基于開源GIS的地震應急信息可視化平臺構建與應用

吳珍云，金忠平，王冬辰，劉博雅

(1.東華理工大學 地球科學學院， 南昌 330013； 2.江蘇省地震局， 南京 210014)

0 引 言

江蘇省及其鄰區屬于少震地區，但卻也是中強地震發生較多的地區，且地震災害有“震級不大、災害較重；波及范圍廣、社會經濟影響大”的特點[1-3]。已有研究結果表明，在今后幾十年內，江蘇及其鄰區地震活動仍將保持較高水平[4-5]。尤其近年來，江蘇省及周邊有感地震發生較為頻繁，如2015年連云港市東海小震群以及今年6月份以來的鹽城市大豐區小震群，均造成了一定的社會影響。根據《江蘇省地震局地震應急預案》規定，“當我省陸地發生2級以上或近海海域50 km內發生3.5級以上地震事件，并產生較大社會影響時，啟動有感地震應急響應”。在此省情下，江蘇省地震應急工作面臨新的挑戰，對地震應急基礎信息的獲取也要求快速和全面。

此外，江蘇省地震局自2014年以來就和江蘇省基礎地理信息中心加強合作，獲得了全省的“天地圖”基礎地理數據、興趣點數據和高清遙感數據，如何充分利用這些基礎數據并結合現有的分析技術和平臺構建技術[6-12]加強江蘇省地震應急工作建設，是當下需要考慮的問題。

為方便有感地震來臨之時，可以更快、更動態地提供影響場范圍內更加多元化、屬地化的地震應急信息，也為更好地對江蘇省有感地震進行記錄分析和綜合管理，迫切需要加強地震應急基礎數據分析和發布技術的研究以及有感地震“檔案”管理系統的建設。同時，為更好地調用市縣地震部門參與到地震應急工作中來，也需要構建這樣一個可實現異地操作和管理省、市、縣共同在線參與基礎數據收集和維護的地震應急信息可視化平臺，從而良好地實現江蘇省地震應急信息的及時更新和共享。

本文以江蘇省為例，基于開源GIS構建了江蘇省地震局有感地震信息管理系統，該系統作為我省地震應急信息可視化平臺已應用到省地震應急工作中。

1 系統基礎數據庫建設

本系統基礎數據庫主要由基礎專題數據、地震專題數據和系統管理數據三部分組成(見表1)。其中基礎專題數據包括行政區、學校、醫療機構、危險源、避難場所等空間數據，又包括人口、經濟、建筑結構信息等非空間數據；而地震專題數據則包括地震事件與地震烈度圈等空間數據。

表1 系統數據需求與設計

基礎數據庫通過主流關系型數據庫PostgreSQL與空間數據引擎PostGIS進行構建。屬性數據與空間數據以混合方式存儲，但對于具有大量屬性數據的情形，屬性數據與空間數據則分開存儲，通過定義的關鍵字進行關聯。空間數據包括空間數據模型(Geometry)與空間索引(GIST)，空間索引用于支撐快速空間查詢。

基礎數據庫支持數據的查詢與編輯，數據的查詢包括屬性查詢與空間查詢，對于同一條數據，為了保證版本一致，通過獨占寫鎖的方式，避免其被同時編輯。

基礎數據庫采用雙機熱備的架構，主從數據庫保持數據實時同步，當主數據庫出現設備、操作系統、軟件系統等故障，從數據庫可在1 min內切換為主數據庫，快速恢復基礎數據庫，保證基礎數據庫的穩定運行。

2 信息可視化平臺建設

2.1 系統架構

該系統基于Java語言，采用B/S架構,遵循MVC設計模式，實現了空間數據發布以及人員、資料、數據等信息的管理功能。系統采用MapServer、PostgreSQL、OpenLayers、GeoExt等開源軟件，使其具有良好的跨平臺、跨瀏覽器特征[13]。本文中信息可視化平臺總體由客戶端和服務端組成，系統體系結構及設計方案如圖1所示。

圖1 系統體系結構及設計方案

(1) 客戶端。采用HTML5+CSS3+ES6的Web技術進行可視化展現，地圖通過開源地圖引擎Openlayers進行展現，地圖的相關應用也基于Openlayers擴展構建。

(2) 服務端。包括應用服務器、地圖發布服務器以及數據存儲服務器三大類。其中應用服務器以Restful接口標準提供業務功能服務與空間計算、分析、檢索服務；地圖發布服務器選用開源GIS服務器GeoServer，搭配Tomcat和GeoWebCache技術服務，提供地震應急專題圖層服務。地圖發布以ArcGIS Bundle格式的地圖瓦片為數據源，提供WMS(Web Map Service)標準的瓦片地圖服務。其中GeoWebCache技術充分地利用了地圖顯示的緩存機制[14]，極大地提高了客戶端數據瀏覽速度和用戶體驗效果，即當客戶端發送數據請求時，GeoWebCache服務器會對數據請求先進行攔截，并判斷本次請求的數據是否已經被緩存。如果請求數據已被緩存，則將緩存圖片直接渲染至客戶端；如果請求數據沒有被緩存，則發送請求至GeoServer服務器，由服務器處理請求數據，并返回給Geowebcache服務器，由Geowebcache服務器進行渲染及緩存數據后繪制給客戶端(見圖2)。數據存儲服務器通過主流關系型數據庫PostgreSQL與空間數據引擎PostGIS進行構建。

圖2 地圖發布服務器地圖緩存機制

2.2 系統功能模塊設計及實現

江蘇省地震局有感地震信息管理系統平臺的建設主要包括地震影響評估、地震事件管理與基礎數據管理3個功能子模塊，其主要功能如圖3所示，系統運行主界面如圖4所示。地震影響評估為開放式功能，地震事件管理與基礎數據管則須管理員權限。

圖3 系統功能模塊設計示意圖

圖4 系統運行主界面

2.2.1 地震影響評估子系統

地震影響評估子系統主要功能包括地圖漫游、圖層控制、地震影響場分析以及影響場內相關專題數據的檢索、地圖多樣式標繪與編輯等，各功能詳細描述見表2。各功能圖標采用浮標形式顯示在地圖界面之上，可以按照需求進行顯示或者隱藏(見圖5(a))。系統利用江蘇本地化烈度衰減模型[15]，實現有感地震影響場計算(見圖5(b))，并依據模型產生的烈度圈實現每一個烈度圈內地震應急基礎數據(如面積、鄉鎮數量及名稱，人口數量、經濟、學校、醫療機構、危險源和應急避難場所等)的分析和檢索，并列表顯示，以及導出為獨立的文檔信息(見圖5(c))。同時，系統實現了影響場修正(大小和長半軸方向)并再次進行數據的分析和檢索。同時平臺可以實現檢索數據的下載和打印等，方便數據的異地共享使用，提高地震應急工作效率。

表2 地震影響評估子系統功能統計

圖5 地震影響評估子系統部分功能應用 (a) 地震影響評估子系統主界面；(b) 地震影響場評估及圖層信息展示；(c) 地震影響場內主要信息檢索及報告形成；(d) 地圖漫游及地圖多樣式標繪與編輯

2.2.2 地震事件管理子系統

地震事件管理子系統針對我省及鄰區1970年以來典型震例震害信息進行收集，重點對地震發生的時間、震級、經緯度、烈度圈、人員傷亡情況、建筑物破壞情況及相關應急處置事件新聞報道等進行匯編及資料數據化，建立江蘇省震例震害“電子檔案”數據庫(見圖6(a))。當地震發生后，第1時間調出震區歷史地震背景信息及震害特征、地震應急處置信息，為地震應急工作開展提供更多資料參考。

該系統基本功能包括歷史地震信息檢索和查看、地震事件創建及基本信息的錄入與編輯、有感地震事件與地圖底圖交互顯示、地震影響場與專題圖層的關聯查看以及地震事件多媒體資料(如圖片、文檔等)的上傳、查看和下載(見圖6)。

圖6 地震事件管理子系統主要功能 (a) 地震事件目錄；(b) 地震事件高級檢索；(c) 地震事件編輯；(d) 地震事件與地圖圖層交互顯示

2.2.3 基礎數據管理子系統

基礎數據管理子系統能夠滿足平臺內地震應急基礎數據的瀏覽、導入(Excel文件)、單條編輯與批量編輯(見圖7)。目前該子系統包括的基礎數據主要有人口、經濟、學校、醫療機構、危險源、應急避難場所和江蘇及周邊主要斷裂。

(a) 基礎數據目錄

(b) 基礎數據編輯

目前，該系統實現了省、市、縣地震部門可跨區域進行地震應急基礎數據庫日常數據更新和維護。但是，為增強本系統平臺在市縣地震部門的實用性，在該子系統登入時進行了市、縣權限設置(見表3)，使得各市、縣在登錄系統后只能查看、編輯或更新本轄區內的基礎數據，既保障了授權使用單位在本平臺系統進行基礎數據運維時的安全性，又實現了省局對本省地震應急基礎數據的收集和管理工作。

表3 基礎數據管理子系統用戶登入權限設置表

3 系統應用實例

系統自2016年6月完成建設以來，已多次應用到江蘇省及周邊區域發生的有感地震應急(演練)中，并對我省部分市縣地震部門及鄰省地震部門開展了應用推廣工作(見圖8)。該系統作為在線可視化平臺直接投放于江蘇省地震應急指揮大廳輔助屏幕上(見圖8(a))，非常方便指揮組工作人員及時瀏覽和查閱相關信息，對地震應急工作起到了較強的輔助決策作用。

系統一次典型的應用便是我省2016-10-20凌晨4:51在我省鹽城市射陽縣發生的4.4級地震。這次地震震中位于鹽城市射陽縣新洋農場，按照《江蘇省地震局地震應急預案》，江蘇省地震局立即啟動Ⅲ級應急響應，地震應急指揮大廳工作人員和現場工作隊人員隨即開展工作，同時也第一時間利用本系統進行了地震影響場評估及震區主要背景信息的檢索(見圖5(a)～(c))，形成相應報告提交地震應急指揮組。此外，在現場工作隊開展工作的過程中，該系統良好的地圖漫游、界面標繪和地圖打印等功能也發揮了較強的作用，方便了現場調查工作的開展(見圖5(d))。

(a) 江蘇地震應急指揮大廳系統應用

(b) 其他省、市地震部門系統推廣應用

在地震應急工作結束后，針對本次射陽地震進行了詳細的資料整理工作(包括震源機制解、震害預評估報告、現場工作隊調查報告以及地震應急總結報告等)，并利用本系統中“地震事件管理”子系統對這些資料進行了“電子檔案”整理(見圖7和圖9)，以便相關資料的集中管理和查閱，亦為江蘇省歷史地震資料匯編提供了豐富的素材。

圖9 江蘇射陽2016-10-20 4.4級地震應急

4 結 語

本文結合江蘇省情，以服務江蘇及鄰區地震應急為目的，基于開源GIS技術構建了一個界面簡潔、直觀、便于異地操作和維護的地震應急信息可視化平臺--江蘇省地震局有感地震信息管理系統。該系統采用當下主流的B/S架構，選用GeoServer+Tomcat+GeoWebCache組合技術，整體具有良好的性能體驗。系統包括地震影響場評估、地震事件管理和基礎數據管理三個子系統，能為地震應急工作人員在面對有感地震應急工作時提供快速、便捷的信息服務。可以滿足江蘇及鄰區小震、弱震較多情況下的地震應急工作需求。目前該系統在江蘇省多次有感地震應急(演練)中開展了應用，其應用效果也表明該系統在省、市、縣地震應急及震后資料建檔中能夠發揮重要的作用，且對于現場工作隊開展工作能夠提供較大的便利。系統在實際地震應急工作中具有重要的應用意義，對于其他應急系統建設也具有重要的技術參考意義。