基于开源GIS的地震应急信息可视化平台构建与应用

吴珍云，金忠平，王冬辰，刘博雅

(1.东华理工大学 地球科学学院， 南昌 330013； 2.江苏省地震局， 南京 210014)

0 引 言

江苏省及其邻区属于少震地区，但却也是中强地震发生较多的地区，且地震灾害有“震级不大、灾害较重；波及范围广、社会经济影响大”的特点[1-3]。已有研究结果表明，在今后几十年内，江苏及其邻区地震活动仍将保持较高水平[4-5]。尤其近年来，江苏省及周边有感地震发生较为频繁，如2015年连云港市东海小震群以及今年6月份以来的盐城市大丰区小震群，均造成了一定的社会影响。根据《江苏省地震局地震应急预案》规定，“当我省陆地发生2级以上或近海海域50 km内发生3.5级以上地震事件，并产生较大社会影响时，启动有感地震应急响应”。在此省情下，江苏省地震应急工作面临新的挑战，对地震应急基础信息的获取也要求快速和全面。

此外，江苏省地震局自2014年以来就和江苏省基础地理信息中心加强合作，获得了全省的“天地图”基础地理数据、兴趣点数据和高清遥感数据，如何充分利用这些基础数据并结合现有的分析技术和平台构建技术[6-12]加强江苏省地震应急工作建设，是当下需要考虑的问题。

为方便有感地震来临之时，可以更快、更动态地提供影响场范围内更加多元化、属地化的地震应急信息，也为更好地对江苏省有感地震进行记录分析和综合管理，迫切需要加强地震应急基础数据分析和发布技术的研究以及有感地震“档案”管理系统的建设。同时，为更好地调用市县地震部门参与到地震应急工作中来，也需要构建这样一个可实现异地操作和管理省、市、县共同在线参与基础数据收集和维护的地震应急信息可视化平台，从而良好地实现江苏省地震应急信息的及时更新和共享。

本文以江苏省为例，基于开源GIS构建了江苏省地震局有感地震信息管理系统，该系统作为我省地震应急信息可视化平台已应用到省地震应急工作中。

1 系统基础数据库建设

本系统基础数据库主要由基础专题数据、地震专题数据和系统管理数据三部分组成(见表1)。其中基础专题数据包括行政区、学校、医疗机构、危险源、避难场所等空间数据，又包括人口、经济、建筑结构信息等非空间数据；而地震专题数据则包括地震事件与地震烈度圈等空间数据。

表1 系统数据需求与设计

基础数据库通过主流关系型数据库PostgreSQL与空间数据引擎PostGIS进行构建。属性数据与空间数据以混合方式存储，但对于具有大量属性数据的情形，属性数据与空间数据则分开存储，通过定义的关键字进行关联。空间数据包括空间数据模型(Geometry)与空间索引(GIST)，空间索引用于支撑快速空间查询。

基础数据库支持数据的查询与编辑，数据的查询包括属性查询与空间查询，对于同一条数据，为了保证版本一致，通过独占写锁的方式，避免其被同时编辑。

基础数据库采用双机热备的架构，主从数据库保持数据实时同步，当主数据库出现设备、操作系统、软件系统等故障，从数据库可在1 min内切换为主数据库，快速恢复基础数据库，保证基础数据库的稳定运行。

2 信息可视化平台建设

2.1 系统架构

该系统基于Java语言，采用B/S架构,遵循MVC设计模式，实现了空间数据发布以及人员、资料、数据等信息的管理功能。系统采用MapServer、PostgreSQL、OpenLayers、GeoExt等开源软件，使其具有良好的跨平台、跨浏览器特征[13]。本文中信息可视化平台总体由客户端和服务端组成，系统体系结构及设计方案如图1所示。

图1 系统体系结构及设计方案

(1) 客户端。采用HTML5+CSS3+ES6的Web技术进行可视化展现，地图通过开源地图引擎Openlayers进行展现，地图的相关应用也基于Openlayers扩展构建。

(2) 服务端。包括应用服务器、地图发布服务器以及数据存储服务器三大类。其中应用服务器以Restful接口标准提供业务功能服务与空间计算、分析、检索服务；地图发布服务器选用开源GIS服务器GeoServer，搭配Tomcat和GeoWebCache技术服务，提供地震应急专题图层服务。地图发布以ArcGIS Bundle格式的地图瓦片为数据源，提供WMS(Web Map Service)标准的瓦片地图服务。其中GeoWebCache技术充分地利用了地图显示的缓存机制[14]，极大地提高了客户端数据浏览速度和用户体验效果，即当客户端发送数据请求时，GeoWebCache服务器会对数据请求先进行拦截，并判断本次请求的数据是否已经被缓存。如果请求数据已被缓存，则将缓存图片直接渲染至客户端；如果请求数据没有被缓存，则发送请求至GeoServer服务器，由服务器处理请求数据，并返回给Geowebcache服务器，由Geowebcache服务器进行渲染及缓存数据后绘制给客户端(见图2)。数据存储服务器通过主流关系型数据库PostgreSQL与空间数据引擎PostGIS进行构建。

图2 地图发布服务器地图缓存机制

2.2 系统功能模块设计及实现

江苏省地震局有感地震信息管理系统平台的建设主要包括地震影响评估、地震事件管理与基础数据管理3个功能子模块，其主要功能如图3所示，系统运行主界面如图4所示。地震影响评估为开放式功能，地震事件管理与基础数据管则须管理员权限。

图3 系统功能模块设计示意图

图4 系统运行主界面

2.2.1 地震影响评估子系统

地震影响评估子系统主要功能包括地图漫游、图层控制、地震影响场分析以及影响场内相关专题数据的检索、地图多样式标绘与编辑等，各功能详细描述见表2。各功能图标采用浮标形式显示在地图界面之上，可以按照需求进行显示或者隐藏(见图5(a))。系统利用江苏本地化烈度衰减模型[15]，实现有感地震影响场计算(见图5(b))，并依据模型产生的烈度圈实现每一个烈度圈内地震应急基础数据(如面积、乡镇数量及名称，人口数量、经济、学校、医疗机构、危险源和应急避难场所等)的分析和检索，并列表显示，以及导出为独立的文档信息(见图5(c))。同时，系统实现了影响场修正(大小和长半轴方向)并再次进行数据的分析和检索。同时平台可以实现检索数据的下载和打印等，方便数据的异地共享使用，提高地震应急工作效率。

表2 地震影响评估子系统功能统计

图5 地震影响评估子系统部分功能应用 (a) 地震影响评估子系统主界面；(b) 地震影响场评估及图层信息展示；(c) 地震影响场内主要信息检索及报告形成；(d) 地图漫游及地图多样式标绘与编辑

2.2.2 地震事件管理子系统

地震事件管理子系统针对我省及邻区1970年以来典型震例震害信息进行收集，重点对地震发生的时间、震级、经纬度、烈度圈、人员伤亡情况、建筑物破坏情况及相关应急处置事件新闻报道等进行汇编及资料数据化，建立江苏省震例震害“电子档案”数据库(见图6(a))。当地震发生后，第1时间调出震区历史地震背景信息及震害特征、地震应急处置信息，为地震应急工作开展提供更多资料参考。

该系统基本功能包括历史地震信息检索和查看、地震事件创建及基本信息的录入与编辑、有感地震事件与地图底图交互显示、地震影响场与专题图层的关联查看以及地震事件多媒体资料(如图片、文档等)的上传、查看和下载(见图6)。

图6 地震事件管理子系统主要功能 (a) 地震事件目录；(b) 地震事件高级检索；(c) 地震事件编辑；(d) 地震事件与地图图层交互显示

2.2.3 基础数据管理子系统

基础数据管理子系统能够满足平台内地震应急基础数据的浏览、导入(Excel文件)、单条编辑与批量编辑(见图7)。目前该子系统包括的基础数据主要有人口、经济、学校、医疗机构、危险源、应急避难场所和江苏及周边主要断裂。

(a) 基础数据目录

(b) 基础数据编辑

目前，该系统实现了省、市、县地震部门可跨区域进行地震应急基础数据库日常数据更新和维护。但是，为增强本系统平台在市县地震部门的实用性，在该子系统登入时进行了市、县权限设置(见表3)，使得各市、县在登录系统后只能查看、编辑或更新本辖区内的基础数据，既保障了授权使用单位在本平台系统进行基础数据运维时的安全性，又实现了省局对本省地震应急基础数据的收集和管理工作。

表3 基础数据管理子系统用户登入权限设置表

3 系统应用实例

系统自2016年6月完成建设以来，已多次应用到江苏省及周边区域发生的有感地震应急(演练)中，并对我省部分市县地震部门及邻省地震部门开展了应用推广工作(见图8)。该系统作为在线可视化平台直接投放于江苏省地震应急指挥大厅辅助屏幕上(见图8(a))，非常方便指挥组工作人员及时浏览和查阅相关信息，对地震应急工作起到了较强的辅助决策作用。

系统一次典型的应用便是我省2016-10-20凌晨4:51在我省盐城市射阳县发生的4.4级地震。这次地震震中位于盐城市射阳县新洋农场，按照《江苏省地震局地震应急预案》，江苏省地震局立即启动Ⅲ级应急响应，地震应急指挥大厅工作人员和现场工作队人员随即开展工作，同时也第一时间利用本系统进行了地震影响场评估及震区主要背景信息的检索(见图5(a)～(c))，形成相应报告提交地震应急指挥组。此外，在现场工作队开展工作的过程中，该系统良好的地图漫游、界面标绘和地图打印等功能也发挥了较强的作用，方便了现场调查工作的开展(见图5(d))。

(a) 江苏地震应急指挥大厅系统应用

(b) 其他省、市地震部门系统推广应用

在地震应急工作结束后，针对本次射阳地震进行了详细的资料整理工作(包括震源机制解、震害预评估报告、现场工作队调查报告以及地震应急总结报告等)，并利用本系统中“地震事件管理”子系统对这些资料进行了“电子档案”整理(见图7和图9)，以便相关资料的集中管理和查阅，亦为江苏省历史地震资料汇编提供了丰富的素材。

图9 江苏射阳2016-10-20 4.4级地震应急

4 结 语

本文结合江苏省情，以服务江苏及邻区地震应急为目的，基于开源GIS技术构建了一个界面简洁、直观、便于异地操作和维护的地震应急信息可视化平台--江苏省地震局有感地震信息管理系统。该系统采用当下主流的B/S架构，选用GeoServer+Tomcat+GeoWebCache组合技术，整体具有良好的性能体验。系统包括地震影响场评估、地震事件管理和基础数据管理三个子系统，能为地震应急工作人员在面对有感地震应急工作时提供快速、便捷的信息服务。可以满足江苏及邻区小震、弱震较多情况下的地震应急工作需求。目前该系统在江苏省多次有感地震应急(演练)中开展了应用，其应用效果也表明该系统在省、市、县地震应急及震后资料建档中能够发挥重要的作用，且对于现场工作队开展工作能够提供较大的便利。系统在实际地震应急工作中具有重要的应用意义，对于其他应急系统建设也具有重要的技术参考意义。