高　洋　閔照旭　顏其中（云南省地震局，昆明 650224）

地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維交互式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)1

高洋閔照旭顏其中
（云南省地震局，昆明 650224）

高洋，閔照旭，顏其中，2016.地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維交互式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā).震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：412—419. doi：10.11899/zzfy20160225

隨著中國(guó)地震局“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的完成，云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的日常地震監(jiān)測(cè)工作都基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)未與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有效結(jié)合。本文結(jié)合“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，運(yùn)用三維數(shù)據(jù)可視化、交互式圖形界面技術(shù)開(kāi)發(fā)了可實(shí)時(shí)顯示三維地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的軟件系統(tǒng)，改變了原有顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可操作性差和無(wú)法顯示地震數(shù)據(jù)三維空間信息及時(shí)空變化關(guān)系的狀況。

地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維數(shù)據(jù)可視化交互式圖形界面

引言

在科學(xué)研究領(lǐng)域中，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及理論計(jì)算等科研工作都將產(chǎn)生大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。如何有效地使用和解釋這些觀測(cè)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果已成為科學(xué)工作者所關(guān)注的熱點(diǎn)。通過(guò)直觀的視覺(jué)方式描述和認(rèn)識(shí)科學(xué)數(shù)據(jù)是研究人員易于接受的數(shù)據(jù)解釋手段（唐澤圣等，1999），因此將科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果以可視化方式呈現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

地震監(jiān)測(cè)作為一項(xiàng)兼具觀測(cè)性和理論性的工作，在日常監(jiān)測(cè)工作中將產(chǎn)生大量的觀測(cè)和處理數(shù)據(jù)，地震監(jiān)測(cè)工作者和科研人員同樣需要合適的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，對(duì)觀測(cè)和計(jì)算得到的各類(lèi)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和解釋分析。就云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的情況而言，一直以來(lái)所使用的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)多是以二維靜態(tài)的圖形圖像來(lái)描述地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間位置和屬性。然而，地震監(jiān)測(cè)工作產(chǎn)出的觀測(cè)和計(jì)算數(shù)據(jù)多為三維離散數(shù)據(jù)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的二維顯示解釋方式無(wú)法描述地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維空間信息，存在數(shù)據(jù)顯示解釋效率低、無(wú)法充分利用三維數(shù)據(jù)信息、顯示視野受限制、顯示內(nèi)容單一、交互操作性差等問(wèn)題（高級(jí)等，2008）。隨著“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的完成，云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的日常地震監(jiān)測(cè)工作都基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的傳輸、處理以及存儲(chǔ)方式較以往有了較大改變，臺(tái)網(wǎng)地震數(shù)據(jù)信息的管理維護(hù)都是以“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)尚無(wú)法與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有效結(jié)合，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)定位結(jié)果和自動(dòng)定位程序定位結(jié)果等地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏合適的實(shí)時(shí)顯示工具。

綜合以上因素，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)三維可視化功能，具有實(shí)時(shí)性及可操作性強(qiáng)的地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)成為當(dāng)前云南省地震監(jiān)測(cè)工作的迫切需求。我國(guó)在地學(xué)數(shù)據(jù)三維可視化顯示系統(tǒng)軟件研制方面尚屬于起步階段（顏輝武等，2005）。本文結(jié)合云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)地球科學(xué)數(shù)據(jù)三維可視化交互理論、技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上利用TCL/TK腳本語(yǔ)言、C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與Kitware Inc.公司的三維可視化工具包VTK （The Visualization Toolkit），在地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化顯示系統(tǒng)軟件研制方面做出了嘗試，開(kāi)發(fā)了與“十五”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的能夠三維顯示地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互式顯示系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)內(nèi)容

固體地球物理三維數(shù)據(jù)模型和可視化應(yīng)用技術(shù)是21世紀(jì)具有開(kāi)拓性的前沿研究領(lǐng)域（戴廣宏，1997）。地震監(jiān)測(cè)研究工作由目前的監(jiān)測(cè)、描述評(píng)估向未來(lái)的模型預(yù)報(bào)和決策支持系統(tǒng)發(fā)展，即對(duì)以數(shù)據(jù)為主的資料和信息進(jìn)行合成和分析，進(jìn)而給出三維可視的圖形圖像，以供分析和決策（高洋等，2004）。為緊跟國(guó)際科學(xué)前沿，結(jié)合測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際工作需求，著眼未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，筆者開(kāi)始了地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維交互式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容主要包括了基本數(shù)據(jù)信息資料準(zhǔn)備、系統(tǒng)功能分析和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以及顯示系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)及功能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面。

首先收集整理了顯示系統(tǒng)所使用的地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如臺(tái)站參數(shù)、臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)速報(bào)控制線(xiàn)參數(shù)、臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)地形參數(shù)、斷層參數(shù)以及行政區(qū)劃界線(xiàn)參數(shù)等云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)基本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)開(kāi)發(fā)工具和功能需求，對(duì)包括地震定位結(jié)果在內(nèi)的地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料的格式、范圍進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

然后對(duì)顯示系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。顯示系統(tǒng)主要包括實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)合、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示、圖像結(jié)果輸出以及顯示系統(tǒng)交互式操作等基本功能。顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿(mǎn)足現(xiàn)階段臺(tái)網(wǎng)缺少地震定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示軟件的需求，增加地震定位結(jié)果的顯示度，為云南省地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮工作提供直觀的三維可視化顯示工具。

最后通過(guò)程序開(kāi)發(fā)工作實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)信息的三維交互顯示功能，增加顯示系統(tǒng)的顯示信息；完成顯示系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)接口程序，實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)與“十五”測(cè)震項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)合，能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀??；實(shí)現(xiàn)地震定位結(jié)果三維顯示功能，通過(guò)多種方式表現(xiàn)地震定位結(jié)果的各種屬性；實(shí)現(xiàn)序列地震定位結(jié)果動(dòng)態(tài)三維顯示功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)演示功能表現(xiàn)序列地震時(shí)空關(guān)系變化；實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)圖像結(jié)果實(shí)時(shí)輸出功能；開(kāi)發(fā)完善可交互式操作的圖形界面（GUI）；整合圖形操作界面與各數(shù)據(jù)顯示功能模塊，完成顯示系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。

2　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)

云南省“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目建設(shè)完成后，臺(tái)網(wǎng)在硬件能力方面等到了顯著的提高。在“十五”項(xiàng)目期間，更新了大量服務(wù)器、高性能處理機(jī)以及大屏幕顯示器等硬件設(shè)備；軟件方面則引入了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，改變了以往數(shù)據(jù)的讀取存儲(chǔ)方式。臺(tái)網(wǎng)軟硬件方面的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)提出了新的要求，同時(shí)也成為新顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。結(jié)合現(xiàn)有軟硬件條件及顯示系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)采用了以下技術(shù)方法開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

2.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境

現(xiàn)階段，云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的日常地震監(jiān)測(cè)工作都基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的傳輸、處理以及存儲(chǔ)方式都較以往有了較大改變，開(kāi)始依托于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。如測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震數(shù)據(jù)信息的管理維護(hù)是以“十五”項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，此數(shù)據(jù)庫(kù)為基于LINUX操作系統(tǒng)的MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；而臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)信息發(fā)布系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)信息則是以EQIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)。在日常工作中，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)人員所使用的操作系統(tǒng)包括SCO UNIX、SUSE LINUX以及Windows XP等，顯示系統(tǒng)客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用了臺(tái)網(wǎng)工作人員更為熟悉的為Windows XP操作系統(tǒng)。為使顯示系統(tǒng)能夠方便地進(jìn)行跨平臺(tái)移植、與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)操作以及系統(tǒng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)與結(jié)合，選擇TCL/TK腳本語(yǔ)言、VTK（Visualization ToolKit）可視化工具包以及C++等語(yǔ)言工具進(jìn)行顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架圖Fig.1　The diagram of system frame

2.2系統(tǒng)圖形交互界面開(kāi)發(fā)

根據(jù)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)軟硬件條件相關(guān)工作要求，完成對(duì)地震數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)基本功能的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)為依據(jù)，使用TCL/TK腳本語(yǔ)言對(duì)圖形操作界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)，建立具有參數(shù)修改、功能實(shí)現(xiàn)以及可交互式操作的圖形界面。

TCL/TK語(yǔ)言誕生于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為一種成熟穩(wěn)定、功能多樣、擴(kuò)展性強(qiáng)的可嵌入式腳本語(yǔ)言，其中TCL是Tool Command Language的縮寫(xiě)，而TK是一個(gè)X window的工具包，是TCL語(yǔ)言在X Window系統(tǒng)中的應(yīng)用（John等，2010）。選擇TCL/TK語(yǔ)言作為顯示系統(tǒng)圖形交互界面的開(kāi)發(fā)工具是因其具有以下優(yōu)點(diǎn)：TCL腳本語(yǔ)言和TK工具包為在X Window系統(tǒng)中創(chuàng)建圖形用戶(hù)界面提供了強(qiáng)大便捷的編程環(huán)境；良好的延伸、嵌入和集成性使TCL語(yǔ)言能夠同C++、JAVA等語(yǔ)言協(xié)同工作，這十分有利于顯示系統(tǒng)三維顯示模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊的開(kāi)發(fā)；優(yōu)秀的兼容性使TCL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以在UNIX、LINUX以及Windows等多種操作系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行，這也符合臺(tái)網(wǎng)當(dāng)前多操作系統(tǒng)并行使用的要求；TCL語(yǔ)言作為開(kāi)源工具，其免費(fèi)使用、開(kāi)發(fā)快捷、易于部署等特點(diǎn)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.3系統(tǒng)三維顯示模塊開(kāi)發(fā)

科學(xué)數(shù)據(jù)可視化的實(shí)質(zhì)是將科學(xué)觀測(cè)、計(jì)算中得到的過(guò)程及結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的過(guò)程（唐澤圣等，1999）。為了實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息三維可視化功能，采用了VTK（Visualization ToolKit）可視化工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化編程的工作。VTK是美國(guó)Kitware公司開(kāi)發(fā)的一套可以用于進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)圖形圖像處理以及可視化的C++類(lèi)庫(kù)，其中包含了許多優(yōu)秀的圖像處理和圖形生成算法，封裝了大量可以直接使用的類(lèi)和庫(kù)函數(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行各種變換和操作，具有開(kāi)源、可移植、面向?qū)ο蟮膬?yōu)點(diǎn)，并且能夠在C++、TCL、Java、Python等語(yǔ)言環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維圖形可視化、圖像處理及相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)（William等，2000）。

圖2　VTK的框架結(jié)構(gòu)Fig.2　The framework of VTK

用VTK工具包來(lái)生成圖形和進(jìn)行可視化應(yīng)用十分便捷。首先，采用數(shù)據(jù)流水線(xiàn)（Data Pipeline）機(jī)制來(lái)處理數(shù)據(jù)；其次，建立適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)圖形對(duì)象來(lái)顯示數(shù)據(jù)。如圖2所示，可以根據(jù)需要建立自己的可視化流程。vtkObject是VTK類(lèi)庫(kù)的基類(lèi)，它為整個(gè)可視化流程提供基本方法；vtkSource是vtkObject的派生類(lèi)和vtkFilter的父類(lèi)，它為整個(gè)可視化流程定義具體的行為和接口，vtkFilter是vtkSource的派生類(lèi)，它接收數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以直接用某種算法模塊進(jìn)行處理的類(lèi)型；vtkMapper是所有Mappers的基類(lèi)，從Filter接受數(shù)據(jù)，將經(jīng)過(guò)各種Filter處理后的應(yīng)用數(shù)據(jù)映射為幾何數(shù)據(jù)，為原始數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)之間定義接口；vtkActor類(lèi)用來(lái)表達(dá)繪制場(chǎng)景中的一個(gè)實(shí)體，將幾何數(shù)據(jù)的屬性告訴繪制對(duì)象，最后用vtkRender類(lèi)顯示圖像結(jié)果，最終完成一次數(shù)據(jù)可視化的處理過(guò)程（蘇智劍等，2010）。

VTK工具包所具有的功能及優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)據(jù)顯示模塊功能的實(shí)現(xiàn)及與操作界面的結(jié)合提供了可靠的保證。因此，采用此工具包對(duì)顯示系統(tǒng)中三維顯示模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)顯示三維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及包含時(shí)空關(guān)系的地震數(shù)據(jù)信息的功能。

2.4系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口模塊開(kāi)發(fā)

完成顯示系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)和測(cè)震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口模塊程序是實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的關(guān)鍵。系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)以被動(dòng)方式實(shí)時(shí)接收臺(tái)網(wǎng)速報(bào)系統(tǒng)的地震定位速報(bào)結(jié)果，以主動(dòng)方式對(duì)地震自動(dòng)定位結(jié)果、速報(bào)目錄以及正式地震目錄等數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)查詢(xún)，并將查詢(xún)結(jié)果轉(zhuǎn)換為顯示系統(tǒng)所需格式，以主動(dòng)及交互的方式發(fā)送至顯示系統(tǒng)。C++語(yǔ)言作為幾大主流編程語(yǔ)言之一，具有開(kāi)發(fā)便捷、性能穩(wěn)定高效、功能全面、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，TCL語(yǔ)言對(duì)C++語(yǔ)言具有良好的支持，這一特點(diǎn)使得利用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口模塊能夠與顯示系統(tǒng)其它模塊協(xié)同工作、充分結(jié)合。因此，可利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)顯示系統(tǒng)與MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及臺(tái)網(wǎng)速報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口模塊，完成顯示系統(tǒng)對(duì)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取、傳輸、轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)操作。

3　系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

顯示系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿(mǎn)足現(xiàn)階段云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)缺少臺(tái)網(wǎng)基本數(shù)據(jù)信息及地震定位速報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示軟件的需求，增加測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的顯示度。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)與“十五”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和速報(bào)系統(tǒng)的結(jié)合、完成地震定位速報(bào)結(jié)果的實(shí)時(shí)三維顯示、實(shí)現(xiàn)地震序列動(dòng)態(tài)三維顯示以體現(xiàn)其時(shí)空關(guān)系、輸出顯示結(jié)果圖像以及顯示系統(tǒng)交互式操作等基本功能。

按照顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及開(kāi)發(fā)規(guī)劃，筆者利用TCL/TK語(yǔ)言、VTK工具包及C++語(yǔ)言完成了云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維交互式實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并以應(yīng)用軟件的形式提供給臺(tái)網(wǎng)工作人員使用。

3.1顯示系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面

顯示系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面是臺(tái)網(wǎng)工作人員及科研工作者直接面對(duì)的操作界面，作為顯示系統(tǒng)的客戶(hù)端將向用戶(hù)提供圖像數(shù)據(jù)顯示及交互式操作的功能。如圖3所示，圖形用戶(hù)界面主要分為三個(gè)功能區(qū)域。界面左側(cè)為圖像顯示窗口，此窗口是顯示系統(tǒng)的主要顯示功能區(qū)域，包括臺(tái)站分布、監(jiān)測(cè)速報(bào)控制線(xiàn)、監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)三維地形、斷層信息以及行政區(qū)劃界線(xiàn)等基本數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收的地震定位速報(bào)結(jié)果及從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)得到的歷史地震目錄信息都將以三維可視化圖像方式在此窗口顯示。界面右上部分為功能按鈕區(qū)域，此區(qū)域整合了數(shù)據(jù)接口、圖像輸出存儲(chǔ)及部分基礎(chǔ)功能模塊，為用戶(hù)提供了對(duì)顯示系統(tǒng)進(jìn)行操作的各種功能按鈕，如實(shí)時(shí)監(jiān)控選項(xiàng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯示選項(xiàng)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、地震序列動(dòng)態(tài)演示、顯示結(jié)果圖像輸出等。用戶(hù)可以根據(jù)需求對(duì)顯示系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。界面右下列表區(qū)域?yàn)榈卣鹉夸浶畔⒘斜?，此列表提供顯示窗口中實(shí)時(shí)發(fā)生的地震及通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)得到的歷史地震的地震目錄信息。圖形用戶(hù)界面整合了顯示窗口、用戶(hù)操作界面及其他功能模塊，使顯示系統(tǒng)各功能模塊成為一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。

圖3　顯示系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面Fig.3　The graphical user interface of display system

3.2顯示系統(tǒng)的交互式操作

一直以來(lái)，云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)所使用的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)多是以二維靜態(tài)的圖形圖像來(lái)描述地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間位置和屬性，無(wú)法描述地震數(shù)據(jù)的三維空間信息，顯示內(nèi)容單一、缺乏可操作性。本系統(tǒng)基于三維數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)了地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間位置和屬性的三維可視化圖像顯示，而數(shù)據(jù)三維可視化顯示的一個(gè)重要特征就是可進(jìn)行交互式操作。如前文所述，可以通過(guò)圖形用戶(hù)界面中的功能按鈕對(duì)顯示窗口中部分顯示對(duì)象進(jìn)行選擇性操作，實(shí)現(xiàn)責(zé)任區(qū)內(nèi)三維地形、斷層、監(jiān)控范圍的交互顯示功能，如圖4（a）所示。通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)顯示窗口中圖形顯示對(duì)象的操作，則是顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)重要交互式操作功能。在顯示窗口中，用戶(hù)能夠利用此功能對(duì)三維圖像場(chǎng)景進(jìn)行整體的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，此交互操作功能使用戶(hù)能夠通過(guò)不同視角顯示和觀察三維數(shù)據(jù)對(duì)象，如圖4（b）所示。

圖4　顯示系統(tǒng)功能Fig.4　The function of displayment system

3.3地震序列時(shí)空特征的動(dòng)態(tài)顯示

地震的發(fā)生，在時(shí)間上一般呈一個(gè)序列，在空間上往往成一個(gè)簇或一個(gè)帶。這樣一個(gè)地震序列必然存在著某種關(guān)系。這種關(guān)系可能是復(fù)雜的，對(duì)這種關(guān)系的認(rèn)識(shí)也許是多方法、多途徑的。但是至少有一種方法是最直接的，即序列地震震源參數(shù)的三維成像。成像的結(jié)果至少能夠揭示地震序列或地震簇中地震事件在時(shí)間和空間上的相互關(guān)系（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007）。根據(jù)功能設(shè)計(jì)，顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了序列地震震源參數(shù)的三維動(dòng)態(tài)顯示功能。用戶(hù)可以利用顯示系統(tǒng)查詢(xún)“十五”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取歷史地震序列的地震震源參數(shù)信息，通過(guò)點(diǎn)擊PLAY功能按鈕對(duì)序列地震震源參數(shù)按時(shí)間順序進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)演示，結(jié)合對(duì)顯示窗口中三維圖像場(chǎng)景的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等交互操作，用戶(hù)可以直觀觀察地震序列的時(shí)空關(guān)系特征，此三維動(dòng)態(tài)顯示功能對(duì)研究認(rèn)識(shí)地震的孕育與發(fā)生過(guò)程具有重要意義。以下是實(shí)現(xiàn)序列地震震源參數(shù)三維動(dòng)態(tài)顯示的部分代碼內(nèi)容：

近年來(lái)云南省及相鄰地區(qū)發(fā)生了多次破壞性地震，直觀體現(xiàn)地震事件時(shí)空關(guān)系成為云南省地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮工作的迫切需求。該顯示系統(tǒng)能夠?qū)π蛄械卣鹫鹪吹臅r(shí)空信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維顯示，基本實(shí)現(xiàn)了此應(yīng)用需求的功能目標(biāo)。

4　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)云南省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的軟硬件環(huán)境及自身應(yīng)用需求，筆者利用TCL/TK腳本語(yǔ)言、C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與VTK三維可視化工具包，開(kāi)發(fā)了與“十五”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合并能夠三維顯示地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互式顯示系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了功能設(shè)計(jì)目標(biāo)。顯示系統(tǒng)界面友好，使用方便，操作性強(qiáng)，在實(shí)際工作中取得了較好的效果。同時(shí)，該系統(tǒng)的部分功能仍需進(jìn)一步完善，如系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢(xún)功能較單一，沒(méi)有提供更為個(gè)性化的查詢(xún)選擇；系統(tǒng)的顯示輸出存儲(chǔ)產(chǎn)品現(xiàn)階段僅有圖片形式，根據(jù)用戶(hù)需求，提供視頻輸出存儲(chǔ)是今后需要完善的方面。三維可視化技術(shù)是科學(xué)數(shù)據(jù)可視化未來(lái)發(fā)展的方向，地球科學(xué)領(lǐng)域同樣迫切需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)顯示技術(shù)。本研究所做工作，在地學(xué)數(shù)據(jù)三維可視化顯示系統(tǒng)軟件研制方面做出了嘗試。

戴廣宏，1997.科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究與應(yīng)用.地球物理學(xué)進(jìn)展，12（1）：108—112.

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Development of 3D Interactive Real-time Display System for Seismic Monitoring Data

Gao Yang，Min Zhaoxu and Yan Qizhong
（Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，China）

During the tenth“Five-year Plan”period，the China Earthquake Administration finished the network project.The daily routine work of Yunnan Digital Seismic Network are based on network database，but the existing display systems of YNDSN are not support the network database and can not display 3D data.Basing on the network database of the tenth“Five-year Plan”project，we develop the 3D interactive real-time display system for seismic monitoring data with the technology of 3D data visualization and interactive GUI.The system has high real-time capability and operability.It can improve the data display level of YNDSN.

Seismic monitoring data；3D data visualization；Interactive GUI

中國(guó)地震局2015年度測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專(zhuān)項(xiàng)（20150425）

2015-07-28

高洋，男，生于1980年。工程師?，F(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)和地震學(xué)研究工作。Email：dafang222@sina.com