地震应急信息速报视图自动发布系统的设计与实现

郑通彦 文鑫涛 李华玥 林向洋

中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

地震发生后，地震应急工作基于基础数据库和现场信息，迅速判断地震规模、影响范围等，并提出科学救灾方案和调度方案，协助指挥人员实施各种救灾行为，实现地震应急信息快速传递、高效处理，提高应急救灾指挥与决策技术水平，最大限度减少震时混乱和人员伤亡。其中，地震信息是抗震救灾指挥决策的重要依据，准确完备、表达清晰的信息是做出具有针对性救灾决策和救援行动的前提条件。人眼是一个高带宽的巨量视觉信号输入并行处理器，对可视符号的感知速度比对数字或文本快多个数量级，对地震信息进行可视化处理是未来地震应急产品的重要组成部分和发展方向(聂高众等，2002、2012；帅向华等，2009；宋建功等，2017；姚迪，2017)。

为了更好地服务于震后指挥决策、公众以及自媒体时代的信息可视化需求，本文在当前地震应急信息服务主要产出的基础上，丰富和提升视觉表现效果，开展了“速报视图自动发布系统”的研究和开发工作，为震后应急指挥提供快速准确的地震应急信息服务(和海霞等，2018；陈谊等，2020)。

“速报视图自动发布系统”通过输入震后速报的三要素，自动提取基础数据库信息，产出包括地震信息、地质环境信息、气候条件、经济情况、人口情况、三维地形图等内容，在震后最短的时间内产出较为全面的信息可视化图形产品。

1 系统架构

随着大数据可视化、机器学习等技术的不断发展，震后对应急处置工作效率和精准性的要求不断提升，这对地震应急的现代化程度提出了新的目标：如何更好地将新技术、新成果，以及交叉学科的研究进展应用于地震应急服务工作，也是当前地震应急信息化建设工作中亟须解决的问题。通过对震后24h内可收集的相关地震信息进行清洗和分类，分析地震信息的主要形式和属性，总结地震信息展示规律，研究可行的大数据地震信息的可视化规范，将重要信息从繁杂句式中抽取出来，进行精简和归类，使读者可快速抓取，按照震后时序性和信息陆续报送的重要程度，将其分为震区基本情况、应急处置信息和政府行动、实时震情灾情3部分内容来呈现。

图1 “速报视图”系统总体设计框架

为满足震后应急处置现代化、信息化对应急指挥决策科学支撑能力的要求，“地震应急信息速报视图自动发布系统”基于地震应急基础数据和大数据分析方法自动抽取、分析互联网信息，形成实时灾情数据，并结合行业内产出的应急产品和正式途径上报的灾情信息，融合生成具有内在属性关联和统一表达数据，建立可视化设计原则，最终采用可视化建模方法构建一套完整的灾情信息动态可视化模型以及可视化方案智能识别系统。

该系统采用B/S架构，由数据库、后台管理系统以及前端综合展示3部分组成，系统框架如图1 所示。该系统主要实现震区的二维和三维地图展示，震区环境、人口、经济等基础信息可视化产出，实时天气情况、历史地震信息的图形展示等功能。此外，系统预留接口以便未来新增功能模块的添加。

2 系统构成

2.1 系统数据库建设

(1)数据种类

系统数据库由基础信息数据库、历史地震数据库和地震发布信息数据库3部分构成。基础信息数据库主要用于存放以县为单位的基础信息，包含县域范围内的基本信息(如地理环境、人口、经济等数据)，共划分48个字段，详细描述震中所在县级单位的地形条件、气候环境、人口分布和经济发展情况，数据来源为国家统计局和公共互联网(百度百科)，使用自动采集、人工判别校准的方式获取并更新；历史地震数据库主要包括地震应急基础数据库(如震中经纬度、震源深度、发震时间、死亡人数等)，划分16个字段；地震发布数据库主要为平台发布数据存储库(如地震序列码、震源深度、经济信息等)，共包括41个字段，作为每次触发后的记录信息，方便叠加展示(表1)。以上三大模块为“速报视图”的信息发布提供基础地理信息和社会经济信息，结合地震速报平台发布的真实地震和模拟触发的地震信息，共同形成系统数据库。

表1 “速报视图”系统数据库

(2)数据库实现

平台数据库采用MySql数据库。MySql数据库是轻量型的关系型数据库，关联数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，以提高速度和灵活性。并且MySql与系统开发主要依赖的语言PHP适配性较高，可显著提升数据处理效率。

2.2 后台管理系统

“速报视图”后台管理系统主要完成地震事件的触发与发布、系统各子模块和数据库的调用与管理，以及与前端推送系统的对接。本系统的开发设计采用ThinkPHP开源框架作为后台服务端的核心程序，进行系统的逻辑处理与流程控制，并结合HTML5制作微信端页面与用户进行交互。通过服务端向微信端进行多图文推送，用户点击后直接进入速报系统自动发布平台的主页面，同时可用HTML5页面查看当前地震的可视化成果。

为满足系统“多任务”、“多数据源”、“多发布渠道”的总体要求，系统集成采用EBS企业服务总线，提供事件驱动和文档导向的处理模式，以及分布式的运行管理机制提供一系列的标准接口；同时，由于“速报视图”平台主要采用了2套界面与用户进行交互(主机页面端和移动端)，因此采用VUE路由，允许用户通过不同的 URL 访问不同的内容，主要实现以下内容：

(1)地图管理

此模块主要根据用户需要，选择相应地区的矢量图层的二维地图和直观表现的三维图层，图层是以预先配置好的地图模板，当用户输入具体的经纬度参数时，系统会自动调用相应的地图模板，供用户选择三维和二维图层。

(2)模板选择

此模块是后台对前台界面的样式调换。使地震信息环境、信息气候条件、经济情况、三维地形图、人口信息的显示更加人性化，更加美观。

(3)用户输入参数调整

此模块以接收地震三要素为触发器和输入参数，以预先配置好的地图为模板，依托应急基础数据库和本项目采集的背景信息数据库为支撑，依托ArcEngine、Phthon等工具方法，在ArcMap平台上实现二维基础图件的自动产出，在ArcScene平台上实现三维地形图的自动产出，通过前台显示出来(图2)。

图2 后台管理界面

(4)数据库管理

该模块主要依赖自创建库进行相应的操作，包括数据添加、数据删除、数据编辑、数据查询。在库里添加地图的具体数据，如经纬度和图层信息，可实现各个地区的人口、经济建设、环境信息等基础信息的操作应用。地震发生后，依据地震震中经纬度、震级等参数，实现基础图件等参数的操作应用。

(5)信息自动获取

该模块根据云数据库传输的地震消息和基本参数，传到本地数据库。系统会自动获取本地数据库，提取基础数据库信息，经过后台程序处理，自动产出地震信息、地质环境信息、气候条件、经济情况、人口情况、三维地形图(包括地形图上的交互信息)等。

(6)用户信息修改

该模块实现对用户的管理，包括用户的增减信息修改。

2.3 移动端展示系统

(1)自适应实现

为应对不同设备的分辨率差异，“速报视图”移动端展示系统采用Bootstrap中的 boilerplate 来实现在不同分辨率下的自适应显示，且在页面制作过程中采用自适应百分比为100%显示进行操作，生成的页面可以适应任何设备。依靠该组件完成自适应开发过程，可以充分满足速报视图移动端不同屏幕尺寸和分辨率的微信发布的需求。

(2)地图组件

地图组件的开发主要包含两方面内容：二维地图开发和三维地图开发。因此，在开发过程中主要采用ArcGIS中的ArcMap与ArcSence来进行二、三维地图的制作。通过ArcMap可以对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集，还可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图元素，如图例、比例尺、指北针等。运用ArcMap可以实现平台整个二维地图的设计与操作应用(王艳妮等，2008；赵影等，2019)。

平台三维地图模块主要采用ArcSence的相关组件进行开发，结合动态三维模型裁剪技术，以Google Earth的数字高程数据为基础，动态裁剪出地震影响范围内的DEM数据和遥感影像。通过三维图形的实时绘制技术、地形数据简化的层次细节模型(LOD)技术以及多分辨率模型的生成技术，实时绘制出高度真实的地震影响区域三维地图，并叠加其他地震相关信息导出图片，以用于前台展示。

3 关键技术措施与效用讨论

3.1 三维处理技术

“速报视图”平台三维处理技术的开发基于ArcGIS平台的ARCScene软件。在服务器端，可以通过CityEngine、Drone2Map、ArcGIS Pro等创建三维模型，并将创建的三维模型作为场景图层共享至门户中。在客户端，用户可以通过Web端应用和移动端访问场景图层。“速报视图”的场景图层在存储和显示上采用了Esri新推出的I3S标准，该标准支持Lod、地理索引、采用流模式加载，极大地提高了三维数据在桌面、Web、移动设备上的显示效率。目前I3S标准描述的场景图层有4种类型，分别是3D模型(3D Object Layer)、点(Point Layer)、集成网格(Integrated Mesh Layer)和点云(PointCloud Layer)。

(1)3D Object Layer

3D Object Layer是各种3D模型的集合。Esri原生的3D格式是多面体(Multipatch)。多面体是一种3D几何，属于要素类，可用来表示从简单对象(如球体和立方体)到复杂对象(如等值面和建筑物)的任何事物。

图3 震中三维效果图

Esri支持将多面体图层作为场景图层共享至门户中(图3)。如果数据的几何类型不是多面体，那么首先需要使用地理处理工具将现有3D模型导入ArcGIS中转换为多面体要素。地震发生后，快速获取发震地点，基于全国DEM已建立的全国三维模型，快速获取地震影响范围，转换为震区三维地形图，之后就可以在ArcGIS Pro中将多面体图层共享为场景图层，或者先利用多面体图层创建场景图层包，然后将场景图层包共享为场景图层。

(2)数据互操作扩展模块

数据互操作扩展模块支持通用模型obj、X格式模型的导入。数据互操作扩展模块是通过使用Safe Software的FME技术在地理处理框架中运行的集成空间ETL(提取、转换和加载)工具集，可在不同数据模型和不同文件格式之间变换数据。该模块需要单独安装(针对ArcMap和ArcGIS Pro分别有对应的安装介质)和Data Interoperability许可。

安装和授权数据互操作扩展模块后可以进行3D模型的导入。在ArcGIS Pro中，要通过创建Spatial ETL tool将3D模型导入到多面体要素类中。在ArcGIS Map中，可以使用系统工具箱数据互操作工具箱里的快速导入工具，也可以通过创建Spatial ETL tool来进行转换。

(3)共享Web场景图层

获得多面体要素类之后，可以通过ArcGIS Pro直接将多面体图层共享为Web场景图层，或者先利用多面体图层创建场景图层包，然后将场景图层包作为场景图层发布至门户中。

(4)三维地形的信息标注

三维地图模块可快速展示震后获取到的各类灾害信息，包括人员伤亡、道路、交通、次生灾害等灾情信息，实现震中与灾害点的距离测量功能，通过DEM量算识别海拔功能，并进一步实现三维场景的动态标注和编辑、多层数据的显示与交互功能。其中，根据获取数据的清洗结果可以获取到有经纬度的数据和无经纬度的数据，有经纬度的数据可直接进行可视化展示映射到三维地图中；无经纬度的数据需要先获取地址信息，再通过国内地图接口对地址信息进行地址解析，得到经纬度后再进行可视化展示。

3.2 图表可视化

系统的图表显示功能采用ECharts 3.0版本进行开发设计，产出直观、生动、可交互、可高度个性化定制的数据可视化图表，以满足系统的可视化需求。

(1)基础信息

速报系统人口信息模块展示出当地的人口信息情况，主要包括人口出生率、人口死亡率、人口自增率等三大方面，其次还展示出该地的总人口信息、与人口民族相关的详细信息等，通过饼状图或环状图表现出来。

当地的经济情况通过柱状图展示，包括各类产业的完成产业值和年度总计情况，附加文字信息详细展示当地的年收入情况。

环境信息主要以曲线图的形式展示，横坐标为地理区域，纵坐标为海拔，表现出震区一定范围内的剖面地形情况。

(2)地震信息

速报系统地震信息模块主要展示信息分为:时间(精确到分钟)、地点(精确到县级)、烈度、震级、深度、位置(经纬度)等6个方面。该功能清晰展示出地震的基本信息要素，使用户快速直观地了解此次地震(图4)。同时，我们还将提供余震信息接口，可以在地震发生一段时间后显示余震信息。

图4 图表展示功能

(3)地震特点

地震特点包含的信息包含震型等信息，这部分信息主要以文字的形式展示。

(4)应急响应

应急响应模块将按照震级的大小不同显示出需要启用的不同地震响应方案。

(5)二维地图

二维地图模块将根据情况展示地震影响区域内的行政区划图、交通图、地质图以及水系分布图，并将这些底图与地震信息以及其他基础信息相结合进行显示。

(6)天气信息

界面采用折线图的形式展示，体现震后5天内震区天气走势，并配以更加详细的文字信息介绍当天的天气情况。

(7)灾情信息

灾情信息将在地震发生一段时间后向用户展示，包含的信息有人员伤亡、建筑损坏、经济损失以及生命线等地震相关信息。

(8)政府行动

政府行动主要以文字的形式进行展示，展示的主要内容为地震发生后政府采取的救助行动，将预留图片接口，用于发布现场照片。

(9)三维地图

速报系统三维地形图将根据地震的影响范围自动裁剪出三维地形图，以此来展示地震区域的情况，主要包括地震占地面积、全市人口、生产总值三大方面，图层显示出地震烈度图和该地与省会城市之间的距离，地图下方介绍历史地震的情况，清晰明确，让用户快速了解地震的真实情况(图5)。

图5 移动端展示效果图

3.3 云端大数据存储及智能归档

“速报视图”平台使用云端大数据存储并进行智能归档，通过结构化索引提高查询搜索速度，快速将基础数据和基础图件进行精确提取，依照相关算法除去冗余数据(顾荣，2016)，将目标数据汇总并从云端输出。通过云端服务器强大的计算能力，从已有应急基础数据库和本项目采集的云数据库中按照要求提取、过滤、汇总信息，同时应用H5最新响应式技术将数据以图形化、图表化的方式表示(图6)。本系统云端数据库均部署于中国地震台网中心。

图6 数据提取与云端归档技术路线

4 结语

速报视图自动发布系统可在震后第一时间，为指挥决策者和应急处置人员提供直观的震区地形地貌信息和震区经济、人口对比信息，同时，通过其三维地图模块可快速展示震区地理地形情况，为人工判断可能发生的次生灾害提供参考，并可完成距离、海拔量算和基础数据交互信息，为决策的科学性和前瞻性提供可靠的技术支撑。同时，系统的微信端发布与推送功能，可有效补充地震应急期间前方现场指挥决策者的信息需求和社会公众对地震应急和震后处置相关服务的了解。

在上级指挥决策部门对地震应急水平的要求不断提升的背景下，结合当前信息产业的发展动态和未来趋势，“速报视图”平台也预留了相应接口，为下一步功能升级提供了可靠的技术保障。