郭 凱 侯建民 閆恩輝

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

基于ArcGIS的國家臺網(wǎng)地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1

郭 凱 侯建民 閆恩輝

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

基于國家臺網(wǎng)地震速報的實(shí)際工作需求，針對國家臺網(wǎng)在全球地震速報中缺乏專門的地名查詢系統(tǒng)，通過對國家臺網(wǎng)實(shí)時、人機(jī)交互處理子系統(tǒng)和全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)）的相關(guān)協(xié)議和數(shù)據(jù)接口進(jìn)行研究，并結(jié)合地震速報相關(guān)規(guī)定中對地名的要求，基于地理信息系統(tǒng)ArcGIS提供的ArcGIS Engine（AE）組件技術(shù)，采用Visual .Net開發(fā)平臺和COM組件技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)獲取地震地名信息的功能，開發(fā)設(shè)計一套用于國家臺網(wǎng)地震速報的地名查詢輔助系統(tǒng)，希望可以有效提高國家臺網(wǎng)地震速報的效率和準(zhǔn)確度。

地震速報 地名查詢 ArcGIS

郭凱，侯建民，閆恩輝，2015.基于ArcGIS的國家臺網(wǎng)地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn).震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：913—924.doi：10.11899/zzfy20150409

前言

中國地震臺網(wǎng)中心承擔(dān)著全國地震以及全球范圍內(nèi)一定規(guī)模（一般M6.0級以上）的地震速報工作。隨著“十五”國家臺網(wǎng)的建設(shè)，全國1000多個區(qū)域地震臺站實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)共享，國內(nèi)地震的人工速報水平從“九五”時期的30分鐘左右提高到了10分鐘左右（陳曉輝等，2009；侯建民等，2009；趙永等，2002），同時多個國家援建臺網(wǎng)的布設(shè)也大大提升了對全球地震監(jiān)測的能力，一般在60分鐘內(nèi)就可完成對全球M6.0級以上地震的速報工作。

伴隨著地震監(jiān)測能力的較大提升以及國家臺網(wǎng)地震速報軟硬件系統(tǒng)的升級，地震三要素的測定已經(jīng)非常準(zhǔn)確，但在國外地震地名查詢上還缺乏專門的查詢系統(tǒng)，主要是通過電子地圖搜索、紙質(zhì)地圖以及歷史地震的速報信息等方式來確定地震地名，然后人工輸入到全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)）完成地震速報結(jié)果的發(fā)送。由于缺乏專用系統(tǒng)進(jìn)行國外地震地名的查詢，在非常緊張的地震速報時間范圍內(nèi)，值班人員需要耗費(fèi)很大的時間去確認(rèn)地震地名的正確性，并且在人工輸入地名的過程中由于地名的復(fù)雜性等也可能產(chǎn)生輸入錯誤，這些對地震速報值班人員完成地震速報任務(wù)造成了一定的壓力和時間上的延誤。本文通過調(diào)研分析國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)地震速報信息發(fā)布的數(shù)據(jù)接口以及地震地名信息獲取和發(fā)布過程中存在的一些問題和實(shí)際需求，設(shè)計并研發(fā)了一套用于國家臺網(wǎng)地震速報的地名查詢輔助系統(tǒng)，以期有效提高地震速報的效率以及減少錯誤情況的出現(xiàn)。

1 國家臺網(wǎng)速報系統(tǒng)構(gòu)成以及地震地名查詢系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 國家臺網(wǎng)速報系統(tǒng)構(gòu)成

中國地震臺網(wǎng)中心的技術(shù)系統(tǒng)主要由全國測震實(shí)時數(shù)據(jù)流子系統(tǒng)、國家臺網(wǎng)實(shí)時處理子系統(tǒng)、國家臺網(wǎng)人機(jī)交互處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與服務(wù)子系統(tǒng)、震源機(jī)制解快速測定子系統(tǒng)以及全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)，圖1）構(gòu)成（陳曉輝等，2009；侯建民等，2009；黃志斌等，2001；劉瑞豐等，2008）。其中全國測震實(shí)時數(shù)據(jù)流子系統(tǒng)匯集了全國所有地震臺站的實(shí)時數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)格式采用MINISEED格式，國家臺網(wǎng)實(shí)時處理子系統(tǒng)接入該實(shí)時信息流并進(jìn)行實(shí)時檢測，對地震進(jìn)行判定。一旦達(dá)到觸發(fā)閾值條件，系統(tǒng)對實(shí)時波形數(shù)據(jù)截取并發(fā)布警報，值班員使用國家臺網(wǎng)人機(jī)交互處理子系統(tǒng)對截取的實(shí)時波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對地震的發(fā)震時刻、地震深度和位置進(jìn)行測定，結(jié)果生成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到指定位置，EQIM系統(tǒng)對該數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取，同時速報值班員要對地震地名信息查詢和填入并完成地震速報信息的共享交換，其流程如圖2所示。

圖1 全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)）Fig.1 Platform of data exchange in the National Earthquake Fast Report System （EQIM system）

1.2 地震地名查詢系統(tǒng)方案設(shè)計

結(jié)合國家臺網(wǎng)地震速報的需求，本文設(shè)計的系統(tǒng)方案主要考慮以下三點(diǎn)：

（1）根據(jù)國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)現(xiàn)有的軟硬件環(huán)境，應(yīng)確保開發(fā)的程序可穩(wěn)定、有效運(yùn)行，并在現(xiàn)有軟硬件環(huán)境的情況下方便移植和維護(hù)。

（2）研究國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口和信息流傳輸協(xié)議，并根據(jù)地震速報管理規(guī)定的相關(guān)要求，所研發(fā)的地名查詢輔助系統(tǒng)通過讀地震速報三要素的信息數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動獲取地名的功能，在該實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)采用國家臺網(wǎng)人機(jī)交互處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口，來保證本文研發(fā)程序可以和現(xiàn)有系統(tǒng)較好的兼容和共同運(yùn)維。

圖2 國家臺網(wǎng)地震速報流程圖Fig.2 Flow chart of earthquake fast report in China Earthquake Networks

（3）應(yīng)研究全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)接口和信息流傳輸協(xié)議，所研發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)采用該數(shù)據(jù)接口和信息流傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)帶地名的地震速報信息生成和發(fā)布，而不能對現(xiàn)有的系統(tǒng)造成不穩(wěn)定影響。

基于上述三個方面的考慮，本文提出了如下的技術(shù)方案：

（1）數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送協(xié)議

國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)實(shí)時系統(tǒng)、人工交互系統(tǒng)目前在Linux Redhat環(huán)境下運(yùn)行，全國速報信息交換平臺（EQIM系統(tǒng)）在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行，EQIM系統(tǒng)通過samba服務(wù)器的方式來進(jìn)行國家臺網(wǎng)地震速報人工交互結(jié)果信息的獲取，并基于NetSeis/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)地震速報信息的發(fā)布。通過對上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口、信息流傳輸流程和信息流傳輸協(xié)議進(jìn)行相關(guān)研究，來設(shè)計本文研發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口以及所采用的信息流傳輸協(xié)議，使得開發(fā)的系統(tǒng)可以直接應(yīng)用于國家臺網(wǎng)地震速報中的地震地名信息查詢和信息發(fā)布，減少了人工參與的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提升了國家地震速報的效率和準(zhǔn)確性。

（2）系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)

根據(jù)國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，以及與現(xiàn)有系統(tǒng)更好的兼容和運(yùn)行維護(hù)，本文采用了基于地理信息系統(tǒng)ArcGIS提供的ArcGIS Engine（AE）組件技術(shù)，開發(fā)工具選擇Visual.Net和COM組件技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)獲取地震地名信息的功能。ArcGIS提供了一個可伸縮的、功能強(qiáng)大的GIS平臺，ArcEngine是獨(dú)立的嵌入式組件，不依賴ArcGISDesktop桌面平臺，直接安裝ArcEngine Runtime和DeveloperKit后，即可利用其在不同開發(fā)語言環(huán)境下開發(fā)，通過采用AE進(jìn)行程序開發(fā)，減輕了研發(fā)軟件對系統(tǒng)軟硬件的負(fù)擔(dān)。COM是開發(fā)軟件組件的一種方法，它們可以給應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)以及其他組件提供服務(wù)，程序移植和維護(hù)升級都非常方便，對系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較小，更符合國家臺網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維的需求。

（3）地圖數(shù)據(jù)獲取

本文采用的地圖數(shù)據(jù)為由測繪局提供的中國地圖數(shù)據(jù)和世界陸地地圖數(shù)據(jù)。設(shè)計的地震地名信息獲取規(guī)則和地圖信息的地名格式將嚴(yán)格按照地震速報管理規(guī)定執(zhí)行，國內(nèi)外地震速報的地名分級不同，故對地圖數(shù)據(jù)整理分析時也按照地震速報管理規(guī)定進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地名分級處理，并充分考慮一些復(fù)雜情況（如地震落在距離城市一定距離范圍內(nèi)的海域等）。

2 國家臺網(wǎng)地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及功能介紹

2.1 系統(tǒng)設(shè)計及功能實(shí)現(xiàn)

基于上述系統(tǒng)方案的設(shè)計，本文完成了國家臺網(wǎng)地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，系統(tǒng)界面如圖3所示。其中地名查詢結(jié)果以及歷史速報地震目錄結(jié)果為根據(jù)輸入的信息得到。系統(tǒng)功能主要分為4個模塊：基于ArcGIS的地圖顯示模塊、快速地名查詢模塊、人工交互地震結(jié)果處理模塊以及歷史地震速報目錄模塊。

圖3 地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)程序界面Fig. 3 Interface of place names query system of earthquakes

2.2 基于ArcGISs的地圖顯示模塊

地圖顯示模塊集成了比較通過的地圖顯示功能，包括地震放大、縮小、地圖漫游、加載地圖數(shù)據(jù)等，為了實(shí)現(xiàn)國內(nèi)地震地名信息查詢和國外地震地名信息的查詢，結(jié)合地震速報管理規(guī)定的相關(guān)要求，采用ArcGIS的shp格式，共加載了4個面屬性圖層：①覆蓋全球范圍的1:100萬比例尺的行政區(qū)地圖；②中國國界地圖；③中國省級行政區(qū)地圖；④中國縣級行政區(qū)地圖。通過經(jīng)緯度進(jìn)行地名查詢時，地圖顯示模塊會自動漫游到該位置中心并顯示改點(diǎn)，并按照一定比例尺顯示地圖信息。

2.3 快速地名查詢模塊

隨著“十五”國家臺網(wǎng)的建設(shè)，全國1000多個區(qū)域地震臺站實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)共享，國內(nèi)地震的人工速報水平從“九五”時期的30分鐘左右提高到了10分鐘左右。而隨著2013年新的地震速報管理規(guī)定的實(shí)施，大量區(qū)域的正式速報等級下限從MS5.0降到了MS4.0，一些區(qū)域如省會城市、珠三角地區(qū)等地震速報時間要求越來越嚴(yán)格，首都圈地區(qū)要求在10分鐘內(nèi)完成速報，省會城市、珠三角、長三角地區(qū)要求在15分鐘內(nèi)完成速報，這對地震速報值班人員的壓力也隨之大大增加。結(jié)合在地震速報中的實(shí)際需求，為了較快地完成對地震地名信息的復(fù)核和確認(rèn)，本文設(shè)計了該模塊功能，僅輸入經(jīng)緯度即可查得地名信息。如圖4所示，輸入經(jīng)度緯度信息后，單擊查詢按鈕，自動獲得了地名信息，其中，國內(nèi)地名信息可查詢省市縣三級地名，國外地區(qū)提供國家和省（州）級地名。

圖4 國內(nèi)地震地名信息查詢結(jié)果界面Fig. 4 Query results of earthquake name information in domestic earthquake

由于目前還沒有按照海洋區(qū)域進(jìn)行劃分的地圖數(shù)據(jù)，同時對于判定地震發(fā)生在陸地還是海洋上，也是地震速報流程中必須做的工作，而地震落在陸地邊界時，使用人工去判定非常耗費(fèi)時間，為此程序做了這樣的功能判定：當(dāng)?shù)卣鹇湓陉懙貢r，程序界面處的地名信息正常顯示，當(dāng)落在海洋時，程序界面處的地名文本框顯示為字符串“地震發(fā)生在海域”，震源深度文本框信息右邊的兩個文本框分別顯示離該地震最近距離的國家以及震中距，假設(shè)在2014年10月11日11點(diǎn)00分24.05秒，在日本附近海域發(fā)生1次6.0級地震，震中經(jīng)度138°，震中緯度34°，查詢結(jié)果見圖5。查詢結(jié)果表明，該地震距離日本大陸邊界約69km處，距離其最近的2個歷史地震地名均為日本本州以南海域。

圖5 海域區(qū)域地震地名信息查詢結(jié)果Fig. 5 Query results of earthquake name information in oceanic region

2.4 人工交互地震結(jié)果處理模塊

國家臺網(wǎng)人機(jī)交互處理子系統(tǒng)在對地震時間波形完成地震三要素測定后，生成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，由于不含地名信息，該文件中地名信息由字符串“abc”來表示，單擊“打開定位結(jié)果按鈕”，人工交互地震結(jié)果處理模塊讀取該信息，根據(jù)經(jīng)緯度查詢地名后，將查詢到的地名信息替換字符串“abc”，生成新的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。同時，為了更快捷地發(fā)布地震速報信息，可以將復(fù)核確認(rèn)完畢的地震速報參數(shù)，單擊“發(fā)送EQIM按鈕”，通過采用EQIM系統(tǒng)的Netsis/IP通信協(xié)議，以XML格式可直接發(fā)送到EQIM系統(tǒng)。

2.5 歷史地震速報目錄模塊

在地震速報三要素測定的過程中，較短時間內(nèi)判定難度最大的是地震深度，而發(fā)生在其附近的歷史地震深度等數(shù)據(jù)對于速報值班員來說有很大的參考價值。正如上文3.2節(jié)中提到的由于缺乏海洋地圖數(shù)據(jù)，如果某一次發(fā)生在海洋的地震在一定范圍內(nèi)有離其較近的歷史地震，也可以提供很大的參考價值。為此本文將國家臺網(wǎng)2008年7月—2015年4月的正式速報地震結(jié)果進(jìn)行處理，生成了ArcGIS格式的數(shù)據(jù)圖層，如圖6所示。通過GIS提供的距離計算功能，根據(jù)速報信息的震中位置可計算出離其最近的5個歷史地震，并在歷史地震速報目錄模塊中顯示。

3 實(shí)際地震速報震例測試

以2014年4月14日11點(diǎn)27分50秒發(fā)生在吉爾吉斯斯坦的M3.4級地震為例，如圖7所示。由于EQIM系統(tǒng)無法查詢到國外地震地名，如通過查詢紙質(zhì)地圖或者查詢歷史地震信息迅速判定地震所在地，會出現(xiàn)一定的時間延誤，而將震中位置直接輸入軟件地名查詢模塊，則可以較快確定該地震發(fā)生在吉爾吉斯斯坦。由于地圖數(shù)據(jù)由國家測繪局提供，故得到的地名信息對在一些國家交界區(qū)域發(fā)的地震，比人工判定或者通過Google地圖判定要更加準(zhǔn)確。

圖6 地震速報歷史地震分布圖Fig. 6 Distribution of historical earthquakes

圖7 吉爾吉斯斯坦M3.4級地震的EQIM系統(tǒng)界面Fig. 7 Interface of EQIM system about Kyrgyzstan M3.4 earthquake

以2015年5月30日19時23分在日本小笠原群島地區(qū)發(fā)生的M8.0級地震為例。該地震震中位置為北緯27.9°，東經(jīng)140.5°，震源深度690km。由于該地震為深震且震中位置并不在大陸上，對于速報值班員來說存在一定的難度，需要從震相、定位殘差等多方面進(jìn)行地震深度的判定。在對地震進(jìn)行人工交互后將定位結(jié)果輸入地名查詢模塊，查詢結(jié)果如圖7所示。根據(jù)歷史地震速報目錄，則可以迅速判定該地震發(fā)生在距離日本大陸邊界約180km處，從歷史地震速報情況來看，發(fā)生在2011年1月的M6.6級地震以及2010年11月的M6.5級地震均和該地震距離較近，地名為日本小笠原群島地區(qū)，通過雙擊歷史速報地震目錄所在行，可以將人工交互地震結(jié)果處理模塊中的地名信息替換為該行地震信息的地名，這樣在完成地名確定的時候避免了手動輸入地震地名出現(xiàn)錯誤或者復(fù)制出現(xiàn)亂碼的問題；從歷史地震的深度分布來看，可以迅速判定該區(qū)域發(fā)生的地震均為深震，深度均在400km以上，由此在幫助速報值班人員快速確定地震地名的同時還可輔助值班員對地震深度有較好的判定。

圖8 日本小笠原群島地區(qū)M8.0級地震查詢結(jié)果Fig. 8 Query results of Japan M8.0 earthquake in Ogasawara Islands Region of Japan

由于本系統(tǒng)缺乏海洋地圖數(shù)據(jù)，而目前國際上發(fā)生在海域的地震地名信息主要通過采用Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則給出，為了對本文研發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果的可靠性進(jìn)行判定，根據(jù)國際Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則對從2010年1月到2015年3月以來矩震級在7級以上的發(fā)生在海中的32個地震地名信息進(jìn)行了對比，結(jié)果如表1所示。其中歷史地震速報目錄結(jié)果基于震中距分別給出前3個查詢結(jié)果。從查詢結(jié)果來看，絕大部分地震地名信息和Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則給出的結(jié)果較一致，僅編號18、29號地名有些差別，由于歷史地震速報目錄結(jié)果經(jīng)過人工復(fù)核和確認(rèn)，在命名上更加符合我國地震速報的相關(guān)規(guī)定。同時，表1中編號3、4、13、14的地震系統(tǒng)查詢結(jié)果顯示發(fā)生在陸地上，采用表1中的經(jīng)緯度進(jìn)行復(fù)核后也確實(shí)發(fā)生在陸地上，說明Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則在區(qū)域邊界處理上的精度相對較低。

4 結(jié)論

（1）由于該系統(tǒng)專門根據(jù)國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)的相關(guān)協(xié)議和數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了數(shù)據(jù)接口的設(shè)定，并結(jié)合地震速報相關(guān)規(guī)定中對地名的要求以及地震速報中的實(shí)際需求，開發(fā)的地名查詢輔助系統(tǒng)，對于提高國家臺網(wǎng)地震速報的效率和準(zhǔn)確度可以發(fā)揮一定作用。

（2）本文采用的ArcGIS提供的COM組件技術(shù)，使得程序開發(fā)者不需要復(fù)雜的配置和開發(fā)環(huán)境，就可以進(jìn)行相關(guān)GIS功能的調(diào)用和實(shí)現(xiàn)，不需要對現(xiàn)有的地震速報系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行較大改動就可實(shí)現(xiàn)所開發(fā)程序并入國家臺網(wǎng)地震速報系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）由于缺乏海洋地圖數(shù)據(jù)，對于獲得落在海洋上的地震地名信息尚未實(shí)現(xiàn)，但通過歷史地震查詢模塊也提供了一定的輔助判定功能，通過與Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則的歷史地震結(jié)果對比，表明系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果的陸地海域的邊界精度上要高于Flinn-Engdahl命名準(zhǔn)則，歷史地震目錄的產(chǎn)出結(jié)果和實(shí)際地震地名信息有很大的匹配性。

陳曉輝，侯建民，劉瑞豐，2009.全國地震速報信息共享與服務(wù)系統(tǒng).地震地磁觀測與研究，30（3）：132—135.

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黃志斌，宋銳，顧小紅，薛峰，王永力，左如斌，黃金莉，鄭斯華. 2001. 國家數(shù)字化地震臺網(wǎng)中心的技術(shù)系統(tǒng). 地震，23（4）：7—11.

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Design and Implementation of Place Names Query System for China Earthquake Networks Center of Earthquake Fast Report Based on ArcGIS

Guo Kai， Hou Jianmin and Yan Enhui

（China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China）

Based on the actual work demands of the earthquake fast report in China Earthquake Networks Center，through the research on the related protocols and data interface for the real time processing system， the interactive analysis system and the Earthquake Instant Messenger exchange platform （EQIM system）， and combining with the relevant provisions of place names in earthquake fast report requirements， design a place name query system for the national network earthquake fast report， which can effectively improve the efficiency and accuracy for the national seismic earthquake fast report.

Earthquake fast report； Place name query； ArcGIS

地震行業(yè)科研專項(xiàng)“中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研”（201508007）、中國地震臺網(wǎng)中心青年基金“基于ArcGIS的國家臺網(wǎng)地震速報地名查詢輔助系統(tǒng)”（QNJJSQ-TWB-1401）和國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺項(xiàng)目（503130113）共同資助

2015-03-18

郭凱，男，生于1986年。工程師。主要從事地震監(jiān)測研究。E-mail：guokai@seis.ac.cn