基于实时技术和3D WebGIS的地震信息发布系统

李珀任 吴建平 黄 静 王长在（中国北京100081中国地震局地球物理研究所）



基于实时技术和3D WebGIS的地震信息发布系统

李珀任 吴建平 黄 静 王长在
（中国北京100081中国地震局地球物理研究所）

摘要随着社会对地震信息服务提出更高要求，现有地震信息系统（基于GIS）动态数据处理能力不足，地震信息表达与真实三维环境表达存在一定差距，结合实时技术和GIS，设计和实现基于三维WebGIS的地震综合发布信息系统。该系统改进GIS对动态地震信息的处理模式，利用三维可视化技术表征动态地震信息，为地震信息服务提供一种快速、直观形象表达地震综合信息的方法，在大地震震情分析应用中发挥了重要作用。

关键词实时；WebGIS；地震信息；数字地球

0 引言

向公众和科研人员提供优质高效的地震监测数据信息, 是地震数据管理的主要任务之一。随着计算机应用技术、互联网、数据存储等技术的发展，用户对地震数据的服务水平提出更高要求。可利用GIS技术管理各种地震数据，将不同数据组合成一个可视化图形，通过网络在用户浏览器/客户端呈现，即地震信息的可视化发布系统，使地学工作者通过网络共享宝贵的信息资源, 最大限度地利用地震数据、时空信息，并使得从大量数据中挖掘信息成为可能（Pessina et al，2009；吴微微等，2009）。可视化发布系统构建不仅能有效地为社会和职能部门提供数据支持和信息服务，也有助于推动防震减灾研究的信息化进程, 促进防震减灾研究成果为社会共享。

GIS在地震监测预报、震灾预防、震情评估和震后紧急救援等方面取得广泛应用，提高了城市防震减灾能力，但在处理地震数据方面还存在不足，如地震信息的及时（实时或近实时）发布和可视化。对于最新发生的地震事件，地震后地震烈度图等动态数据，在现有的基于GIS的应用系统中处理能力较弱（Yu，2012）；对于网络发布的地震信息进行可视化，现有基于WebGIS的系统（于海英等，2007；侯建民等，2008；侯建民，2009）多采用二维地图技术，即在地震信息图层与地形图层，模拟表达真实的地震发生环境，与人们所见的真实三维世界有很大差距。

为满足地震应急、震后灾情分析等需求，在讨论实时技术与GIS结合基础上，基于三维WebGIS模型，设计并实现集实时地震信息、多源地学信息于一体的三维地震信息可视化发布平台——EqMap3D（基于C/S架构，Java语言开发），并以实际地震事件为例，阐述该系统在地震综合信息展示的功能特点，讨论系统的应用前景。

1 实时技术与GIS

在地震行业各个部门，实时数据无处不在。随着地震传感器、传输网络、计算机软硬件的发展而建立起的数字地震观测网络，为地震监测提供实时地震信息成为可能（HirooKanamori et al，1998）。数字地震观测网络、地震前兆系统、地壳运动观测提供实时信息源（陈会忠，2007），如：实时的地震波形、重力、地磁、地下流体和地壳形变等数据。而地震震情、灾害信息管理和应急辅助决策管理系统提供实时震情分析结果，如：实时地震信息发布、地震动预测分布、灾害区域范围等。为管理和分析这些种类繁多但具有空间特征的实时数据，能否可以利用GIS的多源数据集成特性和图形可视化特点，使其在统一平台上进行有效地管理和表达提供了一种实现思路。

传统的GIS主要以静态空间数据为操作对象，被动的接收数据，而对实时性数据的接收、分析、分发能力不足，难以满足电力、交通、应急指挥、灾害监测等有实时性需求的领域（陶留锋等，2013）。GIS应当改变为可以主动获取实时数据甚至预约未来数据的新一代GIS——实时GIS。国内外学者对此做了大量研究工作。ESRI公司的ArcGIS Tracking Analyst模块（Esri，2014）就是GIS和实时数据结合应用的示例；龚健雅等（2014）提出一种面向动态地理对象与动态过程模拟的实时GIS时空数据模型，为实时数据描述提供依据。可见，地震行业中的实时地震信息应当利用实时GIS技术方法进行管理和组织。

2 可视化发布系统结构设计

考虑地震应急和震后决策分析需要，根据地震事件（发生时间、震源、震级）的实时特性，结合WebGIS分层模型，设计集实时地震事件信息收集、分析处理、发布和三维可视化显示于一体的三维地震信息实时发布系统。该系统由4个层次结构组成，分别为采集层、数据层、应用服务层和表现层，见图1。

图1　基于3D WebGIS的地震信息实时发布系统框架结构Fig.1 The architecture of real-time earthquake information publishing system based on 3D WebGIS

采集层负责实时地震信息数据的接入，通过实时地震信息接收模块获取从EQIM（全国地震速报系统）服务器（杨陈等，2009）和首都圈地震预警原型系统EEW（Peng et al，2011）发布的包含最新地震事件的三要素（发震时间，震中和震级）信息，以及ShakeMap系统（陈鲲等，2010）提供的地震动参数分布数据，并将这些实时信息写入数据层的实时数据库。

数据层由空间数据库和实时数据组成，其中，空间数据库存储行政区划、遥感影像和高程等矢量、栅格数据，实时数据库管理实时数据接收器传送来的实时数据，两者构成时态数据库。目前，空间数据库构建的主要数据有：1∶100万全国主要交通、河流、行政点等地理GIS数据等矢量基础数据；SRTM30全球90 m精度的地形高程数据、BMNG（Blue Marble Next Generation）全球8 km、2 km和500 m分辨率卫星影像、Landsat7 全球15 m分辨率卫星影像数据；2008—2013年全球5级以上地震目录；1∶400万中国活动断裂数据（邓起东等，2002）作为地震活动构造背景数据。

应用服务层由实时数据处理和推送服务、地图服务和Web服务器组成。从数据层获取实时数据后，实时数据处理和推送服务设定实时数据筛选条件和接收满足条件的实时数据，将实时地震信息进行格式转换和投影变换后推送给可视化层（三维可视化的客户端），而对ShakMap实时数据进行分析处理后，以地图服务（WMS/WFS）方式进行发布。地图服务将不同类型的GIS数据进行整合，供Web服务器调用。系统平台的地图服务由开源地图服务器GeoServer提供网络地图服务（WMS）和网络要素服务（WFS），为可视化层提供基础地理信息（如公路、铁路等、行政区划等）、台站分布、地质（断层和板块边界）、遥感影像等地图发布服务。

可视化层利用基于开源WorldWind Java SDK工具包（Bell et al，2007）的数字地球（Virtual Globe）技术，对应用服务层提供的数据进行三维实时渲染，包括矢量数据（震中、公路、铁路、断层等）、海量影像数据和高程数据的可视化。不仅能发布对时间要求高的最新地震事件（实时数据）、灾后短期产出的地震震动数据（近实时数据），还能够发布诸如地震构造、地震活动性等历史性数据，满足当前防震减灾中不同领域对数据要求各异、动态共享的需求，并最终在三维地貌场景中表现出来，表达完整地震综合信息。

本文主要处理地震事件此类的实时动态信息，利用实时GIS技术，在原有WebGIS基础上，增加实时数据处理功能。为使客户端支持动态数据处理，设计一种特殊动态图层。该动态图层关联到动态空间对象，接收动态对象的更新。也就是说，该图层包含具有共同结构和行为特征的空间对象（地震事件），并可随时添加和移除空间对象。使用该图层时，可以对地震事件做统一样式设置，如符号、颜色等。设计该图层除了考虑地震事件的位置变化外，还考虑地震事件的时态变化。因为一个新的地震事件对于当前影响表现在两方面：一种是地震事件的空间信息随时间发生变化，另一种是地震事件的属性信息（即状态值，如发震时刻距离当前的时间）也会随时间发生变化的动态变化。同时出现了位置和属性状态的动态变化是一类复杂的动态变化。本文采用一种复合变化模型来动态显示地震事件的位置和其某属性随时间的变化，即位置变化直观地由空间位置变动显示，而属性变化（如发震时间对当前的状态）通过可视化中的颜色等视觉变量表示其动态变化。

3 应用

三维地震信息可视化发布系统EqMap3D是集地震信息接收、存储、处理、发布、表达为一体的信息服务平台，2014年11月在中国地震局地球物理研究所部署并投入运行，在中国大地震的震后应急中得到应用。

3.1 新疆于田7.3地震

EqMap3D系统首先用于2014年2月12日17时19分50.3秒新疆于田MS7.3地震震情分析。此系统实时地震信息接收模块在17时35分27秒接到中国地震台网中心正式地震速报数据后，三维客户端自动定位到震中（以动态闪烁方式表示最新发生的地震），以导航浏览方式显示震中周围区域的地貌、地形特征、地质断层（图2）。状态栏显示最新发生地震的三要素信息，用鼠标悬停到震中点源（黄色圆点），客户端显示该地震事件发震时刻、经纬度、震级、深度等详细信息（白色矩形信息窗）。烈度速报数据于19时10分15秒经系统分析模块处理完成，由应用服务层发布，可在三维场景中根据震区震动预估图查看该地震对周围区域造成的破坏程度（图3）。通过缩放浏览查看地震动Ⅸ区和Ⅷ区的地质地貌，均显示为高山无人区。除了浏览动态数据外，用户可以根据不同研究主题添加不同图层，如：和田地区的人口分布、道路等静态数据，对地震灾害评估做进一步判断。

图2　2014年2月12日新疆于田7.3级地震实时发布结果Fig.2 The Yutian MS7.3 earthquake published in real time

图3　新疆于田7.3级地震震后35 min地震动预测图发布结果Fig.3 The shake map published 35 minutes after the Yutian MS7.3 earthquake

3.2 云南鲁甸6.5级地震

EqMap3D系统能够在多比例尺间进行无级缩放，自动加载不同分辨率的遥感影像，满足不同的观察需求。2014年8月3日16时30分10.2秒在云南省昭通市鲁甸县发生MS6.5地震。图4展示了系统在不同比例尺下该震中区域（不同分辨率的卫星影像覆盖）进行实时渲染的三维地貌视图。图4(a)显示比例尺为1∶2 000 m的地形地貌状况，卫星影像为分辨率为15 m的Landsat7。图4(b)显示比例尺1∶50 m高分影像震中地貌分布。三维地貌环境视图实时概览地震发生地的三维地貌环境，为地震应急救援和救灾指挥提供准确、及时的局部精细地形地貌信息。

图4　不同比例尺下加载不同分辨率遥感影像后的云南鲁甸6.5级地震震中显示效果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级地震

EqMap3D系统不仅能实时查看最新地震发生情况，也能及时了解大震后余震序列分布。图5显示了2014年10月7日云南景谷6.6级地震主震（红色圆点）和余震（2.5级以上）分布，可以明显看出余震呈北西向以较窄条带分布，与震后余震重新定位结果一致。此外，可以结合断层（图5中白线）性质，进一步分析该地震的构造成因。

图5　云南景谷6.6级主震和余震序列与断层分布Fig.5 The mainshock and aftershock of the Jinggu MS6.6 and the fault distribution

4 结束语

本研究利用数字地球技术，将实时动态的地震信息在三维空间中展现出来，直观、形象地表达了地震活动的时空分布特征，提供了一种快速、生动、形象的地震信息表现形式，为地震信息动态数据发布和可视化提供了一种思路，对于实时地震信息等动态数据处理提供了一个通用性系统框架。三维地震信息可视化发布系统为防震减灾领域中复杂的多源数据管理和应用提供了一个共享、展示、分析的平台，对于抗震救灾辅助决策具有一定实际意义。地震研究人员通过此平台，可以方便地集成各种数据资源，多角度展示并综合分析，促进成果交流。同时，利用形象的三维可视化技术，将地震研究人员使用的复杂的地震机制术语、推演和分析结果转化为公众易于理解的形式，直观、生动地展示地震活动场景，推进防震减灾科普教育和地震科学知识传播。

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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

基金项目：中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（DQJB12B29）

作者简介：李珀任（1976—），男，助理研究员，主要从事地震信息技术、地震监测工作

本文收到日期：2014-12-12