地震地形變數(shù)據(jù)準(zhǔn)實時可視化研究

周 輝 ， 馬 亮

（1.中國地震地球物理研究所 地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京100081；2.中國地震局第二監(jiān)測中心 陜西 西安 710054）

現(xiàn)今，科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化已經(jīng)成為科學(xué)研究中數(shù)據(jù)分析的重要手段之一。數(shù)據(jù)可視化，旨在一目了然地揭示數(shù)據(jù)中的復(fù)雜信息，以幫助研究人員快速形象的了解數(shù)據(jù)實質(zhì)。地震地形變數(shù)據(jù)作為我國地震前兆臺網(wǎng)中歷史記錄比較完備、數(shù)字化程度較高的原始觀測數(shù)據(jù)，非常適合成為可視化相關(guān)技術(shù)的研究和實驗對象。近年來，地震局地形變觀測臺網(wǎng)持續(xù)產(chǎn)出數(shù)據(jù)，本文以地形變觀測臺網(wǎng)實時數(shù)據(jù)流為輸入，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、研究并改進相關(guān)數(shù)值算法，準(zhǔn)實時地產(chǎn)出指定時間窗及滑動步長、指定測項的地形變觀測數(shù)據(jù)二維圖像。初步完成一套可視化展示程序。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，科學(xué)數(shù)據(jù)在科學(xué)研究中的作用日益顯著，數(shù)據(jù)不僅是科學(xué)研究的結(jié)果，且成為科學(xué)研究的基礎(chǔ)。人們不僅關(guān)心數(shù)據(jù)的建模、描述、組織、保存等，更關(guān)心如何利用海量數(shù)據(jù)的可知識對象化、可計算化、可視化，構(gòu)造基于數(shù)據(jù)的、開放協(xié)同的研究模式。

可視化（Visualization）是一個新興的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。近年來，可視化已經(jīng)成為對由測量或計算所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行分析和詮釋的主要手段之一。通過將各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的圖像，可視化能夠幫助用戶依靠視覺這一最有效的手段了解數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，進而取得新的發(fā)現(xiàn)。

地震科學(xué)數(shù)據(jù)具有多門類、多途徑、多格式等特點，地震工作者花費大量時間、精力，采集大量的地震數(shù)據(jù)，然而，這些數(shù)據(jù)中的大部分可能與地震或地震災(zāi)害無關(guān)或者弱相關(guān)，需要研究人員分析、過濾，以得到輕量、簡潔、有效的數(shù)據(jù)，從而為圖像化提供可靠的數(shù)據(jù)來源。目前，地震前兆臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)可視化方面主要僅限于連續(xù)觀測數(shù)據(jù)時間序列的曲線圖展示，產(chǎn)出的一些具有空間屬性的產(chǎn)品或?qū)?shù)據(jù)時間序列曲線進行專業(yè)加工則主要依靠第三方的工具軟件，如GMT、Matlab、MapSIS等等，因缺乏一個集成、高效、易用、專業(yè)針對性強的平臺，使得數(shù)據(jù)產(chǎn)品圖像可視化水平相對較低[1-4]。

2 研究內(nèi)容

本項目擬在搭建完善總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，選取和構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地形變數(shù)據(jù)準(zhǔn)實時的數(shù)據(jù)調(diào)用，并利用微軟.NET平臺，結(jié)合相關(guān)計算方法，針對數(shù)據(jù)二維成像，開發(fā)用戶桌面版的應(yīng)用程序。具體的研究內(nèi)容包括如下。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層、技術(shù)支撐層和業(yè)務(wù)邏輯層。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，其主體是正在運行的中國地震臺網(wǎng)中心前兆形變數(shù)據(jù)庫，庫中存有2007年以來我國連續(xù)實時觀測的固定形變臺觀測資料，也是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取程序的目標(biāo)數(shù)據(jù)。技術(shù)支撐層采用計算機繪圖技術(shù)對地形變數(shù)據(jù)進行可視化表達，利用C#和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對系統(tǒng)總體功能進行實現(xiàn)。業(yè)務(wù)邏輯層的各個模塊對應(yīng)本系統(tǒng)的主要功能，包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、異常檢查接口和繪圖展示模塊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System overall framework

2.2 技術(shù)路線

1）系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

在項目前期工作中，經(jīng)過技術(shù)調(diào)研、需求分析和概略設(shè)計，反復(fù)論證后得以確定該系統(tǒng)的最終架構(gòu)如2.1節(jié)所述，本系統(tǒng)的開發(fā)工作應(yīng)遵循系統(tǒng)架構(gòu)圖指導(dǎo)。

2）功能模塊開發(fā)

本系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和繪圖展示模塊擬采用.NET平臺C#語言進行開發(fā)，層次清晰，效率卓越。繪圖展示模塊擬采用Windows GDI+圖形包進行開發(fā)，具體技術(shù)實現(xiàn)請參考3.1節(jié)相關(guān)內(nèi)容。

3）系統(tǒng)集成和測試

本階段負責(zé)將系統(tǒng)各功能模塊整合成為統(tǒng)一的桌面軟件系統(tǒng)，并進行軟件工程意義上的系統(tǒng)測試，達到用戶可使用的程度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)采用的技術(shù)涉及數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機繪圖、面向?qū)ο笳Z言等多領(lǐng)域。技術(shù)要求范圍廣泛，技術(shù)難度要求較高。本節(jié)結(jié)合系統(tǒng)重要功能的實現(xiàn)，就本系統(tǒng)所應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)作簡單介紹。

3.1 繪圖展示

GDI在 Windows中定義為 Graphics Device Interface，即圖形設(shè)備接口，是 Windows API（Application Programming Interface）的一個重要組成部分。GDI使得用戶無需關(guān)心具體設(shè)備的細節(jié)，而只需在一個虛擬的環(huán)境（即邏輯設(shè)備）中進行操作。GDI+是GDI的增強版，主要提供三類服務(wù)：二維矢量圖形、圖像處理、文字顯示[5]。

本模塊利用Windows GDI+繪制地形變數(shù)據(jù)的二維圖像，然后利用ffmpeg開源程序，將已繪制的圖片集轉(zhuǎn)換為動畫視頻[6]。圖2為繪圖展示模塊的流程圖：

圖2 繪圖展示模塊流程圖Fig.2 Drawing and showing flow diagram

C#提供了System.Diagnostics中Process類來專門調(diào)用本地和遠程的外部程序，下面是調(diào)用ffmpeg的代碼。

Process p=new Process（）；

p.StartInfo.FileName = @"C:programsffmpeginffmpeg.exe-y-iConPic%%04d.jpg show.mp4"；

p.StartInfo.Arguments=Argument；p.StartInfo.UseShellExecute=false；

p.StartInfo.CreateNoWindow=NoWindow；p.Start（）；

p.WaitForExit（）；

3.2 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取主要包括數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)處理兩個功能模塊。首先，系統(tǒng)后臺與地震前兆形變數(shù)據(jù)庫進行互聯(lián)，提出數(shù)據(jù)請求，將庫中目標(biāo)數(shù)據(jù)進行下載；其次，系統(tǒng)將下載得來的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、歸類、排列等操作，形成繪圖程序模塊所能識別的可用數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)流程如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)下載流程圖Fig.3 Data download flow diagram

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Data process flow diagram

前兆數(shù)據(jù)采用Oracle數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)將使用Oracle公司提供的 Oracle Data Provider for.NET（ODP.NET）來連接和下載數(shù)據(jù)，下載是相關(guān)的實現(xiàn)代碼。

string connstring= "Data Source=（DESCRIPTION=（ADDRESS=（PROTOCOL=TCP）（HOST=192.168.0.1）（PORT=1521））"+"（CONNECT_DATA=（SID=orcl）））；User Id=system；Password=test；"；

using （OracleConnection conn=new OracleConnection（connstring））

{

conn.Open（）；

string sql="select*from tablename"；

using （OracleCommand comm=new OracleCommand（sql， conn））{

using（OracleDataReader rdr=comm.ExecuteReader（））

{while （rdr.Read（））{Content+= （rdr.GetString（1） +Environment.NewLine）；

}}}

conn.Close（）；}

4 結(jié)束語

通過對地震地形變數(shù)據(jù)準(zhǔn)實時可視化系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，得到地震數(shù)據(jù)可視化方面的相關(guān)初步認(rèn)識：如何獲取海量地震數(shù)據(jù)中的有用隱藏信息是地震預(yù)報等業(yè)務(wù)的關(guān)鍵實現(xiàn)途徑之一，數(shù)據(jù)可視化是比較好的選擇。在實際研發(fā)中，地震數(shù)據(jù)的獲取和通用格式化、可視化樣式的展示方式、可視化的方法原理等也是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵節(jié)點。

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