基于“天地图”地震信息集成的设计与实现

张 磊， 程朋根， 陈 静

(1.东华理工大学测绘工程学院，江西抚州 344000;2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉 430079)

地震是一种突发性自然灾害，能在短时间内造成大量人员伤亡、房屋倒塌、经济损失及次生灾害等(高惠瑛等，2010)，快速、准确地发布地震信息有利于地震防灾工作的快速开展。WebGIS具有地理信息服务实时发布、地理信息数据即时性分析与辅助决策等强大功能(聂运菊等，2005)，将WebGIS应用于地震信息发布，通过普通的浏览器，用户就能掌握地震的最新情况，满足了地震信息公众化发展的要求，得到了相关部门和社会大众的广泛认可。目前，国内外在这一领域开展了一些研究工作(杨超，2009;帅菲等，2011;张立国等，2004;程朋根等，2008)，但是仍然存在一些问题，主要体现在:(1)从数据的来源上，由地震监测与预报部门提供的地震专题数据和地理信息部门提供的地理信息数据，它们分别存储在不同的服务器上，数据的组织、数据的语义、数据的格式各不相同，必须基于统一的标准进行地震信息数据的无缝集成(张凯选等，2004)。(2)从数据的交互上，数据的访问与操作是通过对外提供数据接口的方式进行(吴华意等，2010a)，数据接口与服务高度耦合，不利于数据的统一管理与维护。(3)从数据的表现形式上，单一的表现形式已经无法满足地震灾害对地理空间表现的需求，必须实现一个二维、三维、专题信息相结合的多时空、多尺度的地震信息发布系统。

“天地图”是国家测绘地理信息局为了促进地理信息资源共享和高效利用，更好地满足国家信息化建设的需要，方便社会公众的工作和生活而建设的地理信息综合服务网站。传统的地震信息服务模式无法真正满足多源地震信息服务集成需求，对此本文提出了一种多源异构信息在线集成服务方法，在此基础上将“天地图”的地理信息与地震信息进行无缝集成，并实现了地震信息的时空统计与分析功能，有利于地震信息的一体化服务与地震发布的公众化发展。

1 多源异构信息在线集成服务方法

地震信息数据根据来源的不同，分为地理信息数据与地震专题数据。其中，地理信息数据采取了瓦片金字塔结构的数据组织方式，依据WMS、WFS规范提供服务(童晓冲等，2006)，表现形式有二维矢量、影像地图数据和三维地图数据;地震专题数据采取了根节点和子节点结构的数据组织方式，依据统一的XML标准提供服务(解吉波等，2006)，表现形式有地震文本数据，图形数据等。可见地理信息与地震专题信息的数据组织、数据格式、数据表现形式等存在异构性，为了实现地震数据的集中管理，更好地满足地震数据来源的灵活性、地震信息发布的时效性需求，必须进行多源在线异构信息的无缝集成(图1)。

图1 多源异构信息在线集成服务架构Fig.1 Online integrated of multisource heterogeneous information services architecture

地震专题数据与地理信息数据的在线集成实质上就是分析与比较局部数据模型间的共性与差异性，通过构建统一的映射规则与数据操作方法来实现从局部的领域模型到全局的概念模型转换。可以从以下方面进行论述:

(1)数据解析服务，包括地理信息解析服务和地震专题信息解析服务两方面内容。地理信息数据采取REST架构进行解析，一个完整的资源地址包括地图服务地址，地图服务类型，请求方式，数据资源路径等信息，共同构成了地图数据的标识信息，通过标准的HTTP操作就能请求到地图数据信息，该方法的优点是:无状态性，每个地图资源的请求都是独立的，方便地图图层的叠加与地图数据的集成;使用标准的方法，方便地图数据的共享与服务;灵活的数据资源表现形式，客户端渲染模式有地图、影像和GML等。地震专题数据的解析，通过分析地震专题数据的组织，描述地震的三要素等信息。地震三要素包括发震时刻、震级和发震地点，共同构成了地震专题数据的基础。

(2)数据模型的映射服务，包括以下两方面内容:第一，地震专题数据模型到地理信息模型的映射。地震专题数据模型和地理信息模型是根据各自行业标准与知识共识构建的，它们的数据组织存在异构性和多语义性，但是都有共同的地理位置描述，可以根据地理位置的对应关系，建立起数据模型间的映射关系。集成方法借鉴了级联服务的思想(吴华意等，2010b)，即以地理信息服务提供的地图为底图，通过统一数据模型间的映射来实现地震专题数据与地理信息数据的集成。

发震地点包含了两方面信息:地震的地名信息和地理位置信息。根据地理位置对应关系，建立起地震信息到二维地理信息的映射关系，如公式(1)所示:

其中，lon、lat分别表示地图的经度与纬度，Z2表示发震地点，指数2表示只记录二维坐标信息。

不同的地震专题信息存在差异性，根据统一的地震评估标准，可以对地震专题信息的震级与发震时间等进行属性范围的划分，然后使用不同大小、颜色与形状的符号在地图上进行表示，体现了数据显示的直观性，实现了地震专题信息到地理信息的无缝转换。

第二，建立二、三维地图数据模型间的映射关系。二、三维地图数据都满足金字塔结构的数据组织，但是在二维地图中是以层级来表示地物详略程度的;在三维地图中是以高程来表示地物详略程度的。根据地物详略程度的不同，可以构建起二维地图层级与三维地图高程的对应关系;根据水平方向坐标的对应相等关系，建立二维地图经纬度与三维地图经纬度的坐标对应关系。如公式(2)所示:

其中，level表示地图的层级，它的数据类型为整型;height表示地图高程，它的数据类型为双精度型;ratio表示比率值，它的数据类型为双精度型。lon、lat分别表示地图的经度与纬度，Z3表示三维坐标信息的发震地点，对象以JSON格式进行封装，屏蔽了不同的数据标准，提高了数据的集成效率。

(3)数据的交互服务。数据的集成包括两方面内容:一方面是屏蔽数据自身结构的异构性，另一方面是实现数据的无缝交互。通过映射关系屏蔽了地震专题数据模型与地理信息数据模型间的异构性，实现数据的交互操作主要由地理信息服务提供，关键是建立二、三维数据模型间的实时通信。二维、三维地图是基于不同的语言与系统平台构建的，它们通过对外提供地图数据操作接口的方式进行数据交互，如图1所示:在操作二维地图时，根据二维到三维地图空间位置的对应关系，在数据引擎中开辟一块内存空间来管理对应的三维地图操作方法，实时对三维空间位置地物进行对应的定位、标注、查询等地图交互操作。

2 地震空间分析服务的集成

图2 系统结构图Fig.2 The System architecture

地震空间分析是按地震灾害的评估标准对地震灾害造成的直接破坏与经济损失进行分析，为地震预报防灾工作的开展提供重要的决策数据。地震空间分析服务的集成可以从以下两方面阐述:

(1)震源地理坐标可以通过“地震专题信息”实时地进行获取。“地震专题信息”是以XML进行组织的，它包含震源地名、地理坐标、震级强度等信息。通过对“地震专题信息”的解析可以获得震源的地理坐标信息。

(2)地震空间信息分析服务，可以通过“天地图”提供的WFS服务，根据震源地理坐标，对震源辐射区域的居民点信息实时查询分析。由于居民点信息往往比较多，数据量比较大，通常从以下方面进行查询条件的限定:地理信息的查询，根据震源辐射区域，限定查询的地理区域为以震源为中心，一定半径的圆形范围内。地震专题信息的查询，为了避免全字段的匹配，通常需要指定关键字段如地名信息，再进行字段值的模糊匹配。确定组合查询的逻辑关系，通常为“AND”表示既满足对应地物间的空间关系又满足地物属性的匹配关系。

3 实验

3.1 系统结构

系统采取了B/S的三层结构设计，包括数据层，应用服务层和表现层。如图2所示:

数据层，包括地理信息数据和地震专题数据，是地震信息快速发布与决策服务的数据源。应用服务层，包括数据引擎和提供地震信息发布和分析等功能模块。它运行在Web服务器下，是屏蔽多源地震数据的异构性、提供系统功能的核心环节。表现层，是各用户客户端应用程序。它通过HTTP协议与远程Web服务器进行通信，为用户提供可视化地震信息展示。

3.2 实验

地震专题数据由中国地震网台网中心提供，实验系统采取Java语言和天地图API进行开发，原型系统运行在Tomcat服务器下，实现了地震信息服务的发布和统计分析等功能。天地图是我国测绘部门提供的数据，使用天地图作为数据源，体现了我国自主研发的成果，具有一定的理论意义和现实意义。

(1)地震信息发布。主要实现了震源定位，地震详细信息查看，地震信息查询等功能，为公众提供最新的二、三维地震信息。如图3所示。

(2)地震统计分析服务。实验使用JFreeChart技术实现了地震级别与分布的统计报表，通过GML技术实现了震源有感范围的空间分析功能，为地震防灾部门提供震情辅助决策。如图4所示。

图3 二、三维地震信息服务Fig.3 The 2D，3D earthquake information service

图4 地震统计分析服务Fig.4 The statistical analysis of seismic services

4 总结与展望

本文将WebGIS技术与地震灾情发布有机结合起来，提出了一种多源异构信息在线集成服务方法，实现了“天地图”服务和地震专题服务的无缝集成，“天地图”是我国自主研发的成果，并体现了网络信息化时代地震防灾信息发布的快速、客观、科学的要求，随着地震防灾应用技术的发展、地震监测数据的日益丰富，WebGIS在地震发布上应用将会向多行业协同工作、智能救灾分析、专家式决策方向发展，在未来的地震防灾工作中起着举足轻重的作用。但是这种集成服务的模式只是对某一种地理信息服务的集成，下一步研究工作，可以考虑实现在不同空间参考基准下多种地理信息服务集成。

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