基于“天地圖”地震信息集成的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 磊， 程朋根， 陳 靜

(1.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西撫州 344000;2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430079)

地震是一種突發(fā)性自然災(zāi)害，能在短時(shí)間內(nèi)造成大量人員傷亡、房屋倒塌、經(jīng)濟(jì)損失及次生災(zāi)害等(高惠瑛等，2010)，快速、準(zhǔn)確地發(fā)布地震信息有利于地震防災(zāi)工作的快速開展。WebGIS具有地理信息服務(wù)實(shí)時(shí)發(fā)布、地理信息數(shù)據(jù)即時(shí)性分析與輔助決策等強(qiáng)大功能(聶運(yùn)菊等，2005)，將WebGIS應(yīng)用于地震信息發(fā)布，通過普通的瀏覽器，用戶就能掌握地震的最新情況，滿足了地震信息公眾化發(fā)展的要求，得到了相關(guān)部門和社會大眾的廣泛認(rèn)可。目前，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域開展了一些研究工作(楊超，2009;帥菲等，2011;張立國等，2004;程朋根等，2008)，但是仍然存在一些問題，主要體現(xiàn)在:(1)從數(shù)據(jù)的來源上，由地震監(jiān)測與預(yù)報(bào)部門提供的地震專題數(shù)據(jù)和地理信息部門提供的地理信息數(shù)據(jù)，它們分別存儲在不同的服務(wù)器上，數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)的語義、數(shù)據(jù)的格式各不相同，必須基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地震信息數(shù)據(jù)的無縫集成(張凱選等，2004)。(2)從數(shù)據(jù)的交互上，數(shù)據(jù)的訪問與操作是通過對外提供數(shù)據(jù)接口的方式進(jìn)行(吳華意等，2010a)，數(shù)據(jù)接口與服務(wù)高度耦合，不利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與維護(hù)。(3)從數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式上，單一的表現(xiàn)形式已經(jīng)無法滿足地震災(zāi)害對地理空間表現(xiàn)的需求，必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維、三維、專題信息相結(jié)合的多時(shí)空、多尺度的地震信息發(fā)布系統(tǒng)。

“天地圖”是國家測繪地理信息局為了促進(jìn)地理信息資源共享和高效利用，更好地滿足國家信息化建設(shè)的需要，方便社會公眾的工作和生活而建設(shè)的地理信息綜合服務(wù)網(wǎng)站。傳統(tǒng)的地震信息服務(wù)模式無法真正滿足多源地震信息服務(wù)集成需求，對此本文提出了一種多源異構(gòu)信息在線集成服務(wù)方法，在此基礎(chǔ)上將“天地圖”的地理信息與地震信息進(jìn)行無縫集成，并實(shí)現(xiàn)了地震信息的時(shí)空統(tǒng)計(jì)與分析功能，有利于地震信息的一體化服務(wù)與地震發(fā)布的公眾化發(fā)展。

1 多源異構(gòu)信息在線集成服務(wù)方法

地震信息數(shù)據(jù)根據(jù)來源的不同，分為地理信息數(shù)據(jù)與地震專題數(shù)據(jù)。其中，地理信息數(shù)據(jù)采取了瓦片金字塔結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織方式，依據(jù)WMS、WFS規(guī)范提供服務(wù)(童曉沖等，2006)，表現(xiàn)形式有二維矢量、影像地圖數(shù)據(jù)和三維地圖數(shù)據(jù);地震專題數(shù)據(jù)采取了根節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織方式，依據(jù)統(tǒng)一的XML標(biāo)準(zhǔn)提供服務(wù)(解吉波等，2006)，表現(xiàn)形式有地震文本數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)等。可見地理信息與地震專題信息的數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式等存在異構(gòu)性，為了實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的集中管理，更好地滿足地震數(shù)據(jù)來源的靈活性、地震信息發(fā)布的時(shí)效性需求，必須進(jìn)行多源在線異構(gòu)信息的無縫集成(圖1)。

圖1 多源異構(gòu)信息在線集成服務(wù)架構(gòu)Fig.1 Online integrated of multisource heterogeneous information services architecture

地震專題數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)的在線集成實(shí)質(zhì)上就是分析與比較局部數(shù)據(jù)模型間的共性與差異性，通過構(gòu)建統(tǒng)一的映射規(guī)則與數(shù)據(jù)操作方法來實(shí)現(xiàn)從局部的領(lǐng)域模型到全局的概念模型轉(zhuǎn)換?？梢詮囊韵路矫孢M(jìn)行論述:

(1)數(shù)據(jù)解析服務(wù)，包括地理信息解析服務(wù)和地震專題信息解析服務(wù)兩方面內(nèi)容。地理信息數(shù)據(jù)采取REST架構(gòu)進(jìn)行解析，一個(gè)完整的資源地址包括地圖服務(wù)地址，地圖服務(wù)類型，請求方式，數(shù)據(jù)資源路徑等信息，共同構(gòu)成了地圖數(shù)據(jù)的標(biāo)識信息，通過標(biāo)準(zhǔn)的HTTP操作就能請求到地圖數(shù)據(jù)信息，該方法的優(yōu)點(diǎn)是:無狀態(tài)性，每個(gè)地圖資源的請求都是獨(dú)立的，方便地圖圖層的疊加與地圖數(shù)據(jù)的集成;使用標(biāo)準(zhǔn)的方法，方便地圖數(shù)據(jù)的共享與服務(wù);靈活的數(shù)據(jù)資源表現(xiàn)形式，客戶端渲染模式有地圖、影像和GML等。地震專題數(shù)據(jù)的解析，通過分析地震專題數(shù)據(jù)的組織，描述地震的三要素等信息。地震三要素包括發(fā)震時(shí)刻、震級和發(fā)震地點(diǎn)，共同構(gòu)成了地震專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

(2)數(shù)據(jù)模型的映射服務(wù)，包括以下兩方面內(nèi)容:第一，地震專題數(shù)據(jù)模型到地理信息模型的映射。地震專題數(shù)據(jù)模型和地理信息模型是根據(jù)各自行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與知識共識構(gòu)建的，它們的數(shù)據(jù)組織存在異構(gòu)性和多語義性，但是都有共同的地理位置描述，可以根據(jù)地理位置的對應(yīng)關(guān)系，建立起數(shù)據(jù)模型間的映射關(guān)系。集成方法借鑒了級聯(lián)服務(wù)的思想(吳華意等，2010b)，即以地理信息服務(wù)提供的地圖為底圖，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型間的映射來實(shí)現(xiàn)地震專題數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)的集成。

發(fā)震地點(diǎn)包含了兩方面信息:地震的地名信息和地理位置信息。根據(jù)地理位置對應(yīng)關(guān)系，建立起地震信息到二維地理信息的映射關(guān)系，如公式(1)所示:

其中，lon、lat分別表示地圖的經(jīng)度與緯度，Z2表示發(fā)震地點(diǎn)，指數(shù)2表示只記錄二維坐標(biāo)信息。

不同的地震專題信息存在差異性，根據(jù)統(tǒng)一的地震評估標(biāo)準(zhǔn)，可以對地震專題信息的震級與發(fā)震時(shí)間等進(jìn)行屬性范圍的劃分，然后使用不同大小、顏色與形狀的符號在地圖上進(jìn)行表示，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示的直觀性，實(shí)現(xiàn)了地震專題信息到地理信息的無縫轉(zhuǎn)換。

第二，建立二、三維地圖數(shù)據(jù)模型間的映射關(guān)系。二、三維地圖數(shù)據(jù)都滿足金字塔結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織，但是在二維地圖中是以層級來表示地物詳略程度的;在三維地圖中是以高程來表示地物詳略程度的。根據(jù)地物詳略程度的不同，可以構(gòu)建起二維地圖層級與三維地圖高程的對應(yīng)關(guān)系;根據(jù)水平方向坐標(biāo)的對應(yīng)相等關(guān)系，建立二維地圖經(jīng)緯度與三維地圖經(jīng)緯度的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系。如公式(2)所示:

其中，level表示地圖的層級，它的數(shù)據(jù)類型為整型;height表示地圖高程，它的數(shù)據(jù)類型為雙精度型;ratio表示比率值，它的數(shù)據(jù)類型為雙精度型。lon、lat分別表示地圖的經(jīng)度與緯度，Z3表示三維坐標(biāo)信息的發(fā)震地點(diǎn)，對象以JSON格式進(jìn)行封裝，屏蔽了不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提高了數(shù)據(jù)的集成效率。

(3)數(shù)據(jù)的交互服務(wù)。數(shù)據(jù)的集成包括兩方面內(nèi)容:一方面是屏蔽數(shù)據(jù)自身結(jié)構(gòu)的異構(gòu)性，另一方面是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫交互。通過映射關(guān)系屏蔽了地震專題數(shù)據(jù)模型與地理信息數(shù)據(jù)模型間的異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作主要由地理信息服務(wù)提供，關(guān)鍵是建立二、三維數(shù)據(jù)模型間的實(shí)時(shí)通信。二維、三維地圖是基于不同的語言與系統(tǒng)平臺構(gòu)建的，它們通過對外提供地圖數(shù)據(jù)操作接口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示:在操作二維地圖時(shí)，根據(jù)二維到三維地圖空間位置的對應(yīng)關(guān)系，在數(shù)據(jù)引擎中開辟一塊內(nèi)存空間來管理對應(yīng)的三維地圖操作方法，實(shí)時(shí)對三維空間位置地物進(jìn)行對應(yīng)的定位、標(biāo)注、查詢等地圖交互操作。

2 地震空間分析服務(wù)的集成

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The System architecture

地震空間分析是按地震災(zāi)害的評估標(biāo)準(zhǔn)對地震災(zāi)害造成的直接破壞與經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行分析，為地震預(yù)報(bào)防災(zāi)工作的開展提供重要的決策數(shù)據(jù)。地震空間分析服務(wù)的集成可以從以下兩方面闡述:

(1)震源地理坐標(biāo)可以通過“地震專題信息”實(shí)時(shí)地進(jìn)行獲取?！暗卣饘ｎ}信息”是以XML進(jìn)行組織的，它包含震源地名、地理坐標(biāo)、震級強(qiáng)度等信息。通過對“地震專題信息”的解析可以獲得震源的地理坐標(biāo)信息。

(2)地震空間信息分析服務(wù)，可以通過“天地圖”提供的WFS服務(wù)，根據(jù)震源地理坐標(biāo)，對震源輻射區(qū)域的居民點(diǎn)信息實(shí)時(shí)查詢分析。由于居民點(diǎn)信息往往比較多，數(shù)據(jù)量比較大，通常從以下方面進(jìn)行查詢條件的限定:地理信息的查詢，根據(jù)震源輻射區(qū)域，限定查詢的地理區(qū)域?yàn)橐哉鹪礊橹行?，一定半徑的圓形范圍內(nèi)。地震專題信息的查詢，為了避免全字段的匹配，通常需要指定關(guān)鍵字段如地名信息，再進(jìn)行字段值的模糊匹配。確定組合查詢的邏輯關(guān)系，通常為“AND”表示既滿足對應(yīng)地物間的空間關(guān)系又滿足地物屬性的匹配關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采取了B/S的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)層，應(yīng)用服務(wù)層和表現(xiàn)層。如圖2所示:

數(shù)據(jù)層，包括地理信息數(shù)據(jù)和地震專題數(shù)據(jù)，是地震信息快速發(fā)布與決策服務(wù)的數(shù)據(jù)源。應(yīng)用服務(wù)層，包括數(shù)據(jù)引擎和提供地震信息發(fā)布和分析等功能模塊。它運(yùn)行在Web服務(wù)器下，是屏蔽多源地震數(shù)據(jù)的異構(gòu)性、提供系統(tǒng)功能的核心環(huán)節(jié)。表現(xiàn)層，是各用戶客戶端應(yīng)用程序。它通過HTTP協(xié)議與遠(yuǎn)程Web服務(wù)器進(jìn)行通信，為用戶提供可視化地震信息展示。

3.2 實(shí)驗(yàn)

地震專題數(shù)據(jù)由中國地震網(wǎng)臺網(wǎng)中心提供，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采取Java語言和天地圖API進(jìn)行開發(fā)，原型系統(tǒng)運(yùn)行在Tomcat服務(wù)器下，實(shí)現(xiàn)了地震信息服務(wù)的發(fā)布和統(tǒng)計(jì)分析等功能。天地圖是我國測繪部門提供的數(shù)據(jù)，使用天地圖作為數(shù)據(jù)源，體現(xiàn)了我國自主研發(fā)的成果，具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

(1)地震信息發(fā)布。主要實(shí)現(xiàn)了震源定位，地震詳細(xì)信息查看，地震信息查詢等功能，為公眾提供最新的二、三維地震信息。如圖3所示。

(2)地震統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)。實(shí)驗(yàn)使用JFreeChart技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地震級別與分布的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，通過GML技術(shù)實(shí)現(xiàn)了震源有感范圍的空間分析功能，為地震防災(zāi)部門提供震情輔助決策。如圖4所示。

圖3 二、三維地震信息服務(wù)Fig.3 The 2D，3D earthquake information service

圖4 地震統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)Fig.4 The statistical analysis of seismic services

4 總結(jié)與展望

本文將WebGIS技術(shù)與地震災(zāi)情發(fā)布有機(jī)結(jié)合起來，提出了一種多源異構(gòu)信息在線集成服務(wù)方法，實(shí)現(xiàn)了“天地圖”服務(wù)和地震專題服務(wù)的無縫集成，“天地圖”是我國自主研發(fā)的成果，并體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息化時(shí)代地震防災(zāi)信息發(fā)布的快速、客觀、科學(xué)的要求，隨著地震防災(zāi)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展、地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的日益豐富，WebGIS在地震發(fā)布上應(yīng)用將會向多行業(yè)協(xié)同工作、智能救災(zāi)分析、專家式?jīng)Q策方向發(fā)展，在未來的地震防災(zāi)工作中起著舉足輕重的作用。但是這種集成服務(wù)的模式只是對某一種地理信息服務(wù)的集成，下一步研究工作，可以考慮實(shí)現(xiàn)在不同空間參考基準(zhǔn)下多種地理信息服務(wù)集成。

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