基于開(kāi)源WebGIS 的地震活動(dòng)性分析平臺(tái)＊

王 時(shí) 李永慶 董一兵 趙靈軍

1) 石家莊地震監(jiān)測(cè)中心站，河北石家莊 050021

2) 河北省地震局，河北石家莊 050021

3) 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)，河北石家莊 050061

4) 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094

引言

地震目錄是按照時(shí)間順序，對(duì)地震參數(shù)進(jìn)行收錄和編目所形成的資料，是開(kāi)展地震活動(dòng)性研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。地震目錄通常包括：發(fā)震時(shí)刻、震中位置、震源深度、震級(jí)等參數(shù)，而地震活動(dòng)性研究的重要內(nèi)容是分析這些參數(shù)在空間和時(shí)間維度上的分布特征[2-4]。在地震活動(dòng)性研究過(guò)程中，數(shù)據(jù)可視化是經(jīng)常采用的一種輔助技術(shù)。該技術(shù)利用圖表的形式表達(dá)參數(shù)的分布，有助于增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可讀性和表現(xiàn)力。在研究地震在空間維度的分布特征時(shí)，經(jīng)常需要繪制地震分布圖，包括地震震中在水平方向上的分布及震源深度在垂直方向上的分布。從地震分布圖上，可以直觀地看到地震發(fā)生的位置；當(dāng)?shù)卣疠^多、形成序列時(shí)，還可以觀察地震序列的整體分布特征，形成對(duì)地震分布規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)。空間維度的地震可視化技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，常被地震監(jiān)測(cè)部門(mén)用于發(fā)布地震目錄，例如，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）的earthquake map 項(xiàng)目通過(guò)WebGIS 平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)布全球M4.0 以上、美國(guó)M2.5 以上地震目錄，并提供了開(kāi)放的Web 接口（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/map），支持全球用戶(hù)共享訪問(wèn)。地震活動(dòng)性研究還關(guān)注地震參數(shù)隨時(shí)間變化的特征[5-7]，這就需要對(duì)地震參數(shù)進(jìn)行時(shí)間維度上的可視化。一些傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析軟件也提供了對(duì)地震活動(dòng)性可視化分析的工具，例如，基于首都圈防震減災(zāi)示范工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)MapSeis，北京震創(chuàng)軟件技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的測(cè)震學(xué)綜合應(yīng)用軟件系統(tǒng)SuperSeis，這些軟件功能強(qiáng)大且專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)。但是，這類(lèi)軟件大多仍在使用單機(jī)模式，存在一些明顯的弊端，比如：用戶(hù)的數(shù)據(jù)資源彼此隔離，形成信息孤島；系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的維護(hù)難度大，版本更新困難等[8]。Internet 的高速發(fā)展，使得WebGIS 逐步替代了傳統(tǒng)的GIS 系統(tǒng)，并慢慢地滲透進(jìn)人們的日常生活。WebGIS 的地理和地形構(gòu)造信息方便了科研工作人員的使用，豐富的各類(lèi)社會(huì)信息圖層、簡(jiǎn)單易操作的友好界面使得WebGIS 開(kāi)發(fā)的軟件成為了一個(gè)向大眾展示和傳播信息的優(yōu)秀平臺(tái)，也成為一個(gè)更客觀方便的決策平臺(tái)。WebGIS 系統(tǒng)在防震減災(zāi)工作中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是在震害預(yù)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)還是在數(shù)字防震減災(zāi)系統(tǒng)上的研究都有不同程度的應(yīng)用，但是在地震活動(dòng)性分析中的應(yīng)用尚少。基于上述分析，現(xiàn)代化的地震活動(dòng)性分析平臺(tái)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)支持空間和時(shí)間維度的地震參數(shù)可視化分析，并提供良好的交互性、易用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

地震可視化分析工具首先應(yīng)支持地震目錄的空間可視化，而WebGIS 技術(shù)為這種需求提供了完整的解決方案[9-10]。開(kāi)源WebGIS 是源代碼開(kāi)放的WebGIS平臺(tái)，與商業(yè)平臺(tái)相比具有低成本、可定制、跨平臺(tái)的特點(diǎn)[11-12]。GeoServer 是目前應(yīng)用廣泛的開(kāi)源WebGIS服務(wù)器，通過(guò)整合流行的GeoTools 中間件，提供了遵循OGC 開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WFS、WCS 及WFS-T規(guī)范[13]。OpenLayers 是經(jīng)常與GeoServer配合使用的WebGIS 前端開(kāi)發(fā)技術(shù)，除了支持OGC相關(guān)規(guī)范以外，還提供了矢量數(shù)據(jù)渲染、地圖分幅和預(yù)讀取等重要功能，可有效提升客戶(hù)端瀏覽體驗(yàn)[14]。近年來(lái)，基于GeoServer 和OpenLayers 的行業(yè)應(yīng)用軟件大量涌現(xiàn)[15-18]，該開(kāi)發(fā)技術(shù)的可靠性已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證。鑒于此，我們擬以它們?yōu)榛A(chǔ)，結(jié)合JavaScript腳本語(yǔ)言，構(gòu)建地震活動(dòng)性分析平臺(tái)，支持地震參數(shù)的空間可視化與時(shí)間序列可視化分析方法，并提供基于Web 的人機(jī)交互接口，為地震活動(dòng)性研究提供軟件工具。

1 需求分析

地震活動(dòng)性分析平臺(tái)應(yīng)具備下列基本功能：

（1）地震空間分析：實(shí)現(xiàn)地震、斷層以及多種地理要素的空間可視化和交互式屬性查詢(xún)，提供對(duì)圖層進(jìn)行配置、控制、選區(qū)和測(cè)量的接口；

（2）地震時(shí)序分析：支持多種地震參數(shù)時(shí)間序列分析方法，提供交互式分析接口，支持結(jié)果圖件矢量化輸出。

系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足下列性能需求：

（1）開(kāi)放性：整套WebGIS 平臺(tái)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)都選用源代碼開(kāi)放的產(chǎn)品，系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，各功能模塊高內(nèi)距、低耦合，各模塊之間的接口均符合行業(yè)規(guī)范，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；

（2）健壯性：在輸入錯(cuò)誤、文件讀取故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載等情況下，有相應(yīng)的異常捕獲和處理機(jī)制，避免系統(tǒng)的崩潰；

（3) 并發(fā)性：并發(fā)用戶(hù)數(shù)量≥50 個(gè)；

（4）時(shí)效性：系統(tǒng)單次響應(yīng)最大時(shí)間≤10 s；海量數(shù)據(jù)平均單次查詢(xún)時(shí)間≤10 s；

（5）易用性：提供友好的圖形用戶(hù)界面。在界面設(shè)計(jì)方面，使系統(tǒng)界面盡量友好、簡(jiǎn)潔、易用；在查詢(xún)手段方面，采取多方式、多參數(shù)方法實(shí)現(xiàn)圖形屬性信息互查，盡量滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同查詢(xún)需求；在地圖操作方面，可隨時(shí)調(diào)閱地形圖、道路圖等，可任意分層、疊加顯示及生成各種專(zhuān)業(yè)圖；

（6）兼容性：支持常用Web 瀏覽器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，地震活動(dòng)性分析平臺(tái)應(yīng)提供兩類(lèi)服務(wù)，WebGIS 服務(wù)和Web 服務(wù)。WebGIS 服務(wù)負(fù)責(zé)處理與空間計(jì)算有關(guān)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，如地震和斷層的展示、震中距的計(jì)算、多邊形選區(qū)的判定等；Web 服務(wù)則處理一般請(qǐng)求，如數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、數(shù)值計(jì)算等。這兩類(lèi)服務(wù)的內(nèi)容不同，但工作原理是一致的，即均基于Web 服務(wù)的請(qǐng)求-響應(yīng)模型[19-22]，因此，可以將WebGIS 作為Web 服務(wù)的空間功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)服務(wù)的集成。基于此，我們參考傳統(tǒng)Web 應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的3 層結(jié)構(gòu)，自下而上分別是數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和接口層（圖1）。通過(guò)在各層次上擴(kuò)展空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)Web 與WebGIS 業(yè)務(wù)的綜合集成。在數(shù)據(jù)層，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL 及其空間擴(kuò)展PostGIS，用PostgreSQL 管理二維表數(shù)據(jù)，用PostGIS 管理空間數(shù)據(jù)，如斷層、政區(qū)、道路等；在服務(wù)層，將Web 服務(wù)和WebGIS 服務(wù)統(tǒng)一部署到Web 容器Apache Tomcat 中；在接口層，使用JavaScript語(yǔ)言提供動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，使用OpenLayers 訪問(wèn)Web-GIS 服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

3 基于WebGIS 的基礎(chǔ)信息服務(wù)

WebGIS 是系統(tǒng)的關(guān)鍵服務(wù)，用戶(hù)的各種空間數(shù)據(jù)操作都要依托WebGIS 平臺(tái)完成。搭建WebGIS 平臺(tái)的流程是：在數(shù)據(jù)層，安裝數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL 及空間擴(kuò)展PostGIS，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)表，導(dǎo)入數(shù)據(jù)；在服務(wù)層，安裝、配置WebGIS 服務(wù)器GeoServer，將空間數(shù)據(jù)以WMS 和WFS 格式發(fā)布；在接口層，利用OpenLayers 調(diào)用WMS 和WFS 圖層。

在數(shù)據(jù)層，PostGIS 支持多種幾何類(lèi)型，包括：點(diǎn)（POINT）、線（LINESTRING）、多邊形（POLYGON）、多點(diǎn)（MULTIPOINT）、多線（MULTILINESTRING）、多多邊形（MULTIPOLYGON）以及由這些類(lèi)型組成的幾何集。在PostGIS 中，每個(gè)圖層都單獨(dú)保存為一張表，每張表存儲(chǔ)一種特定的空間元素。表1 介紹了當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中一些幾何字段的信息，其中，地震（earthquake）采用POINT 類(lèi)型；斷層（faults）采用MULTILINESTRING 類(lèi)型；省（province）、市（city）、縣（county）政區(qū)均采用MULTIPOLYGON 類(lèi)型。空間系統(tǒng)的取值 “EPSG：4 326” 對(duì)應(yīng)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn) “WGS84”（EPSG，歐洲石油勘探組織）。

表1 幾何字段說(shuō)明Table 1 Description of the geometry field

在服務(wù)層，用Apache Tomcat 容器裝載GeoServer，通過(guò)配置GeoServer 可以將PostGIS 數(shù)據(jù)源發(fā)布為WMS 和WFS 格式的數(shù)據(jù)，并使用GeoServer 提供的OpenLayers 視圖對(duì)發(fā)布結(jié)果進(jìn)行預(yù)覽，例如，我們通過(guò)GeoServer 對(duì)斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行了發(fā)布，發(fā)布結(jié)果預(yù)覽如圖2 所示。

圖2 通過(guò)GeoServer 發(fā)布和預(yù)覽斷層數(shù)據(jù)Fig.2 Faults data published and previewed by GeoServer

4 客戶(hù)端設(shè)計(jì)

4.1 地震空間分析

在客戶(hù)端，我們使用OpenLayers 處理空間數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求，使用HTML 和JavaScript 處理一般數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求，并向用戶(hù)提供統(tǒng)一的Web 接口。系統(tǒng)對(duì)于目前常用的Web 瀏覽器（如IE 11，EDGE，Google Chrome 等）均有良好的兼容性，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)系統(tǒng)主頁(yè)。系統(tǒng)主頁(yè)的布局如圖3 所示，頁(yè)面中部是底圖區(qū)域，圖上顯示了最近入庫(kù)的一條M2.2 地震的震中位置；頁(yè)面兩側(cè)和頂部提供了一些功能選項(xiàng)，其中，左右兩側(cè)分別是 “地震目錄” 和“圖層控制” 菜單，頂部右側(cè)圖標(biāo)可以鏈接到其他頁(yè)面。為了適應(yīng)用戶(hù)的個(gè)性化需求，系統(tǒng)定義了幾類(lèi)圖層，分為：①底圖，包括：天地圖、天地圖遙感影像、地形圖等，效果見(jiàn)圖4 和圖5；② 基礎(chǔ)圖層，包括：鐵路、高速公路、湖泊、河流等；③測(cè)震圖層，與地震監(jiān)測(cè)有關(guān)的圖層，包括：地震目錄、震源機(jī)制解、全國(guó)斷層等；④ 行政區(qū)劃，包括：全國(guó)省界、河北市界、河北縣界等。用戶(hù)可以在 “圖層控制” 菜單進(jìn)行選擇，被選中的圖層將疊加顯示在底圖上，例如，選擇地形圖、全國(guó)斷層、河北市界。

圖3 地震空間分析系統(tǒng)主頁(yè)Fig.3 Home page of seismic spatial analysis system

圖4 地形底圖Fig.4 Topographic base map

圖5 遙感影像底圖Fig.5 Remote sensing image base map

系統(tǒng)提供了地震目錄快捷檢索功能。“地震目錄” 菜單中提供的檢索條件包括：地震目錄、時(shí)間范圍、震級(jí)范圍、深度范圍、空間范圍等。其中，空間范圍對(duì)地震震中位置進(jìn)行約束，提供了矩形、多邊形、圓形、經(jīng)緯度和震中距等選區(qū)控件，用戶(hù)可以直接在底圖上繪制選區(qū)。例如，用戶(hù)需要從全國(guó)正式報(bào)目錄中檢索2018 年1 月1 日—12 月31 日，MS1.0 以上，石家莊、邢臺(tái)附近的地震，可按圖6a 設(shè)置檢索條件，然后單擊 “顯示檢索結(jié)果” 。系統(tǒng)將列表顯示檢索結(jié)果，并在底圖上顯示震中分布。在圖上單擊地震球，將彈窗顯示該地震的基本參數(shù)（圖6b）。

圖6 地震檢索Fig.6 Earthquake retrieving

系統(tǒng)還提供了斷層參數(shù)查詢(xún)和3D 模擬功能（圖7）。啟用斷層圖層后，在圖上單擊斷層線，系統(tǒng)將彈窗顯示該斷層的基本參數(shù)，包括：斷層名稱(chēng)、性質(zhì)、長(zhǎng)度、走向、傾向、傾角、最新活動(dòng)時(shí)代等。為了使用戶(hù)更直觀地了解斷層的產(chǎn)狀，系統(tǒng)提供了斷層的3D 模擬視圖，通過(guò)單擊 “顯示3D 效果” 按鈕，即可彈出3D 斷層窗口，其中，藍(lán)、紅、綠線代表坐標(biāo)軸，藍(lán)線箭頭指向地理的北方。斷層的形態(tài)是根據(jù)斷層的實(shí)際參數(shù)：性質(zhì)（正斷層、逆斷層、走滑斷層）、走向和傾角，采用three.js 技術(shù)實(shí)時(shí)渲染而成，反映了斷層在地殼內(nèi)的真實(shí)展布狀態(tài)。

圖7 斷層3D 模擬Fig.7 3D model of faults

4.2 地震時(shí)序分析

系統(tǒng)提供了多種常用的地震時(shí)序分析方法，包括：M-t、△t-t、頻次、lgN-M、b值、缺震、應(yīng)變能釋放等。通過(guò)主頁(yè)上的 “時(shí)序分析” 圖標(biāo)可鏈接至?xí)r序分析頁(yè)面。頁(yè)面布局與空間分析相似，中部為底圖區(qū)域，用于顯示地震；左側(cè)為條件區(qū)域，用于設(shè)置分析方法和計(jì)算參數(shù)。例如，用戶(hù)要對(duì)京津冀地區(qū)2018 年MS1.0 以上地震做M-t分析，可按圖8a 設(shè)置分析條件，然后單擊 “顯示分析結(jié)果” 。系統(tǒng)將彈窗顯示M-t圖，該圖支持人機(jī)交互，從圖上選中某次地震，將彈窗顯示該地震的基本參數(shù)（圖8b）。M-t圖描述了震級(jí)（M）與時(shí)間（t）的關(guān)系，是地震活動(dòng)性研究最常用的圖表之一。除了M-t方法之外，系統(tǒng)還支持多種分析方法，圖8c 和圖8d 展示了對(duì)同一數(shù)據(jù)集使用不同方法進(jìn)行分析的結(jié)果對(duì)比。從圖8d 可以看出，時(shí)序分析模塊也支持基于WebGIS 的空間可視化分析。因此，利用本系統(tǒng)，用戶(hù)可以在時(shí)空兩個(gè)維度上同時(shí)開(kāi)展地震活動(dòng)性研究；同時(shí)，大量交互式分析接口的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的易用性，也有助于用戶(hù)工作效率的提高。

圖8 地震時(shí)序分析Fig.8 Seismic time-series analysis

5 用戶(hù)體驗(yàn)測(cè)試

基于用戶(hù)第一的原則，考慮不同用戶(hù)在細(xì)節(jié)上的關(guān)注點(diǎn)不同，測(cè)試組選擇不同專(zhuān)業(yè)背景、不同工作崗位的30 名用戶(hù)對(duì)本系統(tǒng)的軟件界面友好性、操作流暢性、功能完備性進(jìn)行了測(cè)試。用戶(hù)經(jīng)過(guò)實(shí)際操作，反饋結(jié)果為頁(yè)面結(jié)構(gòu)符合操作習(xí)慣，操作步驟簡(jiǎn)單，不必查看使用手冊(cè)就能流暢的進(jìn)行操作。用戶(hù)體驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)無(wú)須安裝客戶(hù)端程序、無(wú)須復(fù)雜的配置，使用通用的Web 瀏覽器即可訪問(wèn)系統(tǒng)服務(wù)的方式，降低了系統(tǒng)的使用門(mén)檻，增強(qiáng)了易用性，能讓用戶(hù)快速的接受和使用，系統(tǒng)的交互、設(shè)計(jì)合理。

6 結(jié)論

本文對(duì)地震活動(dòng)性分析軟件的需求進(jìn)行了分析，認(rèn)為現(xiàn)代化的分析平臺(tái)應(yīng)當(dāng)同時(shí)支持空間和時(shí)間維度的地震參數(shù)可視化分析，并提供良好的交互性、易用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。針對(duì)這種現(xiàn)實(shí)需求，我們研制了基于開(kāi)源WebGIS 的地震活動(dòng)性分析軟件。

設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)為傳統(tǒng)Web 應(yīng)用分層結(jié)構(gòu)的各層次擴(kuò)展空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)了Web 服務(wù)與WebGIS 服務(wù)的綜合集成。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們?cè)跀?shù)據(jù)層采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL 及其空間擴(kuò)展PostGIS；在服務(wù)層，將Web 服務(wù)和WebGIS服務(wù)統(tǒng)一部署到Web 容器Apache Tomcat 中；在接口層，使用JavaScript 與OpenLayers 技術(shù)。

系統(tǒng)支持對(duì)地震進(jìn)行空間和時(shí)間維度的分析，實(shí)現(xiàn)了地震、斷層、政區(qū)等多種地理要素的空間可視化；利用WebGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斷層的3D 模擬；支持多種地震參數(shù)時(shí)間序列分析方法；提供對(duì)圖層進(jìn)行配置、控制、選區(qū)和測(cè)量的功能接口；提供了豐富的交互式屬性查詢(xún)接口。

用戶(hù)體驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能讓用戶(hù)快速接受和使用，系統(tǒng)的交互、設(shè)計(jì)合理。