鄭通彥 文鑫濤 李華玥 林向洋

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

地震發(fā)生后，地震應(yīng)急工作基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場信息，迅速判斷地震規(guī)模、影響范圍等，并提出科學(xué)救災(zāi)方案和調(diào)度方案，協(xié)助指揮人員實(shí)施各種救災(zāi)行為，實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)急信息快速傳遞、高效處理，提高應(yīng)急救災(zāi)指揮與決策技術(shù)水平，最大限度減少震時混亂和人員傷亡。其中，地震信息是抗震救災(zāi)指揮決策的重要依據(jù)，準(zhǔn)確完備、表達(dá)清晰的信息是做出具有針對性救災(zāi)決策和救援行動的前提條件。人眼是一個高帶寬的巨量視覺信號輸入并行處理器，對可視符號的感知速度比對數(shù)字或文本快多個數(shù)量級，對地震信息進(jìn)行可視化處理是未來地震應(yīng)急產(chǎn)品的重要組成部分和發(fā)展方向(聶高眾等，2002、2012；帥向華等，2009；宋建功等，2017；姚迪，2017)。

為了更好地服務(wù)于震后指揮決策、公眾以及自媒體時代的信息可視化需求，本文在當(dāng)前地震應(yīng)急信息服務(wù)主要產(chǎn)出的基礎(chǔ)上，豐富和提升視覺表現(xiàn)效果，開展了“速報(bào)視圖自動發(fā)布系統(tǒng)”的研究和開發(fā)工作，為震后應(yīng)急指揮提供快速準(zhǔn)確的地震應(yīng)急信息服務(wù)(和海霞等，2018；陳誼等，2020)。

“速報(bào)視圖自動發(fā)布系統(tǒng)”通過輸入震后速報(bào)的三要素，自動提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫信息，產(chǎn)出包括地震信息、地質(zhì)環(huán)境信息、氣候條件、經(jīng)濟(jì)情況、人口情況、三維地形圖等內(nèi)容，在震后最短的時間內(nèi)產(chǎn)出較為全面的信息可視化圖形產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

隨著大數(shù)據(jù)可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，震后對應(yīng)急處置工作效率和精準(zhǔn)性的要求不斷提升，這對地震應(yīng)急的現(xiàn)代化程度提出了新的目標(biāo)：如何更好地將新技術(shù)、新成果，以及交叉學(xué)科的研究進(jìn)展應(yīng)用于地震應(yīng)急服務(wù)工作，也是當(dāng)前地震應(yīng)急信息化建設(shè)工作中亟須解決的問題。通過對震后24h內(nèi)可收集的相關(guān)地震信息進(jìn)行清洗和分類，分析地震信息的主要形式和屬性，總結(jié)地震信息展示規(guī)律，研究可行的大數(shù)據(jù)地震信息的可視化規(guī)范，將重要信息從繁雜句式中抽取出來，進(jìn)行精簡和歸類，使讀者可快速抓取，按照震后時序性和信息陸續(xù)報(bào)送的重要程度，將其分為震區(qū)基本情況、應(yīng)急處置信息和政府行動、實(shí)時震情災(zāi)情3部分內(nèi)容來呈現(xiàn)。

圖1 “速報(bào)視圖”系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

為滿足震后應(yīng)急處置現(xiàn)代化、信息化對應(yīng)急指揮決策科學(xué)支撐能力的要求，“地震應(yīng)急信息速報(bào)視圖自動發(fā)布系統(tǒng)”基于地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析方法自動抽取、分析互聯(lián)網(wǎng)信息，形成實(shí)時災(zāi)情數(shù)據(jù)，并結(jié)合行業(yè)內(nèi)產(chǎn)出的應(yīng)急產(chǎn)品和正式途徑上報(bào)的災(zāi)情信息，融合生成具有內(nèi)在屬性關(guān)聯(lián)和統(tǒng)一表達(dá)數(shù)據(jù)，建立可視化設(shè)計(jì)原則，最終采用可視化建模方法構(gòu)建一套完整的災(zāi)情信息動態(tài)可視化模型以及可視化方案智能識別系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，由數(shù)據(jù)庫、后臺管理系統(tǒng)以及前端綜合展示3部分組成，系統(tǒng)框架如圖1 所示。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)震區(qū)的二維和三維地圖展示，震區(qū)環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)信息可視化產(chǎn)出，實(shí)時天氣情況、歷史地震信息的圖形展示等功能。此外，系統(tǒng)預(yù)留接口以便未來新增功能模塊的添加。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

(1)數(shù)據(jù)種類

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、歷史地震數(shù)據(jù)庫和地震發(fā)布信息數(shù)據(jù)庫3部分構(gòu)成?；A(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫主要用于存放以縣為單位的基礎(chǔ)信息，包含縣域范圍內(nèi)的基本信息(如地理環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù))，共劃分48個字段，詳細(xì)描述震中所在縣級單位的地形條件、氣候環(huán)境、人口分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，數(shù)據(jù)來源為國家統(tǒng)計(jì)局和公共互聯(lián)網(wǎng)(百度百科)，使用自動采集、人工判別校準(zhǔn)的方式獲取并更新；歷史地震數(shù)據(jù)庫主要包括地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(如震中經(jīng)緯度、震源深度、發(fā)震時間、死亡人數(shù)等)，劃分16個字段；地震發(fā)布數(shù)據(jù)庫主要為平臺發(fā)布數(shù)據(jù)存儲庫(如地震序列碼、震源深度、經(jīng)濟(jì)信息等)，共包括41個字段，作為每次觸發(fā)后的記錄信息，方便疊加展示(表1)。以上三大模塊為“速報(bào)視圖”的信息發(fā)布提供基礎(chǔ)地理信息和社會經(jīng)濟(jì)信息，結(jié)合地震速報(bào)平臺發(fā)布的真實(shí)地震和模擬觸發(fā)的地震信息，共同形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

表1 “速報(bào)視圖”系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

(2)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

平臺數(shù)據(jù)庫采用MySql數(shù)據(jù)庫。MySql數(shù)據(jù)庫是輕量型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個大倉庫內(nèi)，以提高速度和靈活性。并且MySql與系統(tǒng)開發(fā)主要依賴的語言PHP適配性較高，可顯著提升數(shù)據(jù)處理效率。

2.2 后臺管理系統(tǒng)

“速報(bào)視圖”后臺管理系統(tǒng)主要完成地震事件的觸發(fā)與發(fā)布、系統(tǒng)各子模塊和數(shù)據(jù)庫的調(diào)用與管理，以及與前端推送系統(tǒng)的對接。本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)采用ThinkPHP開源框架作為后臺服務(wù)端的核心程序，進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯處理與流程控制，并結(jié)合HTML5制作微信端頁面與用戶進(jìn)行交互。通過服務(wù)端向微信端進(jìn)行多圖文推送，用戶點(diǎn)擊后直接進(jìn)入速報(bào)系統(tǒng)自動發(fā)布平臺的主頁面，同時可用HTML5頁面查看當(dāng)前地震的可視化成果。

為滿足系統(tǒng)“多任務(wù)”、“多數(shù)據(jù)源”、“多發(fā)布渠道”的總體要求，系統(tǒng)集成采用EBS企業(yè)服務(wù)總線，提供事件驅(qū)動和文檔導(dǎo)向的處理模式，以及分布式的運(yùn)行管理機(jī)制提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口；同時，由于“速報(bào)視圖”平臺主要采用了2套界面與用戶進(jìn)行交互(主機(jī)頁面端和移動端)，因此采用VUE路由，允許用戶通過不同的 URL 訪問不同的內(nèi)容，主要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

(1)地圖管理

此模塊主要根據(jù)用戶需要，選擇相應(yīng)地區(qū)的矢量圖層的二維地圖和直觀表現(xiàn)的三維圖層，圖層是以預(yù)先配置好的地圖模板，當(dāng)用戶輸入具體的經(jīng)緯度參數(shù)時，系統(tǒng)會自動調(diào)用相應(yīng)的地圖模板，供用戶選擇三維和二維圖層。

(2)模板選擇

此模塊是后臺對前臺界面的樣式調(diào)換。使地震信息環(huán)境、信息氣候條件、經(jīng)濟(jì)情況、三維地形圖、人口信息的顯示更加人性化，更加美觀。

(3)用戶輸入?yún)?shù)調(diào)整

此模塊以接收地震三要素為觸發(fā)器和輸入?yún)?shù)，以預(yù)先配置好的地圖為模板，依托應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和本項(xiàng)目采集的背景信息數(shù)據(jù)庫為支撐，依托ArcEngine、Phthon等工具方法，在ArcMap平臺上實(shí)現(xiàn)二維基礎(chǔ)圖件的自動產(chǎn)出，在ArcScene平臺上實(shí)現(xiàn)三維地形圖的自動產(chǎn)出，通過前臺顯示出來(圖2)。

圖2 后臺管理界面

(4)數(shù)據(jù)庫管理

該模塊主要依賴自創(chuàng)建庫進(jìn)行相應(yīng)的操作，包括數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)查詢。在庫里添加地圖的具體數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度和圖層信息，可實(shí)現(xiàn)各個地區(qū)的人口、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)境信息等基礎(chǔ)信息的操作應(yīng)用。地震發(fā)生后，依據(jù)地震震中經(jīng)緯度、震級等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)圖件等參數(shù)的操作應(yīng)用。

(5)信息自動獲取

該模塊根據(jù)云數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)牡卣鹣⒑突緟?shù)，傳到本地?cái)?shù)據(jù)庫。系統(tǒng)會自動獲取本地?cái)?shù)據(jù)庫，提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫信息，經(jīng)過后臺程序處理，自動產(chǎn)出地震信息、地質(zhì)環(huán)境信息、氣候條件、經(jīng)濟(jì)情況、人口情況、三維地形圖(包括地形圖上的交互信息)等。

(6)用戶信息修改

該模塊實(shí)現(xiàn)對用戶的管理，包括用戶的增減信息修改。

2.3 移動端展示系統(tǒng)

(1)自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)

為應(yīng)對不同設(shè)備的分辨率差異，“速報(bào)視圖”移動端展示系統(tǒng)采用Bootstrap中的 boilerplate 來實(shí)現(xiàn)在不同分辨率下的自適應(yīng)顯示，且在頁面制作過程中采用自適應(yīng)百分比為100%顯示進(jìn)行操作，生成的頁面可以適應(yīng)任何設(shè)備。依靠該組件完成自適應(yīng)開發(fā)過程，可以充分滿足速報(bào)視圖移動端不同屏幕尺寸和分辨率的微信發(fā)布的需求。

(2)地圖組件

地圖組件的開發(fā)主要包含兩方面內(nèi)容：二維地圖開發(fā)和三維地圖開發(fā)。因此，在開發(fā)過程中主要采用ArcGIS中的ArcMap與ArcSence來進(jìn)行二、三維地圖的制作。通過ArcMap可以對地理圖層進(jìn)行符號化顯示、分析和編輯GIS數(shù)據(jù)集，還可以處理地圖的頁面，包括地理數(shù)據(jù)視圖和其他地圖元素，如圖例、比例尺、指北針等。運(yùn)用ArcMap可以實(shí)現(xiàn)平臺整個二維地圖的設(shè)計(jì)與操作應(yīng)用(王艷妮等，2008；趙影等，2019)。

平臺三維地圖模塊主要采用ArcSence的相關(guān)組件進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合動態(tài)三維模型裁剪技術(shù)，以Google Earth的數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，動態(tài)裁剪出地震影響范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)和遙感影像。通過三維圖形的實(shí)時繪制技術(shù)、地形數(shù)據(jù)簡化的層次細(xì)節(jié)模型(LOD)技術(shù)以及多分辨率模型的生成技術(shù)，實(shí)時繪制出高度真實(shí)的地震影響區(qū)域三維地圖，并疊加其他地震相關(guān)信息導(dǎo)出圖片，以用于前臺展示。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施與效用討論

3.1 三維處理技術(shù)

“速報(bào)視圖”平臺三維處理技術(shù)的開發(fā)基于ArcGIS平臺的ARCScene軟件。在服務(wù)器端，可以通過CityEngine、Drone2Map、ArcGIS Pro等創(chuàng)建三維模型，并將創(chuàng)建的三維模型作為場景圖層共享至門戶中。在客戶端，用戶可以通過Web端應(yīng)用和移動端訪問場景圖層。“速報(bào)視圖”的場景圖層在存儲和顯示上采用了Esri新推出的I3S標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持Lod、地理索引、采用流模式加載，極大地提高了三維數(shù)據(jù)在桌面、Web、移動設(shè)備上的顯示效率。目前I3S標(biāo)準(zhǔn)描述的場景圖層有4種類型，分別是3D模型(3D Object Layer)、點(diǎn)(Point Layer)、集成網(wǎng)格(Integrated Mesh Layer)和點(diǎn)云(PointCloud Layer)。

(1)3D Object Layer

3D Object Layer是各種3D模型的集合。Esri原生的3D格式是多面體(Multipatch)。多面體是一種3D幾何，屬于要素類，可用來表示從簡單對象(如球體和立方體)到復(fù)雜對象(如等值面和建筑物)的任何事物。

圖3 震中三維效果圖

Esri支持將多面體圖層作為場景圖層共享至門戶中(圖3)。如果數(shù)據(jù)的幾何類型不是多面體，那么首先需要使用地理處理工具將現(xiàn)有3D模型導(dǎo)入ArcGIS中轉(zhuǎn)換為多面體要素。地震發(fā)生后，快速獲取發(fā)震地點(diǎn)，基于全國DEM已建立的全國三維模型，快速獲取地震影響范圍，轉(zhuǎn)換為震區(qū)三維地形圖，之后就可以在ArcGIS Pro中將多面體圖層共享為場景圖層，或者先利用多面體圖層創(chuàng)建場景圖層包，然后將場景圖層包共享為場景圖層。

(2)數(shù)據(jù)互操作擴(kuò)展模塊

數(shù)據(jù)互操作擴(kuò)展模塊支持通用模型obj、X格式模型的導(dǎo)入。數(shù)據(jù)互操作擴(kuò)展模塊是通過使用Safe Software的FME技術(shù)在地理處理框架中運(yùn)行的集成空間ETL(提取、轉(zhuǎn)換和加載)工具集，可在不同數(shù)據(jù)模型和不同文件格式之間變換數(shù)據(jù)。該模塊需要單獨(dú)安裝(針對ArcMap和ArcGIS Pro分別有對應(yīng)的安裝介質(zhì))和Data Interoperability許可。

安裝和授權(quán)數(shù)據(jù)互操作擴(kuò)展模塊后可以進(jìn)行3D模型的導(dǎo)入。在ArcGIS Pro中，要通過創(chuàng)建Spatial ETL tool將3D模型導(dǎo)入到多面體要素類中。在ArcGIS Map中，可以使用系統(tǒng)工具箱數(shù)據(jù)互操作工具箱里的快速導(dǎo)入工具，也可以通過創(chuàng)建Spatial ETL tool來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(3)共享Web場景圖層

獲得多面體要素類之后，可以通過ArcGIS Pro直接將多面體圖層共享為Web場景圖層，或者先利用多面體圖層創(chuàng)建場景圖層包，然后將場景圖層包作為場景圖層發(fā)布至門戶中。

(4)三維地形的信息標(biāo)注

三維地圖模塊可快速展示震后獲取到的各類災(zāi)害信息，包括人員傷亡、道路、交通、次生災(zāi)害等災(zāi)情信息，實(shí)現(xiàn)震中與災(zāi)害點(diǎn)的距離測量功能，通過DEM量算識別海拔功能，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三維場景的動態(tài)標(biāo)注和編輯、多層數(shù)據(jù)的顯示與交互功能。其中，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的清洗結(jié)果可以獲取到有經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)和無經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)，有經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行可視化展示映射到三維地圖中；無經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)需要先獲取地址信息，再通過國內(nèi)地圖接口對地址信息進(jìn)行地址解析，得到經(jīng)緯度后再進(jìn)行可視化展示。

3.2 圖表可視化

系統(tǒng)的圖表顯示功能采用ECharts 3.0版本進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，產(chǎn)出直觀、生動、可交互、可高度個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表，以滿足系統(tǒng)的可視化需求。

(1)基礎(chǔ)信息

速報(bào)系統(tǒng)人口信息模塊展示出當(dāng)?shù)氐娜丝谛畔⑶闆r，主要包括人口出生率、人口死亡率、人口自增率等三大方面，其次還展示出該地的總?cè)丝谛畔?、與人口民族相關(guān)的詳細(xì)信息等，通過餅狀圖或環(huán)狀圖表現(xiàn)出來。

當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況通過柱狀圖展示，包括各類產(chǎn)業(yè)的完成產(chǎn)業(yè)值和年度總計(jì)情況，附加文字信息詳細(xì)展示當(dāng)?shù)氐哪晔杖肭闆r。

環(huán)境信息主要以曲線圖的形式展示，橫坐標(biāo)為地理區(qū)域，縱坐標(biāo)為海拔，表現(xiàn)出震區(qū)一定范圍內(nèi)的剖面地形情況。

(2)地震信息

速報(bào)系統(tǒng)地震信息模塊主要展示信息分為:時間(精確到分鐘)、地點(diǎn)(精確到縣級)、烈度、震級、深度、位置(經(jīng)緯度)等6個方面。該功能清晰展示出地震的基本信息要素，使用戶快速直觀地了解此次地震(圖4)。同時，我們還將提供余震信息接口，可以在地震發(fā)生一段時間后顯示余震信息。

圖4 圖表展示功能

(3)地震特點(diǎn)

地震特點(diǎn)包含的信息包含震型等信息，這部分信息主要以文字的形式展示。

(4)應(yīng)急響應(yīng)

應(yīng)急響應(yīng)模塊將按照震級的大小不同顯示出需要啟用的不同地震響應(yīng)方案。

(5)二維地圖

二維地圖模塊將根據(jù)情況展示地震影響區(qū)域內(nèi)的行政區(qū)劃圖、交通圖、地質(zhì)圖以及水系分布圖，并將這些底圖與地震信息以及其他基礎(chǔ)信息相結(jié)合進(jìn)行顯示。

(6)天氣信息

界面采用折線圖的形式展示，體現(xiàn)震后5天內(nèi)震區(qū)天氣走勢，并配以更加詳細(xì)的文字信息介紹當(dāng)天的天氣情況。

(7)災(zāi)情信息

災(zāi)情信息將在地震發(fā)生一段時間后向用戶展示，包含的信息有人員傷亡、建筑損壞、經(jīng)濟(jì)損失以及生命線等地震相關(guān)信息。

(8)政府行動

政府行動主要以文字的形式進(jìn)行展示，展示的主要內(nèi)容為地震發(fā)生后政府采取的救助行動，將預(yù)留圖片接口，用于發(fā)布現(xiàn)場照片。

(9)三維地圖

速報(bào)系統(tǒng)三維地形圖將根據(jù)地震的影響范圍自動裁剪出三維地形圖，以此來展示地震區(qū)域的情況，主要包括地震占地面積、全市人口、生產(chǎn)總值三大方面，圖層顯示出地震烈度圖和該地與省會城市之間的距離，地圖下方介紹歷史地震的情況，清晰明確，讓用戶快速了解地震的真實(shí)情況(圖5)。

圖5 移動端展示效果圖

3.3 云端大數(shù)據(jù)存儲及智能歸檔

“速報(bào)視圖”平臺使用云端大數(shù)據(jù)存儲并進(jìn)行智能歸檔，通過結(jié)構(gòu)化索引提高查詢搜索速度，快速將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)圖件進(jìn)行精確提取，依照相關(guān)算法除去冗余數(shù)據(jù)(顧榮，2016)，將目標(biāo)數(shù)據(jù)匯總并從云端輸出。通過云端服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算能力，從已有應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和本項(xiàng)目采集的云數(shù)據(jù)庫中按照要求提取、過濾、匯總信息，同時應(yīng)用H5最新響應(yīng)式技術(shù)將數(shù)據(jù)以圖形化、圖表化的方式表示(圖6)。本系統(tǒng)云端數(shù)據(jù)庫均部署于中國地震臺網(wǎng)中心。

圖6 數(shù)據(jù)提取與云端歸檔技術(shù)路線

4 結(jié)語

速報(bào)視圖自動發(fā)布系統(tǒng)可在震后第一時間，為指揮決策者和應(yīng)急處置人員提供直觀的震區(qū)地形地貌信息和震區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口對比信息，同時，通過其三維地圖模塊可快速展示震區(qū)地理地形情況，為人工判斷可能發(fā)生的次生災(zāi)害提供參考，并可完成距離、海拔量算和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交互信息，為決策的科學(xué)性和前瞻性提供可靠的技術(shù)支撐。同時，系統(tǒng)的微信端發(fā)布與推送功能，可有效補(bǔ)充地震應(yīng)急期間前方現(xiàn)場指揮決策者的信息需求和社會公眾對地震應(yīng)急和震后處置相關(guān)服務(wù)的了解。

在上級指揮決策部門對地震應(yīng)急水平的要求不斷提升的背景下，結(jié)合當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動態(tài)和未來趨勢，“速報(bào)視圖”平臺也預(yù)留了相應(yīng)接口，為下一步功能升級提供了可靠的技術(shù)保障。