统与环境G1S系统的集成系统， 它成功实现了环境空间信息的开发、 应用和共享， 满足了社会各领域对环境空间数据共享的需求(刘仁义等， 2002)。
1.2 活动断层数据共享现状分析
目前， 地理信息发布与共享的手段逐渐成熟并被广泛应用。同时， 经过前人的总结与实践， 我们具备了全国性活动断层数据库建设的经验。怎样将二者结合， 最大限度地发挥活动断层数据在各领域的应用价值， 是当前一个亟待解决的问题。调查发现， 国际上多年前就已经建成了一些信息全面、 开放的、 便于使用的在线活动断层数据库系统， 如在国际岩石圈计划(ILP)的推动下， 美国地质调查局(USGS)在互联网上公布了全美范围内最新的、 由多种方法确认或推测的第四纪活动断层与褶皱汇编数据库(http: ∥geohazards.usgs.gov/cfusion/qfault/)， 存储了160万年以来发生过的6级以上地震、 大约2000条断层的地质、 地貌和地理等资料。新西兰地质与核科学学院(GNS)建立的新西兰活动断层数据库(http: ∥data.gns.cri.nz/af/index.jsp)存储了活动断层调查的相关数据， 包括断层的分段形态、 野外测量特点、 槽探信息、 年代测试结果等； 同时存储了断层重复活动的平均时间间隔、 滑动速率和最后一次活动时间等信息(于贵华等， 2012)。与国外相比， 由于断层数据自身的复杂性和敏感性以及国内相关法律、 法规等诸多原因的限制， 目前国内的活动断层数据共享系统尚在起步阶段， 可被广泛应用的系统很少。针对上述问题， 本文以华北构造区的活动断层数据共享系统为例， 讨论了以活动断层数据为基础的地理数据共享系统的构建方法。
2 断层共享系统总体概述
2.1 系统建设背景
断层共享系统由 “中国地震活动断层探察——华北构造区”项目支持， 该项目是由中国地震局地质研究所牵头的地震行业科研专项， 旨在落实国务院提出 “要把地下搞清楚”的要求， 贯彻防灾减灾工作 “有效减轻地震灾害”的根本宗旨。该项目的研究重点为探察华北构造区内的活动构造性质和地球物理性质。活动断层探察的目标是查明断层的活动性、 活动参数、 空间展布及深部构造特征。活动断层探察根据工作内容和开展时期可分为前期准备、 野外探察和分析总结3个阶段。项目实施初始阶段， 为了更专业更高效地存储探察成果， 建立了活动断层数据库模板， 根据探察工作的3个阶段分别建立了3大类要素集(以首字母区分)， 存储不同时期的探察数据。
图1 活动断层数据库模板结构图Fig. 1 Structure diagram of active fault database template.
其中第1个阶段为项目前期准备阶段， 主要工作是将参考文献、 工作区信息、 基础地理信息、 地质背景信息、 收集资料信息、 遥感及其解译数据入库， 并完成基于活动断层填图数据库的野外工作底图编制。该阶段数据集中， 主要存储活动断层填图的资料收集和遥感数据解释等数据。
第2阶段为野外探测阶段， 这一阶段主要工作是地质地貌调查与测量、 样品采集、 钻探、 槽探、 地球物理探测、 地球化学探测等。针对以上工作， 模板库内主要设计了地质调查、 地貌测量、 钻探、 样品、 地球物理探测、 地球化学探测等数据集， 其中包含了如探槽、 活动断层、 地貌、 地质剖面和重点地名地物等数据。
第3阶段为分析总结阶段， 主要工作包括分析断点位置、 研究断层的深部构造环境及深浅构造关系、 野外数据分选测试、 绘制成果图件等。主要数据有 1/1 万、 1/5万和 1/25 万3种比例尺的地址数据集、 辅助制图数据集、 地震线性分析数据集、 成果数据表、 图像档案表、 原始档案表和报告档案表等。
在项目进行期间， 为提高入库效率和精度， 基于.NET 2.0和ArcEngine10.0二次开发了数据批量入库系统和数据质检系统， 并利用数据库模板， 分别将项目内16个子区域建成了16个华北构造区活动断层探察子库。最后， 利用自主开发的数据迁移工具将子库整合形成了最终的华北构造区活动断层总库。本文涉及的断层共享系统就是中国地震活动断层探察——华北构造区项目中的1个子系统， 以华北构造区总库为基础， 在线全面展示了研究区内活动断层和地球物理测线等要素的主要特性。
2.2 系统总体目标及架构
“华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台”是以华北构造区活动断层数据库为基础， 利用ArcGIS Server作为GIS端服务器， 通过二次开发建立的活动断层信息发布系统。不但具有基本的浏览、 查询功能， 还可以进行条件查询、 点击查询和断层定位等的操作。系统数据具有较高的精确度， 并对地图中各要素进行了专业的符号化。
系统总体采用B/S(浏览器/服务器)的架构方式， 主要面向广域网。具有权限的用户通过Internet浏览器就可以访问系统页面， 无需安装任何客户端。共享系统主要由4部分组成： 数据源、 GIS服务器层、 Web服务器层以及客户端界面(图2)。
图2 系统技术架构图Fig. 2 System technical architecture diagram.
(1)系统底层数据源为华北构造区活动断层数据库。目前数据库采用ArcGIS中的空间数据库格式。这种格式的数据库一般通过文件夹或Access mdb存储数据， 量级较轻， 方便修改和传输。在项目实施的前中期， 数据库模板结构没有最终确定， 各子区域数据库需要经常提交新版本数据， 利用这种格式的空间数据库会更加方便快捷。在项目实施后期， 数据会转存到大型数据库如Oracle、 SQL Server中。
(2)系统采用ArcGIS Server10.0作为GIS服务器， 通过ArcGIS Server Manager 将数据发布为可供自定义Web程序调用的Map Service。利用ArcGIS Server Manager 还可以配置服务的属性， 比如访问权限和地图缓存等。GIS服务器的作用是将底层数据库中的数据， 按项目要求发布成相应的服务供上层 Web服务器调用。
(3)系统Web服务器端采用了Asp.net技术。ASP指 Active Server Pages(动态服务器页面)， 是微软公司的一种可由因特网服务器执行的服务器端脚本技术， 运行于IIS中的程序， Asp.net是ASP在微软.NET平台下的升级版本。相应地， 系统的Web服务器采用IIS7.0。
(4)系统客户端就是用户的浏览器， 为了让用户有更丰富的体验， 平台采用了Microsoft公司的Silverlight技术。Silverlight是一种RIA(Rich Internet Applications)互联网应用技术， 它具有跨浏览器、 跨平台的特点， 能够设计、 开发和发布具有良好用户体验的网络交互程序。
3 系统底层数据制作——华北构造区活动断层数据库集成
华北构造区活动断层数据库是由华北地区多条活动断层填图数据库及华北构造区活动断层背景研究的地球物理探测数据库通过整合集成的总库。为了保障放在外网服务器上的数据安全， 作为共享平台数据源的最终数据库是在总库的基础上进一步精简的版本。
3.1 华北构造区活动断层子库
根据项目需要， 平台展示的探测信息主要包括， 1/5万活动断层填图数据和地球物理探测数据， 分别介绍如下：
(1)1/5万活动断层数据填图库 宣化盆地南缘断裂、 深井盆地南缘断裂、 怀安-万全盆地北缘断裂、 太古断裂、 韩城断裂、 罗云山山前断裂、 霍山山前断裂、 山西峨眉台地北缘断裂、 安丘-莒县断裂、 太白维山北麓断裂和中条山北麓断裂。除了断裂信息外， 数据库中还包括调查区数据(InvestigationRegion)、 钻探数据(Drill)、 采样数据(Sample)、 微地貌测量数据(GeomorphySvy)、 地球化学探测数据(Geochemical)以及地层数据(Geology)等。
(2)地球物理探测数据库 大地电磁盐城—固阳剖面探测数据库、 华北盐城—固阳剖面瞬变电磁探测数据库、 代县盆地可控音频大地电磁浅层探测数据库、 长周期大地电磁盐城—固阳剖面探测数据库以及深地震反射和折射剖面综合探测数据库。除了物理测线， 库中还包括制图区范围及每条测线关联的测点。其中， 有物理测线60条， 包括浅层地震10条、 浅层地震纵波反射8条、 宽角反射-折射探测1条、 深地震反射4条、 大地电磁1条、 瞬变电磁1条、 探地雷达29条、 可控音频大地电磁2条、 长周期大地电磁1条以及高密度电法3条， 另外还有地球物理测点共4655个。
3.2 共享平台的发布数据
图3 最终的华北构造区数据库Fig. 3 Final database of the North China tectonic region.
图4 系统主界面Fig. 4 System operation interface.
项目利用自主研发的数据迁移软件将区域子库进行整合， 形成了华北构造区活动断层总库。由于共享平台面向广域网， 底层数据可能面临一些不可知风险。考虑到活动断层数据的敏感性和重要性， 项目通过去除冗余及高敏感数据， 将总库精简成了最终的系统后端数据库， 既满足了应用需要又没有过多敏感数据(图3)。库中仅保留了华北构造区总的制图区范围要素(MainAFSvyRegion)、 总的地球物理测线(GeophySvyLine)和测点要素类(GeophySvyPoint)、 总的 1/5 万断层(Fault5)及产状点信息(FaultAttitude5)、 总的 1/5 万岩体(Rock5)和岩体线要素类(Rock5Line)、 总的 1/5 万地层(Stratigraphy5)及地层线信息(Stratigraphy5Line)。
4 系统主要功能及实现
活动断层数据共享平台是以华北构造区活动断层数据为基础的信息发布系统， 旨在全面且精确地展示华北构造区断层、 部分地层和物理测线等要素的性质。共享系统的几个主要功能模块如下：
图5 系统功能结构图Fig. 5 System function structure chart.
4.1 断层查询及定位
为了让用户更全面地了解华北构造区的断层信息， 系统提供了更为灵活的查询方式。断层查询是通过收集用户给出的限定条件， 对目标图层进行搜索查询， 最终返回所有满足条件的断层记录。
图6 条件查询功能流程图Fig. 6 Functional flow diagram of condition query.
系统客户端与服务器间通过HTTP协议进行通信， 信息以XML格式存储， 其中所有信息的地址通过URL惟一标识。断层查询通信原理也是如此。用户首先指定1个目标图层， 这时会在预先定义的图层名称与地址字典中进行查找， 找到对应图层的URL。再以这个URL为参数， 构造1个条件查询执行类QueryTask的对象。然后整合客户端传入的查询条件， ArcGIS Server API for Silverlight中条件语句和一般的SQL语句基本类似。比如要查询断层名中包括 “韩城”， 断层性质为 “正断层”的所有断层， SQL语句为：“Name like ‘%韩城%’ And Age=‘_ _ _ _1_’”(正断层的年代代码第5位为1)。最后通过QueryTask对象的 ExecuteAsync函数实现查询， 并返回查询结果。
通过点击查询结果列表中的某条记录， 可以在地图视图内实现相应断层的定位。在程序中， 通过1个图形要素列表IList
图7 活动断层定位Fig. 7 Active fault location.
4.2 常规地图操作
这部分功能是一些常规地图操作， 包括放大、 缩小、 平移、 全屏、 前后视图、 点击查询(图8)。
图8 点击查询Fig. 8 Click query.
图9 共享平台入口Fig. 9 Entrance of platform.
4.3 权限控制
系统为了保证地理信息的安全性， 目前只面向有权限用户开放。平台的惟一入口在 “国家地震活动断层研究中心”网站上， 且用户只有登录后才能看到平台入口选项(图9)。
5 讨论与展望
活动断层既是地震产生的根源， 也是地震研究的切入点。通过研究活动断层位置、 滑动速度、 地表破裂型地震复发间隔和最近地震的离逝时间， 可以帮助划定活动断层灾害避让带， 有效地指导城市规划、 道路建设等方面的工作。近些年， 尽管我们在活动断层数据库的建设方面做了大量的探索， 取得了一定的成果， 却忽略了如何共享已有的信息， 导致活动断层数据利用率低， 出现了大量的 “信息孤岛”。WebGIS技术的出现很好地解决了地理数据的发布和共享问题， 它很好地结合了地理信息系统和Internet的优势， 在不损失地理数据质量和精度的前提下， 极大地方便了用户的使用。
全国活动断层数据集成与共享平台， 以华北构造区活动断层探测和调查基础数据库信息共享平台为例， 以华北构造区活动断层总库为基础， 利用目前流行的WebGIS技术， 实现了活动断层数据的共享与发布。系统地图数据内容丰富， 符号化准确， 具有很高的精确度。平台不但支持常规的地图操作， 而且引入了允许用户自定义的断层查询功能， 可为城市规划建设、 土地利用和工程选址等工作提供科学依据。
目前， 共享系统实现了基本的活动断层数据发布功能， 而且具备了一定的权限控制能力。但是， 考虑到以后可能会有更多更精密的数据通过平台发布， 当前的安全控制级别还不能达到要求。因此， 下一步的研究重点会放在系统安全控制上， 希望能找到更加可靠的方案， 保障后台数据的安全。
致谢 感谢审稿人提出的宝贵意见和建议。
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DESIGN AND CONSTRUCTION OF NATIONAL ACTIVE FAULT DATA INTEGRATION AND SHARING PLATFORM
SUI Yuan1)DU Ke-ping1)YU Gui-hua2)XU Xi-wei2)WU Xi-yan2)GAN De-qiang1)
1)SchoolofGeography，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，China2)NationalCenterforActiveFaultStudies，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China
Over the past nearly 20 years， there is a huge development in active fault database related technologies in China， mass of active fault data has provided us important basis for researching on earthquake and disaster reduction， etc. However， with the appearance of huge amount of active fault data， lots of problems have emerged， such as data redundancy， inefficient management and information islands， etc. One of the major reasons is lack of efficient method to share the active fault data we owned.
By study and comparison， we find that WebGIS is a good solution to solve the problem of active fault data publishing and sharing. WebGIS has well combined the advantages of traditional GIS and internet technologies， it could also share geographic data quickly， provide abundant browsing， searching and analysis functions. Based on the project of “China Earthquake Active Fault Detection—The North China Tectonic Region”， and taking the foundational database information sharing platform of the active fault detection and survey as an example， the paper introduces the key technologies of active fault data sharing platform with latest WebGIS technology. The sharing system， which employs ArcGIS Server 10.0 as the GIS server， and utilizes MS-Silverlight technology at the client side， makes use of three-layer architecture which is popular in current B/S mode. To guarantee the security of the database on the internet， data source in the backend of the system is a simplified version of the active fault database of the North China tectonic region. Finally， the system has realized the publishing and sharing of 1︰50,000 active fault mapping and main geophysical survey lines in North China tectonic region， and moreover， it provides some conventional map operations as well as fault searching and locating functions.
The wide use of active fault data decides the significance of sharing system. It is very convenient to use this lightweight data sharing system to provide important basis for relevant industries， such as urban planning， land use and engineering site option， etc.
active faults， WebGIS， data sharing， data publishing
10.3969/j.issn.0253- 4967.2015.04.014
2014-02-17收稿， 2014-07-16改回。
中国地震局地震行业科研专项经费项目(201308001)、 中国地震活断层探察(200908001， 201008001)和“我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价”项目共同资助。 *通讯作者： 杜克平， 男， 副教授， E-mail: kpdu@bnu.edu.cn。
P315.2
A
0253-4967(2015)04-1115-10
隋远， 男， 1989年生， 2014年于北京师范大学地理学与遥感学院获地图学与地理信息系统专业硕士学位， 研究方向为GIS开发与应用， 电话： 18810562125， E-mail: adolf-me@163.com。
