基于GIS跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)構(gòu)建＊

屈 佳 張四新

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054）

基于GIS跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)構(gòu)建＊

屈 佳 張四新

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安710054）

針對(duì)青藏塊體東北緣跨斷層測量場地基礎(chǔ)信息嚴(yán)重缺乏的客觀情況，應(yīng)用Visual Studio 2008和ArcGIS Engine 9．3組件開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了場地基礎(chǔ)信息采集、管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和信息可視化等功能。跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行，可以為地震預(yù)報(bào)和相關(guān)科研提供科學(xué)而可靠的數(shù)據(jù)支持。

青藏塊體東北緣；跨斷層；GIS；形變異常

引言

傳統(tǒng)跨斷層場地信息的管理主要采用文件系統(tǒng)管理，效率低下，共享性差。隨著3S（RS，GIS，GPS）技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及跨斷層地震預(yù)報(bào)對(duì)所需數(shù)據(jù)的海量性、科學(xué)性的需求日益增強(qiáng)，在此背景下建立基于GIS的跨斷層場地信息系統(tǒng)來輔助日常地震分析預(yù)報(bào)是可行和必要的。目前，隨著中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司“青藏塊體東北緣跨斷層流動(dòng)形變場地優(yōu)化改造”項(xiàng)目的即將實(shí)施，建立這樣一個(gè)系統(tǒng)來達(dá)到對(duì)基礎(chǔ)資料管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化也是大勢所趨［1］。青藏塊體東北緣跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)是運(yùn)用GIS技術(shù)，通過對(duì)跨斷層場地各種信息的采集、分析和處理，提供具有空間地理特征的各種信息服務(wù)。構(gòu)建的系統(tǒng)使得跨斷層場地信息的管理方式和信息服務(wù)方式等發(fā)生了根本性的改變?？鐢鄬有畔⑾到y(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行，對(duì)跨斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效而規(guī)范的管理，提高了數(shù)據(jù)的可視性和處理效率，從而可為地震預(yù)報(bào)提供科學(xué)而可靠的數(shù)據(jù)支持。本文對(duì)該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了簡要的介紹。

1 系統(tǒng)技術(shù)方案

1．1 系統(tǒng)目標(biāo)

利用GIS和信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨斷層場地信息的采集、管理、分析處理、查詢等功能，為地震預(yù)報(bào)提供信息服務(wù)和數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：測區(qū)與場地基礎(chǔ)地理信息、測區(qū)與場地的氣候、地質(zhì)環(huán)境信息、相關(guān)地理數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)與結(jié)果信息的空間圖形顯示、信息查詢與統(tǒng)計(jì)分析、信息更新等。

1．2 系統(tǒng)總體構(gòu)架

跨斷層場地信息系統(tǒng)主要由跨斷層場地基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)和跨斷層地震信息采集系統(tǒng)組成。系統(tǒng)具有與其他地震信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口。

1．3 系統(tǒng)技術(shù)路線

采用VS 2008作為開發(fā)環(huán)境，以C＃為開發(fā)語言。以ESRI的ArcGIS Engine 9．3作為開發(fā)系統(tǒng)GIS功能的組件。ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS 9版本才開始推出的新產(chǎn)品，它是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，使用ArcGIS Engine開發(fā)的GIS應(yīng)用程序可以脫離ArcGIS Desktop而運(yùn)行。

在搭建好的環(huán)境中調(diào)用ArcGIS Engine組件實(shí)現(xiàn)GIS基本功能，通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式實(shí)現(xiàn)地震信息管理的功能，對(duì)各種數(shù)據(jù)、圖件、分析結(jié)果和一些空間數(shù)據(jù)分析方法及綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行集成，并在實(shí)現(xiàn)類似于Arc Map的數(shù)據(jù)加載、視圖管理、查詢等基本功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)信息管理的需要，構(gòu)建友好的用戶界面，從而更好地實(shí)現(xiàn)跨斷層數(shù)據(jù)庫管理、信息查詢、空間分析等功能的一體化，并充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件條件，使得系統(tǒng)向高效、實(shí)用、獨(dú)立的方向發(fā)展［2］。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的最終目的，是運(yùn)用GIS方法對(duì)海量數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、形變監(jiān)測數(shù)據(jù)等）進(jìn)行整合、管理、分析，從而為地震預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。

2．1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

跨斷層場地信息系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其所有的功能都是在對(duì)已有數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上完成的，而所有的跨斷層數(shù)據(jù)都是通過數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和處理。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)的好壞將直接影響到系統(tǒng)的功能和效率。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為2部分，即基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)它們之間的信息同步和一體化管理，選擇了性能強(qiáng)大的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL做后臺(tái)管理，用ArcGIS SDE做空間數(shù)據(jù)庫引擎，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

考慮到跨斷層形變總是具有一定的空間關(guān)系，為了分析地殼形變的空間關(guān)系，首先建立一個(gè)測區(qū)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)和管理青藏塊體東北緣跨斷層測區(qū)的基礎(chǔ)地理信息和測量信息，具體內(nèi)容見表1，該數(shù)據(jù)庫主要用于地殼形變的分析。另外建立一個(gè)場地?cái)?shù)據(jù)庫，主要用于管理場地的基礎(chǔ)地理信息和變形監(jiān)測信息，并進(jìn)行場地監(jiān)測結(jié)果的分析，具體內(nèi)容見表2。

2．2 數(shù)據(jù)組織

2．2．1 空間數(shù)據(jù)組織

（1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括定位基礎(chǔ)、交通、境界與政區(qū)、地貌、植被與土質(zhì)等，用于表示場地的基本面貌并作為各種專題信息空間定位的載體［3］。由于系統(tǒng)涉及到多個(gè)比例尺的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，而研究區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)比例尺較大，因此往往存在著地方坐標(biāo)系與國家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問題。

表1 跨斷層測區(qū)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)表

（2）專題信息數(shù)據(jù)，即跨斷層數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)是本研究中最重要，也是最復(fù)雜的一類數(shù)據(jù)［4］。包括跨斷層場地分布圖、斷裂帶分布圖、周圍歷史地震時(shí)空強(qiáng)分布圖等。實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是分解地理要素［5］，即將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理。分層的原則是：①要考慮后續(xù)數(shù)據(jù)的更新及維護(hù)；②要盡量減少數(shù)據(jù)冗余。在確定統(tǒng)一的地理參考的基礎(chǔ)上，將圖形數(shù)據(jù)以點(diǎn)線面的矢量形式表達(dá)，并建立拓?fù)潢P(guān)系。這樣才能在空間屬性查詢和空間相關(guān)分析時(shí)得到正確的結(jié)果。

2．2．2 屬性數(shù)據(jù)組織

屬性數(shù)據(jù)庫主要完成圖形實(shí)體的屬性輸入域管理、各種報(bào)表的管理與輸出等，但它與圖形數(shù)據(jù)庫不是孤立的，圖形數(shù)據(jù)域?qū)傩詳?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接［6］。屬性數(shù)據(jù)主要是對(duì)各種圖形單元（點(diǎn)要素、線要素）的信息描述，即屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與圖形數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)緊密相連［7］。以斷層數(shù)據(jù)為例，一個(gè)斷層圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)二維屬性表。因此，對(duì)屬性數(shù)據(jù)的組織采用擴(kuò)充斷層點(diǎn)、線所對(duì)應(yīng)的屬性表（添加字段）的方式添加屬性。場地和斷層對(duì)應(yīng)的點(diǎn)線屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別見表3和表4。

表2 跨斷層場地?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)表

表3 場地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

表4 斷層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

2．3 跨斷層數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

青藏塊體東北緣跨斷層數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)是按照地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）對(duì)地理要素類和要素類之間的相互關(guān)系、地理要素類幾何網(wǎng)絡(luò)、要素屬性表對(duì)象、注釋類等來進(jìn)行管理，并支持對(duì)地理數(shù)據(jù)庫要素?cái)?shù)據(jù)集、關(guān)系以及幾何網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立、刪除、修改、連接、分析等操作［8］。Geodatabase組織數(shù)據(jù)是按照層次組織的，主要包括以下4大類：對(duì)象類（Object Classes）、要素類（Feature Classes）、要素?cái)?shù)據(jù)類（Feature Datasets）以及關(guān)系類（Relationship Classes）。

（1）建立特征數(shù)據(jù)集。建立特征數(shù)據(jù)集需定義其空間參考（包括地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)、X／Y Domain、Z Domain、M Domain），數(shù)據(jù)集中所有的特征類都用這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)及坐標(biāo)域，如本文據(jù)此建立的場地?cái)?shù)據(jù)集和測區(qū)數(shù)據(jù)集。

（2）建立要素類。要素類可以建立在數(shù)據(jù)集內(nèi)或地理數(shù)據(jù)庫中，不同的是，在地理數(shù)據(jù)庫中建立獨(dú)立要素類時(shí)，必須定義空間參考坐標(biāo)。斷層數(shù)據(jù)庫中所有的要素類，按照相互之間的相關(guān)性分別建立在數(shù)據(jù)集內(nèi)［9］，其中場地?cái)?shù)據(jù)集建立測段要素類、監(jiān)測點(diǎn)要素類、斷層要素類等；測區(qū)數(shù)據(jù)集建立場地要素類、地質(zhì)地貌要素類等。

（3）建立關(guān)系類。關(guān)系類有從源類到目標(biāo)類關(guān)系和從目標(biāo)類到源類關(guān)系2種。而地理數(shù)據(jù)庫中的簡單關(guān)系支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的基數(shù)［10］。本文建立的簡單關(guān)系是在同一個(gè)數(shù)據(jù)集內(nèi)建立關(guān)系類，比如，斷層數(shù)據(jù)集內(nèi)，斷層測段要素類和監(jiān)測點(diǎn)要素類之間存在簡單關(guān)系類。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

跨斷層場地基礎(chǔ)信息系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程是：首先，可以實(shí)時(shí)獲取、存儲(chǔ)、處理、分析和顯示場地基礎(chǔ)信息，為形變異常分析提供可靠依據(jù)，提高分析預(yù)報(bào)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性；其次，可以在場地環(huán)境遭受干擾或發(fā)生改變時(shí)，做到實(shí)時(shí)更新和補(bǔ)充，避免分析工作誤入歧途；再次，有利于業(yè)務(wù)管理部門實(shí)時(shí)掌握?qǐng)龅氐膭?dòng)態(tài)情況，了解斷層形變最新狀況，便于今后的震情跟蹤工作安排和場地改造。

3．1 跨斷層地震信息采集系統(tǒng)

跨斷層地震信息采集系統(tǒng)儲(chǔ)存各類與地震相關(guān)的基礎(chǔ)信息（斷層信息、地質(zhì)構(gòu)造信息、場地周邊地震信息等）、異構(gòu)數(shù)據(jù)處理結(jié)果等，以及實(shí)時(shí)更新的信息（環(huán)境信息、場地破壞信息、基礎(chǔ)地理信息等）。主要功能如圖1所示。

圖1 跨斷層地震信息采集系統(tǒng)功能

（1）信息管理功能?？梢暂斎敫黝惖卣鹦畔⒑驼{(diào)查數(shù)據(jù)，包括：斷裂帶調(diào)查信息、場地基礎(chǔ)信息、各類其他相關(guān)調(diào)查信息、場地視頻、照片等，及收集到的場地社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息。

（2）信息交換功能。實(shí)現(xiàn)與其他地震信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

（3）空間信息采集功能。根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)地理信息，通過人工輸入或GPS采集的空間位置信息，顯示場地地點(diǎn)的行政區(qū)劃、地名、斷裂帶信息、歷史地震信息、地質(zhì)構(gòu)造信息、地理環(huán)境等。

3．2 跨斷層場地基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)

跨斷層場地基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)主要由實(shí)現(xiàn)GIS環(huán)境下的跨斷層信息管理、信息處理和信息服務(wù)組成（圖2）。

圖2 跨斷層場地基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)功能組成

3．2．1 信息管理功能

實(shí)現(xiàn)了地圖瀏覽功能，獲取并顯示了地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)和當(dāng)前比例尺。該功能的實(shí)現(xiàn)不僅能反映出斷層形變異常的時(shí)空分布情況，而且能展示跨斷層場地的空間屬性和空間關(guān)系。

圖層控制功能可用于展示系統(tǒng)各個(gè)專題數(shù)據(jù)層情況，可根據(jù)分析需要，選擇專題圖層作為研究對(duì)象。測量功能可以用于測量斷層長度或者極震區(qū)、烈度區(qū)的面積等，主要使用了．NET和Ajax技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)了多媒體信息瀏覽回放功能；系統(tǒng)儲(chǔ)存的測區(qū)、場地、測點(diǎn)的圖片和視頻信息等，用戶可以隨時(shí)調(diào)用；實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面圖形以及文本的繪制與輸入功能，該功能可以使地震工作人員通過這項(xiàng)服務(wù)靈活地編輯地圖，實(shí)現(xiàn)地震專題地圖的繪制。圖3為跨斷層場地的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)（高差）及其波動(dòng)圖像顯示界面。

3．2．2 信息處理功能

接收存儲(chǔ)的地震調(diào)查信息和其他系統(tǒng)生成的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的編輯處理后輸入數(shù)據(jù)庫相關(guān)的表中。對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用可視化的方式進(jìn)行必要的整理加工，同時(shí)添加必要的說明性的內(nèi)容?？鐢鄬訄龅貓D片錄入界面如圖4所示。

圖3 場地水準(zhǔn)（高差）數(shù)據(jù)及其波動(dòng)圖像顯示界面

圖4 跨斷層場地圖片錄入界面

3．2．3 信息服務(wù)

數(shù)據(jù)查詢是GIS最基本、最常用的功能，也是它與其他數(shù)字制圖軟件相區(qū)別的主要特征。GIS的主要功能特色之一就是根據(jù)圖形查詢屬性和根據(jù)屬性條件查詢相應(yīng)的圖形［11］。本系統(tǒng)支持以下4種查詢方式：

（1）基于矢量圖的單目標(biāo)查詢。這里的目標(biāo)約定為單個(gè)目標(biāo)，可能是一個(gè)測站、一個(gè)行政區(qū)域或一個(gè)斷裂帶等。用戶通過點(diǎn)擊某一目標(biāo)，能查詢?cè)撃繕?biāo)的屬性信息、特征信息、歷史信息以及實(shí)時(shí)與歷史信息的比較。查詢結(jié)果有多種表現(xiàn)方式：表格、示意圖、過程線、矢量圖形、柵格圖像等。跨斷層場地信息查詢界面如圖5所示。

圖5 跨斷層場地信息查詢界面

（2）基于矢量圖的多目標(biāo)查詢。用戶通過分別選擇多個(gè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息、特征信息、歷史信息的多目標(biāo)查詢。

（3）基于矢量圖的區(qū)域查詢。用戶任意圈劃的區(qū)域查詢（框選、圈選等），如查詢?cè)搮^(qū)域的斷裂帶、地震震級(jí)等。

（4）邏輯條件查詢。根據(jù)用戶給定的時(shí)間、地點(diǎn)、目標(biāo)、類型等條件，組合查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中滿足該條件組合的所有信息。系統(tǒng)空間查詢界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)空間查詢界面

4 結(jié)束語

借助GIS進(jìn)行跨斷層場地信息管理，不但提高了信息的可視性，便于信息的分析利用，而且提高了信息處理的實(shí)際效率。本文將AO組件、數(shù)據(jù)庫管理以及GIS等技術(shù)相結(jié)合，通過大量的開發(fā)工作，完成了具有完善GIS功能且不依賴于固定平臺(tái)的信息系統(tǒng)，從而為地震預(yù)報(bào)及相關(guān)科研提供了科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)支持。

（作者電子信箱，屈佳：qujia1984＠sina．com）

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Study on cross-fault site information system based on GIS

Qu Jia，Zhang Sixin
（Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054，China）

Considering the situation of seriously deficient in cross-fault basic information in northeastern margin of the Qinghai-Tibet block，cross-fault GIS is established with the integrated Visual Studio 2008 and ArcGIS Engine 9．3．In conclusion，by establishing the cross-fault GIS，it can provide scientific and reliable data for earthquake prediction．

northeastern margin of Qinghai-Tibet block；cross-fault；GIS；deformation anomaly

P208；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．04．009

2013-09-20；

2014-01-08。

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH12074）資助。