地震應急信息速報視圖自動發布系統的設計與實現

鄭通彥 文鑫濤 李華玥 林向洋

中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

地震發生后，地震應急工作基于基礎數據庫和現場信息，迅速判斷地震規模、影響范圍等，并提出科學救災方案和調度方案，協助指揮人員實施各種救災行為，實現地震應急信息快速傳遞、高效處理，提高應急救災指揮與決策技術水平，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指揮決策的重要依據，準確完備、表達清晰的信息是做出具有針對性救災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字或文本快多個數量級，對地震信息進行可視化處理是未來地震應急產品的重要組成部分和發展方向(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，本文在當前地震應急信息服務主要產出的基礎上，豐富和提升視覺表現效果，開展了“速報視圖自動發布系統”的研究和開發工作，為震后應急指揮提供快速準確的地震應急信息服務(和海霞等，2018；陳誼等，2020)。

“速報視圖自動發布系統”通過輸入震后速報的三要素，自動提取基礎數據庫信息，產出包括地震信息、地質環境信息、氣候條件、經濟情況、人口情況、三維地形圖等內容，在震后最短的時間內產出較為全面的信息可視化圖形產品。

1 系統架構

隨著大數據可視化、機器學習等技術的不斷發展，震后對應急處置工作效率和精準性的要求不斷提升，這對地震應急的現代化程度提出了新的目標：如何更好地將新技術、新成果，以及交叉學科的研究進展應用于地震應急服務工作，也是當前地震應急信息化建設工作中亟須解決的問題。通過對震后24h內可收集的相關地震信息進行清洗和分類，分析地震信息的主要形式和屬性，總結地震信息展示規律，研究可行的大數據地震信息的可視化規范，將重要信息從繁雜句式中抽取出來，進行精簡和歸類，使讀者可快速抓取，按照震后時序性和信息陸續報送的重要程度，將其分為震區基本情況、應急處置信息和政府行動、實時震情災情3部分內容來呈現。

圖1 “速報視圖”系統總體設計框架

為滿足震后應急處置現代化、信息化對應急指揮決策科學支撐能力的要求，“地震應急信息速報視圖自動發布系統”基于地震應急基礎數據和大數據分析方法自動抽取、分析互聯網信息，形成實時災情數據，并結合行業內產出的應急產品和正式途徑上報的災情信息，融合生成具有內在屬性關聯和統一表達數據，建立可視化設計原則，最終采用可視化建模方法構建一套完整的災情信息動態可視化模型以及可視化方案智能識別系統。

該系統采用B/S架構，由數據庫、后臺管理系統以及前端綜合展示3部分組成，系統框架如圖1 所示。該系統主要實現震區的二維和三維地圖展示，震區環境、人口、經濟等基礎信息可視化產出，實時天氣情況、歷史地震信息的圖形展示等功能。此外，系統預留接口以便未來新增功能模塊的添加。

2 系統構成

2.1 系統數據庫建設

(1)數據種類

系統數據庫由基礎信息數據庫、歷史地震數據庫和地震發布信息數據庫3部分構成。基礎信息數據庫主要用于存放以縣為單位的基礎信息，包含縣域范圍內的基本信息(如地理環境、人口、經濟等數據)，共劃分48個字段，詳細描述震中所在縣級單位的地形條件、氣候環境、人口分布和經濟發展情況，數據來源為國家統計局和公共互聯網(百度百科)，使用自動采集、人工判別校準的方式獲取并更新；歷史地震數據庫主要包括地震應急基礎數據庫(如震中經緯度、震源深度、發震時間、死亡人數等)，劃分16個字段；地震發布數據庫主要為平臺發布數據存儲庫(如地震序列碼、震源深度、經濟信息等)，共包括41個字段，作為每次觸發后的記錄信息，方便疊加展示(表1)。以上三大模塊為“速報視圖”的信息發布提供基礎地理信息和社會經濟信息，結合地震速報平臺發布的真實地震和模擬觸發的地震信息，共同形成系統數據庫。

表1 “速報視圖”系統數據庫

(2)數據庫實現

平臺數據庫采用MySql數據庫。MySql數據庫是輕量型的關系型數據庫，關聯數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，以提高速度和靈活性。并且MySql與系統開發主要依賴的語言PHP適配性較高，可顯著提升數據處理效率。

2.2 后臺管理系統

“速報視圖”后臺管理系統主要完成地震事件的觸發與發布、系統各子模塊和數據庫的調用與管理，以及與前端推送系統的對接。本系統的開發設計采用ThinkPHP開源框架作為后臺服務端的核心程序，進行系統的邏輯處理與流程控制，并結合HTML5制作微信端頁面與用戶進行交互。通過服務端向微信端進行多圖文推送，用戶點擊后直接進入速報系統自動發布平臺的主頁面，同時可用HTML5頁面查看當前地震的可視化成果。

為滿足系統“多任務”、“多數據源”、“多發布渠道”的總體要求，系統集成采用EBS企業服務總線，提供事件驅動和文檔導向的處理模式，以及分布式的運行管理機制提供一系列的標準接口；同時，由于“速報視圖”平臺主要采用了2套界面與用戶進行交互(主機頁面端和移動端)，因此采用VUE路由，允許用戶通過不同的 URL 訪問不同的內容，主要實現以下內容：

(1)地圖管理

此模塊主要根據用戶需要，選擇相應地區的矢量圖層的二維地圖和直觀表現的三維圖層，圖層是以預先配置好的地圖模板，當用戶輸入具體的經緯度參數時，系統會自動調用相應的地圖模板，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換。使地震信息環境、信息氣候條件、經濟情況、三維地形圖、人口信息的顯示更加人性化，更加美觀。

(3)用戶輸入參數調整

此模塊以接收地震三要素為觸發器和輸入參數，以預先配置好的地圖為模板，依托應急基礎數據庫和本項目采集的背景信息數據庫為支撐，依托ArcEngine、Phthon等工具方法，在ArcMap平臺上實現二維基礎圖件的自動產出，在ArcScene平臺上實現三維地形圖的自動產出，通過前臺顯示出來(圖2)。

圖2 后臺管理界面

(4)數據庫管理

該模塊主要依賴自創建庫進行相應的操作，包括數據添加、數據刪除、數據編輯、數據查詢。在庫里添加地圖的具體數據，如經緯度和圖層信息，可實現各個地區的人口、經濟建設、環境信息等基礎信息的操作應用。地震發生后，依據地震震中經緯度、震級等參數，實現基礎圖件等參數的操作應用。

(5)信息自動獲取

該模塊根據云數據庫傳輸的地震消息和基本參數，傳到本地數據庫。系統會自動獲取本地數據庫，提取基礎數據庫信息，經過后臺程序處理，自動產出地震信息、地質環境信息、氣候條件、經濟情況、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

該模塊實現對用戶的管理，包括用戶的增減信息修改。

2.3 移動端展示系統

(1)自適應實現

為應對不同設備的分辨率差異，“速報視圖”移動端展示系統采用Bootstrap中的 boilerplate 來實現在不同分辨率下的自適應顯示，且在頁面制作過程中采用自適應百分比為100%顯示進行操作，生成的頁面可以適應任何設備。依靠該組件完成自適應開發過程，可以充分滿足速報視圖移動端不同屏幕尺寸和分辨率的微信發布的需求。

(2)地圖組件

地圖組件的開發主要包含兩方面內容：二維地圖開發和三維地圖開發。因此，在開發過程中主要采用ArcGIS中的ArcMap與ArcSence來進行二、三維地圖的制作。通過ArcMap可以對地理圖層進行符號化顯示、分析和編輯GIS數據集，還可以處理地圖的頁面，包括地理數據視圖和其他地圖元素，如圖例、比例尺、指北針等。運用ArcMap可以實現平臺整個二維地圖的設計與操作應用(王艷妮等，2008；趙影等，2019)。

平臺三維地圖模塊主要采用ArcSence的相關組件進行開發，結合動態三維模型裁剪技術，以Google Earth的數字高程數據為基礎，動態裁剪出地震影響范圍內的DEM數據和遙感影像。通過三維圖形的實時繪制技術、地形數據簡化的層次細節模型(LOD)技術以及多分辨率模型的生成技術，實時繪制出高度真實的地震影響區域三維地圖，并疊加其他地震相關信息導出圖片，以用于前臺展示。

3 關鍵技術措施與效用討論

3.1 三維處理技術

“速報視圖”平臺三維處理技術的開發基于ArcGIS平臺的ARCScene軟件。在服務器端，可以通過CityEngine、Drone2Map、ArcGIS Pro等創建三維模型，并將創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端應用和移動端訪問場景圖層。“速報視圖”的場景圖層在存儲和顯示上采用了Esri新推出的I3S標準，該標準支持Lod、地理索引、采用流模式加載，極大地提高了三維數據在桌面、Web、移動設備上的顯示效率。目前I3S標準描述的場景圖層有4種類型，分別是3D模型(3D Object Layer)、點(Point Layer)、集成網格(Integrated Mesh Layer)和點云(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)。如果數據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有3D模型導入ArcGIS中轉換為多面體要素。地震發生后，快速獲取發震地點，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，轉換為震區三維地形圖，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建場景圖層包，然后將場景圖層包共享為場景圖層。

(2)數據互操作擴展模塊

數據互操作擴展模塊支持通用模型obj、X格式模型的導入。數據互操作擴展模塊是通過使用Safe Software的FME技術在地理處理框架中運行的集成空間ETL(提取、轉換和加載)工具集，可在不同數據模型和不同文件格式之間變換數據。該模塊需要單獨安裝(針對ArcMap和ArcGIS Pro分別有對應的安裝介質)和Data Interoperability許可。

安裝和授權數據互操作擴展模塊后可以進行3D模型的導入。在ArcGIS Pro中，要通過創建Spatial ETL tool將3D模型導入到多面體要素類中。在ArcGIS Map中，可以使用系統工具箱數據互操作工具箱里的快速導入工具，也可以通過創建Spatial ETL tool來進行轉換。

(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建場景圖層包，然后將場景圖層包作為場景圖層發布至門戶中。

(4)三維地形的信息標注

三維地圖模塊可快速展示震后獲取到的各類災害信息，包括人員傷亡、道路、交通、次生災害等災情信息，實現震中與災害點的距離測量功能，通過DEM量算識別海拔功能，并進一步實現三維場景的動態標注和編輯、多層數據的顯示與交互功能。其中，根據獲取數據的清洗結果可以獲取到有經緯度的數據和無經緯度的數據，有經緯度的數據可直接進行可視化展示映射到三維地圖中；無經緯度的數據需要先獲取地址信息，再通過國內地圖接口對地址信息進行地址解析，得到經緯度后再進行可視化展示。

3.2 圖表可視化

系統的圖表顯示功能采用ECharts 3.0版本進行開發設計，產出直觀、生動、可交互、可高度個性化定制的數據可視化圖表，以滿足系統的可視化需求。

(1)基礎信息

速報系統人口信息模塊展示出當地的人口信息情況，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人口信息、與人口民族相關的詳細信息等，通過餅狀圖或環狀圖表現出來。

當地的經濟情況通過柱狀圖展示，包括各類產業的完成產業值和年度總計情況，附加文字信息詳細展示當地的年收入情況。

環境信息主要以曲線圖的形式展示，橫坐標為地理區域，縱坐標為海拔，表現出震區一定范圍內的剖面地形情況。

(2)地震信息

速報系統地震信息模塊主要展示信息分為:時間(精確到分鐘)、地點(精確到縣級)、烈度、震級、深度、位置(經緯度)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

地震特點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)應急響應

應急響應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方案。

(5)二維地圖

二維地圖模塊將根據情況展示地震影響區域內的行政區劃圖、交通圖、地質圖以及水系分布圖，并將這些底圖與地震信息以及其他基礎信息相結合進行顯示。

(6)天氣信息

界面采用折線圖的形式展示，體現震后5天內震區天氣走勢，并配以更加詳細的文字信息介紹當天的天氣情況。

(7)災情信息

災情信息將在地震發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、經濟損失以及生命線等地震相關信息。

(8)政府行動

政府行動主要以文字的形式進行展示，展示的主要內容為地震發生后政府采取的救助行動，將預留圖片接口，用于發布現場照片。

(9)三維地圖

速報系統三維地形圖將根據地震的影響范圍自動裁剪出三維地形圖，以此來展示地震區域的情況，主要包括地震占地面積、全市人口、生產總值三大方面，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情況(圖5)。

圖5 移動端展示效果圖

3.3 云端大數據存儲及智能歸檔

“速報視圖”平臺使用云端大數據存儲并進行智能歸檔，通過結構化索引提高查詢搜索速度，快速將基礎數據和基礎圖件進行精確提取，依照相關算法除去冗余數據(顧榮，2016)，將目標數據匯總并從云端輸出。通過云端服務器強大的計算能力，從已有應急基礎數據庫和本項目采集的云數據庫中按照要求提取、過濾、匯總信息，同時應用H5最新響應式技術將數據以圖形化、圖表化的方式表示(圖6)。本系統云端數據庫均部署于中國地震臺網中心。

圖6 數據提取與云端歸檔技術路線

4 結語

速報視圖自動發布系統可在震后第一時間，為指揮決策者和應急處置人員提供直觀的震區地形地貌信息和震區經濟、人口對比信息，同時，通過其三維地圖模塊可快速展示震區地理地形情況，為人工判斷可能發生的次生災害提供參考，并可完成距離、海拔量算和基礎數據交互信息，為決策的科學性和前瞻性提供可靠的技術支撐。同時，系統的微信端發布與推送功能，可有效補充地震應急期間前方現場指揮決策者的信息需求和社會公眾對地震應急和震后處置相關服務的了解。

在上級指揮決策部門對地震應急水平的要求不斷提升的背景下，結合當前信息產業的發展動態和未來趨勢，“速報視圖”平臺也預留了相應接口，為下一步功能升級提供了可靠的技術保障。