基于ArcGIS的國家臺網地震速報地名查詢輔助系統設計與實現1

郭 凱 侯建民 閆恩輝

（中國地震臺網中心，北京 100045）

基于ArcGIS的國家臺網地震速報地名查詢輔助系統設計與實現1

郭 凱 侯建民 閆恩輝

（中國地震臺網中心，北京 100045）

基于國家臺網地震速報的實際工作需求，針對國家臺網在全球地震速報中缺乏專門的地名查詢系統，通過對國家臺網實時、人機交互處理子系統和全國速報信息交換平臺（EQIM系統）的相關協議和數據接口進行研究，并結合地震速報相關規定中對地名的要求，基于地理信息系統ArcGIS提供的ArcGIS Engine（AE）組件技術，采用Visual .Net開發平臺和COM組件技術，來實現獲取地震地名信息的功能，開發設計一套用于國家臺網地震速報的地名查詢輔助系統，希望可以有效提高國家臺網地震速報的效率和準確度。

地震速報 地名查詢 ArcGIS

郭凱，侯建民，閆恩輝，2015.基于ArcGIS的國家臺網地震速報地名查詢輔助系統設計與實現.震災防御技術，10（4）：913—924.doi：10.11899/zzfy20150409

前言

中國地震臺網中心承擔著全國地震以及全球范圍內一定規模（一般M6.0級以上）的地震速報工作。隨著“十五”國家臺網的建設，全國1000多個區域地震臺站實現了實時數據共享，國內地震的人工速報水平從“九五”時期的30分鐘左右提高到了10分鐘左右（陳曉輝等，2009；侯建民等，2009；趙永等，2002），同時多個國家援建臺網的布設也大大提升了對全球地震監測的能力，一般在60分鐘內就可完成對全球M6.0級以上地震的速報工作。

伴隨著地震監測能力的較大提升以及國家臺網地震速報軟硬件系統的升級，地震三要素的測定已經非常準確，但在國外地震地名查詢上還缺乏專門的查詢系統，主要是通過電子地圖搜索、紙質地圖以及歷史地震的速報信息等方式來確定地震地名，然后人工輸入到全國速報信息交換平臺（EQIM系統）完成地震速報結果的發送。由于缺乏專用系統進行國外地震地名的查詢，在非常緊張的地震速報時間范圍內，值班人員需要耗費很大的時間去確認地震地名的正確性，并且在人工輸入地名的過程中由于地名的復雜性等也可能產生輸入錯誤，這些對地震速報值班人員完成地震速報任務造成了一定的壓力和時間上的延誤。本文通過調研分析國家臺網地震速報系統地震速報信息發布的數據接口以及地震地名信息獲取和發布過程中存在的一些問題和實際需求，設計并研發了一套用于國家臺網地震速報的地名查詢輔助系統，以期有效提高地震速報的效率以及減少錯誤情況的出現。

1 國家臺網速報系統構成以及地震地名查詢系統方案設計

1.1 國家臺網速報系統構成

中國地震臺網中心的技術系統主要由全國測震實時數據流子系統、國家臺網實時處理子系統、國家臺網人機交互處理子系統、數據管理與服務子系統、震源機制解快速測定子系統以及全國速報信息交換平臺（EQIM系統，圖1）構成（陳曉輝等，2009；侯建民等，2009；黃志斌等，2001；劉瑞豐等，2008）。其中全國測震實時數據流子系統匯集了全國所有地震臺站的實時數據流，數據格式采用MINISEED格式，國家臺網實時處理子系統接入該實時信息流并進行實時檢測，對地震進行判定。一旦達到觸發閾值條件，系統對實時波形數據截取并發布警報，值班員使用國家臺網人機交互處理子系統對截取的實時波形數據進行分析，對地震的發震時刻、地震深度和位置進行測定，結果生成標準格式的數據文件發送到指定位置，EQIM系統對該數據文件進行讀取，同時速報值班員要對地震地名信息查詢和填入并完成地震速報信息的共享交換，其流程如圖2所示。

圖1 全國速報信息交換平臺（EQIM系統）Fig.1 Platform of data exchange in the National Earthquake Fast Report System （EQIM system）

1.2 地震地名查詢系統方案設計

結合國家臺網地震速報的需求，本文設計的系統方案主要考慮以下三點：

（1）根據國家臺網地震速報系統現有的軟硬件環境，應確保開發的程序可穩定、有效運行，并在現有軟硬件環境的情況下方便移植和維護。

（2）研究國家臺網地震速報系統的數據接口和信息流傳輸協議，并根據地震速報管理規定的相關要求，所研發的地名查詢輔助系統通過讀地震速報三要素的信息數據可實現自動獲取地名的功能，在該實現過程中應采用國家臺網人機交互處理子系統的數據標準接口，來保證本文研發程序可以和現有系統較好的兼容和共同運維。

圖2 國家臺網地震速報流程圖Fig.2 Flow chart of earthquake fast report in China Earthquake Networks

（3）應研究全國速報信息交換平臺（EQIM系統）的數據接口和信息流傳輸協議，所研發的系統應采用該數據接口和信息流傳輸協議來實現帶地名的地震速報信息生成和發布，而不能對現有的系統造成不穩定影響。

基于上述三個方面的考慮，本文提出了如下的技術方案：

（1）數據讀取和發送協議

國家臺網地震速報系統實時系統、人工交互系統目前在Linux Redhat環境下運行，全國速報信息交換平臺（EQIM系統）在Windows XP環境下運行，EQIM系統通過samba服務器的方式來進行國家臺網地震速報人工交互結果信息的獲取，并基于NetSeis/IP協議實現地震速報信息的發布。通過對上述系統的數據標準接口、信息流傳輸流程和信息流傳輸協議進行相關研究，來設計本文研發系統的數據標準接口以及所采用的信息流傳輸協議，使得開發的系統可以直接應用于國家臺網地震速報中的地震地名信息查詢和信息發布，減少了人工參與的環節，進一步提升了國家地震速報的效率和準確性。

（2）系統開發架構

根據國家臺網地震速報系統的軟硬件環境，以及與現有系統更好的兼容和運行維護，本文采用了基于地理信息系統ArcGIS提供的ArcGIS Engine（AE）組件技術，開發工具選擇Visual.Net和COM組件技術，來實現獲取地震地名信息的功能。ArcGIS提供了一個可伸縮的、功能強大的GIS平臺，ArcEngine是獨立的嵌入式組件，不依賴ArcGISDesktop桌面平臺，直接安裝ArcEngine Runtime和DeveloperKit后，即可利用其在不同開發語言環境下開發，通過采用AE進行程序開發，減輕了研發軟件對系統軟硬件的負擔。COM是開發軟件組件的一種方法，它們可以給應用程序，操作系統以及其他組件提供服務，程序移植和維護升級都非常方便，對系統負擔較小，更符合國家臺網系統運維的需求。

（3）地圖數據獲取

本文采用的地圖數據為由測繪局提供的中國地圖數據和世界陸地地圖數據。設計的地震地名信息獲取規則和地圖信息的地名格式將嚴格按照地震速報管理規定執行，國內外地震速報的地名分級不同，故對地圖數據整理分析時也按照地震速報管理規定進行標準地名分級處理，并充分考慮一些復雜情況（如地震落在距離城市一定距離范圍內的海域等）。

2 國家臺網地震速報地名查詢輔助系統實現及功能介紹

2.1 系統設計及功能實現

基于上述系統方案的設計，本文完成了國家臺網地震速報地名查詢輔助系統的設計和開發，系統界面如圖3所示。其中地名查詢結果以及歷史速報地震目錄結果為根據輸入的信息得到。系統功能主要分為4個模塊：基于ArcGIS的地圖顯示模塊、快速地名查詢模塊、人工交互地震結果處理模塊以及歷史地震速報目錄模塊。

圖3 地震速報地名查詢輔助系統程序界面Fig. 3 Interface of place names query system of earthquakes

2.2 基于ArcGISs的地圖顯示模塊

地圖顯示模塊集成了比較通過的地圖顯示功能，包括地震放大、縮小、地圖漫游、加載地圖數據等，為了實現國內地震地名信息查詢和國外地震地名信息的查詢，結合地震速報管理規定的相關要求，采用ArcGIS的shp格式，共加載了4個面屬性圖層：①覆蓋全球范圍的1:100萬比例尺的行政區地圖；②中國國界地圖；③中國省級行政區地圖；④中國縣級行政區地圖。通過經緯度進行地名查詢時，地圖顯示模塊會自動漫游到該位置中心并顯示改點，并按照一定比例尺顯示地圖信息。

2.3 快速地名查詢模塊

隨著“十五”國家臺網的建設，全國1000多個區域地震臺站實現了實時數據共享，國內地震的人工速報水平從“九五”時期的30分鐘左右提高到了10分鐘左右。而隨著2013年新的地震速報管理規定的實施，大量區域的正式速報等級下限從MS5.0降到了MS4.0，一些區域如省會城市、珠三角地區等地震速報時間要求越來越嚴格，首都圈地區要求在10分鐘內完成速報，省會城市、珠三角、長三角地區要求在15分鐘內完成速報，這對地震速報值班人員的壓力也隨之大大增加。結合在地震速報中的實際需求，為了較快地完成對地震地名信息的復核和確認，本文設計了該模塊功能，僅輸入經緯度即可查得地名信息。如圖4所示，輸入經度緯度信息后，單擊查詢按鈕，自動獲得了地名信息，其中，國內地名信息可查詢省市縣三級地名，國外地區提供國家和?。ㄖ荩┘壍孛?。

圖4 國內地震地名信息查詢結果界面Fig. 4 Query results of earthquake name information in domestic earthquake

由于目前還沒有按照海洋區域進行劃分的地圖數據，同時對于判定地震發生在陸地還是海洋上，也是地震速報流程中必須做的工作，而地震落在陸地邊界時，使用人工去判定非常耗費時間，為此程序做了這樣的功能判定：當地震落在陸地時，程序界面處的地名信息正常顯示，當落在海洋時，程序界面處的地名文本框顯示為字符串“地震發生在海域”，震源深度文本框信息右邊的兩個文本框分別顯示離該地震最近距離的國家以及震中距，假設在2014年10月11日11點00分24.05秒，在日本附近海域發生1次6.0級地震，震中經度138°，震中緯度34°，查詢結果見圖5。查詢結果表明，該地震距離日本大陸邊界約69km處，距離其最近的2個歷史地震地名均為日本本州以南海域。

圖5 海域區域地震地名信息查詢結果Fig. 5 Query results of earthquake name information in oceanic region

2.4 人工交互地震結果處理模塊

國家臺網人機交互處理子系統在對地震時間波形完成地震三要素測定后，生成相應的標準數據文件，由于不含地名信息，該文件中地名信息由字符串“abc”來表示，單擊“打開定位結果按鈕”，人工交互地震結果處理模塊讀取該信息，根據經緯度查詢地名后，將查詢到的地名信息替換字符串“abc”，生成新的標準數據文件。同時，為了更快捷地發布地震速報信息，可以將復核確認完畢的地震速報參數，單擊“發送EQIM按鈕”，通過采用EQIM系統的Netsis/IP通信協議，以XML格式可直接發送到EQIM系統。

2.5 歷史地震速報目錄模塊

在地震速報三要素測定的過程中，較短時間內判定難度最大的是地震深度，而發生在其附近的歷史地震深度等數據對于速報值班員來說有很大的參考價值。正如上文3.2節中提到的由于缺乏海洋地圖數據，如果某一次發生在海洋的地震在一定范圍內有離其較近的歷史地震，也可以提供很大的參考價值。為此本文將國家臺網2008年7月—2015年4月的正式速報地震結果進行處理，生成了ArcGIS格式的數據圖層，如圖6所示。通過GIS提供的距離計算功能，根據速報信息的震中位置可計算出離其最近的5個歷史地震，并在歷史地震速報目錄模塊中顯示。

3 實際地震速報震例測試

以2014年4月14日11點27分50秒發生在吉爾吉斯斯坦的M3.4級地震為例，如圖7所示。由于EQIM系統無法查詢到國外地震地名，如通過查詢紙質地圖或者查詢歷史地震信息迅速判定地震所在地，會出現一定的時間延誤，而將震中位置直接輸入軟件地名查詢模塊，則可以較快確定該地震發生在吉爾吉斯斯坦。由于地圖數據由國家測繪局提供，故得到的地名信息對在一些國家交界區域發的地震，比人工判定或者通過Google地圖判定要更加準確。

圖6 地震速報歷史地震分布圖Fig. 6 Distribution of historical earthquakes

圖7 吉爾吉斯斯坦M3.4級地震的EQIM系統界面Fig. 7 Interface of EQIM system about Kyrgyzstan M3.4 earthquake

以2015年5月30日19時23分在日本小笠原群島地區發生的M8.0級地震為例。該地震震中位置為北緯27.9°，東經140.5°，震源深度690km。由于該地震為深震且震中位置并不在大陸上，對于速報值班員來說存在一定的難度，需要從震相、定位殘差等多方面進行地震深度的判定。在對地震進行人工交互后將定位結果輸入地名查詢模塊，查詢結果如圖7所示。根據歷史地震速報目錄，則可以迅速判定該地震發生在距離日本大陸邊界約180km處，從歷史地震速報情況來看，發生在2011年1月的M6.6級地震以及2010年11月的M6.5級地震均和該地震距離較近，地名為日本小笠原群島地區，通過雙擊歷史速報地震目錄所在行，可以將人工交互地震結果處理模塊中的地名信息替換為該行地震信息的地名，這樣在完成地名確定的時候避免了手動輸入地震地名出現錯誤或者復制出現亂碼的問題；從歷史地震的深度分布來看，可以迅速判定該區域發生的地震均為深震，深度均在400km以上，由此在幫助速報值班人員快速確定地震地名的同時還可輔助值班員對地震深度有較好的判定。

圖8 日本小笠原群島地區M8.0級地震查詢結果Fig. 8 Query results of Japan M8.0 earthquake in Ogasawara Islands Region of Japan

由于本系統缺乏海洋地圖數據，而目前國際上發生在海域的地震地名信息主要通過采用Flinn-Engdahl命名準則給出，為了對本文研發系統產出結果的可靠性進行判定，根據國際Flinn-Engdahl命名準則對從2010年1月到2015年3月以來矩震級在7級以上的發生在海中的32個地震地名信息進行了對比，結果如表1所示。其中歷史地震速報目錄結果基于震中距分別給出前3個查詢結果。從查詢結果來看，絕大部分地震地名信息和Flinn-Engdahl命名準則給出的結果較一致，僅編號18、29號地名有些差別，由于歷史地震速報目錄結果經過人工復核和確認，在命名上更加符合我國地震速報的相關規定。同時，表1中編號3、4、13、14的地震系統查詢結果顯示發生在陸地上，采用表1中的經緯度進行復核后也確實發生在陸地上，說明Flinn-Engdahl命名準則在區域邊界處理上的精度相對較低。

4 結論

（1）由于該系統專門根據國家臺網地震速報系統的相關協議和數據接口進行了數據接口的設定，并結合地震速報相關規定中對地名的要求以及地震速報中的實際需求，開發的地名查詢輔助系統，對于提高國家臺網地震速報的效率和準確度可以發揮一定作用。

（2）本文采用的ArcGIS提供的COM組件技術，使得程序開發者不需要復雜的配置和開發環境，就可以進行相關GIS功能的調用和實現，不需要對現有的地震速報系統運行環境進行較大改動就可實現所開發程序并入國家臺網地震速報系統中穩定運行。

（3）由于缺乏海洋地圖數據，對于獲得落在海洋上的地震地名信息尚未實現，但通過歷史地震查詢模塊也提供了一定的輔助判定功能，通過與Flinn-Engdahl命名準則的歷史地震結果對比，表明系統產出結果的陸地海域的邊界精度上要高于Flinn-Engdahl命名準則，歷史地震目錄的產出結果和實際地震地名信息有很大的匹配性。

陳曉輝，侯建民，劉瑞豐，2009.全國地震速報信息共享與服務系統.地震地磁觀測與研究，30（3）：132—135.

侯建明，黃志斌，余書明，黃靜，代光輝，趙永，2009. 中國國家地震臺網中心技術系統. 地震學報，31（6）：684—690.

黃志斌，宋銳，顧小紅，薛峰，王永力，左如斌，黃金莉，鄭斯華. 2001. 國家數字化地震臺網中心的技術系統. 地震，23（4）：7—11.

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Design and Implementation of Place Names Query System for China Earthquake Networks Center of Earthquake Fast Report Based on ArcGIS

Guo Kai， Hou Jianmin and Yan Enhui

（China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China）

Based on the actual work demands of the earthquake fast report in China Earthquake Networks Center，through the research on the related protocols and data interface for the real time processing system， the interactive analysis system and the Earthquake Instant Messenger exchange platform （EQIM system）， and combining with the relevant provisions of place names in earthquake fast report requirements， design a place name query system for the national network earthquake fast report， which can effectively improve the efficiency and accuracy for the national seismic earthquake fast report.

Earthquake fast report； Place name query； ArcGIS

地震行業科研專項“中國全球地震臺網建設預研”（201508007）、中國地震臺網中心青年基金“基于ArcGIS的國家臺網地震速報地名查詢輔助系統”（QNJJSQ-TWB-1401）和國家地震科學數據共享平臺項目（503130113）共同資助

2015-03-18

郭凱，男，生于1986年。工程師。主要從事地震監測研究。E-mail：guokai@seis.ac.cn