基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐桂彬，周 波

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與測繪工程分院，陜西 咸陽 712100)

0 引言

二維地形的可視化繪制是地震應(yīng)急中心的一個(gè)重要課題，對三維地震地區(qū)地形的特征信息在二維地圖或三維地形中的簡單表示是目前比較系統(tǒng)和有效的方法，但三維地形的特征地震應(yīng)急信息的可視化繪制還沒有統(tǒng)一的解決方案[1]。主要有兩種解決方案，一是采用以地震應(yīng)急信息為中心的訪問方式，強(qiáng)調(diào)地震應(yīng)急信息傳輸路徑的能量損耗最??；二是在訪問速度平衡下的地震應(yīng)急信息聚合策略，將地震應(yīng)急信息訪問位置設(shè)置在需要控制的位置，并根據(jù)訪問位置的變化進(jìn)行調(diào)整。目前，兩種系統(tǒng)都是基于坐標(biāo)系的計(jì)算方法，而地震應(yīng)急地理信息表達(dá)往往需要采用大地坐標(biāo)系，傳統(tǒng)系統(tǒng)無法直接將地震應(yīng)急信息移植到相關(guān)坐標(biāo)系[2]。地形圖是GIS系統(tǒng)的基本地震應(yīng)急信息，其包含的點(diǎn)、線、多邊形等是反映道路、河流、土壤等地理實(shí)體分布地震應(yīng)急信息的重要地震應(yīng)急信息。該地震應(yīng)急信息可由衛(wèi)星圖像或GIS測量，或由用戶手工輸入。一個(gè)成熟的GIS系統(tǒng)應(yīng)該能夠合理顯示、管理和存儲所有特征地震應(yīng)急信息，并且能夠讓用戶在任何時(shí)候以其他地震應(yīng)急信息格式修改、測量和導(dǎo)出。針對這一問題，設(shè)計(jì)了基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)。將GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，可以有效地收集、處理和維護(hù)地震應(yīng)急信息庫中的應(yīng)急信息。

1 地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

大規(guī)模地形地震應(yīng)急和三維態(tài)勢可視化背景下的空間控制是必要的，三維態(tài)勢系統(tǒng)中態(tài)勢地震應(yīng)急信息具有時(shí)變性，為了直觀地顯示這些變化，需要利用系統(tǒng)提示圖或文字等形式[3]。基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息控制總體架構(gòu)

由圖1可知，原始地形地震應(yīng)急信息處理模塊主要完成原始高程地震應(yīng)急信息的導(dǎo)入、分割、分層等操作，生成實(shí)時(shí)調(diào)度的場景繪制地震應(yīng)急信息。將場景繪制地震應(yīng)急信息放入本地硬盤進(jìn)行處理，同時(shí)獲取硬盤上的地形地震應(yīng)急信息[4]。

場景管理模塊和地震應(yīng)急信息管理模塊是場景繪制系統(tǒng)的核心，其中場景管理包括地形生成、紋理繪制、環(huán)境繪制(光、天、霧等)、景物標(biāo)繪等，這些都需要與圖形引擎進(jìn)行交互[5]。

由于地震應(yīng)急信息量大，不能一次顯示，地震應(yīng)急信息管理主要包括地震應(yīng)急信息調(diào)度。在進(jìn)行地震應(yīng)急信息管理時(shí)，需要對內(nèi)外存儲間的地震應(yīng)急信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。而處理過的高精度地震應(yīng)急信息直接存儲在本地硬盤上，因此，地震應(yīng)急信息管理需要實(shí)時(shí)控制并采集本地存儲地震應(yīng)急信息，而接收來自終端設(shè)備的對其管理時(shí)序的請求，從而控制空間地震應(yīng)急信息[6]。

地震應(yīng)急地理信息系統(tǒng)中的空間控制模塊是GIS特有的，為記錄空間繪制實(shí)體的坐標(biāo)、名稱等屬性地震應(yīng)急信息，建立了屬性地震應(yīng)急信息庫。地震應(yīng)急信息管理模塊在導(dǎo)入特征標(biāo)繪或場景模型后生成該地震應(yīng)急信息，并通過地震應(yīng)急信息管理模塊控制屬性地震應(yīng)急信息庫完成空間控制。

2 地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)硬件部分主要設(shè)計(jì)了存儲服務(wù)器、WEB服務(wù)器和全景操作控制模塊。存儲服務(wù)器調(diào)節(jié)各節(jié)點(diǎn)信息傳遞，使信息超分辨率顯示，利用WEB服務(wù)器支持用戶交互，全景操作控制模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)處理并顯示全景地圖信息。

2.1 存儲服務(wù)器

通過系統(tǒng)架構(gòu)雖然可建立物理超分辨率顯示模塊，但并不能很好地利用硬件的超分辨率顯示細(xì)節(jié)。

超分辨率的遙感圖像在地表破裂程度判斷、斷層空間描述等方面的應(yīng)用[7]，能夠?yàn)榈卣鸬钠茐某潭群偷卣鸬姆植挤秶鞒隹焖倥卸ㄌ峁┮罁?jù)。為了達(dá)到與物理顯示矩陣分辨率一致的細(xì)節(jié)顯示率，實(shí)現(xiàn)真正的超分辨率顯示，需要存儲服務(wù)器控制[8]。存儲服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 存儲服務(wù)器

如圖2所示，存儲服務(wù)器由兩部分組成：主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，使用 TCP或UDP協(xié)議在兩者之間傳遞消息?；贕IS平臺提供的開發(fā)接口，創(chuàng)建了一種超分辨率顯示組件，該組件被GIS集成應(yīng)用程序用作全景的運(yùn)行控制終端，即主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)超分辨率顯示組件由主節(jié)點(diǎn)控制模塊和系統(tǒng)通信模塊兩部分組成[9]，利用GIS開發(fā)平臺提供開發(fā)界面，建立了網(wǎng)絡(luò)消息驅(qū)動(dòng)的顯示程序，可直接與用戶進(jìn)行交互。它作為一個(gè)顯示輸出終端，即一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，與主節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)包括：從控制模塊和系統(tǒng)通信模塊，同時(shí)，通過用戶交互界面可為GIS主節(jié)點(diǎn)集成應(yīng)用提供幫助。

2.2 WEB服務(wù)器

使用WEB服務(wù)器與GIS主節(jié)點(diǎn)集成應(yīng)用，從存儲服務(wù)器中獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為用戶交互提供服務(wù)支持，WEB服務(wù)器如圖3所示。

圖3 WEB服務(wù)器

由圖3可知，該服務(wù)器與攝像頭、各個(gè)服務(wù)器相連，其主要是由智能環(huán)網(wǎng)自動(dòng)組環(huán)，包含電信級元器件、散熱式金屬外殼，具有秒啟動(dòng)環(huán)網(wǎng)功能，自愈時(shí)間達(dá)25 ms。即使系統(tǒng)出現(xiàn)關(guān)機(jī)情況，也可自動(dòng)啟動(dòng)，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3 全景操作控制模塊

系統(tǒng)采用主從式設(shè)計(jì)，以GIS平臺為支撐的綜合應(yīng)用程序作為全景操作控制終端，實(shí)現(xiàn)了地圖顯示的實(shí)際范圍。此外，系統(tǒng)由多臺GIS應(yīng)用集群機(jī)構(gòu)成顯示輸出終端，每臺顯示輸出終端與外部顯示設(shè)備相連接，組成超分辨率顯示矩陣，可對全景地圖范圍進(jìn)行更詳細(xì)顯示[10]。全景操作控制模塊如圖4所示。

圖4 全景操作控制模塊

由圖4可知，通過局域網(wǎng)將全景運(yùn)行控制終端連接到分布式集群顯示輸出終端，運(yùn)行時(shí)，全景處理終端的GIS程序?qū)?dāng)前屏幕地震應(yīng)急信息(地理位置、顯示范圍)劃分為若干塊，分配為相應(yīng)顯示矩陣[11]。每一站都會(huì)將所獲得的位置和距離地震應(yīng)急信息與其自身的顯示分辨率相比較，計(jì)算出相應(yīng)比例關(guān)系，然后根據(jù)比例關(guān)系再以對應(yīng)的比例重新顯示。在震后的遙感影像顯示時(shí)，融合數(shù)字搞成數(shù)據(jù)，生成超分辨率的影像，更全面地體現(xiàn)震后災(zāi)區(qū)的地貌特征，尤其是山體滑坡、道路阻塞破損等地形信息顯示詳細(xì)，為震害程度的判別提供有力依據(jù)。

3 地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GIS是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括收集、存儲、管理、顯示和分析與地形地震應(yīng)急空間地理分布有關(guān)地震應(yīng)急信息，并用于地震應(yīng)急信息的輸入、存儲、控制、分析和顯示[12]。將地理與繪圖相結(jié)合，可將地圖、地震應(yīng)急地理信息分析功能獨(dú)特視覺效果與通用地震應(yīng)急信息控制功能集合在一起，用于地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制。

3.1 聚集路線延遲分析

考慮地震應(yīng)急信息數(shù)據(jù)的分散式特點(diǎn)，聚集算法將數(shù)據(jù)分成不同聚集節(jié)點(diǎn)，使用分組序號進(jìn)行分組聚集計(jì)算，以代替通常使用的順序排序計(jì)算，有效減少運(yùn)算開銷[13]，能夠?qū)崿F(xiàn)快速地震應(yīng)急信息處理。為了確保聚集算法能采集區(qū)域內(nèi)所有地震應(yīng)急信息控制敏感地震應(yīng)急信息，需設(shè)置從第一個(gè)聚集節(jié)點(diǎn)開始，沿理想路由實(shí)時(shí)確定下一個(gè)聚集節(jié)點(diǎn)，直到最后一個(gè)聚集節(jié)點(diǎn)，從而得到實(shí)際路由的聚集節(jié)點(diǎn)序列。對每一個(gè)聚集節(jié)點(diǎn)來說，發(fā)送聚集請求、接收地震應(yīng)急信息節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息的時(shí)間基本上是固定的，所以聚集路線總延遲是由理想地震應(yīng)急信息聚集路線總長度來確定的。

聚集路線延遲計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，Area表示地震應(yīng)急信息聚集面積；davg_A表示不同地震應(yīng)急信息聚集間距離；Delay表示聚集節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收聚集請求所耗費(fèi)時(shí)間。雖然平行發(fā)布能有效減少聚合延遲，但是，并行地震應(yīng)急聚合可能導(dǎo)致通道沖突[14]。所以，在設(shè)計(jì)地震應(yīng)急信息聚集路徑時(shí)，有必要考慮地震應(yīng)急信息傳輸通道沖突概率。

在此基礎(chǔ)上，將多路地震應(yīng)急信息聚集結(jié)果有效地返回到Sink上，盡量降低額外增加的地震應(yīng)急信息傳輸通道量[15]。為此，提出基于同心圓并行路線，如圖5所示。

圖5 同心圓并行路線

由圖5可知，每一個(gè)同心圓的初始集散節(jié)點(diǎn)，不僅決定了下一個(gè)同心圓沿著理想路徑運(yùn)行(一般設(shè)置為逆時(shí)針)，而且也決定了外同心圓的初始集散節(jié)點(diǎn)，以減少并行操作，避免信道沖。當(dāng)選擇外同心圓起始聚集節(jié)點(diǎn)時(shí)，各同心圓的起始聚集節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量選擇與其理想路徑(順時(shí)針方向)相反、離理想路徑越近的節(jié)點(diǎn)。

在理想路徑上，第二環(huán)同心圓的起始聚集節(jié)點(diǎn)A21選擇A22作為下一個(gè)聚集節(jié)點(diǎn)，第三環(huán)同心圓選擇A31作為開始聚集節(jié)點(diǎn)，這樣各同心圓就可以并行處理了[16]。該并行處理的總延遲取決于從最內(nèi)環(huán)到最外環(huán)的路徑長度以及理想的最外環(huán)路徑，所以聚集路線總延遲公式如下：

(2)

結(jié)合公式(2)，可確定同心圓并行路線總延遲，為地震應(yīng)急信息聚焦控制實(shí)現(xiàn)步驟設(shè)計(jì)提供地震應(yīng)急信息支持。

3.2 地震應(yīng)急信息聚焦控制系統(tǒng)軟件流程

通過同心圓并行路線維護(hù)了聚集地震應(yīng)急信息表，該表中存儲了從子集群到控制樹的地震應(yīng)急信息分布地震應(yīng)急信息。由Nx節(jié)點(diǎn)維護(hù)的聚集地震應(yīng)急信息表包括以下3個(gè)主要地震應(yīng)急信息：

1)地震應(yīng)急信息表的N列記錄了Nx節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息，該地震應(yīng)急信息包括群集的感知地震應(yīng)急信息分布地震應(yīng)急信息，以及地震應(yīng)急信息分布節(jié)點(diǎn)的數(shù)量[17]。

2)在Nx集群中，通過查詢聚集地震應(yīng)急信息表最后M-1行的地震應(yīng)急信息，可以得到每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的地震應(yīng)急信息分布地震應(yīng)急信息及每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的剩余能量地震應(yīng)急信息，以及地震應(yīng)急信息分布地震應(yīng)急信息[18]。

3)根據(jù)對地震應(yīng)急信息表第一列地震應(yīng)急信息的控制，可以確定Nx作為集群中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

由于聚集地震應(yīng)急信息表存儲子節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息，所以在進(jìn)行查詢時(shí)，需要沿每層表逐層分布查詢請求。根據(jù)節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息表中記錄的地震應(yīng)急信息分布情況，對地震應(yīng)急信息進(jìn)行控制時(shí)隙分配。

根據(jù)控制時(shí)隙分配[19]，設(shè)計(jì)地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟，如下所示：

step1：按順序排列在節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息表中記錄的感知地震應(yīng)急信息，當(dāng)?shù)卣饝?yīng)急信息為正態(tài)分布時(shí)，列越長，地震應(yīng)急信息值越大。設(shè)∑Ni(i=N-J,…,N)為感知地震應(yīng)急信息區(qū)間節(jié)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)數(shù)和控制地震應(yīng)急信息聚集值，可確定滿足∑Ni>K(i=N-J,…,N)的最小值。地震應(yīng)急信息中的每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)都包含著子節(jié)點(diǎn)的地震應(yīng)急信息分布地震應(yīng)急信息，因此可以直接計(jì)算出Ni的數(shù)值。

step2：根據(jù)計(jì)算出的Ni數(shù)值，通過對集群頭地震應(yīng)急信息表地震應(yīng)急信息的查詢，地震應(yīng)急信息控制請求節(jié)點(diǎn)直接提交相應(yīng)的地震應(yīng)急信息[20]。由于前列對控制結(jié)果沒有影響，因此相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)不返回地震應(yīng)急信息。通過大量地震應(yīng)急信息的轉(zhuǎn)發(fā)，減少了地震應(yīng)急信息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，提高了地震應(yīng)急信息源定位精度。

step3：控制集群頭地震應(yīng)急信息表中最后一列的地震應(yīng)急信息，允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)返回不是0的節(jié)點(diǎn)感知地震應(yīng)急信息表中的最后一列，而不分發(fā)控制時(shí)段無感知地震應(yīng)急信息的節(jié)點(diǎn)分布在下一列，并進(jìn)一步執(zhí)行返回的地震應(yīng)急信息過濾，以減少地震應(yīng)急信息聚集能量消耗，由此完成地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)背景

根據(jù)某市地震應(yīng)急管理處制定的設(shè)計(jì)書，進(jìn)行地形地震應(yīng)急。目前，規(guī)劃局已經(jīng)完成某市市區(qū)和大部分郊區(qū)的1∶500地形圖，某市三環(huán)以內(nèi)全部地區(qū)1∶500地形圖正在進(jìn)行，屆時(shí)完成市區(qū)和所有郊區(qū)基礎(chǔ)地震應(yīng)急地形圖。省地震應(yīng)急局提供1∶10 000地震應(yīng)急地形圖。部分應(yīng)急地震信息存儲在某市地震信息庫中。

4.2 測試地震應(yīng)急信息

在系統(tǒng)中加載單要素層，將服務(wù)器終端地震應(yīng)急信息庫讀取到客戶端內(nèi)存中，并將內(nèi)存全部顯示在視圖上。根據(jù)相應(yīng)地震應(yīng)急信息屬性，通過OID控制，構(gòu)建主索引，測試的地震應(yīng)急信息如表1所示。

表1 測試的地震應(yīng)急信息

4.3 地震應(yīng)急信息轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)分析

由于地震應(yīng)急過程中，需要大量地震應(yīng)急信息支持，然而受到聚合地震應(yīng)急信息影響，地震應(yīng)急信息表中只記錄地震應(yīng)急信息分布情況，并沒有記錄地震應(yīng)急信息本身，地震應(yīng)急信息量很小。因此，分析測試地震應(yīng)急信息中地震應(yīng)急信息轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)，為地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制提供精準(zhǔn)地震應(yīng)急信息支持。

不同地震應(yīng)急信息變化下，轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)，如圖6所示。

圖6 不同地震應(yīng)急信息變化下轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)

由圖6可知，不同地震應(yīng)急信息變化程度下，變化程度大的地震應(yīng)急信息，轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)較少，此時(shí)需要頻繁更新節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息，保證轉(zhuǎn)發(fā)地震應(yīng)急信息量大，為地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制驗(yàn)證提供更多地震應(yīng)急信息；反之，變化程度小的地震應(yīng)急信息，轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)較多，此時(shí)無需頻繁更新節(jié)點(diǎn)地震應(yīng)急信息，就可具有較大轉(zhuǎn)發(fā)地震應(yīng)急信息量。因此，變化程度中的轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)作為基本地震應(yīng)急信息更加穩(wěn)定。

4.4 地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制結(jié)果與分析

在變化程度中等轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)支持下，分別使用地震應(yīng)急信息中心存取方法、地震應(yīng)急信息聚集策略和基于遙感GIS方法分析地震應(yīng)急信息傳輸量，如表2所示。

表2 不同方法地震應(yīng)急信息傳輸量對比分析

由表2可知，使用地震應(yīng)急信息中心存取方法在60 s聚集時(shí)間內(nèi)，地震應(yīng)急信息傳輸量為4.7 G，在聚集時(shí)間為40 s時(shí)，聚集速度較快；使用地震應(yīng)急信息聚集策略在60 s聚集時(shí)間內(nèi)，地震應(yīng)急信息傳輸量為4.2 G；使用基于遙感GIS方法在60 s聚集時(shí)間內(nèi)，地震應(yīng)急信息傳輸量為6.2 G。

通過上述分析可知，使用基于遙感GIS方法在60 s聚集時(shí)間內(nèi)，地震應(yīng)急信息傳輸量最大。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)聚集效果好，分析可觀測地震應(yīng)急信息量，再次將3種方法對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法可觀測地震應(yīng)急信息量對比分析

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)基于遙感GIS的地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制系統(tǒng)，通過全景操作端，全面顯示應(yīng)急地震信息，支持各種地震應(yīng)急信息聚集值控制請求。實(shí)驗(yàn)分析表明，該系統(tǒng)可以有效用于地震應(yīng)急信息分析，地震應(yīng)急信息質(zhì)量控制效果明顯。

雖然使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到明顯控制效果，但是還是存在很多問題值得研究：

1)在多控制或者一次控制過程中，出現(xiàn)多個(gè)結(jié)果返回現(xiàn)象時(shí)，需避免返回路徑?jīng)_突；

2)優(yōu)化控制請求后地震應(yīng)急信息提交傳輸路徑及信道，并進(jìn)行地震應(yīng)急信息預(yù)處理；

3)合理預(yù)測地震應(yīng)急信息，更新地震應(yīng)急信息分布表，避免影響網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行效率。