全國地震形變數據空間應用管理平臺的設計與實現

白卓立 武永彩 楊斌 賈鵬 徐晶

摘要：

通過分析傳統紙質線劃點之記、場地圖、地質斷裂活動構造圖及臺站觀測環境等地震資料存在查閱繁瑣、表達形式單一和信息量匱乏的諸多弊端，給出了“全國地震數據空間應用管理平臺”的整體設計思路與功能模塊實現過程，同時基于傾斜攝影測量與結構運動恢復技術（SfM），以典型跨斷層場地為例，對現有二維平面地震數據構建了厘米級高分辨率三維實景模型，并將其植入該管理平臺。使用效果表明：地震資料實景三維表達不但還原了外業實地監測場景和斷裂產狀等信息，還可提取觀測曲線、活動構造定量參數，給相關科研工作者帶來了全新的使用體驗，更為我們傳統會商提供了一種新型的會商模式。

關鍵詞：

地震形變數據; 實景三維模型; 管理平臺; 數據庫; 表達形式; 三維可視化

中圖分類號： P315.952????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0457-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220119001

Design and implementation of the national seismic deformation

data spatial application management platform

BAI Zhuoli1， WU Yongcai2， YANG Bin3， JIA Peng1， XU Jing1

（1. The Second Monitoring and Application Center， CEA， Xi'an 710054， Shaanxi， China;

2. School of Urban Construction， Xi'an Siyuan University， Xi'an 710038， Shaanxi， China;

3. Xi'an Yuncjinv Information Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710077， Shaanxi， China）

Abstract：

By analyzing the disadvantages of traditional seismic data （site maps， the tectonic maps of geological fault activity， and the observation environment data of stations）， i.e.， cumbersome access， a single expression form， and a lack of information， this paper presents the overall design idea and function module implementation process of the “national seismic data spatial application management platform.” Meanwhile， taking a typical crossfault site as an example， a centimeter-level high-resolution 3D scene model was constructed for the existing two-dimensional plane seismic data based on tilt photogrammetry and structure from motion technology， and it was then implanted into the management platform. The results show that the 3D expression of seismic data can not only restore the field monitoring scene and fault occurrence but also extract the observation curve and quantitative parameters of active structures， thus bringing a new application experience to relevant scientific researchers and providing a new consultation mode for our traditional consultation.

Keywords：

seismic deformation data; real 3D model; management platform; database; expression form; 3D visualization

0 引言

近年來，隨著觀測技術的進步和活動斷層研究水平的提高，跨斷層場地不僅能在地震預報中發揮作用，跨斷層監測還能與長水準、GPS 等其他形變手段相結合，綜合分析近場—遠場斷裂活動、應力加載及應變分配狀態，揭示斷層閉鎖及位移虧損等科學問題。但實際應用中遇到了一些問題，如：有些場地觀測數據僅表現為波動形態，無明顯揭示斷層趨勢性運動的特征;有些場地其觀測數據顯示的斷層兩盤運動趨勢與地質學家研究結果不符等。從監視區域構造活動的角度來看，目前的跨斷層場地布設是否合理和理想，年代變遷與環境變化是否對場地產生了其他影響，都應列在考慮范疇之內。在日常會商中傳統場地圖較為簡略，對不熟悉監測場地環境的分析人員會造成一定干擾，影響整體判斷;異常核實的過程中由于人力有限，不能整體把控和掌握周邊環境的干擾。與此同時，現有地震資料的存儲、查閱、使用、分析及表達形式已難以滿足當前地震監測數據數字化應用、管理的需求，傳統二維地震資料諸多弊端顯現了出來。

蔣海昆［1］組織研制了“基于GIS的華東南及首都圈震后會商的軟件系統”，按照地震構造環境和歷史地震活動特征，在全國范圍劃分區域快速研判震情，能夠在震后5～10 min內迅速形成初步的震后會商意見。此外，還有一些優秀的軟件專注于會商技術的發展，如虛擬地震會商系統［2］、三維可視化會商平臺［3］、交互式會商廣播系統［4］等。這些軟件解決了資料分析和會商過程中的部分問題，但仍然存在以下問題：軟件各自封閉，重復建設；不同應用系統各自獨成一體，代碼非開源;數據資源獨享，效率低下;軟件模式單一，目前大多系統是C/S（Client/Server）模式的桌面版，智能化弱，用戶操作體驗差。

近年來，地震系統強化防震減災業務支撐，推進體制改革，業務轉至地震監測信息獲取、存儲備份、質量監控和共享服務上來，其主要業務之一是承擔全國地震數據共享服務任務，建設地震監測數據共享服務業務平臺［5-8］，開展空間傾斜攝影、機載LiDAR的數據采集、分析、產品加工及其業務化應用任務［9-13］。顧及現有跨斷層場地、地震臺站、GNSS監測站等觀測環境直觀性差的會商模式［14-18］，本文基于JavaWeb開發框架、IntelliJ IDEA、Postgresql（數據庫）、SupserMap IServer 10i、CesiumJS前端三維GIS庫等開發環境，設計開發了“全國地震數據空間應用管理平臺”，即對現有傳統線劃點之記、場地圖、地質斷裂活動構造圖等紙質資料及觀測環境進行數字化工作［19-22］，是一個集瀏覽、查詢、量測、分析和會商等功能為一體的系統。為相關科研工作者帶來了全新的應用體驗，更為現有的會商提供了一種新型會商模式。

1 整體思路設計

選擇長期跨斷層水準監測的重點區域—六盤山構造區為本文研究區域。區內多個場地有著同步的形變異常信號（震情跟蹤），其中和尚鋪場地26←118段表現與構造活動背景不一致的趨勢，且場地保留較為完整，對跨斷層形變研究探索有重要意義。利用無人機和高精度攝像頭對研究區進行完整數據三維點云獲取，高頻率和高精度的攝像頭多角度對形變監測場地拍攝，保證圖像具有一定重疊率和航向覆蓋，還原真實的形變監測場地和斷裂地貌環境。該系統以“天地圖”作為底圖，借助傾斜攝影測量與結構運動恢復技術（Structure from Motion，SfM），通過獲取建模物的點云數據，經過深度圖像增強、點云計算與配準、數據融合和表面生成等步驟，建立了超高分辨率的3D模型，通過對3D模型進行編輯與二次開發，添加形變場地的基本要素和斷層信息等，使其可應用于地震會商三維實景展示，生成的TDOM（真數字正攝影像）和 DEM 可用于對跨斷層場地的斷裂兩側微地貌差異、活動構造定量參數的提取等工作。

為了更好地實現系統軟件的各項功能及可跨平臺、大規模分布式部署，采用Spring Boot（JavaWeb開發框架）、Vue（前端開發框架）、IntelliJ IDEA（JAVA集成開發環境）、Postgresql（數據庫）、Nginx（Web服務器）、Navicat for Postgresql（數據庫管理工具）、SuperMapIServer 10i（GIS應用服務器）、CesiumJS（前端三維GIS庫）等工具包搭建了軟件開發及運行環境。系統平臺設計思路如圖1所示。

2 軟件實現技術

利用測繪新技術，依托廣泛存在的信息交換與應用，建立空、天、地一體化的地理信息采集與管理體系，融入大數據技術，借鑒網格化管理理念，實現對時空數據的精細化治理，采用云端一體化GIS技術，實現地理信息集約化和多樣化應用。系統軟件部署時，使用ETL工具將各省、自治區、直轄市地震數據同步進底層數據庫支撐服務運行，利用Geo-ESB技術，實現部門數據共享與業務協同，采取云功能分區的理念，按需提供服務。其中關鍵實現技術體現在以下四個方面：

第一，高精度實時定位技術：北斗衛星導航系統［BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System］。連續運行參考站系統（CORS）可以定義為一個或若干個固定的、連續運行的GPS參考站，利用現代計算機、數據通信和互聯網技術組成的網絡，實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經過檢驗的不同類型的觀測值（載波相位，偽距）、改正數、狀態信息以及其他相關信息。

第二，非關系型數據庫NoSQL，由于其本身的特點得到了快速發展，可以管理PB級的海量數據。關系型數據庫PostSQL提供了豐富的接口，可以在GiST框架下實現自己的索引類型，支持使用C語言寫自定義函數、觸發器，也支持使用流行的編程語言寫自定義函數。它兼具NoSQL特性并具有較好的穩定性和性能。時空信息云平臺建設時，我們將根據數據應用的特點，對平臺涉及的時空信息數據進行分類，將結構化數據存儲于關系數據庫PostSQL，非結構化數據用NoSQL數據庫進行管理，如地圖瓦片數據、地理編碼數據以及圖片、視頻、聲音、文檔等資料，以提高系統的大數據管理能力，實現從GB、TB級上升到PB級。時空信息數據的存儲、管理和分析還需借助支持時空大數據的GIS專業軟件，傳統的GIS軟件以數據獲取、存儲和管理功能為主，并添加了各種時間維度和空間維度的專題圖展示功能，具有空間統計、地理分區、路徑分析和選址優化等空間分析方法，在城市建設、交通運輸、地質調差和氣象預測決策支持等方面發揮了非常重要的作用。

第三，多分辨率空間索引結構與調度策略：基于地理坐標系的四叉樹劃分的空間索引結構，依據視點位置決定哪些瓦片需要從云端下載數據，緩存到本地，哪些數據需要從本地緩存載入內存，哪些數據需要從內存緩存到顯存，構成了從本地緩存、內存、顯存的三級緩存結構。

第四，高性能渲染技術：三維空間數據相比二維空間數據信息量更大，數據量也相應的更大，而計算機系統的硬件資源是有限的，往往不能同時渲染所有空間數據的細節。為了在保證空間數據顯示效果的同時兼顧渲染性能，采用了若干提高渲染性能的技術，如場景管理技術，通過渲染隊列管理渲染對象繪制順序，在保證不同圖層、半透明對象正確的繪制順序的基礎上，同時保證將同一渲染狀態的對象一起繪制，避免因渲染狀態切換帶來的性能損失。

3 功能模塊實現

“全國地震數據空間應用管理平臺”是基于現有大地形變監測資料，且對資料實現的實景三維展示、管理系統。該系統以“天地圖”影像為底圖，采用笛卡爾坐標系統，疊加全國斷層、1970年以來的地震目錄、流動GPS點、各周期GPS水平運動速度場和全國一等水準線路及水準點等資料，融合了跨斷層場地、GPS連續站、地震臺站和斷層剖面等實景三維立體模型數據，形成了點、線、面、體等多尺度要素的立體表達形式。

3.1 地震目錄搜索模塊

將1970年至今全球地震目錄作為基礎數據，以三維點樣式、笛卡爾坐標展布在三維橢球之上，不同震級的震中點則具有不同的點半徑，震級越大，三維點越大，同時用不同顏色進行了區分。如圖3所示，在數據分析與檢索功能中，提供了按震級、地點、時間搜索地震目錄的功能。

3.2 GPS水平運動速度場模塊

GPS水平運動速度場資料主要涵蓋了我國境內中國大陸構造環境網絡、中國地球物理場項目的各周期解算數據，能夠無極縮放，同一點位不同周期數據的疊加顯示可實現監測點位速度場的對比分析與研究，同時可選取兩個跨斷裂的GPS站點，按不同周期提取基線長度曲線圖。

3.3 跨斷層場地實景三維模型模塊

區域跨斷層水準監測是地震行業常規監測任務之一，中國地震局第二監測中心目前在測共計63個監測點，控制南北地震帶北段的主要活動斷裂，分布于西—海—固、蘭—天—武及河西祁連山一帶，如圖5（a）右下角縮略圖（綠色標記點為跨斷層水準監測場地）。針對區域跨斷層水準監測，在“全國地震數據空間應用管理平臺”中我們融合、嵌入了其三維實景模型的表達新樣式。圖5（a）為位于張掖市郊的鶯樂峽水準監測場地俯視圖，該類三維實景模型借助無人機傾斜攝影測量與ContextCapture平臺構建完成。需要說明的是，該系統中所有實景三維模型均是通過傾斜攝影測量完成，是近年來在測繪行業發展來的一種新型觀測手段，它搭載多臺傳感器，同時具有傳統航測垂直攝影相機與前、后、左、右四個方向的地物側面紋理信息，多角度提取、匹配地物特征，從具有一定重疊度的無需影像中恢復攝影瞬間相機的相對位置與姿態，經三維重建，可獲取具有高精度地理坐標與高程的三維實景模型，因此，它與實地以1∶1的比例構建，在模型上可實現任意角度的縮放與量算（精準度可達厘米級）。而在“全國地震數據空間應用管理平臺”中，將模型WGS1984大地坐標轉換為笛卡爾坐標，通過設置相機位置與模型定位，立體模型準確套合三維橢球相應位置，從俯視圖清晰看出模型道路、河流、陡坎與天地圖影像實現了精準定位、無縫銜接。從圖5（b）側視圖看，將模型大地高度抬升300 m后，發現底圖僅是影像紋理貼圖，在河流與場地邊界的斷崖處無高程差異，其DEM結構并不準確，而通過實地航測后的立體模型，則是完全反映了場地的真實地貌，如圖5（c），斷層紋理清晰，同時在模型上可實現距離、面積、體積及斷層夾角等精準量測功能，如圖5（d）。

3.4 大屏功能模塊

大屏的主要功能是為科研人員日常工作及多級會商提供地震活動性的分析與研判界面，如圖6所示，它主要涵蓋了地震M-T圖、地震目錄、地震頻度圖、地震等級統計及全球最新強震目錄等內容。

3.5 地震資料的其他應用場景

此外，“全國地震數據空間應用管理平臺”還存在其他地震資料的應用場景，如圖7所示，可添加三維水準點點之記庫［圖7（a）、圖7（b）］和GPS三維點之記庫［如圖7（c）、圖7（d）］，三維點之記庫為水準、GPS測量人員找點、上點提供了方便;同時，還有紅外測距三維場地庫［圖7（e）］、臺站觀測環境庫［圖7（f）］、地質斷層三維場景庫［圖7（g）、圖7（h）］。從傳統二維紙質地震資料轉換為三維實景模型數據，是現代地震數字化的一種嘗試，更是地震資料的一種新型表現方式。

4 案例分析

六盤山東麓斷裂是六盤山地區的主干活動斷裂，斷裂最北端自硝口一帶開始，與海原斷裂帶相接，南端與隴縣—寶雞斷裂帶相連。整個六盤山東麓斷裂帶全長約90 km，劃分為孫家莊—開城，開城—香水店，香水店—馬家新莊三段。和尚鋪場地位于開城—香水店段，為西部高山與東側低丘之間的分界線，該場地是六盤山構造區的重點關注區域。場地位于寧夏回族自治區固原市什字鎮和尚鋪村，距離市區較遠，交通較為便利。受風力影響較小。BM1、BM2點埋設于村中，不利于點位的保護（位于居住區的點位，其指示蓋、保護蓋經常丟失，要做好掩埋工作）。點位周圍植被較多。各點位周圍無干擾源。初期建設時有6個點位，后來隨著環境變化剩余3個點，2017年場地改造補增BM1和BM2兩個點。和尚鋪附近保存非常清晰的斷層地貌如圖8，是表現年度震情跟蹤的重要場地之一，無論對六盤山東麓斷裂的構造活動，還是對該區的跨斷層形變研究與地震預報都是非常值得研究的區域。

隨著近些年科技不斷發展，衛星地圖也已被應用到形變監測領域，雖然衛星地圖對研究者來說大幅度提高了可視范圍，但其較低的分辨率和長周期更新式的衛星照片只能簡單展示基本方位，對于三維方向和高分辨率的精細模型研判、斷裂兩側的微地貌變化等研究幫助不大。而隨著小型UAV的不斷發展，利用小型飛機高分辨率或激光技術直接掃描建筑物的高度和寬度，最終形成三維地圖數據文件進而建立三維實景建模。通過獲取建模物的點云數據，經過深度圖像增強、點云計算與配準、數據融合、表面生成等步驟，建立了超高分辨率的3D模型。并將其三維模型嵌入至數據管理系統，其直觀性、信息量和精確性遠非傳統二維電子地圖可比。

本系統對嵌入該管理平臺內的每個跨斷層場地，都有自己的屬性信息表，如場地標識碼、場地名稱、所跨斷層、斷層產狀、水準點名稱和水準點標石性質等字段。在三維模型界面拾取其中一條觀測邊后，可提取其歷史觀測曲線。上述諸多功能的實現，配合實景三維樣式的表達，從根本上實現了地震資料的數字化，其最大的意義是，為從未到達過現場的科研專家提供了場地認識、斷層分析的真實場景，從根本上改變了諸類場地的科研和會商應用模式。如圖9所示傳統平面線劃場地圖信息單一、結構簡單，而三維場地圖則實景再現、信息量豐富，是一種全新的交互式體驗。

5 討論和結論

本研究基于JavaWeb開發框架、IntelliJ IDEA、Postgresql（數據庫）、Nginx（Web服務器）、SupserMap IServer 10i、CesiumJS前端三維GIS庫等開發環境設計，平臺以點、線、面、體等多尺度要素的新型表達形式，特別是基于傾斜攝影測量與結構運動恢復技術（SfM）構建的場地、臺站厘米級高分辨率實景三維模型，實現了如下功能：（1）解決了傳統點之記、跨斷層場地圖、GNSS監測站、長水準線路、地震臺站和重力監測點等二維地震資料查閱繁瑣、表達形式單一、信息量匱乏、保存性不強、無法量測分析、直觀性弱和可讀性不強等問題;（2）可在室內還原外業實地監測場景和斷裂產狀等信息，提取觀測曲線、活動構造定量參數;（3）大范圍實景三維模型的構建，可實現日后GNSS、水準、重力觀測點位的勘察、選址等主要工作在室內完成;（4）是一個集瀏覽、查詢、量測、分析、會商等功能為一體的全新系統。它為相關科研工作者帶來了全新的應用體驗，更為我們現有的會商提供了一種新型會商模式。因此研發全國地震數據空間應用管理平臺對于地震監測預報具有重要意義。

JavaWeb開發，相比其他框架相對簡單高效，對于開發者更加友好;PostgreSQL極具巧思的圖形化用戶介面可以快速且容易地利用簡單的方法建立、組織、存取及共享數據;SupserMap IServer基于WebP技術的服務高效發布，極大地提升了用戶體驗;高性能三維應用技術、多分辨率空間索引結構與調度策略、高性能渲染技術的交叉融合給予全新的界面體驗。但是該系統缺少外圍監控集成方案，缺少外圍安全管理方案;在界面布局合理性、美觀性、功能性、資料上傳便捷性上還有待優化升級。

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