趙曦 ?？?孫哲

基于WebGIS的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙曦 ?？?孫哲

趙曦，碩士，工程師，2009年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)于陜西省地震局地震應(yīng)急中心從事信息網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)急指揮系統(tǒng)的建設(shè)和研究工作；參與和承擔(dān)多個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目：省級(jí)信息化重點(diǎn)項(xiàng)目——地震安全公共信息服務(wù)系統(tǒng)，“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目——“陜西地震社會(huì)服務(wù)工程”，中國(guó)地震局地震專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施專(zhuān)項(xiàng)——“陜西地震信息支撐平臺(tái)項(xiàng)目”，地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“基于GIS的地震數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”等。

我國(guó)地震數(shù)字化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展迅速，數(shù)據(jù)資源也在快速增長(zhǎng)，地震數(shù)據(jù)資源已成為地震事業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用為特點(diǎn)的科研活動(dòng)也越來(lái)越多，地震數(shù)據(jù)資源建設(shè)和共享已取得了很好的發(fā)展。但與此同時(shí)也還存在著很多問(wèn)題，其中最顯著的問(wèn)題之一是數(shù)據(jù)服務(wù)能力低。這大大制約了地震科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)社會(huì)的效益發(fā)揮，成了迫切需要解決的問(wèn)題。

隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，基于GIS的應(yīng)用技術(shù)已在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，特別是其地圖可視化性能體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)越性及使用價(jià)值。在地震行業(yè),地震數(shù)據(jù)由于其較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性及抽象性，使得地震數(shù)據(jù)的服務(wù)始終難以在專(zhuān)業(yè)角度與易于公眾理解的角度之間取得良好的平衡，而GIS平臺(tái)所具備的地圖可視化功能，可以很好地將抽象的數(shù)據(jù)用圖形形象地展示出來(lái)，所以國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)都紛紛利用GIS技術(shù)建立地震數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)。在美國(guó)，由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)（IRIS）及哈佛大學(xué)地震研究組（DMC）三強(qiáng)聯(lián)手，共同提供全面、快速的基于Google Map的全球地震數(shù)據(jù)服務(wù)，包括連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)段、地震事件、波形數(shù)據(jù)、地震速報(bào)等。在國(guó)內(nèi)，也有許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究并取得了一定的應(yīng)用效果。可見(jiàn)將地震數(shù)據(jù)服務(wù)與GIS平臺(tái)相結(jié)合，無(wú)疑是一種值得考慮并極具價(jià)值與發(fā)展前景的方法。

本文利用WebGIS技術(shù)，闡述了基于ArcGIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建方案，論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵性問(wèn)題，并建立了基于WebGIS的陜西省地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了前兆、測(cè)震等多種地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的可視化查詢下載功能，為進(jìn)一步系統(tǒng)有效地加強(qiáng)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)共享提供了很好的借鑒。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.需求分析

陜西省地震局目前收集并存儲(chǔ)全省的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括陜西省前兆臺(tái)網(wǎng)從1972年以來(lái)至今共36個(gè)臺(tái)站的電磁、流體、形變、重力的觀測(cè)數(shù)據(jù)，1980年至今的陜西臺(tái)網(wǎng)地震目錄、震相數(shù)據(jù)和相應(yīng)的事件波形圖，1970年至今的全國(guó)地震目錄，以及公元元年至1969年中國(guó)及鄰近區(qū)域5級(jí)以上的大震目錄。

基于陜西省的數(shù)據(jù)共享需求與數(shù)據(jù)產(chǎn)出特點(diǎn)，陜西省地震局建立了“陜西省地震數(shù)據(jù)服務(wù)中心”網(wǎng)站，網(wǎng)站初步實(shí)現(xiàn)了測(cè)震數(shù)據(jù)、前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)的在線共享服務(wù)。但在實(shí)際的使用中，該網(wǎng)站也反映出許多問(wèn)題，如地震觀測(cè)數(shù)據(jù)大多以列表和圖片形式提供服務(wù)，用戶界面過(guò)于專(zhuān)業(yè)化，數(shù)據(jù)服務(wù)的直觀性與實(shí)用性有所欠缺，數(shù)據(jù)服務(wù)類(lèi)型有較強(qiáng)的局限性等。筆者在對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行梳理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有GIS發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計(jì)了基于WebGIS的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

①要具有地圖訪問(wèn)功能，能夠充分體現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的時(shí)空特性。

②要求前兆、測(cè)震及GPS等地震數(shù)據(jù)能夠在同一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行查看；并且具有可擴(kuò)展能力，以便日后其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)的加載。

③要求數(shù)據(jù)完整全面，能夠?qū)τ^測(cè)儀器、觀測(cè)環(huán)境等進(jìn)行查看，以便對(duì)數(shù)據(jù)有更深入的了解。

2.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)的易用性、高效性及可擴(kuò)展性，基于SOA設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)采用三層B/S體系架構(gòu)，這種架構(gòu)保證了數(shù)據(jù)服務(wù)的快速與準(zhǔn)確。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由下至上分為三層，依次為數(shù)據(jù)層（Data Access Layer，DAL）、業(yè)務(wù)邏輯層（Business Logic Layer，BLL）和表現(xiàn)層（User Interface，UI）。

數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)，包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)等；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)接收用戶請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求從數(shù)據(jù)層相應(yīng)的數(shù)據(jù)表或文件中提取數(shù)據(jù)并加工，將結(jié)果返回給表現(xiàn)層；表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)直接交互的窗口，負(fù)責(zé)包裝數(shù)據(jù)，以用戶能夠接受的方式將數(shù)據(jù)展示給用戶。

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)層使用ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)；使用FTP服務(wù)器存儲(chǔ)測(cè)震波形文件及大量的相關(guān)圖片。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

業(yè)務(wù)邏輯層選用ESRI公司的ArcGIS Server作為GIS應(yīng)用服務(wù)器，通過(guò)直接鏈接的方式將空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)集按設(shè)計(jì)的專(zhuān)題圖要求制作成地圖服務(wù)定義文件（Map Service Definition，MSD），并通過(guò)ArcCatalog以相應(yīng)的服務(wù)類(lèi)型發(fā)布到GIS服務(wù)器；使用tomcat 6.0作為WEB服務(wù)器，并通過(guò)WebService來(lái)實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)層與WEB服務(wù)器之間的通信。

表現(xiàn)層使用FlexViewer框架來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3.支撐地圖設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)，地圖是其重要的支撐，需要一套不涉密地圖數(shù)據(jù)，以支撐數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行，這套地圖必須具備以下條件：符合國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布地圖的規(guī)定，不涉及保密問(wèn)題；要包含陜西省內(nèi)大比例尺地圖以及全國(guó)范圍中大比例尺地圖；要能夠保證訪問(wèn)的可靠性和穩(wěn)定性，尤其在發(fā)生地震時(shí)，要保證能夠正常訪問(wèn)。根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)采用天地圖作為系統(tǒng)的地圖支撐，“天地圖”是國(guó)家測(cè)繪地理信息局建設(shè)的地理信息綜合服務(wù)平臺(tái)，“天地圖”區(qū)別于其他地圖服務(wù)的關(guān)鍵在于可將地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在用戶端的專(zhuān)用服務(wù)器內(nèi)，由該服務(wù)器來(lái)提供地圖服務(wù)。也就是說(shuō)，可以采用本地部署、遠(yuǎn)程維護(hù)的管理模式，即將天地圖服務(wù)器部署于陜西省地震局機(jī)房?jī)?nèi)，數(shù)據(jù)服務(wù)等應(yīng)用通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行地圖的調(diào)用，而陜西省測(cè)繪局通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程對(duì)服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)并更新數(shù)據(jù)。

圖2 天地圖應(yīng)用模式

針對(duì)天地圖的特點(diǎn)，本系統(tǒng)實(shí)行日常模式和應(yīng)急模式兩種模式管理（見(jiàn)圖2）。在日常模式下，數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)為所有網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)，用戶能夠查看全國(guó)地圖；應(yīng)急模式下，互聯(lián)網(wǎng)不通，數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)只為地震局內(nèi)部用戶提供服務(wù)，并且只提供陜西省內(nèi)及周邊一定范圍內(nèi)的地圖。保證了系統(tǒng)的可用性和安全性，同時(shí)又保證了系統(tǒng)的訪問(wèn)速度。

4.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)陜西省地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及用戶需求，地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)分為前兆觀測(cè)、測(cè)震觀測(cè)、強(qiáng)震觀測(cè)、GPS觀測(cè)4大模塊。

前兆觀測(cè)模塊功能及流程設(shè)計(jì)如下：首先列出前兆所有觀測(cè)類(lèi)別，如地磁、地電、重力等，根據(jù)所選觀測(cè)類(lèi)別，在地圖上標(biāo)繪包含該觀測(cè)類(lèi)別的臺(tái)站。然后根據(jù)選擇臺(tái)站，顯示臺(tái)站信息，包括臺(tái)站基本信息、儀器信息、臺(tái)站照片等。最后通過(guò)臺(tái)站——學(xué)科——測(cè)項(xiàng)——儀器——測(cè)項(xiàng)分量的選擇來(lái)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。同時(shí)可下載相關(guān)的臺(tái)站信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)。

測(cè)震數(shù)據(jù)服務(wù)模塊包含測(cè)震臺(tái)站及測(cè)震數(shù)據(jù)。測(cè)震臺(tái)站通過(guò)臺(tái)站地區(qū)、運(yùn)行狀態(tài)、臺(tái)站臺(tái)基等篩選條件進(jìn)行篩選，在地圖上標(biāo)繪臺(tái)站，然后根據(jù)選擇臺(tái)站，顯示臺(tái)站信息，包括臺(tái)站基本信息、儀器信息等，通過(guò)文字信息及圖片進(jìn)行展示；測(cè)震數(shù)據(jù)包括省內(nèi)臺(tái)網(wǎng)目錄、全國(guó)臺(tái)網(wǎng)目錄及歷史大震目錄，根據(jù)選擇目錄在地圖上進(jìn)行標(biāo)繪，并通過(guò)顏色及大小區(qū)分地震震級(jí)大小和發(fā)震時(shí)間，然后通過(guò)選中目錄查看震相報(bào)告及地震波形。

強(qiáng)震觀測(cè)和GPS觀測(cè)模塊本次沒(méi)有涉及，只在系統(tǒng)中預(yù)留了開(kāi)發(fā)接口，方便日后的開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1. FlexViewer框架應(yīng)用

本系統(tǒng)的表現(xiàn)層是利用FlexViewer搭建的，F(xiàn)lexViewer是由ESRI公司推出的基于Web的Flex應(yīng)用框架，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)簡(jiǎn)單配置文件即可快速搭建一個(gè)以地圖服務(wù)為目的的富客戶端（RIA）應(yīng)用。

使用FlexViewer框架極大簡(jiǎn)化了在系統(tǒng)總體風(fēng)格、樣式及配置上的花費(fèi)，使開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)能夠放在前兆、測(cè)震數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)處理上，并且為系統(tǒng)的擴(kuò)展和二次開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.模塊開(kāi)發(fā)

在整個(gè)系統(tǒng)中，模塊開(kāi)發(fā)是重中之重，所有與業(yè)務(wù)相關(guān)的功能、邏輯都是在模塊中實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中，主要涉及前兆模塊和測(cè)震模塊的開(kāi)發(fā)。

圖3 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)功能圖

（1）前兆模塊開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)的前兆數(shù)據(jù)服務(wù)是提供觀測(cè)數(shù)據(jù)的列表，需要用戶下載后利用軟件打開(kāi)，這樣不僅直觀性差，并且可用性低。為了提高前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的直觀性和可用性，本系統(tǒng)通過(guò)二維曲線圖來(lái)動(dòng)態(tài)展示前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)，用戶在下載使用前可先直觀地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。同時(shí)，為了能夠更好地理解數(shù)據(jù)，還能夠?qū)⒍鄠€(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)放在同一個(gè)坐標(biāo)軸內(nèi)展示，對(duì)比分析某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化。

同時(shí)，前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，為了能夠提高響應(yīng)速度和系統(tǒng)效率，在查看觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，限制取值范圍顯得尤其重要。否則當(dāng)加載數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，會(huì)對(duì)服務(wù)端造成很大的壓力。所以在本系統(tǒng)中，根據(jù)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣率（秒采樣、分采樣、時(shí)采樣、日采樣）分別設(shè)置了取值的時(shí)間限制，見(jiàn)表1。

表1 前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示范圍

（2）測(cè)震模塊開(kāi)發(fā)

在測(cè)震模塊開(kāi)發(fā)時(shí)，必須要解決的一個(gè)問(wèn)題就是大規(guī)模地震目錄的高效率標(biāo)繪。陜西省測(cè)震數(shù)據(jù)包括省內(nèi)臺(tái)網(wǎng)目錄、全國(guó)臺(tái)網(wǎng)目錄及歷史大震目錄。目前省臺(tái)網(wǎng)地震目錄有記錄26450條，全國(guó)臺(tái)網(wǎng)目錄有記錄440438條，歷史大震目錄有記錄2834條。這些數(shù)據(jù)要在地圖上動(dòng)態(tài)標(biāo)繪渲染，將會(huì)極大地消耗客戶端的系統(tǒng)資源，并且會(huì)導(dǎo)致瀏覽器發(fā)生卡頓、假死等情況。

對(duì)于這種情況，通常使用arcgis的Cluster集群技術(shù)加以解決。Cluster是用點(diǎn)符號(hào)的形式顯示一個(gè)Cluster數(shù)值，點(diǎn)開(kāi)這個(gè)Cluster就會(huì)將包含的數(shù)值的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。Cluster能夠解決部分需求并兼顧效率，但卻并不適用于地震目錄的顯示，通常用戶查看地震目錄時(shí)希望能夠看到所有數(shù)據(jù)，通過(guò)其分布情況做進(jìn)一步的分析工作，而使用Cluster顯然不能滿足用戶的需求。

考慮到瀏覽器性能和用戶體驗(yàn)，本系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)標(biāo)繪加服務(wù)的模式進(jìn)行展示。對(duì)不常更新的全國(guó)臺(tái)網(wǎng)目錄和歷史大震目錄使用GIS服務(wù)進(jìn)行展示；對(duì)實(shí)時(shí)更新的省內(nèi)臺(tái)網(wǎng)目錄使用動(dòng)態(tài)標(biāo)繪進(jìn)行展示。這樣既減少了地圖標(biāo)繪的點(diǎn)的數(shù)量，又能夠滿足用戶查看所有數(shù)據(jù)的需求，同時(shí)兼顧了需求和效率。

3.數(shù)據(jù)交換

Flex應(yīng)用程序不能直接鏈接到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，需要使用Web語(yǔ)言（PHP、ColdFusion、Java或任何其他服務(wù)器端Web技術(shù)）編寫(xiě)的數(shù)據(jù)服務(wù)鏈接到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，怎樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換是本系統(tǒng)必須要解決的問(wèn)題。

WebService能使運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無(wú)須借助附加的、專(zhuān)門(mén)的第三方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。依據(jù)WebService的實(shí)施規(guī)范，無(wú)論它們所使用的語(yǔ)言、平臺(tái)或內(nèi)部協(xié)議是什么，都可以相互交換數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，利用Java開(kāi)發(fā)基于http協(xié)議的WebService來(lái)進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面與后臺(tái)數(shù)據(jù)的通信。

系統(tǒng)應(yīng)用效果及總結(jié)

1.系統(tǒng)應(yīng)用

目前，基于WebGIS的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)已正式在陜西省地震局部署應(yīng)用。系統(tǒng)完成了前兆、測(cè)震數(shù)據(jù)模塊的開(kāi)發(fā)，并為其他地震觀測(cè)數(shù)據(jù)如強(qiáng)震、GPS等預(yù)留了接口。

（1）臺(tái)站信息查看

本系統(tǒng)能夠通過(guò)多種篩選條件，將符合條件的臺(tái)站顯示在地圖上。同時(shí)，能夠查看某個(gè)臺(tái)站的詳細(xì)信息，包括臺(tái)站名稱(chēng)、地址、臺(tái)基類(lèi)型、臺(tái)站環(huán)境以及臺(tái)站照片等等。

（2）地震事件波形查看

本系統(tǒng)能夠查看某次地震事件的波形，通過(guò)列表和地圖顯示記錄到該次地震的所有臺(tái)站，選擇某個(gè)臺(tái)站時(shí)能夠查看該臺(tái)站距震中的距離和該臺(tái)站記錄到的波形圖。

（3）前兆數(shù)據(jù)查看

本系統(tǒng)能夠通過(guò)學(xué)科—測(cè)項(xiàng)—儀器—測(cè)點(diǎn)編碼—測(cè)項(xiàng)分量的選擇來(lái)查看前兆數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線圖來(lái)展示，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的查看，并提供數(shù)據(jù)下載功能。

2.總結(jié)

將GIS應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式單一、可用性差、專(zhuān)業(yè)需求高的缺陷。以WebGIS的方式開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供基于地圖的各種地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)，這種方式具有一定的通用性，并且對(duì)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)共享及管理起到積極作用。

2016年中國(guó)十大自然災(zāi)害事件（二）

06第1號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”

07第17號(hào)臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”

096月中旬新疆洪澇風(fēng)雹災(zāi)害

086月上中旬西南地區(qū)東部至黃淮洪澇風(fēng)雹災(zāi)害

10福建泰寧縣重大泥石流災(zāi)害

（資料來(lái)源：國(guó)家減災(zāi)委員會(huì)網(wǎng)站）