李 超 于運淥 雷振伍 孫德輝 鄧小寶

(北方工業(yè)大學現(xiàn)場總線技術與自動化北京市重點實驗室 北京 100144)

0 引 言

公共安全是國家和社會穩(wěn)定發(fā)展的基礎條件，近年來，我國面臨的公共安全事件挑戰(zhàn)日趨嚴峻，嚴重威脅人民的生命和財產(chǎn)安全[1]。對公共安全數(shù)據(jù)進行有效的監(jiān)測和分析，有利于實現(xiàn)對公共安全事件進一步的決策和防護，對降低國家和社會危害尤為重要[2]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”時代，公共安全數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多源異構、數(shù)據(jù)價值密度低等特點[3]。現(xiàn)階段對公共安全數(shù)據(jù)可視化的研究潛能挖掘不夠[4]，現(xiàn)有的GIS可視化的形式大多是特定研究方向的信息靜態(tài)展示[5]，難以根據(jù)管理人員實際需求得到有效數(shù)據(jù)信息。而在數(shù)據(jù)索引方面，普遍采用基于數(shù)據(jù)表格的索引機制，缺少基于GIS和表格動態(tài)交互的數(shù)據(jù)索引，難以滿足公共安全領域?qū)τ跀?shù)據(jù)管理效率的需求。

本文依據(jù)實驗室承擔的科技部重點研發(fā)計劃“國家公共安全應急平臺”所含專題“社會公共安全風險數(shù)據(jù)管理技術研究”的需求，構建基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理平臺，將可視化技術應用于公共安全領域，把包含復雜事件信息的公共安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成易于理解的視覺圖像，并結(jié)合GIS呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間信息，形成公共安全數(shù)據(jù)展示和查詢的信息目錄，以動態(tài)標簽的形式對單個數(shù)據(jù)點的綜合信息進行彈窗顯示，可通過點擊地圖數(shù)據(jù)點標記對應的表格數(shù)據(jù)，同時可以選擇表格中數(shù)據(jù)定位到地圖中的數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)公共安全數(shù)據(jù)的動態(tài)交互，從而針對公共安全事件實現(xiàn)更清晰的視覺判斷和更嚴謹?shù)臎Q策分析[6]，并以地震事件數(shù)據(jù)為例進行實踐驗證。

1 平臺架構設計

本文將基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理平臺部署于HP Gen8服務器上，整體采用B/S(瀏覽器/服務器)架構[7]?？赏ㄟ^前端瀏覽器展示公共安全數(shù)據(jù)，從而對其進行圖形化顯示、彈窗顯示及信息檢索的有效管理，便于進一步分析和決策。平臺架構圖如圖1所示，主要分為以下四層。

圖1 平臺架構圖

(1) 數(shù)據(jù)支撐層：以HBase非關系型數(shù)據(jù)庫作為原始數(shù)據(jù)庫，用于存儲從互聯(lián)網(wǎng)得到的多源異構公共安全數(shù)據(jù)；以MySQL關系型數(shù)據(jù)庫作為空間數(shù)據(jù)庫，用于存儲關系型空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)經(jīng)ArcMap處理形成統(tǒng)一坐標格式的地理信息數(shù)據(jù)，以供發(fā)布地圖服務；以Geodatabase數(shù)據(jù)庫作為地理數(shù)據(jù)庫，用于存儲地圖要素等服務類可視化數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)專題圖可視化、模型分析等提供支持和保障。

(2) 中間支撐層：通過ArcGIS for Desktop完成數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換，結(jié)合ArcGIS Server地圖服務器，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)布成地圖服務的功能[8]，通過ArcGIS API for JavaScript調(diào)用REST URL[9]，完成在前端瀏覽器展示數(shù)據(jù)與地圖間的交互，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、查詢、分析等功能。

(3) 模型層：該層實現(xiàn)可視化過程中的相關模型建立，通過映射關系模型可實現(xiàn)數(shù)據(jù)到GIS的映射，達到預期的可視化效果；通過建立可編輯也可重復的GP模型，可實現(xiàn)批量處理復雜GIS任務的功能；通過渲染模型實現(xiàn)對可視化數(shù)據(jù)的唯一值渲染、分級渲染，加強數(shù)據(jù)的GIS可視化效果。

(4) 可視化層：該層主要通過瀏覽器實現(xiàn)可視化結(jié)果的展示。主要包括地圖與表格間公共安全數(shù)據(jù)的信息交互、GIS專題地圖的展示、地圖的基本操作、數(shù)據(jù)的索引管理及數(shù)據(jù)分析。

2 數(shù)據(jù)庫設計

基于公共安全數(shù)據(jù)的特性，以地震事件的震級作為關鍵參數(shù)表示其風險等級，進行基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理研究的實踐驗證。

實驗中的原始數(shù)據(jù)是從國家地震科學數(shù)據(jù)中心加載的實際中國歷史地震數(shù)據(jù)，以中國地圖邊界范圍(中國經(jīng)度范圍：73°33′E至135°05′E，緯度范圍：3°51′N至53°33′N)為參考限制，設置東經(jīng)72°至136°，北緯3°至54°，截取自2017年以來中國所有的地震數(shù)據(jù)，不限震級，得到了近5萬條xls格式類型的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)樣例如圖2所示。

圖2 原始數(shù)據(jù)樣例

原始數(shù)據(jù)無法直接應用于可視化，需要進行相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本文中的地圖數(shù)據(jù)基于的坐標系是GCS_WGS_1984，屬于地心坐標系，坐標原點位置設在地球質(zhì)心[10]，因此需結(jié)合ArcCataLog以及ArcMap將得到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同坐標系的地理信息數(shù)據(jù)。

為了減少坐標系轉(zhuǎn)換中常見的錯誤發(fā)生，首先需要將xls數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為csv格式，其次在坐標系轉(zhuǎn)換過程中X、Y坐標系不識別“度分秒”形式的經(jīng)緯度信息，所以需要通過轉(zhuǎn)換將“度分秒”轉(zhuǎn)換為小數(shù)點形式。經(jīng)度轉(zhuǎn)換方法如下：

D=SUBSTITUTE(SUBSTITUTE(LEFT(C5,LEN(C5)-1),"°",":"),"′",":")*24

緯度轉(zhuǎn)換方法如下：

F=SUBSTITUTE(SUBSTITUTE(LEFT(E5,LEN(E5)-1),"°",":"),"′",":")*24

其中：C為轉(zhuǎn)換前經(jīng)度所在列，D為轉(zhuǎn)換后經(jīng)度所在列。E為轉(zhuǎn)換前緯度所在列，F(xiàn)為轉(zhuǎn)換后緯度所在列。

最終將數(shù)據(jù)處理得到shp格式的地圖數(shù)據(jù)，可發(fā)布地圖要素類數(shù)據(jù)服務。本文通過使用ArcGIS提供的Geodatabase數(shù)據(jù)庫來存儲地理空間數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫部署于HP Gen8系統(tǒng)服務器，具有處理數(shù)據(jù)速度快、安全性相對較高的優(yōu)點[11]，因此通過Web服務器進行數(shù)據(jù)可視化展示的速率能夠得到保障。

3 可視化設計

3.1 可視化實現(xiàn)流程

可視化的實現(xiàn)主要依賴于ESRI公司提供的ArcGIS平臺[12]，首先通過ArcMap對數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)換，然后結(jié)合ArcGIS Server對數(shù)據(jù)進行地圖服務的發(fā)布，通過調(diào)用ArcGIS API for JavaScript地圖服務接口和JSAPI庫功能組件進行專題圖的制作。在制作中國地圖的靜態(tài)唯一值專題圖后，將地震數(shù)據(jù)以震級為依據(jù)制作動態(tài)分級專題圖，之后實現(xiàn)靜態(tài)地圖和動態(tài)地圖的融合，通過Web界面以動態(tài)形式綜合展示地震數(shù)據(jù)的所有信息。可視化實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 可視化實現(xiàn)流程

3.2 可視化功能模塊設計

在實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)可視化的過程中，功能模塊的設計是至關重要的環(huán)節(jié)，本文構建的可視化功能模塊如圖4所示，包括功能調(diào)用模塊、圖層分析模塊、模型渲染模塊、地圖操作模塊和索引查詢模塊。

圖4 可視化功能模塊

功能調(diào)用模塊：該模塊主要引入API庫中提供的相關功能，通過require指令獲取所需要的功能模塊，生成每個功能模塊的函數(shù)，實現(xiàn)可視化功能。

圖層分析模塊：該模塊主要功能是對圖層信息進行區(qū)分。圖層屬性包括最基本的點要素、線要素、面要素以及其他復雜的圖形要素等，通過對不同的要素進行分析，選擇相應的處理方式，為最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化做好鋪墊，同時也可對圖層進行相應的功能設計，如圖層彈窗設計、圖層標注設計等。

模型渲染模塊：該模塊主要作用是利用唯一值渲染、分級渲染、熱力圖渲染等方式，對已分析完成的圖層屬性信息進行加工裝飾，實現(xiàn)可視化的展示功能。

地圖操作模塊：該模塊通過添加地圖小部件實現(xiàn)在可視化界面上的相關操作功能，如平移、縮放、底圖切換、測距等，也可通過添加圖例、標簽等增加可視化界面的豐富度。

索引查詢模塊：該模塊通過定義數(shù)據(jù)字段屬性，索引地圖上所有數(shù)據(jù)的信息，從而對所查詢內(nèi)容進行精確定位查找以及范圍搜索，便于實現(xiàn)進一步的分析與決策。

3.3 可視化實現(xiàn)關鍵技術設計

空間數(shù)據(jù)發(fā)布成地圖服務是對空間數(shù)據(jù)進行處理的一種形式。通過ArcGIS Server提供的地圖服務接口，可以在ArcGIS API for JavaScript中調(diào)用地圖服務，實現(xiàn)對公共安全數(shù)據(jù)的可視化展示及空間分析。地圖服務發(fā)布過程為：首先在ArcMap中加載shp格式地圖數(shù)據(jù)，選擇將數(shù)據(jù)發(fā)布為地圖服務，并連接到預先建立的ArcGIS Server Manager站點。在對發(fā)布服務的名稱及位置進行設置后，根據(jù)用戶需求，可以對服務進行相應的參數(shù)設置，如服務器最大返回的數(shù)據(jù)數(shù)量、服務類型、功能選擇等，最后進行服務分析，完成地圖服務的發(fā)布。

底圖加載是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化管理的基礎條件。地圖的放大、縮小、平移等操作功能以及鷹眼圖、精確查詢等顯示功能都依賴于底圖，ArcGIS API接口提供了多樣化的底圖以供加載，包括streets、satellite、oceans等。由于ArcGIS官方提供給開發(fā)者的底圖主要為英文地圖，難以滿足本文可視化需求，因此通過調(diào)用服務加載中文版的世界地圖作為底圖，并設置中國地圖為Web界面的顯示中心。

中國地圖唯一值專題圖通過ArcGIS API for Java-Script調(diào)用中國地圖靜態(tài)切片服務實現(xiàn)。通過 SimpleFillSymbol函數(shù)定義渲染圖層為面要素，通過Unique ValueRenderer函數(shù)定義渲染模型為唯一值模式，并在渲染模型中將省份字段信息“province”定義為顏色渲染對象，實現(xiàn)對中國34個省級行政區(qū)的唯一值可視化。

地震分級圖通過ArcGIS API for JavaScript調(diào)用地震數(shù)據(jù)動態(tài)服務實現(xiàn)。通過SimpleMarkerSymbol函數(shù)定義渲染圖層為點要素，通過ClassBreaksRenderer函數(shù)完成分級渲染的模式定義，將渲染對象定義為數(shù)據(jù)字段信息中的“震級M”，實現(xiàn)對地震數(shù)據(jù)的分級可視化，并通過InfoTemplate函數(shù)實現(xiàn)綜合信息動態(tài)彈窗功能，同時可根據(jù)需求設置要顯示的字段信息。

數(shù)據(jù)索引管理的實現(xiàn)是在基于GIS可視化的基礎上，利用FeatureTable函數(shù)對要素表格進行設計，通過調(diào)用Query、QueryTask、Graphic等函數(shù)，設計實現(xiàn)基于地圖及表格的地震數(shù)據(jù)查詢功能，并通過syncSelection、showAttachments、showRelatedRecords等功能組件對索引界面進行數(shù)據(jù)動態(tài)交互設計。

4 功能實現(xiàn)

4.1 唯一值專題圖

由于本文所研究數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度截取范圍是以中國邊界最大值為限值，所得地震數(shù)據(jù)包含了部分中國邊境的數(shù)據(jù)，所以研究中加載的底圖是將中國定為中心的世界地圖。為了更好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間性，加強可視化效果，本文以34個省級行政區(qū)為單位進行模型渲染，制作中國地圖唯一值專題圖。

4.2 地震數(shù)據(jù)分級圖

地震數(shù)據(jù)包含時間、空間、震級、深度等屬性信息，這些信息中震級是表征地震強弱的量度，是劃分震源放出的能量大小的等級，震級象征公共安全事件中的風險等級，以此字段信息作為數(shù)據(jù)劃分的標準更能突出數(shù)據(jù)的分布特點，便于進行分類查詢。地震震級劃分標準如表1所示。

表1 地震震級劃分標準

本文嚴格按照地震震級劃分標準實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的分級可視化，將每一條地震數(shù)據(jù)以點要素的形式展示在地圖界面。以空間信息字段作為依據(jù)，實現(xiàn)點要素在地圖上的定位。以震級作為點要素所代表的數(shù)據(jù)字段信息，以不同顏色區(qū)分不同的震級，在地圖上以點密度圖形式呈現(xiàn)。通過彈窗形式對數(shù)據(jù)的所有字段信息進行綜合展示，實現(xiàn)直觀清晰查看每一條數(shù)據(jù)的時間、空間等信息的功能。地震數(shù)據(jù)分級圖如圖5所示。

圖5 地震數(shù)據(jù)分級圖

4.3 疊加專題圖

為了更好地突出空間感，加強空間屬性的可視化效果，本文設計實現(xiàn)了基于中國地圖唯一值專題圖和分級專題圖的疊加展示，將中國地圖靜態(tài)服務與地震數(shù)據(jù)動態(tài)服務進行了有效結(jié)合，實現(xiàn)了疊加專題圖的展示。疊加專題圖如圖6所示。

圖6 疊加專題圖

4.4 地圖操作

在疊加專題圖界面，可通過常規(guī)地圖操作進行縮放、平移，對地圖數(shù)據(jù)進行詳細查看，也可在彈窗界面通過“縮放至”按鈕直接跳轉(zhuǎn)到當前區(qū)域進行精確查看。地圖縮放圖如圖7所示。

圖7 地圖縮放圖

4.5 數(shù)據(jù)索引

在可視化頁面可通過設置震級條件實現(xiàn)對應震級的數(shù)據(jù)索引。通過條件篩選，在可視化頁面及數(shù)據(jù)屬性圖表中只顯示要查詢的數(shù)據(jù)。同時可視化頁面與數(shù)據(jù)屬性圖表之間可以進行交互，在一方選擇任意數(shù)據(jù)，另一方都可以跳轉(zhuǎn)到當前所選數(shù)據(jù)?！扒宄龡l件”按鈕可以實現(xiàn)清空所設置查詢條件、顯示所有數(shù)據(jù)信息的功能。數(shù)據(jù)索引初始界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)索引初始界面

當設置震級條件為4.5級以上時，表格數(shù)據(jù)數(shù)量從48 606條下降到922條，同時在地圖上過濾掉震級為4.5級以下的數(shù)據(jù)點，清晰可見近3年全國發(fā)生的地震強度在中強震以上的地震比例相對比較少，而且震源基本位于中國的西部和南部，由此可以直觀查看數(shù)據(jù)的綜合信息，從而對事件進行有效的分析。條件設定索引界面如圖9所示。

圖9 條件設定索引界面

5 結(jié) 語

本文以公共安全為研究主題進行數(shù)據(jù)的可視化管理研究，基于地震事件數(shù)據(jù)進行了成果的驗證。以疊加專題圖、點密度圖的形式有效突出數(shù)據(jù)的關鍵屬性，同時基于圖表和地圖建立數(shù)據(jù)索引機制，形成動態(tài)的交互效果，構建了一個能更直觀有效對事件進行展示、查詢和分析的可視化管理平臺。結(jié)果表明，該可視化平臺改變了傳統(tǒng)的柵欄數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，突破了基于GIS的數(shù)據(jù)靜態(tài)可視化表達方式的局限，以動態(tài)的空間形式呈現(xiàn)，并且滿足政府相關主管部門對公共安全事件數(shù)據(jù)的索引需求，對公共安全領域的數(shù)據(jù)研究具有一定參考價值。