丁 廣，張 羽

(吉林省地震局 地震與火山監(jiān)測(cè)中心，長(zhǎng)春 130117)

基于三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)設(shè)計(jì)

丁 廣，張 羽

(吉林省地震局 地震與火山監(jiān)測(cè)中心，長(zhǎng)春 130117)

針對(duì)目前地震系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法詳細(xì)立體展現(xiàn)的缺點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)2D-GIS技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，將3DGIS技術(shù)引入地震相關(guān)數(shù)據(jù)的處理中，設(shè)計(jì)出一款基于3D-GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)。通過(guò)分析3DGIS技術(shù)的數(shù)據(jù)處理原理，給出地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)的總體方案，并詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)基本組成的功能，給出數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)引用規(guī)則及數(shù)據(jù)應(yīng)用指標(biāo)。最后應(yīng)用所設(shè)計(jì)的3D-GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)，對(duì)所采集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出了實(shí)際效果圖。

三維GIS;地震監(jiān)測(cè);ArcGlobe;數(shù)據(jù)庫(kù)

0 引言

地震災(zāi)害具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，在地震作用下地質(zhì)會(huì)發(fā)生山體滑坡與崩塌、軟土塌陷、斷層破裂和地震海嘯等重大自然災(zāi)害，并產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。例如，2008年5月12日14時(shí)28分，四川汶川(30.1°N，103.4°E)發(fā)生震級(jí)為8.0級(jí)地震，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10萬(wàn)多平方公里，直接經(jīng)濟(jì)損失8451億元人民幣。所以關(guān)于地震數(shù)據(jù)處理分析與預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)成為地震研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

當(dāng)前，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)分析技術(shù)在世界各先進(jìn)國(guó)家得到迅速發(fā)展，它是融合地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、遙感技術(shù)和GPS等多種學(xué)科用于管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)，通過(guò)提取和加工地理信息，以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)輔助地理分析決策［1］。目前GIS技術(shù)的應(yīng)用大多數(shù)以二維為主，而我國(guó)地震系統(tǒng)也多使用傳統(tǒng)的2D-GIS平臺(tái)，由于其顯示不直觀也不具體，對(duì)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站周圍的環(huán)境、觀測(cè)儀器、布線情況都不能進(jìn)行描述，所以就要求從三維空間來(lái)解決問(wèn)題，更加準(zhǔn)確和完整地表達(dá)和再現(xiàn)真實(shí)的三維空間信息。建立地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站建筑物、儀器、地面布線與地下三維模型，可在根本上解決這一難題，也是地震監(jiān)測(cè)能力最為直觀的展示。本文針對(duì)目前在地震領(lǐng)域所面臨的問(wèn)題，將結(jié)合3D-GIS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)出基于三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)，通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，將給出此系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果。

1 三維GIS技術(shù)的基本原理

GIS是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，它以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，其基本功能是將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，然后對(duì)顯示結(jié)果瀏覽，操作和分析。3DGIS的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于三維數(shù)據(jù)模型的建立。對(duì)空間實(shí)體及空間關(guān)系的準(zhǔn)確、有效表達(dá)是三維空間建模的主要任務(wù)。

表1給出了3D-GIS技術(shù)的三維空間數(shù)據(jù)模型及三維空間構(gòu)模方法。其中單一三維構(gòu)模，是指采用單一的面元模型和體元模型實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間對(duì)象的幾何描述;集成三維構(gòu)模是指采用兩種或兩種以上的不同模型，分別對(duì)系統(tǒng)中不同的三維空間對(duì)象進(jìn)行幾何描述和三維建模;混合三維構(gòu)模是指采用兩種或兩種以上的面元模型或體元模型，同時(shí)對(duì)同一三維空間對(duì)象進(jìn)行幾何描述和三維建模［2］;面元是指存在某一個(gè)投影面，在這一個(gè)面上所有單元與投影面的距離都是單值，而體元是一個(gè)單元在投影面上的投影可能有隨機(jī)多個(gè)數(shù)值，這就給數(shù)據(jù)表達(dá)和空間分析造成了因數(shù)據(jù)量極大而導(dǎo)致計(jì)算速度緩慢，但是它的優(yōu)點(diǎn)是便于空間操作和分析，表達(dá)是三維的。

表1 三維空間數(shù)據(jù)模型及三維空間構(gòu)模方法

2 基于三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)設(shè)計(jì)

采用三維GIS技術(shù)的建模理論，以所采集的地震相關(guān)信息為研究對(duì)象，包括地形、水位、氣候等參數(shù)，建立地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)，其組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.1 地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)的組成

所設(shè)計(jì)的3D-GIS地震監(jiān)測(cè)分析演示平臺(tái)系統(tǒng)，由三個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成:Oracle空間和地震信息數(shù)據(jù)庫(kù)、ArcSDE服務(wù)器系統(tǒng)和客戶端應(yīng)用系統(tǒng)。

Oracle空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，主要功能是存儲(chǔ)和管理海量的地理空間數(shù)據(jù)和地震業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。采用高性能的商用服務(wù)器部署Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，使得空間和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更加獨(dú)立，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便于維護(hù)性。

ArcSDE應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)，負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)渲染和查詢請(qǐng)求，從數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索、存取和分發(fā)海量數(shù)據(jù)。與后臺(tái)空間數(shù)據(jù)庫(kù)直接連接，根據(jù)當(dāng)前客戶端和服務(wù)器的CPU使用情況和網(wǎng)絡(luò)占用情況，自動(dòng)分配計(jì)算任務(wù)，能大大降低整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器的依賴，有效提高系統(tǒng)整體性能。從而提高了三維技術(shù)對(duì)空間海量數(shù)據(jù)存取速度，為客戶端應(yīng)用系統(tǒng)提供了更加有效的技術(shù)支持。

客戶端應(yīng)用系統(tǒng)采用ArcGlobe三維技術(shù)加以展現(xiàn)，負(fù)責(zé)與地震監(jiān)測(cè)人員交互，響應(yīng)查詢、分析請(qǐng)求，使監(jiān)測(cè)人員可以用一種自然方式以任意的角度，任意的高度，任意的路徑瀏覽三維地形。系統(tǒng)根據(jù)地震監(jiān)測(cè)人員當(dāng)前的視點(diǎn)和高度，確定地震監(jiān)測(cè)人員的視野范圍，實(shí)時(shí)計(jì)算所需要顯示的最合適分辨率的地形數(shù)據(jù)，并向服務(wù)端提交請(qǐng)求。由ArcSDE應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求并將請(qǐng)求結(jié)果返回至客戶端?？蛻舳伺c地震監(jiān)測(cè)定位軟件相掛載，地震監(jiān)測(cè)人員通過(guò)地震監(jiān)測(cè)定位軟件定位之后，可以直接瀏覽三維圖像［3］。

所設(shè)計(jì)子系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用程序編程接口API，對(duì)包括數(shù)據(jù)的分析、繪圖模塊、二維的分析模塊、三維的分析模塊以及專業(yè)多維度空間分析模塊在內(nèi)的控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)。其目的就是使用SQL語(yǔ)言查詢、路徑分析、緩沖區(qū)分析并完成對(duì)分析過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示;對(duì)三維緩沖區(qū)進(jìn)行通視分析、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析、模型制高點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析，并分析過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示;最后完成淹沒分析、剖面分析、雷達(dá)掃描分析、空間軌跡分析并生成動(dòng)態(tài)影像模塊。

2.2 數(shù)據(jù)的選擇

2.2.1 數(shù)據(jù)選擇方法

建設(shè)3D-GIS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)，需要多種空間數(shù)據(jù)，除了基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，還需要地形數(shù)據(jù)和地表數(shù)據(jù)，具體到數(shù)據(jù)類型，應(yīng)該包括:DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)(衛(wèi)星或航飛)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、專業(yè)地圖數(shù)據(jù)。

同時(shí)所設(shè)計(jì)的平臺(tái)需處理的數(shù)據(jù)選擇上必須有嚴(yán)格的要求。例如數(shù)據(jù)在時(shí)間上保證同期，尤其是遙感影像數(shù)據(jù)是實(shí)效性比較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，在選擇時(shí)要考慮其拍攝的年份、季節(jié)等方面。

數(shù)據(jù)分辨率的選擇:如何從眾多的同類數(shù)據(jù)中，選擇最適合的數(shù)據(jù)，既能滿足系統(tǒng)建設(shè)的要求、又不會(huì)造成數(shù)據(jù)的冗余;不同分辨率的影像保密級(jí)別和獲取成本都不一樣。數(shù)據(jù)分辨率并不是越高越好，分辨率的提高帶來(lái)的是經(jīng)濟(jì)成本、數(shù)據(jù)處理成本、時(shí)間周期成本的極大增加［4］。

數(shù)據(jù)之間的匹配性:3D-GIS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)所使用的數(shù)據(jù)，是空間密切關(guān)聯(lián)的，不能出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源之間空間偏離的現(xiàn)象。這就要求在數(shù)據(jù)選擇時(shí)，要將各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一在相同的坐標(biāo)系統(tǒng)下。以免出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間在“打架”問(wèn)題。

數(shù)據(jù)精度的匹配性:不同精度的數(shù)據(jù)表達(dá)不同空間尺度的信息。3D-GIS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)綜合了各類數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在相同的應(yīng)用需求下使用。那么就要求數(shù)據(jù)在精度上能夠匹配，不同空間尺度的應(yīng)用需求都有對(duì)應(yīng)精度范圍的地形、影像、以及地圖數(shù)據(jù)［5］。

2.2.2 數(shù)據(jù)選擇指標(biāo)

3D－GIS地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)可使用1:25萬(wàn)DLG數(shù)據(jù)、1:5萬(wàn)DLG數(shù)據(jù)、主要城市1:1萬(wàn)DLG數(shù)據(jù)、1:50萬(wàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)、10米精度RS數(shù)據(jù)、1:5DEM數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)制作完成。

影像顯示分辨率為10米，平面矢量分辨率主要城市1:1萬(wàn)其它城市1:5萬(wàn)。

每個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站使用2千以上多邊形建模，貼圖精度控制在20MB以內(nèi)。監(jiān)測(cè)儀器使用1千以上多邊形建模，貼圖精度控制在10MB以內(nèi)。地面布線與地下管線使用盡可能少的方法建模，以提高顯示速度。

3 三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用

采集吉林省長(zhǎng)白山區(qū)域的相關(guān)地理數(shù)據(jù)，應(yīng)用所設(shè)計(jì)的三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并給出分析結(jié)果，如圖2所示。

圖2描述的是長(zhǎng)白山整個(gè)地區(qū)的俯視地試圖，詳細(xì)的標(biāo)出不同區(qū)域的名稱，可以看到地址的平緩趨勢(shì)，同時(shí)標(biāo)注出了地震多發(fā)區(qū)域圈，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)表達(dá)特性。為了能更加具體的體現(xiàn)某些地勢(shì)特征，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)可以通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展現(xiàn)出立體剖視效果，如圖3所示。為研究復(fù)雜地形地貌與地震關(guān)系提供了很好的技術(shù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決當(dāng)前地震系統(tǒng)在處理相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)所面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)出基于三維GIS技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析演示平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)2D-GIS技術(shù)，具有數(shù)據(jù)更全面、表述更清晰和結(jié)果更準(zhǔn)確的特性，其應(yīng)用可以為地震監(jiān)測(cè)部門的決策提供多角度和多尺度的數(shù)據(jù)支持。應(yīng)用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)所采集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從結(jié)果看出所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全可以滿足當(dāng)前的實(shí)際需要。

圖2 長(zhǎng)白山地區(qū)地勢(shì)圖

圖3 長(zhǎng)白山山勢(shì)立體圖

［1］ 肖樂(lè)斌，鐘耳順，劉紀(jì)遠(yuǎn)，宋關(guān)福.三維GIS的基本問(wèn)題探討［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào):A輯，2001，6(9):842－848.

［2］ 李青元，林宗堅(jiān)，李成明.真三維GIS技術(shù)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.測(cè)繪科學(xué)，2000，25(2):47－51.

［3］ 黃心淵.3DMAX R4標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京:人民郵電出版社，2001.

［4］ 陳述彭，魯學(xué)軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［5］ 任海軍，文俊浩，徐玲.一種三維數(shù)字城市的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科版)，2006，29(4):101－104.

Three-dimension GIS Technology-based Design for Analysis and Demonstration Platform of Earthquake Monitoring System

DING Guang，ZHANG Yu

(Earthquake and Volcano Monitoring Center，Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China)

In view of the shortcoming that the monitoring data can not be shown detailedly and three-dimensionally in current seismic system，this paper，based on the traditional 2D-GIS technology，introduces 3D-GIS technology into the processing of earthquake datum and designs a 3D-GIS technology-based analysis and demonstration platform of earthquake monitoring system.Through analyzing the principle of data processing，it gives the overall scheme of the platform，describes the functions of basic components in detail and presents the reference rule of database data and the application index.Finally，it analyzes the effect of this platform on processing the collected datum by using this system and provides the practical effect diagram.

3D-GIS;earthquake monitoring;ArcGlobe;data base

TP392

A

1009－3907(2012)06－0660－05

2012-03-28

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH1008Y)

丁廣(1984-)，男，吉林大安人，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云