屈 佳 張四新

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054）

基于GIS跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)構建＊

屈 佳 張四新

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054）

針對青藏塊體東北緣跨斷層測量場地基礎信息嚴重缺乏的客觀情況，應用Visual Studio 2008和ArcGIS Engine 9．3組件開發(fā)技術，構建了跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了場地基礎信息采集、管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和信息可視化等功能。跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)的構建和運行，可以為地震預報和相關科研提供科學而可靠的數(shù)據(jù)支持。

青藏塊體東北緣；跨斷層；GIS；形變異常

引言

傳統(tǒng)跨斷層場地信息的管理主要采用文件系統(tǒng)管理，效率低下，共享性差。隨著3S（RS，GIS，GPS）技術、計算機技術的發(fā)展，以及跨斷層地震預報對所需數(shù)據(jù)的海量性、科學性的需求日益增強，在此背景下建立基于GIS的跨斷層場地信息系統(tǒng)來輔助日常地震分析預報是可行和必要的。目前，隨著中國地震局監(jiān)測預報司“青藏塊體東北緣跨斷層流動形變場地優(yōu)化改造”項目的即將實施，建立這樣一個系統(tǒng)來達到對基礎資料管理的標準化和規(guī)范化也是大勢所趨［1］。青藏塊體東北緣跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)是運用GIS技術，通過對跨斷層場地各種信息的采集、分析和處理，提供具有空間地理特征的各種信息服務。構建的系統(tǒng)使得跨斷層場地信息的管理方式和信息服務方式等發(fā)生了根本性的改變。跨斷層信息系統(tǒng)的構建和運行，對跨斷層數(shù)據(jù)進行了有效而規(guī)范的管理，提高了數(shù)據(jù)的可視性和處理效率，從而可為地震預報提供科學而可靠的數(shù)據(jù)支持。本文對該系統(tǒng)的主要設計思路進行了簡要的介紹。

1 系統(tǒng)技術方案

1．1 系統(tǒng)目標

利用GIS和信息處理技術，實現(xiàn)跨斷層場地信息的采集、管理、分析處理、查詢等功能，為地震預報提供信息服務和數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能有：測區(qū)與場地基礎地理信息、測區(qū)與場地的氣候、地質環(huán)境信息、相關地理數(shù)據(jù)和調查數(shù)據(jù)與結果信息的空間圖形顯示、信息查詢與統(tǒng)計分析、信息更新等。

1．2 系統(tǒng)總體構架

跨斷層場地信息系統(tǒng)主要由跨斷層場地基礎信息管理系統(tǒng)和跨斷層地震信息采集系統(tǒng)組成。系統(tǒng)具有與其他地震信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口。

1．3 系統(tǒng)技術路線

采用VS 2008作為開發(fā)環(huán)境，以C＃為開發(fā)語言。以ESRI的ArcGIS Engine 9．3作為開發(fā)系統(tǒng)GIS功能的組件。ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS 9版本才開始推出的新產(chǎn)品，它是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，使用ArcGIS Engine開發(fā)的GIS應用程序可以脫離ArcGIS Desktop而運行。

在搭建好的環(huán)境中調用ArcGIS Engine組件實現(xiàn)GIS基本功能，通過調用動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)地震信息管理的功能，對各種數(shù)據(jù)、圖件、分析結果和一些空間數(shù)據(jù)分析方法及綜合評價進行集成，并在實現(xiàn)類似于Arc Map的數(shù)據(jù)加載、視圖管理、查詢等基本功能的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)信息管理的需要，構建友好的用戶界面，從而更好地實現(xiàn)跨斷層數(shù)據(jù)庫管理、信息查詢、空間分析等功能的一體化，并充分利用計算機軟硬件條件，使得系統(tǒng)向高效、實用、獨立的方向發(fā)展［2］。

2 數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)的最終目的，是運用GIS方法對海量數(shù)據(jù)（基礎地理數(shù)據(jù)、形變監(jiān)測數(shù)據(jù)等）進行整合、管理、分析，從而為地震預報提供基礎的數(shù)據(jù)信息。

2．1 數(shù)據(jù)庫設計

跨斷層場地信息系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其所有的功能都是在對已有數(shù)據(jù)分析處理的基礎上完成的，而所有的跨斷層數(shù)據(jù)都是通過數(shù)據(jù)庫來存儲和處理。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設的好壞將直接影響到系統(tǒng)的功能和效率。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為2部分，即基礎屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)它們之間的信息同步和一體化管理，選擇了性能強大的關系數(shù)據(jù)庫SQL做后臺管理，用ArcGIS SDE做空間數(shù)據(jù)庫引擎，對空間數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

考慮到跨斷層形變總是具有一定的空間關系，為了分析地殼形變的空間關系，首先建立一個測區(qū)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫主要存儲和管理青藏塊體東北緣跨斷層測區(qū)的基礎地理信息和測量信息，具體內容見表1，該數(shù)據(jù)庫主要用于地殼形變的分析。另外建立一個場地數(shù)據(jù)庫，主要用于管理場地的基礎地理信息和變形監(jiān)測信息，并進行場地監(jiān)測結果的分析，具體內容見表2。

2．2 數(shù)據(jù)組織

2．2．1 空間數(shù)據(jù)組織

（1）基礎地理信息數(shù)據(jù)，包括定位基礎、交通、境界與政區(qū)、地貌、植被與土質等，用于表示場地的基本面貌并作為各種專題信息空間定位的載體［3］。由于系統(tǒng)涉及到多個比例尺的基礎地理數(shù)據(jù)，而研究區(qū)域基礎地理數(shù)據(jù)比例尺較大，因此往往存在著地方坐標系與國家坐標系的轉換問題。

表1 跨斷層測區(qū)數(shù)據(jù)庫設計表

（2）專題信息數(shù)據(jù)，即跨斷層數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)是本研究中最重要，也是最復雜的一類數(shù)據(jù)［4］。包括跨斷層場地分布圖、斷裂帶分布圖、周圍歷史地震時空強分布圖等。實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫設計的關鍵問題是分解地理要素［5］，即將空間數(shù)據(jù)進行分層管理。分層的原則是：①要考慮后續(xù)數(shù)據(jù)的更新及維護；②要盡量減少數(shù)據(jù)冗余。在確定統(tǒng)一的地理參考的基礎上，將圖形數(shù)據(jù)以點線面的矢量形式表達，并建立拓撲關系。這樣才能在空間屬性查詢和空間相關分析時得到正確的結果。

2．2．2 屬性數(shù)據(jù)組織

屬性數(shù)據(jù)庫主要完成圖形實體的屬性輸入域管理、各種報表的管理與輸出等，但它與圖形數(shù)據(jù)庫不是孤立的，圖形數(shù)據(jù)域屬性數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫服務器實現(xiàn)動態(tài)連接［6］。屬性數(shù)據(jù)主要是對各種圖形單元（點要素、線要素）的信息描述，即屬性數(shù)據(jù)庫的設計與圖形數(shù)據(jù)庫的設計緊密相連［7］。以斷層數(shù)據(jù)為例，一個斷層圖層對應一個二維屬性表。因此，對屬性數(shù)據(jù)的組織采用擴充斷層點、線所對應的屬性表（添加字段）的方式添加屬性。場地和斷層對應的點線屬性結構設計分別見表3和表4。

表2 跨斷層場地數(shù)據(jù)庫設計表

表3 場地數(shù)據(jù)結構表

表4 斷層數(shù)據(jù)結構表

2．3 跨斷層數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

青藏塊體東北緣跨斷層數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)是按照地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）對地理要素類和要素類之間的相互關系、地理要素類幾何網(wǎng)絡、要素屬性表對象、注釋類等來進行管理，并支持對地理數(shù)據(jù)庫要素數(shù)據(jù)集、關系以及幾何網(wǎng)絡進行建立、刪除、修改、連接、分析等操作［8］。Geodatabase組織數(shù)據(jù)是按照層次組織的，主要包括以下4大類：對象類（Object Classes）、要素類（Feature Classes）、要素數(shù)據(jù)類（Feature Datasets）以及關系類（Relationship Classes）。

（1）建立特征數(shù)據(jù)集。建立特征數(shù)據(jù)集需定義其空間參考（包括地理坐標和投影坐標、X／Y Domain、Z Domain、M Domain），數(shù)據(jù)集中所有的特征類都用這個坐標系統(tǒng)及坐標域，如本文據(jù)此建立的場地數(shù)據(jù)集和測區(qū)數(shù)據(jù)集。

（2）建立要素類。要素類可以建立在數(shù)據(jù)集內或地理數(shù)據(jù)庫中，不同的是，在地理數(shù)據(jù)庫中建立獨立要素類時，必須定義空間參考坐標。斷層數(shù)據(jù)庫中所有的要素類，按照相互之間的相關性分別建立在數(shù)據(jù)集內［9］，其中場地數(shù)據(jù)集建立測段要素類、監(jiān)測點要素類、斷層要素類等；測區(qū)數(shù)據(jù)集建立場地要素類、地質地貌要素類等。

（3）建立關系類。關系類有從源類到目標類關系和從目標類到源類關系2種。而地理數(shù)據(jù)庫中的簡單關系支持一對一、一對多、多對多的基數(shù)［10］。本文建立的簡單關系是在同一個數(shù)據(jù)集內建立關系類，比如，斷層數(shù)據(jù)集內，斷層測段要素類和監(jiān)測點要素類之間存在簡單關系類。

3 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

跨斷層場地基礎信息系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程是：首先，可以實時獲取、存儲、處理、分析和顯示場地基礎信息，為形變異常分析提供可靠依據(jù)，提高分析預報的科學性和準確性；其次，可以在場地環(huán)境遭受干擾或發(fā)生改變時，做到實時更新和補充，避免分析工作誤入歧途；再次，有利于業(yè)務管理部門實時掌握場地的動態(tài)情況，了解斷層形變最新狀況，便于今后的震情跟蹤工作安排和場地改造。

3．1 跨斷層地震信息采集系統(tǒng)

跨斷層地震信息采集系統(tǒng)儲存各類與地震相關的基礎信息（斷層信息、地質構造信息、場地周邊地震信息等）、異構數(shù)據(jù)處理結果等，以及實時更新的信息（環(huán)境信息、場地破壞信息、基礎地理信息等）。主要功能如圖1所示。

圖1 跨斷層地震信息采集系統(tǒng)功能

（1）信息管理功能?？梢暂斎敫黝惖卣鹦畔⒑驼{查數(shù)據(jù)，包括：斷裂帶調查信息、場地基礎信息、各類其他相關調查信息、場地視頻、照片等，及收集到的場地社會經(jīng)濟信息。

（2）信息交換功能。實現(xiàn)與其他地震信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

（3）空間信息采集功能。根據(jù)系統(tǒng)存儲的基礎地理信息，通過人工輸入或GPS采集的空間位置信息，顯示場地地點的行政區(qū)劃、地名、斷裂帶信息、歷史地震信息、地質構造信息、地理環(huán)境等。

3．2 跨斷層場地基礎信息管理系統(tǒng)

跨斷層場地基礎信息管理系統(tǒng)主要由實現(xiàn)GIS環(huán)境下的跨斷層信息管理、信息處理和信息服務組成（圖2）。

圖2 跨斷層場地基礎信息管理系統(tǒng)功能組成

3．2．1 信息管理功能

實現(xiàn)了地圖瀏覽功能，獲取并顯示了地圖的坐標系統(tǒng)和當前比例尺。該功能的實現(xiàn)不僅能反映出斷層形變異常的時空分布情況，而且能展示跨斷層場地的空間屬性和空間關系。

圖層控制功能可用于展示系統(tǒng)各個專題數(shù)據(jù)層情況，可根據(jù)分析需要，選擇專題圖層作為研究對象。測量功能可以用于測量斷層長度或者極震區(qū)、烈度區(qū)的面積等，主要使用了．NET和Ajax技術。

實現(xiàn)了多媒體信息瀏覽回放功能；系統(tǒng)儲存的測區(qū)、場地、測點的圖片和視頻信息等，用戶可以隨時調用；實現(xiàn)了點、線、面圖形以及文本的繪制與輸入功能，該功能可以使地震工作人員通過這項服務靈活地編輯地圖，實現(xiàn)地震專題地圖的繪制。圖3為跨斷層場地的水準數(shù)據(jù)（高差）及其波動圖像顯示界面。

3．2．2 信息處理功能

接收存儲的地震調查信息和其他系統(tǒng)生成的各類數(shù)據(jù)，進行相應的編輯處理后輸入數(shù)據(jù)庫相關的表中。對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用可視化的方式進行必要的整理加工，同時添加必要的說明性的內容?？鐢鄬訄龅貓D片錄入界面如圖4所示。

圖3 場地水準（高差）數(shù)據(jù)及其波動圖像顯示界面

圖4 跨斷層場地圖片錄入界面

3．2．3 信息服務

數(shù)據(jù)查詢是GIS最基本、最常用的功能，也是它與其他數(shù)字制圖軟件相區(qū)別的主要特征。GIS的主要功能特色之一就是根據(jù)圖形查詢屬性和根據(jù)屬性條件查詢相應的圖形［11］。本系統(tǒng)支持以下4種查詢方式：

（1）基于矢量圖的單目標查詢。這里的目標約定為單個目標，可能是一個測站、一個行政區(qū)域或一個斷裂帶等。用戶通過點擊某一目標，能查詢該目標的屬性信息、特征信息、歷史信息以及實時與歷史信息的比較。查詢結果有多種表現(xiàn)方式：表格、示意圖、過程線、矢量圖形、柵格圖像等?？鐢鄬訄龅匦畔⒉樵兘缑嫒鐖D5所示。

圖5 跨斷層場地信息查詢界面

（2）基于矢量圖的多目標查詢。用戶通過分別選擇多個目標，實現(xiàn)實時信息、特征信息、歷史信息的多目標查詢。

（3）基于矢量圖的區(qū)域查詢。用戶任意圈劃的區(qū)域查詢（框選、圈選等），如查詢該區(qū)域的斷裂帶、地震震級等。

（4）邏輯條件查詢。根據(jù)用戶給定的時間、地點、目標、類型等條件，組合查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中滿足該條件組合的所有信息。系統(tǒng)空間查詢界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)空間查詢界面

4 結束語

借助GIS進行跨斷層場地信息管理，不但提高了信息的可視性，便于信息的分析利用，而且提高了信息處理的實際效率。本文將AO組件、數(shù)據(jù)庫管理以及GIS等技術相結合，通過大量的開發(fā)工作，完成了具有完善GIS功能且不依賴于固定平臺的信息系統(tǒng)，從而為地震預報及相關科研提供了科學、可靠的數(shù)據(jù)支持。

（作者電子信箱，屈佳：qujia1984＠sina．com）

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Study on cross-fault site information system based on GIS

Qu Jia，Zhang Sixin
（Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054，China）

Considering the situation of seriously deficient in cross-fault basic information in northeastern margin of the Qinghai-Tibet block，cross-fault GIS is established with the integrated Visual Studio 2008 and ArcGIS Engine 9．3．In conclusion，by establishing the cross-fault GIS，it can provide scientific and reliable data for earthquake prediction．

northeastern margin of Qinghai-Tibet block；cross-fault；GIS；deformation anomaly

P208；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．04．009

2013-09-20；

2014-01-08。

地震科技星火計劃項目（XH12074）資助。