郭啟倩，武曉紅，李盛樂(lè)

（1.中國(guó)地震局 地震研究所, 湖北 武漢 430071；2.西安測(cè)繪總站, 陜西 西安 710054）

瓦片式震中分布圖生成及局部自動(dòng)更新

郭啟倩1，武曉紅2，李盛樂(lè)1

（1.中國(guó)地震局 地震研究所, 湖北 武漢 430071；2.西安測(cè)繪總站, 陜西 西安 710054）

針對(duì)目前在線(xiàn)震中分布圖存在的問(wèn)題，提出瓦片式地震震中分布圖。使用ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)瓦片切圖工具及局部瓦片自動(dòng)更新程序，結(jié)合Google Maps實(shí)現(xiàn)瓦片式震中分布圖的展示?；赪eb GIS的瓦片式震中分布圖在顯示歷史地震和最新地震方面較以往在線(xiàn)震中分布圖有很大改善，瓦片局部自動(dòng)更新程序也克服了瓦片式地圖本身更新速度慢的缺陷。

瓦片；震中分布圖；局部自動(dòng)更新； ArcGIS Engine ；Google Maps

目前地震系統(tǒng)可用于在線(xiàn)瀏覽的震中分布圖主要有2類(lèi)：第1類(lèi)是在地震信息門(mén)戶(hù)網(wǎng)站直接訪(fǎng)問(wèn)靜態(tài)震中分布圖，該靜態(tài)圖件是由應(yīng)急人員人工或通過(guò)程序生成的，這種方式增加了應(yīng)急時(shí)期的響應(yīng)時(shí)間，且靜態(tài)圖件的比例尺難以滿(mǎn)足公眾需求。第2類(lèi)是基于Web GIS的地震震中分布圖[1]，是目前使用最廣泛的在線(xiàn)震中分布圖形式。該方法是通過(guò)Internet上主流的網(wǎng)絡(luò)地圖，如Google Maps、百度地圖、MapABC等公布的基于Web的API接口，在地圖上添加覆蓋類(lèi)標(biāo)注顯示地震震中地點(diǎn)。這種方式優(yōu)點(diǎn)在于其信息更新迅速、訪(fǎng)問(wèn)速度快[2]，在顯示少量地震，如最近一段時(shí)期的地震信息時(shí)效果顯著，但在顯示大量地震，如歷史地震信息時(shí)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢，甚至出現(xiàn)頁(yè)面崩潰情況。本文提出基于Web GIS的瓦片式地震震中分布圖，在顯示歷史地震和最新地震方面較以往在線(xiàn)震中分布圖有很大改善，并利用局部瓦片自動(dòng)更新程序在震后快速更新地圖數(shù)據(jù)，縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。

1 地圖瓦片技術(shù)

Web GIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物。利用Internet在Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù)，為用戶(hù)提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢(xún)和分析的功能，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的Web GIS服務(wù)根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求參數(shù)實(shí)時(shí)渲染地圖數(shù)據(jù)再返回給客戶(hù)端，由于GIS數(shù)據(jù)通常是海量的，用戶(hù)對(duì)每次請(qǐng)求的等待時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸與瀏覽速度較慢,成了Web GIS應(yīng)用推廣的瓶頸。Google Maps將Ajax技術(shù)引入Web GIS[3]，打破了傳統(tǒng)Web GIS根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求來(lái)實(shí)時(shí)渲染數(shù)據(jù)的服務(wù)模式，采用了地圖緩存，即瓦片技術(shù)提高訪(fǎng)問(wèn)速度，減緩服務(wù)器壓力。

地圖瓦片技術(shù)是將地圖和影像采用特定的預(yù)切割方式進(jìn)行切片，按一定規(guī)則存儲(chǔ)在服務(wù)器上，客戶(hù)端異步加載當(dāng)前屏幕可視區(qū)域的瓦片數(shù)據(jù)。瓦片式地圖采用金字塔模型結(jié)構(gòu)（如圖1）。這是一種多分辨率的層次模型，每一層對(duì)應(yīng)一個(gè)地圖級(jí)別，從瓦片金字塔的底層到頂層，地圖級(jí)別及分辨率越來(lái)越低，但表示的地理范圍不變。當(dāng)用戶(hù)提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前的地圖級(jí)別，只返回屏幕區(qū)域?qū)?yīng)的瓦片到客戶(hù)端并緩存，有效避免了一次性請(qǐng)求所有數(shù)據(jù)導(dǎo)致的服務(wù)器壓力及帶寬浪費(fèi)，提高了Web瀏覽器的地圖訪(fǎng)問(wèn)能力。目前，越來(lái)越多的地圖服務(wù)網(wǎng)站（如Google Maps、百度地圖、MapABC、Microsoft Live Map等）都采用了這種技術(shù)來(lái)提高地圖訪(fǎng)問(wèn)的速度。

圖 1 瓦片金字塔結(jié)構(gòu)

地圖瓦片技術(shù)讓W(xué)eb GIS系統(tǒng)的性能得到極大改善。然而，地圖生成瓦片以后，只是以圖片的形式存在，地理空間數(shù)據(jù)發(fā)生變化后只有等待后臺(tái)管理員重建地圖緩存才能在客戶(hù)端得到反映，而重建地圖瓦片通常需要幾h甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際上，地理空間數(shù)據(jù)變更通常只是局部區(qū)域變更，無(wú)需對(duì)整個(gè)地圖文檔重建瓦片，若能夠在后臺(tái)自動(dòng)獲取更新的地理空間數(shù)據(jù)，編輯地圖文檔，并輸出局部區(qū)域地圖瓦片替換舊的瓦片文件，在很大程度上減少耗時(shí)，克服瓦片式地圖本身更新速度慢的缺陷。

2 瓦片式震中分布圖

將地圖瓦片技術(shù)運(yùn)用于震中分布圖中，可以彌補(bǔ)目前在線(xiàn)震中分布圖存在的不足。

1）瓦片式地圖利用Ajax實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需獲取、異步加載，根據(jù)地震目錄資料制作歷史地震震中分布地圖，預(yù)處理為地圖瓦片作為專(zhuān)題底圖，用戶(hù)在地震速報(bào)頁(yè)面查看最近地震的同時(shí)可加載該地區(qū)歷史地震震中分布瓦片，無(wú)論震例多少，用戶(hù)一次瀏覽只需加載當(dāng)前屏幕范圍的地圖瓦片，且瀏覽過(guò)的瓦片緩存到客戶(hù)端，無(wú)需重復(fù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)速度，減小服務(wù)器壓力。

2）瓦片式震中分布圖便于和目前互聯(lián)網(wǎng)主流的地圖服務(wù)結(jié)合，利用API接口將震中分布專(zhuān)題底圖與Google Maps、百度地圖等疊加，還可利用API實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的查詢(xún)、測(cè)距等功能，取得較好的應(yīng)用效果。

3）地震分層逐級(jí)顯示，地圖級(jí)別越高，顯示震級(jí)越低，震例越多。

4）瓦片式震中分布圖分級(jí)縮放顯示，彌補(bǔ)了靜態(tài)震中分布圖比例尺無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求的不足。

5）局部自動(dòng)更新代替瓦片金字塔重建，改善了瓦片式地圖本身存在的更新困難的問(wèn)題。

3 瓦片切圖工具設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

瓦片切圖工具是基于Visual Studio2010平臺(tái)和ArcGIS Engine 10.0，利用C#語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的。ArcGIS Engine是ESRI公司發(fā)布的用于構(gòu)建定制應(yīng)用的嵌入式GIS組件庫(kù)。ArcGIS Engine包括構(gòu)建ArcGIS產(chǎn)品的所有核心組件，提供COM、.NET和C++的應(yīng)用程序編程接口（API）。利用ArcGIS Engine提供的編程接口，可以方便地設(shè)計(jì)GIS程序，操作ArcMap地圖文檔。

3.1 切圖算法流程

切圖數(shù)據(jù)源采用ArcMap地圖文檔（.mxd格式）。首先確定將要進(jìn)行瓦片切圖的地圖的初始地理坐標(biāo)范圍，該范圍可自定義，也可利用IEnvelope接口的QueryCoords方法輸出。然后選取坐標(biāo)范圍起始點(diǎn)，根據(jù)切片級(jí)別確定比例尺，由比例尺（dMapScale）、瓦 片 尺 寸（dImageWidth、dImageHeight） 及 跨度（detaX、detaY）循環(huán)計(jì)算每個(gè)瓦片的地理范圍（dTempXMin、dTempXMax、dTempYMax、dTempYMin）；最后利用IExport接口輸出瓦片。瓦片切圖算法流程如圖2所示。

圖 2 切圖算法流程圖

程序?qū)Ω鱾€(gè)級(jí)別切割完成的瓦片按照瓦片切割等級(jí)、相應(yīng)等級(jí)的切圖列數(shù)、相應(yīng)列下的切圖行數(shù)進(jìn)行分級(jí)組織存儲(chǔ)，便于客戶(hù)端對(duì)瓦片庫(kù)進(jìn)行索引和查找。本文采用Google Maps瓦片組織方式存儲(chǔ)地圖瓦片。Google Maps所使用的地圖投影被稱(chēng)作Web Mercator，它與常規(guī)墨卡托投影的主要區(qū)別就是把地球模擬為球體而非橢球體。程序中起始瓦片所對(duì)應(yīng)的列、行號(hào)，即在瓦片坐標(biāo)系下的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)，分別根據(jù)切圖范圍最小經(jīng)度值、最大緯度值轉(zhuǎn)換而來(lái)，結(jié)合墨卡托投影函數(shù)將經(jīng)度、緯度值轉(zhuǎn)換為瓦片X、Y坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換算法如下：

//經(jīng)度轉(zhuǎn)換瓦片X坐標(biāo)

int getXFromLongitude(double lon,int level)

{

return (int)((lon+180)/360)*Math.Pow(2, level);

}

//緯度轉(zhuǎn)換瓦片Y坐標(biāo)

int getYFromLatitude(double lat,int level)

{

double sinLat = Math.sin(Math.PI * lat/180);

double y=0.5 - Math.Log((1+sinLat)/(1-sinLat))/ (4*Math.PI);

return(int)(y*Math.Pow(2, level))

}

切圖算法根據(jù)圖幅范圍自適應(yīng)每一地圖級(jí)別對(duì)應(yīng)的瓦片數(shù)，整體執(zhí)行效率較高，瓦片約以20張/s 的速度輸出。

3.2 切圖工具開(kāi)發(fā)

切圖工具程序?qū)崿F(xiàn)主要利用ArcGIS Engine中的IExport、IActive View、IEnvelope等接口進(jìn)行地圖瓦片的生成，根據(jù)切圖等級(jí)和切割的行列數(shù)不斷調(diào)整地圖的可視范圍，然后將當(dāng)前地圖范圍的顯示內(nèi)容導(dǎo)出為預(yù)定義格式的圖片，并按照瓦片庫(kù)的目錄組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)[4,5]。工具界面如圖3所示。

圖 3 切圖工具界面圖

瓦片導(dǎo)出函數(shù)如下：

private void exportToImage(IActiveView pActiveView, string sImagePath, IEnvelope pEnvelope, int right, int bottom)

{

IExportPNG pExpng = new ExportPNGClass(); IExport export = pExpng as IExport;

IEnvelope envelope = new EnvelopeClass();

ITrackCancel cancel = new CancelTrackerClass(); tagRECT grect; grect.left = 0; grect.top = 0;

grect.right = right;

grect.bottom = bottom;

int num = Convert.ToInt32(export.Resolution); envelope.PutCoords((double)grect.left, (double)grect. bottom, (double)grect.right, (double)grect.top);

export.ExportFileName = sImagePath;

export.PixelBounds = envelope;

pActiveView.Output(export.StartExporting(), num, ref grect, pEnvelope, cancel);

export.FinishExporting();

}

4 瓦片局部自動(dòng)更新

如前所述，瓦片式地圖是金字塔形分級(jí)存儲(chǔ)的圖片格式數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)乩硪匕l(fā)生變化后需要重建瓦片金字塔，這一過(guò)程將耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。瓦片局部自動(dòng)更新旨在用更新變化區(qū)域瓦片數(shù)據(jù)的方法替代整體瓦片金字塔重建，更新過(guò)程只需要幾s。這一改進(jìn)大大縮短了瓦片數(shù)據(jù)更新、準(zhǔn)備時(shí)間，對(duì)于及時(shí)更新震中分布圖優(yōu)勢(shì)顯著。

瓦片地圖局部自動(dòng)更新程序分為更新地圖文檔和替換瓦片2個(gè)部分。更新地圖文檔，即根據(jù)需要更新的地圖要素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)后臺(tái)程序修改.mxd文檔。當(dāng)?shù)貓D文檔更新以后，首先要獲取更新后的地圖要素對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)范圍，然后根據(jù)這個(gè)坐標(biāo)范圍計(jì)算該范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)地圖瓦片的行列號(hào)，接著在后臺(tái)重新生成這個(gè)范圍內(nèi)的地圖瓦片，最后以新生成的瓦片替換舊的瓦片，最終實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)更新的同步[6]。

當(dāng)點(diǎn)要素發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)點(diǎn)要素在地圖投影坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值計(jì)算該點(diǎn)在不同地圖級(jí)別下所在瓦片的行列號(hào)（X、Y），生成對(duì)應(yīng)地圖級(jí)別的瓦片。線(xiàn)要素、面要素發(fā)生變化，根據(jù)變化要素的最小外包矩形計(jì)算該要素地理范圍所在瓦片的行列號(hào)序列，生成對(duì)應(yīng)地圖級(jí)別的瓦片集合。下面以更新一個(gè)震中點(diǎn)pGeom要素為例，說(shuō)明瓦片式震中分布圖局部自動(dòng)更新流程。

4.1 更新地圖文檔

更新地圖文檔是獲取指定地圖文檔的當(dāng)前圖層，對(duì)當(dāng)前圖層添加新的地理要素，保存修改后的.mxd文檔作為瓦片數(shù)據(jù)新的地圖數(shù)據(jù)源。主要利用IFeatureClass、IFeature等接口向指定圖層添加新的地圖要素，關(guān)鍵代碼如下：

IFeatureLayer pFeatureLayer = (IFeatureLayer)m_ pCurrentLayer;

IFeatureClass pFeatureClass = pFeatureLayer. FeatureClass;

//開(kāi)始創(chuàng)建地理要素

IFeature pFeature = pFeatureClass.CreateFeature(); //定義要素類(lèi)型

pFeature.Shape = pGeom;

//要素賦字段值

int fi eldindex = pFeature.Fields.FindField("字段名"); pFeature.set_Value(f i eldindex, "字段值"); //保存地理要素pFeature.Store();

由于地震目錄采用經(jīng)緯度記錄震中位置，點(diǎn)pGeom要素的坐標(biāo)值是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理的投影坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

4.2 替換瓦片

1）將經(jīng)緯度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)地圖級(jí)別下的地圖瓦片坐標(biāo)X、Y，轉(zhuǎn)換算法見(jiàn)§3.1。

2）根據(jù)瓦片號(hào)計(jì)算瓦片地理范圍。

double dTempXMin = dTileOriginX + dImageWidth * (detaX - 1);

double dTempXMax = dTileOriginX + dImageWidth * detaX;

double dTempYMax = dTileOriginY - dImageHeight * detaY;

double dTempYMin = dTileOriginY - dImageHeight * (detaY - 1);

IEnvelope envelope = new EnvelopeClass();

envelope.PutCoords(dTempXMin, dTempYMin, dTempXMax, dTempYMax);

pActiveView.Extent = envelope;

其中，dTileOriginX、dTileOriginY分別是該mxd文檔的X最小值和Y最大值，dImageWidth、dImageHeight代表瓦片的地理跨度值，detaX、detaY分別是瓦片號(hào)X、Y與該mxd文檔最小瓦片號(hào)OriginX、OriginY的差值。

3）輸出瓦片替換舊瓦片。

string sImagePath = sFolderDir + "\" + X+ "\" + Y +".PNG";

exportToImage(pActiveView, sImagePath, envelope, 256,256)。

5 瓦片式震中分布圖展示

本文基于Google Maps提供的JavaScript API接口對(duì)Google Maps進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[7]。對(duì)于歷史地震信息，采用疊加瓦片式震中分布圖的方式分震級(jí)縮放顯示，地圖級(jí)別越高，能夠顯示的震級(jí)越小，震例越多；對(duì)于最近一段時(shí)間發(fā)生的地震事件A，采用疊加覆蓋類(lèi)標(biāo)注的方式動(dòng)態(tài)閃爍顯示。當(dāng)新增地震事件B時(shí)，后臺(tái)程序自動(dòng)將地震事件A寫(xiě)入.mxd地圖文檔，并更新對(duì)應(yīng)的各級(jí)地圖瓦片，地震事件B閃爍標(biāo)注。

5.1 疊加震中分布圖瓦片

1）切圖數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備。按照逐級(jí)顯示地震的原則，在ArcMap中完成震中分布圖制圖，地圖投影方式采用與Google Maps一致的Web Mercator投影。

2）地圖瓦片制作。使用瓦片切圖工具制作地圖瓦片，不同級(jí)別的地圖瓦片選擇顯示對(duì)應(yīng)震級(jí)范圍的地圖數(shù)據(jù)源，如2級(jí)地圖顯示7級(jí)以上地震，10級(jí)地圖顯示3級(jí)以上地震。

3）地圖瓦片疊加。Google Maps API為基本類(lèi)型google.maps.Map提供了overlayMapTypes屬性疊加自定義瓦片地圖，關(guān)鍵腳本如下：

//疊加自定義瓦片

map.overlayMapTypes.insertAt(0, new OverLayer (new google.maps.Size(256, 256)));

//瓦片的tileSize、getTile屬性

function OverLayer(tileSize) {}

OverLayer.prototype.tileSize = new google.maps. Size(256, 256);

OverLayer.prototype.getTile = function (coord, zoom, ownerDocument)

{

var overlay = ownerDocument.createElement ('overlay');

overlay.style.width = this.tileSize.width + 'px';

overlay.style.height = this.tileSize.height + 'px';

var strURL = "EQMs7/";

strURL += zoom + "/" + coord.x + "/" + coord.y + ".PNG";

overlay.style.backgroundImage = 'url(' + strURL + ')';

return overlay;

}

其中coord.x、coord.y分別是Google Maps定義的瓦片坐標(biāo)系中的瓦片坐標(biāo)值X、Y，§4.2中程序生成的瓦片存儲(chǔ)路徑為zoom/ coord.x/coord.y，與strURL對(duì)應(yīng)。圖4為7級(jí)地圖疊加Ms5以上地震的震中分布圖瓦片。

圖 4 瓦片式震中分布圖

5.2 標(biāo)注最新地震事件

對(duì)于最新地震事件，采用Google Maps API提供的覆蓋類(lèi)型google.maps.Marker動(dòng)態(tài)閃爍顯示，并添加信息窗。圖5所示為在6級(jí)地理底圖上顯示全球5級(jí)以上地震震中分布圖，閃爍標(biāo)注湖北巴東5.1級(jí)地震。

圖 5 標(biāo)注最新地震

6 結(jié) 語(yǔ)

瓦片式地震震中分布圖結(jié)合主流的Web GIS服務(wù)平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)在線(xiàn)震中分布圖的不足，并改進(jìn)瓦片數(shù)據(jù)更新方法，進(jìn)一步優(yōu)化了應(yīng)用效果。功能方面，主要優(yōu)勢(shì)在于將歷史地震震中分布圖作為專(zhuān)題底圖，以瓦片形式分級(jí)分層顯示，地圖級(jí)別越高，能夠顯示的地震級(jí)數(shù)越小，震例越多；同時(shí)利用Google Maps API提供的Marker覆蓋類(lèi)顯示最新地震震情信息，實(shí)現(xiàn)歷史地震和最新地震同時(shí)顯示，效果較好。技術(shù)方面，采用局部瓦片自動(dòng)更新的方法替代瓦片金字塔重建，在區(qū)域地理空間數(shù)據(jù)發(fā)生變化后（例如在震中分布圖上新增震中點(diǎn)），僅需要更新每個(gè)瓦片級(jí)別對(duì)應(yīng)該區(qū)域的瓦片數(shù)據(jù)，最大程度地縮短了地圖瓦片的更新時(shí)間。

[1] 董星宏，賈寧.基于Web GIS的地震震中分布圖實(shí)現(xiàn)方式探討[J].高原地震，2011,23(1):63-64

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P208

B

1672-4623（2015）01-0115-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.038

郭啟倩，碩士，主要研究方向?yàn)榈卣鹋c地理信息系統(tǒng)。

2014-05-21。

項(xiàng)目來(lái)源：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAK19B02-05）。