基于遥感GIS的地震应急信息质量控制系统设计

唐桂彬，周 波

(杨凌职业技术学院 交通与测绘工程分院，陕西 咸阳 712100)

0 引言

二维地形的可视化绘制是地震应急中心的一个重要课题，对三维地震地区地形的特征信息在二维地图或三维地形中的简单表示是目前比较系统和有效的方法，但三维地形的特征地震应急信息的可视化绘制还没有统一的解决方案[1]。主要有两种解决方案，一是采用以地震应急信息为中心的访问方式，强调地震应急信息传输路径的能量损耗最小；二是在访问速度平衡下的地震应急信息聚合策略，将地震应急信息访问位置设置在需要控制的位置，并根据访问位置的变化进行调整。目前，两种系统都是基于坐标系的计算方法，而地震应急地理信息表达往往需要采用大地坐标系，传统系统无法直接将地震应急信息移植到相关坐标系[2]。地形图是GIS系统的基本地震应急信息，其包含的点、线、多边形等是反映道路、河流、土壤等地理实体分布地震应急信息的重要地震应急信息。该地震应急信息可由卫星图像或GIS测量，或由用户手工输入。一个成熟的GIS系统应该能够合理显示、管理和存储所有特征地震应急信息，并且能够让用户在任何时候以其他地震应急信息格式修改、测量和导出。针对这一问题，设计了基于遥感GIS的地震应急信息质量控制系统。将GIS技术和计算机技术结合起来，可以有效地收集、处理和维护地震应急信息库中的应急信息。

1 地震应急信息质量控制系统整体架构设计

大规模地形地震应急和三维态势可视化背景下的空间控制是必要的，三维态势系统中态势地震应急信息具有时变性，为了直观地显示这些变化，需要利用系统提示图或文字等形式[3]。基于遥感GIS的地震应急信息质量控制总体架构如图1所示。

图1 基于遥感GIS的地震应急信息控制总体架构

由图1可知，原始地形地震应急信息处理模块主要完成原始高程地震应急信息的导入、分割、分层等操作，生成实时调度的场景绘制地震应急信息。将场景绘制地震应急信息放入本地硬盘进行处理，同时获取硬盘上的地形地震应急信息[4]。

场景管理模块和地震应急信息管理模块是场景绘制系统的核心，其中场景管理包括地形生成、纹理绘制、环境绘制(光、天、雾等)、景物标绘等，这些都需要与图形引擎进行交互[5]。

由于地震应急信息量大，不能一次显示，地震应急信息管理主要包括地震应急信息调度。在进行地震应急信息管理时，需要对内外存储间的地震应急信息进行实时调度。而处理过的高精度地震应急信息直接存储在本地硬盘上，因此，地震应急信息管理需要实时控制并采集本地存储地震应急信息，而接收来自终端设备的对其管理时序的请求，从而控制空间地震应急信息[6]。

地震应急地理信息系统中的空间控制模块是GIS特有的，为记录空间绘制实体的坐标、名称等属性地震应急信息，建立了属性地震应急信息库。地震应急信息管理模块在导入特征标绘或场景模型后生成该地震应急信息，并通过地震应急信息管理模块控制属性地震应急信息库完成空间控制。

2 地震应急信息质量控制系统硬件设计

地震应急信息质量控制系统硬件部分主要设计了存储服务器、WEB服务器和全景操作控制模块。存储服务器调节各节点信息传递，使信息超分辨率显示，利用WEB服务器支持用户交互，全景操作控制模块负责实时处理并显示全景地图信息。

2.1 存储服务器

通过系统架构虽然可建立物理超分辨率显示模块，但并不能很好地利用硬件的超分辨率显示细节。

超分辨率的遥感图像在地表破裂程度判断、断层空间描述等方面的应用[7]，能够为地震的破坏程度和地震的分布范围作出快速判定提供依据。为了达到与物理显示矩阵分辨率一致的细节显示率，实现真正的超分辨率显示，需要存储服务器控制[8]。存储服务器结构如图2所示。

图2 存储服务器

如图2所示，存储服务器由两部分组成：主节点和从节点，使用 TCP或UDP协议在两者之间传递消息。基于GIS平台提供的开发接口，创建了一种超分辨率显示组件，该组件被GIS集成应用程序用作全景的运行控制终端，即主节点。主节点超分辨率显示组件由主节点控制模块和系统通信模块两部分组成[9]，利用GIS开发平台提供开发界面，建立了网络消息驱动的显示程序，可直接与用户进行交互。它作为一个显示输出终端，即一个从节点，与主节点对应的从节点包括：从控制模块和系统通信模块，同时，通过用户交互界面可为GIS主节点集成应用提供帮助。

2.2 WEB服务器

使用WEB服务器与GIS主节点集成应用，从存储服务器中获得数据进行处理，为用户交互提供服务支持，WEB服务器如图3所示。

图3 WEB服务器

由图3可知，该服务器与摄像头、各个服务器相连，其主要是由智能环网自动组环，包含电信级元器件、散热式金属外壳，具有秒启动环网功能，自愈时间达25 ms。即使系统出现关机情况，也可自动启动，使系统正常运行。

2.3 全景操作控制模块

系统采用主从式设计，以GIS平台为支撑的综合应用程序作为全景操作控制终端，实现了地图显示的实际范围。此外，系统由多台GIS应用集群机构成显示输出终端，每台显示输出终端与外部显示设备相连接，组成超分辨率显示矩阵，可对全景地图范围进行更详细显示[10]。全景操作控制模块如图4所示。

图4 全景操作控制模块

由图4可知，通过局域网将全景运行控制终端连接到分布式集群显示输出终端，运行时，全景处理终端的GIS程序将当前屏幕地震应急信息(地理位置、显示范围)划分为若干块，分配为相应显示矩阵[11]。每一站都会将所获得的位置和距离地震应急信息与其自身的显示分辨率相比较，计算出相应比例关系，然后根据比例关系再以对应的比例重新显示。在震后的遥感影像显示时，融合数字搞成数据，生成超分辨率的影像，更全面地体现震后灾区的地貌特征，尤其是山体滑坡、道路阻塞破损等地形信息显示详细，为震害程度的判别提供有力依据。

3 地震应急信息质量控制系统软件设计

GIS是一种计算机系统，包括收集、存储、管理、显示和分析与地形地震应急空间地理分布有关地震应急信息，并用于地震应急信息的输入、存储、控制、分析和显示[12]。将地理与绘图相结合，可将地图、地震应急地理信息分析功能独特视觉效果与通用地震应急信息控制功能集合在一起，用于地震应急信息质量控制。

3.1 聚集路线延迟分析

考虑地震应急信息数据的分散式特点，聚集算法将数据分成不同聚集节点，使用分组序号进行分组聚集计算，以代替通常使用的顺序排序计算，有效减少运算开销[13]，能够实现快速地震应急信息处理。为了确保聚集算法能采集区域内所有地震应急信息控制敏感地震应急信息，需设置从第一个聚集节点开始，沿理想路由实时确定下一个聚集节点，直到最后一个聚集节点，从而得到实际路由的聚集节点序列。对每一个聚集节点来说，发送聚集请求、接收地震应急信息节点地震应急信息的时间基本上是固定的，所以聚集路线总延迟是由理想地震应急信息聚集路线总长度来确定的。

聚集路线延迟计算公式为：

(1)

式(1)中，Area表示地震应急信息聚集面积；davg_A表示不同地震应急信息聚集间距离；Delay表示聚集节点发送和接收聚集请求所耗费时间。虽然平行发布能有效减少聚合延迟，但是，并行地震应急聚合可能导致通道冲突[14]。所以，在设计地震应急信息聚集路径时，有必要考虑地震应急信息传输通道冲突概率。

在此基础上，将多路地震应急信息聚集结果有效地返回到Sink上，尽量降低额外增加的地震应急信息传输通道量[15]。为此，提出基于同心圆并行路线，如图5所示。

图5 同心圆并行路线

由图5可知，每一个同心圆的初始集散节点，不仅决定了下一个同心圆沿着理想路径运行(一般设置为逆时针)，而且也决定了外同心圆的初始集散节点，以减少并行操作，避免信道冲。当选择外同心圆起始聚集节点时，各同心圆的起始聚集节点应尽量选择与其理想路径(顺时针方向)相反、离理想路径越近的节点。

在理想路径上，第二环同心圆的起始聚集节点A21选择A22作为下一个聚集节点，第三环同心圆选择A31作为开始聚集节点，这样各同心圆就可以并行处理了[16]。该并行处理的总延迟取决于从最内环到最外环的路径长度以及理想的最外环路径，所以聚集路线总延迟公式如下：

(2)

结合公式(2)，可确定同心圆并行路线总延迟，为地震应急信息聚焦控制实现步骤设计提供地震应急信息支持。

3.2 地震应急信息聚焦控制系统软件流程

通过同心圆并行路线维护了聚集地震应急信息表，该表中存储了从子集群到控制树的地震应急信息分布地震应急信息。由Nx节点维护的聚集地震应急信息表包括以下3个主要地震应急信息：

1)地震应急信息表的N列记录了Nx节点地震应急信息，该地震应急信息包括群集的感知地震应急信息分布地震应急信息，以及地震应急信息分布节点的数量[17]。

2)在Nx集群中，通过查询聚集地震应急信息表最后M-1行的地震应急信息，可以得到每个子节点的地震应急信息分布地震应急信息及每个子节点的剩余能量地震应急信息，以及地震应急信息分布地震应急信息[18]。

3)根据对地震应急信息表第一列地震应急信息的控制，可以确定Nx作为集群中每个节点的剩余能量。

由于聚集地震应急信息表存储子节点地震应急信息，所以在进行查询时，需要沿每层表逐层分布查询请求。根据节点地震应急信息表中记录的地震应急信息分布情况，对地震应急信息进行控制时隙分配。

根据控制时隙分配[19]，设计地震应急信息质量控制系统实现步骤，如下所示：

step1：按顺序排列在节点地震应急信息表中记录的感知地震应急信息，当地震应急信息为正态分布时，列越长，地震应急信息值越大。设∑Ni(i=N-J,…,N)为感知地震应急信息区间节点数，根据该节点数和控制地震应急信息聚集值，可确定满足∑Ni>K(i=N-J,…,N)的最小值。地震应急信息中的每一个父节点都包含着子节点的地震应急信息分布地震应急信息，因此可以直接计算出Ni的数值。

step2：根据计算出的Ni数值，通过对集群头地震应急信息表地震应急信息的查询，地震应急信息控制请求节点直接提交相应的地震应急信息[20]。由于前列对控制结果没有影响，因此相应子节点不返回地震应急信息。通过大量地震应急信息的转发，减少了地震应急信息转发次数，提高了地震应急信息源定位精度。

step3：控制集群头地震应急信息表中最后一列的地震应急信息，允许每个节点返回不是0的节点感知地震应急信息表中的最后一列，而不分发控制时段无感知地震应急信息的节点分布在下一列，并进一步执行返回的地震应急信息过滤，以减少地震应急信息聚集能量消耗，由此完成地震应急信息质量控制。

4 实验

为了验证基于遥感GIS的地震应急信息质量控制系统的合理性，进行实验验证分析。

4.1 实验背景

根据某市地震应急管理处制定的设计书，进行地形地震应急。目前，规划局已经完成某市市区和大部分郊区的1∶500地形图，某市三环以内全部地区1∶500地形图正在进行，届时完成市区和所有郊区基础地震应急地形图。省地震应急局提供1∶10 000地震应急地形图。部分应急地震信息存储在某市地震信息库中。

4.2 测试地震应急信息

在系统中加载单要素层，将服务器终端地震应急信息库读取到客户端内存中，并将内存全部显示在视图上。根据相应地震应急信息属性，通过OID控制，构建主索引，测试的地震应急信息如表1所示。

表1 测试的地震应急信息

4.3 地震应急信息转发字节数分析

由于地震应急过程中，需要大量地震应急信息支持，然而受到聚合地震应急信息影响，地震应急信息表中只记录地震应急信息分布情况，并没有记录地震应急信息本身，地震应急信息量很小。因此，分析测试地震应急信息中地震应急信息转发字节数，为地震应急信息质量控制提供精准地震应急信息支持。

不同地震应急信息变化下，转发字节数，如图6所示。

图6 不同地震应急信息变化下转发字节数

由图6可知，不同地震应急信息变化程度下，变化程度大的地震应急信息，转发字节数较少，此时需要频繁更新节点地震应急信息，保证转发地震应急信息量大，为地震应急信息质量控制验证提供更多地震应急信息；反之，变化程度小的地震应急信息，转发字节数较多，此时无需频繁更新节点地震应急信息，就可具有较大转发地震应急信息量。因此，变化程度中的转发字节数作为基本地震应急信息更加稳定。

4.4 地震应急信息质量控制结果与分析

在变化程度中等转发字节数支持下，分别使用地震应急信息中心存取方法、地震应急信息聚集策略和基于遥感GIS方法分析地震应急信息传输量，如表2所示。

表2 不同方法地震应急信息传输量对比分析

由表2可知，使用地震应急信息中心存取方法在60 s聚集时间内，地震应急信息传输量为4.7 G，在聚集时间为40 s时，聚集速度较快；使用地震应急信息聚集策略在60 s聚集时间内，地震应急信息传输量为4.2 G；使用基于遥感GIS方法在60 s聚集时间内，地震应急信息传输量为6.2 G。

通过上述分析可知，使用基于遥感GIS方法在60 s聚集时间内，地震应急信息传输量最大。为了验证该系统聚集效果好，分析可观测地震应急信息量，再次将3种方法对比，结果如图7所示。

图7 不同方法可观测地震应急信息量对比分析

5 结束语

设计基于遥感GIS的地震应急信息质量控制系统，通过全景操作端，全面显示应急地震信息，支持各种地震应急信息聚集值控制请求。实验分析表明，该系统可以有效用于地震应急信息分析，地震应急信息质量控制效果明显。

虽然使用所设计系统达到明显控制效果，但是还是存在很多问题值得研究：

1)在多控制或者一次控制过程中，出现多个结果返回现象时，需避免返回路径冲突；

2)优化控制请求后地震应急信息提交传输路径及信道，并进行地震应急信息预处理；

3)合理预测地震应急信息，更新地震应急信息分布表，避免影响网络执行效率。