全国地震形变数据空间应用管理平台的设计与实现

白卓立 武永彩 杨斌 贾鹏 徐晶

摘要：

通过分析传统纸质线划点之记、场地图、地质断裂活动构造图及台站观测环境等地震资料存在查阅繁琐、表达形式单一和信息量匮乏的诸多弊端，给出了“全国地震数据空间应用管理平台”的整体设计思路与功能模块实现过程，同时基于倾斜摄影测量与结构运动恢复技术（SfM），以典型跨断层场地为例，对现有二维平面地震数据构建了厘米级高分辨率三维实景模型，并将其植入该管理平台。使用效果表明：地震资料实景三维表达不但还原了外业实地监测场景和断裂产状等信息，还可提取观测曲线、活动构造定量参数，给相关科研工作者带来了全新的使用体验，更为我们传统会商提供了一种新型的会商模式。

关键词：

地震形变数据; 实景三维模型; 管理平台; 数据库; 表达形式; 三维可视化

中图分类号： P315.952      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0457-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220119001

Design and implementation of the national seismic deformation

data spatial application management platform

BAI Zhuoli1， WU Yongcai2， YANG Bin3， JIA Peng1， XU Jing1

（1. The Second Monitoring and Application Center， CEA， Xi'an 710054， Shaanxi， China;

2. School of Urban Construction， Xi'an Siyuan University， Xi'an 710038， Shaanxi， China;

3. Xi'an Yuncjinv Information Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710077， Shaanxi， China）

Abstract：

By analyzing the disadvantages of traditional seismic data （site maps， the tectonic maps of geological fault activity， and the observation environment data of stations）， i.e.， cumbersome access， a single expression form， and a lack of information， this paper presents the overall design idea and function module implementation process of the “national seismic data spatial application management platform.” Meanwhile， taking a typical crossfault site as an example， a centimeter-level high-resolution 3D scene model was constructed for the existing two-dimensional plane seismic data based on tilt photogrammetry and structure from motion technology， and it was then implanted into the management platform. The results show that the 3D expression of seismic data can not only restore the field monitoring scene and fault occurrence but also extract the observation curve and quantitative parameters of active structures， thus bringing a new application experience to relevant scientific researchers and providing a new consultation mode for our traditional consultation.

Keywords：

seismic deformation data; real 3D model; management platform; database; expression form; 3D visualization

0 引言

近年來，随着观测技术的进步和活动断层研究水平的提高，跨断层场地不仅能在地震预报中发挥作用，跨断层监测还能与长水准、GPS 等其他形变手段相结合，综合分析近场—远场断裂活动、应力加载及应变分配状态，揭示断层闭锁及位移亏损等科学问题。但实际应用中遇到了一些问题，如：有些场地观测数据仅表现为波动形态，无明显揭示断层趋势性运动的特征;有些场地其观测数据显示的断层两盘运动趋势与地质学家研究结果不符等。从监视区域构造活动的角度来看，目前的跨断层场地布设是否合理和理想，年代变迁与环境变化是否对场地产生了其他影响，都应列在考虑范畴之内。在日常会商中传统场地图较为简略，对不熟悉监测场地环境的分析人员会造成一定干扰，影响整体判断;异常核实的过程中由于人力有限，不能整体把控和掌握周边环境的干扰。与此同时，现有地震资料的存储、查阅、使用、分析及表达形式已难以满足当前地震监测数据数字化应用、管理的需求，传统二维地震资料诸多弊端显现了出来。

蒋海昆［1］组织研制了“基于GIS的华东南及首都圈震后会商的软件系统”，按照地震构造环境和历史地震活动特征，在全国范围划分区域快速研判震情，能够在震后5～10 min内迅速形成初步的震后会商意见。此外，还有一些优秀的软件专注于会商技术的发展，如虚拟地震会商系统［2］、三维可视化会商平台［3］、交互式会商广播系统［4］等。这些软件解决了资料分析和会商过程中的部分问题，但仍然存在以下问题：软件各自封闭，重复建设；不同应用系统各自独成一体，代码非开源;数据资源独享，效率低下;软件模式单一，目前大多系统是C/S（Client/Server）模式的桌面版，智能化弱，用户操作体验差。

近年来，地震系统强化防震减灾业务支撑，推进体制改革，业务转至地震监测信息获取、存储备份、质量监控和共享服务上来，其主要业务之一是承担全国地震数据共享服务任务，建设地震监测数据共享服务业务平台［5-8］，开展空间倾斜摄影、机载LiDAR的数据采集、分析、产品加工及其业务化应用任务［9-13］。顾及现有跨断层场地、地震台站、GNSS监测站等观测环境直观性差的会商模式［14-18］，本文基于JavaWeb开发框架、IntelliJ IDEA、Postgresql（数据库）、SupserMap IServer 10i、CesiumJS前端三维GIS库等开发环境，设计开发了“全国地震数据空间应用管理平台”，即对现有传统线划点之记、场地图、地质断裂活动构造图等纸质资料及观测环境进行数字化工作［19-22］，是一个集浏览、查询、量测、分析和会商等功能为一体的系统。为相关科研工作者带来了全新的应用体验，更为现有的会商提供了一种新型会商模式。

1 整体思路设计

选择长期跨断层水准监测的重点区域—六盘山构造区为本文研究区域。区内多个场地有着同步的形变异常信号（震情跟踪），其中和尚铺场地26←118段表现与构造活动背景不一致的趋势，且场地保留较为完整，对跨断层形变研究探索有重要意义。利用无人机和高精度摄像头对研究区进行完整数据三维点云获取，高频率和高精度的摄像头多角度对形变监测场地拍摄，保证图像具有一定重叠率和航向覆盖，还原真实的形变监测场地和断裂地貌环境。该系统以“天地图”作为底图，借助倾斜摄影测量与结构运动恢复技术（Structure from Motion，SfM），通过获取建模物的点云数据，经过深度图像增强、点云计算与配准、数据融合和表面生成等步骤，建立了超高分辨率的3D模型，通过对3D模型进行编辑与二次开发，添加形变场地的基本要素和断层信息等，使其可应用于地震会商三维实景展示，生成的TDOM（真数字正摄影像）和 DEM 可用于对跨断层场地的断裂两侧微地貌差异、活动构造定量参数的提取等工作。

为了更好地实现系统软件的各项功能及可跨平台、大规模分布式部署，采用Spring Boot（JavaWeb开发框架）、Vue（前端开发框架）、IntelliJ IDEA（JAVA集成开发环境）、Postgresql（数据库）、Nginx（Web服务器）、Navicat for Postgresql（数据库管理工具）、SuperMapIServer 10i（GIS应用服务器）、CesiumJS（前端三维GIS库）等工具包搭建了软件开发及运行环境。系统平台设计思路如图1所示。

2 软件实现技术

利用测绘新技术，依托广泛存在的信息交换与应用，建立空、天、地一体化的地理信息采集与管理体系，融入大数据技术，借鉴网格化管理理念，实现对时空数据的精细化治理，采用云端一体化GIS技术，实现地理信息集约化和多样化应用。系统软件部署时，使用ETL工具将各省、自治区、直辖市地震数据同步进底层数据库支撑服务运行，利用Geo-ESB技术，实现部门数据共享与业务协同，采取云功能分区的理念，按需提供服务。其中关键实现技术体现在以下四个方面：

第一，高精度实时定位技术：北斗卫星导航系统［BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System］。连续运行参考站系统（CORS）可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的观测值（载波相位，伪距）、改正数、状态信息以及其他相关信息。

第二，非关系型数据库NoSQL，由于其本身的特点得到了快速发展，可以管理PB级的海量数据。关系型数据库PostSQL提供了丰富的接口，可以在GiST框架下实现自己的索引类型，支持使用C语言写自定义函数、触发器，也支持使用流行的编程语言写自定义函数。它兼具NoSQL特性并具有较好的稳定性和性能。时空信息云平台建设时，我们将根据数据应用的特点，对平台涉及的时空信息数据进行分类，将结构化数据存储于关系数据库PostSQL，非结构化数据用NoSQL数据库進行管理，如地图瓦片数据、地理编码数据以及图片、视频、声音、文档等资料，以提高系统的大数据管理能力，实现从GB、TB级上升到PB级。时空信息数据的存储、管理和分析还需借助支持时空大数据的GIS专业软件，传统的GIS软件以数据获取、存储和管理功能为主，并添加了各种时间维度和空间维度的专题图展示功能，具有空间统计、地理分区、路径分析和选址优化等空间分析方法，在城市建设、交通运输、地质调差和气象预测决策支持等方面发挥了非常重要的作用。

第三，多分辨率空间索引结构与调度策略：基于地理坐标系的四叉树划分的空间索引结构，依据视点位置决定哪些瓦片需要从云端下载数据，缓存到本地，哪些数据需要从本地缓存载入内存，哪些数据需要从内存缓存到显存，构成了从本地缓存、内存、显存的三级缓存结构。

第四，高性能渲染技术：三维空间数据相比二维空间数据信息量更大，数据量也相应的更大，而计算机系统的硬件资源是有限的，往往不能同时渲染所有空间数据的细节。为了在保证空间数据显示效果的同时兼顾渲染性能，采用了若干提高渲染性能的技术，如场景管理技术，通过渲染队列管理渲染对象绘制顺序，在保证不同图层、半透明对象正确的绘制顺序的基础上，同时保证将同一渲染状态的对象一起绘制，避免因渲染状态切换带来的性能损失。

3 功能模块实现

“全国地震数据空间应用管理平台”是基于现有大地形变监测资料，且对资料实现的实景三维展示、管理系统。该系统以“天地图”影像为底图，采用笛卡尔坐标系统，叠加全国断层、1970年以来的地震目录、流动GPS点、各周期GPS水平运动速度场和全国一等水准线路及水准点等资料，融合了跨断层场地、GPS连续站、地震台站和断层剖面等实景三维立体模型数据，形成了点、线、面、体等多尺度要素的立体表达形式。

3.1 地震目录搜索模块

将1970年至今全球地震目录作为基础数据，以三维点样式、笛卡尔坐标展布在三维椭球之上，不同震级的震中点则具有不同的点半径，震级越大，三维点越大，同时用不同颜色进行了区分。如图3所示，在数据分析与检索功能中，提供了按震级、地点、时间搜索地震目录的功能。

3.2 GPS水平运动速度场模块

GPS水平运动速度场资料主要涵盖了我国境内中国大陆构造环境网络、中国地球物理场项目的各周期解算数据，能够无极缩放，同一点位不同周期数据的叠加显示可实现监测点位速度场的对比分析与研究，同时可选取两个跨断裂的GPS站点，按不同周期提取基线长度曲线图。

3.3 跨断层场地实景三维模型模块

区域跨断层水准监测是地震行业常规监测任务之一，中国地震局第二监测中心目前在测共计63个监测点，控制南北地震带北段的主要活动断裂，分布于西—海—固、兰—天—武及河西祁连山一带，如图5（a）右下角缩略图（绿色标记点为跨断层水准监测场地）。针对区域跨断层水准监测，在“全国地震数据空间应用管理平台”中我们融合、嵌入了其三维实景模型的表达新样式。图5（a）为位于张掖市郊的莺乐峡水准监测场地俯视图，该类三维实景模型借助无人机倾斜摄影测量与ContextCapture平台构建完成。需要说明的是，该系统中所有实景三维模型均是通过倾斜摄影测量完成，是近年来在测绘行业发展来的一种新型观测手段，它搭载多台传感器，同时具有传统航测垂直摄影相机与前、后、左、右四个方向的地物侧面纹理信息，多角度提取、匹配地物特征，从具有一定重叠度的无需影像中恢复摄影瞬间相机的相对位置与姿态，经三维重建，可获取具有高精度地理坐标与高程的三维实景模型，因此，它与实地以1∶1的比例构建，在模型上可实现任意角度的缩放与量算（精准度可达厘米级）。而在“全国地震数据空间应用管理平台”中，将模型WGS1984大地坐标转换为笛卡尔坐标，通过设置相机位置与模型定位，立体模型准确套合三维椭球相应位置，从俯视图清晰看出模型道路、河流、陡坎与天地图影像实现了精准定位、无缝衔接。从图5（b）侧视图看，将模型大地高度抬升300 m后，發现底图仅是影像纹理贴图，在河流与场地边界的断崖处无高程差异，其DEM结构并不准确，而通过实地航测后的立体模型，则是完全反映了场地的真实地貌，如图5（c），断层纹理清晰，同时在模型上可实现距离、面积、体积及断层夹角等精准量测功能，如图5（d）。

3.4 大屏功能模块

大屏的主要功能是为科研人员日常工作及多级会商提供地震活动性的分析与研判界面，如图6所示，它主要涵盖了地震M-T图、地震目录、地震频度图、地震等级统计及全球最新强震目录等内容。

3.5 地震资料的其他应用场景

此外，“全国地震数据空间应用管理平台”还存在其他地震资料的应用场景，如图7所示，可添加三维水准点点之记库［图7（a）、图7（b）］和GPS三维点之记库［如图7（c）、图7（d）］，三维点之记库为水准、GPS测量人员找点、上点提供了方便;同时，还有红外测距三维场地库［图7（e）］、台站观测环境库［图7（f）］、地质断层三维场景库［图7（g）、图7（h）］。从传统二维纸质地震资料转换为三维实景模型数据，是现代地震数字化的一种尝试，更是地震资料的一种新型表现方式。

4 案例分析

六盘山东麓断裂是六盘山地区的主干活动断裂，断裂最北端自硝口一带开始，与海原断裂带相接，南端与陇县—宝鸡断裂带相连。整个六盘山东麓断裂带全长约90 km，划分为孙家庄—开城，开城—香水店，香水店—马家新庄三段。和尚铺场地位于开城—香水店段，为西部高山与东侧低丘之间的分界线，该场地是六盘山构造区的重点关注区域。场地位于宁夏回族自治区固原市什字镇和尚铺村，距离市区较远，交通较为便利。受风力影响较小。BM1、BM2点埋设于村中，不利于点位的保护（位于居住区的点位，其指示盖、保护盖经常丢失，要做好掩埋工作）。点位周围植被较多。各点位周围无干扰源。初期建设时有6个点位，后来随着环境变化剩余3个点，2017年场地改造补增BM1和BM2两个点。和尚铺附近保存非常清晰的断层地貌如图8，是表现年度震情跟踪的重要场地之一，无论对六盘山东麓断裂的构造活动，还是对该区的跨断层形变研究与地震预报都是非常值得研究的区域。

随着近些年科技不断发展，卫星地图也已被应用到形变监测领域，虽然卫星地图对研究者来说大幅度提高了可视范围，但其较低的分辨率和长周期更新式的卫星照片只能简单展示基本方位，对于三维方向和高分辨率的精细模型研判、断裂两侧的微地貌变化等研究帮助不大。而随着小型UAV的不断发展，利用小型飞机高分辨率或激光技术直接扫描建筑物的高度和宽度，最终形成三维地图数据文件进而建立三维实景建模。通过获取建模物的点云数据，经过深度图像增强、点云计算与配准、数据融合、表面生成等步骤，建立了超高分辨率的3D模型。并将其三维模型嵌入至数据管理系统，其直观性、信息量和精确性远非传统二维电子地图可比。

本系统对嵌入该管理平台内的每个跨断层场地，都有自己的属性信息表，如场地标识码、场地名称、所跨断层、断层产状、水准点名称和水准点标石性质等字段。在三维模型界面拾取其中一条观测边后，可提取其历史观测曲线。上述诸多功能的实现，配合实景三维样式的表达，从根本上实现了地震资料的数字化，其最大的意义是，为从未到达过现场的科研专家提供了场地认识、断层分析的真实场景，从根本上改变了诸类场地的科研和会商应用模式。如图9所示传统平面线划场地图信息单一、结构简单，而三维场地图则实景再现、信息量丰富，是一种全新的交互式体验。

5 讨论和结论

本研究基于JavaWeb开发框架、IntelliJ IDEA、Postgresql（数据库）、Nginx（Web服务器）、SupserMap IServer 10i、CesiumJS前端三维GIS库等开发环境设计，平台以点、线、面、体等多尺度要素的新型表达形式，特别是基于倾斜摄影测量与结构运动恢复技术（SfM）构建的场地、台站厘米级高分辨率实景三维模型，实现了如下功能：（1）解决了传统点之记、跨断层场地图、GNSS监测站、长水准线路、地震台站和重力监测点等二维地震资料查阅繁琐、表达形式单一、信息量匮乏、保存性不强、无法量测分析、直观性弱和可读性不强等问题;（2）可在室内还原外业实地监测场景和断裂产状等信息，提取观测曲线、活动构造定量参数;（3）大范围实景三维模型的构建，可实现日后GNSS、水准、重力观测点位的勘察、选址等主要工作在室内完成;（4）是一个集浏览、查询、量测、分析、会商等功能为一体的全新系统。它为相关科研工作者带来了全新的应用体验，更为我们现有的会商提供了一种新型会商模式。因此研发全国地震数据空间应用管理平台对于地震监测预报具有重要意义。

JavaWeb开发，相比其他框架相对简单高效，对于开发者更加友好;PostgreSQL极具巧思的图形化用户介面可以快速且容易地利用简单的方法建立、组织、存取及共享数据;SupserMap IServer基于WebP技术的服务高效发布，极大地提升了用户体验;高性能三维应用技术、多分辨率空间索引结构与调度策略、高性能渲染技术的交叉融合给予全新的界面体验。但是该系统缺少外围监控集成方案，缺少外围安全管理方案;在界面布局合理性、美观性、功能性、资料上传便捷性上还有待优化升级。

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