基于GIS跨斷層場地基礎信息系統構建＊

屈 佳 張四新

（中國地震局第二監測中心，西安710054）

基于GIS跨斷層場地基礎信息系統構建＊

屈 佳 張四新

（中國地震局第二監測中心，西安710054）

針對青藏塊體東北緣跨斷層測量場地基礎信息嚴重缺乏的客觀情況，應用Visual Studio 2008和ArcGIS Engine 9．3組件開發技術，構建了跨斷層場地基礎信息系統，實現了場地基礎信息采集、管理、監測數據統計和信息可視化等功能。跨斷層場地基礎信息系統的構建和運行，可以為地震預報和相關科研提供科學而可靠的數據支持。

青藏塊體東北緣；跨斷層；GIS；形變異常

引言

傳統跨斷層場地信息的管理主要采用文件系統管理，效率低下，共享性差。隨著3S（RS，GIS，GPS）技術、計算機技術的發展，以及跨斷層地震預報對所需數據的海量性、科學性的需求日益增強，在此背景下建立基于GIS的跨斷層場地信息系統來輔助日常地震分析預報是可行和必要的。目前，隨著中國地震局監測預報司“青藏塊體東北緣跨斷層流動形變場地優化改造”項目的即將實施，建立這樣一個系統來達到對基礎資料管理的標準化和規范化也是大勢所趨［1］。青藏塊體東北緣跨斷層場地基礎信息系統是運用GIS技術，通過對跨斷層場地各種信息的采集、分析和處理，提供具有空間地理特征的各種信息服務。構建的系統使得跨斷層場地信息的管理方式和信息服務方式等發生了根本性的改變。跨斷層信息系統的構建和運行，對跨斷層數據進行了有效而規范的管理，提高了數據的可視性和處理效率，從而可為地震預報提供科學而可靠的數據支持。本文對該系統的主要設計思路進行了簡要的介紹。

1 系統技術方案

1．1 系統目標

利用GIS和信息處理技術，實現跨斷層場地信息的采集、管理、分析處理、查詢等功能，為地震預報提供信息服務和數據支持。系統要實現的主要功能有：測區與場地基礎地理信息、測區與場地的氣候、地質環境信息、相關地理數據和調查數據與結果信息的空間圖形顯示、信息查詢與統計分析、信息更新等。

1．2 系統總體構架

跨斷層場地信息系統主要由跨斷層場地基礎信息管理系統和跨斷層地震信息采集系統組成。系統具有與其他地震信息系統的數據交換接口。

1．3 系統技術路線

采用VS 2008作為開發環境，以C＃為開發語言。以ESRI的ArcGIS Engine 9．3作為開發系統GIS功能的組件。ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS 9版本才開始推出的新產品，它是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，使用ArcGIS Engine開發的GIS應用程序可以脫離ArcGIS Desktop而運行。

在搭建好的環境中調用ArcGIS Engine組件實現GIS基本功能，通過調用動態鏈接庫的方式實現地震信息管理的功能，對各種數據、圖件、分析結果和一些空間數據分析方法及綜合評價進行集成，并在實現類似于Arc Map的數據加載、視圖管理、查詢等基本功能的基礎上，根據系統信息管理的需要，構建友好的用戶界面，從而更好地實現跨斷層數據庫管理、信息查詢、空間分析等功能的一體化，并充分利用計算機軟硬件條件，使得系統向高效、實用、獨立的方向發展［2］。

2 數據庫設計與實現

跨斷層場地基礎信息系統的最終目的，是運用GIS方法對海量數據（基礎地理數據、形變監測數據等）進行整合、管理、分析，從而為地震預報提供基礎的數據信息。

2．1 數據庫設計

跨斷層場地信息系統的核心是數據庫系統，其所有的功能都是在對已有數據分析處理的基礎上完成的，而所有的跨斷層數據都是通過數據庫來存儲和處理。因此，數據庫系統建設的好壞將直接影響到系統的功能和效率。系統的數據類型分為2部分，即基礎屬性數據和空間數據。為實現它們之間的信息同步和一體化管理，選擇了性能強大的關系數據庫SQL做后臺管理，用ArcGIS SDE做空間數據庫引擎，對空間數據進行存儲和管理。

考慮到跨斷層形變總是具有一定的空間關系，為了分析地殼形變的空間關系，首先建立一個測區數據庫，該數據庫主要存儲和管理青藏塊體東北緣跨斷層測區的基礎地理信息和測量信息，具體內容見表1，該數據庫主要用于地殼形變的分析。另外建立一個場地數據庫，主要用于管理場地的基礎地理信息和變形監測信息，并進行場地監測結果的分析，具體內容見表2。

2．2 數據組織

2．2．1 空間數據組織

（1）基礎地理信息數據，包括定位基礎、交通、境界與政區、地貌、植被與土質等，用于表示場地的基本面貌并作為各種專題信息空間定位的載體［3］。由于系統涉及到多個比例尺的基礎地理數據，而研究區域基礎地理數據比例尺較大，因此往往存在著地方坐標系與國家坐標系的轉換問題。

表1 跨斷層測區數據庫設計表

（2）專題信息數據，即跨斷層數據，該部分數據是本研究中最重要，也是最復雜的一類數據［4］。包括跨斷層場地分布圖、斷裂帶分布圖、周圍歷史地震時空強分布圖等。實現空間數據庫設計的關鍵問題是分解地理要素［5］，即將空間數據進行分層管理。分層的原則是：①要考慮后續數據的更新及維護；②要盡量減少數據冗余。在確定統一的地理參考的基礎上，將圖形數據以點線面的矢量形式表達，并建立拓撲關系。這樣才能在空間屬性查詢和空間相關分析時得到正確的結果。

2．2．2 屬性數據組織

屬性數據庫主要完成圖形實體的屬性輸入域管理、各種報表的管理與輸出等，但它與圖形數據庫不是孤立的，圖形數據域屬性數據通過數據接口和數據庫服務器實現動態連接［6］。屬性數據主要是對各種圖形單元（點要素、線要素）的信息描述，即屬性數據庫的設計與圖形數據庫的設計緊密相連［7］。以斷層數據為例，一個斷層圖層對應一個二維屬性表。因此，對屬性數據的組織采用擴充斷層點、線所對應的屬性表（添加字段）的方式添加屬性。場地和斷層對應的點線屬性結構設計分別見表3和表4。

表2 跨斷層場地數據庫設計表

表3 場地數據結構表

表4 斷層數據結構表

2．3 跨斷層數據庫的實現

青藏塊體東北緣跨斷層數據庫的實現是按照地理數據庫（Geodatabase）對地理要素類和要素類之間的相互關系、地理要素類幾何網絡、要素屬性表對象、注釋類等來進行管理，并支持對地理數據庫要素數據集、關系以及幾何網絡進行建立、刪除、修改、連接、分析等操作［8］。Geodatabase組織數據是按照層次組織的，主要包括以下4大類：對象類（Object Classes）、要素類（Feature Classes）、要素數據類（Feature Datasets）以及關系類（Relationship Classes）。

（1）建立特征數據集。建立特征數據集需定義其空間參考（包括地理坐標和投影坐標、X／Y Domain、Z Domain、M Domain），數據集中所有的特征類都用這個坐標系統及坐標域，如本文據此建立的場地數據集和測區數據集。

（2）建立要素類。要素類可以建立在數據集內或地理數據庫中，不同的是，在地理數據庫中建立獨立要素類時，必須定義空間參考坐標。斷層數據庫中所有的要素類，按照相互之間的相關性分別建立在數據集內［9］，其中場地數據集建立測段要素類、監測點要素類、斷層要素類等；測區數據集建立場地要素類、地質地貌要素類等。

（3）建立關系類。關系類有從源類到目標類關系和從目標類到源類關系2種。而地理數據庫中的簡單關系支持一對一、一對多、多對多的基數［10］。本文建立的簡單關系是在同一個數據集內建立關系類，比如，斷層數據集內，斷層測段要素類和監測點要素類之間存在簡單關系類。

3 系統功能設計與實現

跨斷層場地基礎信息系統功能實現過程是：首先，可以實時獲取、存儲、處理、分析和顯示場地基礎信息，為形變異常分析提供可靠依據，提高分析預報的科學性和準確性；其次，可以在場地環境遭受干擾或發生改變時，做到實時更新和補充，避免分析工作誤入歧途；再次，有利于業務管理部門實時掌握場地的動態情況，了解斷層形變最新狀況，便于今后的震情跟蹤工作安排和場地改造。

3．1 跨斷層地震信息采集系統

跨斷層地震信息采集系統儲存各類與地震相關的基礎信息（斷層信息、地質構造信息、場地周邊地震信息等）、異構數據處理結果等，以及實時更新的信息（環境信息、場地破壞信息、基礎地理信息等）。主要功能如圖1所示。

圖1 跨斷層地震信息采集系統功能

（1）信息管理功能。可以輸入各類地震信息和調查數據，包括：斷裂帶調查信息、場地基礎信息、各類其他相關調查信息、場地視頻、照片等，及收集到的場地社會經濟信息。

（2）信息交換功能。實現與其他地震信息系統的數據交換。

（3）空間信息采集功能。根據系統存儲的基礎地理信息，通過人工輸入或GPS采集的空間位置信息，顯示場地地點的行政區劃、地名、斷裂帶信息、歷史地震信息、地質構造信息、地理環境等。

3．2 跨斷層場地基礎信息管理系統

跨斷層場地基礎信息管理系統主要由實現GIS環境下的跨斷層信息管理、信息處理和信息服務組成（圖2）。

圖2 跨斷層場地基礎信息管理系統功能組成

3．2．1 信息管理功能

實現了地圖瀏覽功能，獲取并顯示了地圖的坐標系統和當前比例尺。該功能的實現不僅能反映出斷層形變異常的時空分布情況，而且能展示跨斷層場地的空間屬性和空間關系。

圖層控制功能可用于展示系統各個專題數據層情況，可根據分析需要，選擇專題圖層作為研究對象。測量功能可以用于測量斷層長度或者極震區、烈度區的面積等，主要使用了．NET和Ajax技術。

實現了多媒體信息瀏覽回放功能；系統儲存的測區、場地、測點的圖片和視頻信息等，用戶可以隨時調用；實現了點、線、面圖形以及文本的繪制與輸入功能，該功能可以使地震工作人員通過這項服務靈活地編輯地圖，實現地震專題地圖的繪制。圖3為跨斷層場地的水準數據（高差）及其波動圖像顯示界面。

3．2．2 信息處理功能

接收存儲的地震調查信息和其他系統生成的各類數據，進行相應的編輯處理后輸入數據庫相關的表中。對系統數據采用可視化的方式進行必要的整理加工，同時添加必要的說明性的內容。跨斷層場地圖片錄入界面如圖4所示。

圖3 場地水準（高差）數據及其波動圖像顯示界面

圖4 跨斷層場地圖片錄入界面

3．2．3 信息服務

數據查詢是GIS最基本、最常用的功能，也是它與其他數字制圖軟件相區別的主要特征。GIS的主要功能特色之一就是根據圖形查詢屬性和根據屬性條件查詢相應的圖形［11］。本系統支持以下4種查詢方式：

（1）基于矢量圖的單目標查詢。這里的目標約定為單個目標，可能是一個測站、一個行政區域或一個斷裂帶等。用戶通過點擊某一目標，能查詢該目標的屬性信息、特征信息、歷史信息以及實時與歷史信息的比較。查詢結果有多種表現方式：表格、示意圖、過程線、矢量圖形、柵格圖像等。跨斷層場地信息查詢界面如圖5所示。

圖5 跨斷層場地信息查詢界面

（2）基于矢量圖的多目標查詢。用戶通過分別選擇多個目標，實現實時信息、特征信息、歷史信息的多目標查詢。

（3）基于矢量圖的區域查詢。用戶任意圈劃的區域查詢（框選、圈選等），如查詢該區域的斷裂帶、地震震級等。

（4）邏輯條件查詢。根據用戶給定的時間、地點、目標、類型等條件，組合查詢數據庫系統中滿足該條件組合的所有信息。系統空間查詢界面如圖6所示。

圖6 系統空間查詢界面

4 結束語

借助GIS進行跨斷層場地信息管理，不但提高了信息的可視性，便于信息的分析利用，而且提高了信息處理的實際效率。本文將AO組件、數據庫管理以及GIS等技術相結合，通過大量的開發工作，完成了具有完善GIS功能且不依賴于固定平臺的信息系統，從而為地震預報及相關科研提供了科學、可靠的數據支持。

（作者電子信箱，屈佳：qujia1984＠sina．com）

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Study on cross-fault site information system based on GIS

Qu Jia，Zhang Sixin
（Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054，China）

Considering the situation of seriously deficient in cross-fault basic information in northeastern margin of the Qinghai-Tibet block，cross-fault GIS is established with the integrated Visual Studio 2008 and ArcGIS Engine 9．3．In conclusion，by establishing the cross-fault GIS，it can provide scientific and reliable data for earthquake prediction．

northeastern margin of Qinghai-Tibet block；cross-fault；GIS；deformation anomaly

P208；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．04．009

2013-09-20；

2014-01-08。

地震科技星火計劃項目（XH12074）資助。