空間地理信息在JOPENS系統(tǒng)中的應用及優(yōu)化

蘇柱金，黃文輝，劉軍

（廣東省地震局，廣州510070）

空間地理信息在JOPENS系統(tǒng)中的應用及優(yōu)化

蘇柱金，黃文輝，劉軍

（廣東省地震局，廣州510070）

空間地理信息是JOPENS系統(tǒng)中不可缺少的一項技術，本文闡述了在JOPENS系統(tǒng)中空間地理信息技術在地震學中的應用，利用空間基礎數(shù)據(jù)和算法進行地震定位輔助計算、地圖數(shù)據(jù)存儲、地震速報、空間位置展示、地震信息發(fā)布，以及在各項應用中的優(yōu)化，使程序的響應時間、系統(tǒng)資源占用、系統(tǒng)運行效率達到最優(yōu)。

空間地理信息；NetCDF；數(shù)據(jù)優(yōu)化；JOPENS

0 引言

空間地理信息是地震學與生俱來的一個屬性，數(shù)據(jù)采集器記錄的每一個地脈動數(shù)據(jù)都帶有空間位置標簽，空間地理信息的應用貫穿了地震學的每一個領域，包括地震觀測、地震預報、災害評估、應急救援等，可以說是地震研究不可忽視的重要工具。同樣在JOPENS數(shù)字地震臺網(wǎng)中心處理系統(tǒng)[1]（下面簡稱為：JOPENS系統(tǒng)）中的多個功能模塊都與空間地理信息有著直接或間接的聯(lián)系，如地震定位輔助計算[2]、地圖數(shù)據(jù)存儲、地震速報、結(jié)果展示、信息發(fā)布等。

怎樣利用空間地理信息技術結(jié)合多種不同格式的基礎數(shù)據(jù)，加以分析處理，解決各方面不同問題是JOPENS系統(tǒng)一個重要的研究方向。在最初的JOPENS中，空間地理信息技術只用于定位的輔助計算和獲取速報地名，隨著空間地理信息技術的發(fā)展，也在JOPENS中得到了廣泛的應用，既豐富了JOPENS系統(tǒng)在可視化和用戶交互方面的功能，也大大提高了空間分析處理方面的能力。

1 空間地理信息的應用

圖1 空間基礎數(shù)據(jù)Fig.1 Spatial basic data

1.1 空間基礎數(shù)據(jù)

空間基礎數(shù)據(jù)是空間地理信息技術的根本，在JOPENS系統(tǒng)中空間基礎數(shù)據(jù)大致分為三類：行政邊界數(shù)據(jù)和河流數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、臺站位置數(shù)據(jù)（圖1）。根據(jù)使用目的和使用方法不同，三種數(shù)據(jù)的格式也有所不同，行政邊界數(shù)據(jù)因經(jīng)常需要更新，所以通常使用shape國際通用的矢量數(shù)據(jù)格式存儲，方便從測繪機構(gòu)獲取最新數(shù)據(jù)；斷層數(shù)據(jù)不需要經(jīng)常更新，以專用的二進制格式存儲；臺站位置信息是保密數(shù)據(jù)，所以保存在加密的數(shù)據(jù)庫中。

1.2 定位輔助計算

利用定位算法確定震中位置時，需要從臺站信息數(shù)據(jù)庫中讀取臺站經(jīng)緯度，并利用觸發(fā)臺站的相對空間位置、震相到時差計算出震中經(jīng)緯度、各臺站相對震中位置的方位角（圖2）。目前JOPENS系統(tǒng)中常用的定位算法有單純定位法、LocSAT定位法、HypoSAT定位法、單臺定位法等，還包括了不常用的川滇3D定位法。

1.3 地理編碼

地理編碼，是把地理位置與地址相匹配的過程，在JOPENS系統(tǒng)中就是利用地震震中位置的經(jīng)緯度值搜索該震中位置所在地址，并按照地震速報或地震編目的地名規(guī)定組合符合要求的地名的功能。

按照中國地震局地震速報規(guī)定，震中速報地名分為三級：省、市、縣，JOPENS系統(tǒng)利用定位算法得出震中經(jīng)緯度后，判斷該經(jīng)緯度所在的省、市、縣組合成三級地名。而編目規(guī)定則是所在省和縣的簡寫組成的兩級地名。

1.4 地理坐標投影及顯示

所有的基礎數(shù)據(jù)或最后計算的結(jié)果最終都會在屏幕上以平面的方式展現(xiàn)出來。所以無論是在地圖展示或是在計算過程中都需要從地理坐標投影轉(zhuǎn)換到平面坐標。因為JOPENS系統(tǒng)中只涉及簡單的地圖顯示，所以簡化了投影的計算，把地球假設為一個正球體，長軸短軸半徑均為常數(shù)6 371.3 km[3]。投影步驟為：①把各圖層中的對象元素的邊界離散為坐標點集合；②以地圖中心的經(jīng)緯度坐標為旋轉(zhuǎn)角度，把地圖中心旋轉(zhuǎn)到投影中心；③把投影點的地理坐標（即極坐標）轉(zhuǎn)換成直角坐標；④判斷投影點在直角坐標中的Z軸值，如果是負數(shù)則表明該點是球體背面的點，不需要顯示，如果是正值則是顯示范圍內(nèi)的點。

圖2 震中位置及臺站分布Fig.2 Epicenter location and stations distribution

繞X軸旋轉(zhuǎn)矩陣：

繞Y軸旋轉(zhuǎn)矩陣：

繞Z軸旋轉(zhuǎn)矩陣：

經(jīng)過投影獲得以米為單位的平面地圖之后，再根據(jù)程序面板的長寬比例變換成以像素為單位的平面地圖顯示在面板上。

1.5 定制速報范圍和速報策略

在JOPENS系統(tǒng)中，空間地理信息技術在地震事件的速報范圍和速報策略方面還發(fā)揮著很重要的作用[4]。全國30多個省區(qū)域臺網(wǎng)都有各自不同的責任區(qū)域，包括自己省行政邊界范圍以及周邊區(qū)域，而且有時還會根據(jù)不同業(yè)務要求調(diào)整地震速報的范圍和對應的發(fā)布條件。在這樣的背景下，JOPENS系統(tǒng)中的地震發(fā)布模塊允許各個區(qū)域臺網(wǎng)的用戶使用Google Earth工具軟件根據(jù)各自臺網(wǎng)的速報職責定制速報范圍的KML文件，KML（Keyhole Markup Language）是由開放地理空間聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，Inc.，簡稱OGC）維護的國際標準，具有方便編輯和傳播的特點，利用該KML文件可方便地生成地震速報的范圍。

2 空間地理信息的優(yōu)化

2.1 存儲優(yōu)化（NetCDF）

在JOPENS系統(tǒng)中，因行政邊界數(shù)據(jù)需要定時更新，所以都以shape矢量數(shù)據(jù)格式存儲，這種數(shù)據(jù)格式的讀寫都需要一套第三方的API接口[5]，而且在讀取過程中需要把數(shù)據(jù)中的所有元素都預先讀取到內(nèi)存中去，所以當數(shù)據(jù)量非常大的時候程序占用操作系統(tǒng)資源非常多，甚至有時候會直接導致程序崩潰。為了徹底解決該問題，重新選用了一種新的存儲格式（NetCDF格式）對空間數(shù)據(jù)進行存儲優(yōu)化。

NetCDF（network Common Data Format）網(wǎng)絡通用數(shù)據(jù)格式[6]是由美國大學大氣研究協(xié)會（University Corporation for Atmospheric Research，UCAR）的Unidata項目科學家針對科學數(shù)據(jù)的特點開發(fā)的，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標準。目前，NetCDF廣泛應用于大氣科學、水文、海洋學、環(huán)境模擬、地球物理等諸多領域。

NetCDF格式最大的優(yōu)點就是不需要把完整的數(shù)據(jù)預先讀取到內(nèi)存中，它可根據(jù)使用需要利用索引找到特定一個元素，然后再進行讀取操作。因為最初獲取的數(shù)據(jù)是shape格式，所以在JOPENS系統(tǒng)中提供了一套將shape格式優(yōu)化成NetCDF格式的接口，該接口把shape格式中的對象元素的信息提取出來生成NetCDF格式，然后將對象元素直接存儲在本地文件系統(tǒng)中，方便索引和讀取。生成NetCDF格式是一次性操作，生成一次之后以后每一次讀取數(shù)據(jù)都不需要使用原Shape格式的數(shù)據(jù)，當有新的shape文件更新時，利用該接口對最新的對象元素進行更新即可。

優(yōu)化后測試如圖3所示，優(yōu)化后程序內(nèi)存占用大大減小，藍色區(qū)域的已使用內(nèi)存（Used size）由原來的475.5 MB減小到53.08 MB，減小了89%。而圖表一半部分中表示內(nèi)存中駐留的JAVA對象數(shù)也大大減少，優(yōu)化前JAVA對象數(shù)最多的是經(jīng)緯度坐標類com.vividsolutions.jts.geom.Coordinate,實例化了915萬個對象，優(yōu)化之后因為縣對象元素的經(jīng)緯度坐標不再長期駐留在內(nèi)存中，所以程序中最多的是JAVA語言的四個基本數(shù)據(jù)類型char、String、int和Object。

圖3 優(yōu)化存儲前后程序內(nèi)存和對象數(shù)對比（左邊為優(yōu)化前，右邊為優(yōu)化后）Fig.3 Comparison of system memory and object number before and after storage optimization

2.2 地理編碼提取優(yōu)化

國內(nèi)地名的地理編碼主要在存儲在縣行政邊界圖層中，地震速報三級地名和地震編目的二級地名都需要通過地理編碼功能接口從縣行政邊界圖層數(shù)據(jù)獲取。在獲取過程中需要根據(jù)震中經(jīng)緯度坐標判斷震中所在的省市縣，再根據(jù)速報規(guī)定或編目規(guī)定組合成正式震中地名。而在縣行政邊界圖層中包含了全國3 000個縣對象元素，單個縣對象元素的邊界可由多達上萬個經(jīng)緯度坐標點組成。如果程序在獲取國內(nèi)地名時把3 000多個縣行政邊界對象全部加載到計算機內(nèi)存中，需要長期占用大量的內(nèi)存資源。

在JOPENS系統(tǒng)中的優(yōu)化方案為：對縣對象元素進行預處理，把縣對象元素的最大最小經(jīng)緯度提取出來，生成一個包含該縣對象元素的矩形對象。在判斷震中經(jīng)緯度是否位于該縣對象元素時，先利用矩形對象初步判斷，因矩形對象只有四個經(jīng)緯度坐標點，所以進行點包含的判斷操作時更加高效，最后再利用符合點包含判斷的矩形對象所對應的縣對象元素進行點包含判斷，使用優(yōu)化方案后資源占用大大降低，特別是需要對這3 000個縣對象進行遍歷判斷時，目標在列表中的位置越靠后越能體現(xiàn)出性能優(yōu)勢。下面利用20組隨機經(jīng)緯度坐標進行地理編碼提取的性能對比測試。測試結(jié)果顯示，優(yōu)化后的每一次提取都有不同程度的性能提高，這取決于該組坐標對應的縣對象在列表中的位置，如果在列表靠前的位置，性能提高有限，如果在列表靠后的位置性能將會有很大的提高。

2.3 地圖顯示優(yōu)化

在JOPENS系統(tǒng)中，集成地圖顯示功能的模塊分別有：超快速報與預警模塊（JEEW）、人工交互分析模塊（MSDP）、臺站監(jiān)控模塊（MONITOR）、信息發(fā)布模塊（ALERT）。地圖顯示功能在這些模塊中發(fā)揮著重要的作用，負責把空間基礎數(shù)據(jù)、定位過程和定位結(jié)果等三類數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)出來。這三類顯示數(shù)據(jù)中空間基礎數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)量最大，包括了全球經(jīng)緯度標尺、海陸邊界、省市縣行政邊界、中國的主要河流、斷層、臺站分布、圖例。而定位過程和定位結(jié)果的數(shù)據(jù)則包括了臺站的狀態(tài)（是否參與定位、是否拾取到時震相、當前的速度或加速度值）、P波S波傳播速度和范圍、盲區(qū)范圍、震中位置、震源機制解（圖4）。

表1 根據(jù)20組隨機坐標進行優(yōu)化前后的地理編碼提取時間對比Table 2 The comparison of geocoding extraction time from twenty groups of random coordinates before and after optimization

圖4 地震超快速報與預警客戶端地圖顯示Fig.4 Map view for earthquake super-fast report and early warning client

地圖顯示的優(yōu)化主要為了提高顯示效果和減小程序在畫圖方面的響應時間，從而改善用戶體驗，針對不同的功能優(yōu)化方案分為三個層次：一是動靜分離，二是圖片緩沖，三是局部顯示。

2.3.1 動靜分離

把靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)分離顯示，同一個地震事件在觸發(fā)和定位過程中是不斷修正結(jié)果的過程，震中位置和參與定位的臺站會隨著修正結(jié)果不斷地微調(diào)，P波S波也會隨著時間推移不變地擴大傳播范圍，如果每一次新的修正都在面板上重畫所有數(shù)據(jù)的話，時間和資源的代價太高，所以把基本不變的數(shù)據(jù)作為面板最底層畫圖，把時刻需要改變的數(shù)據(jù)作為面板的最頂層畫圖，這時只需要重畫頂層畫圖就可以把最新的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來。

2.3.2 圖片緩沖

JAVA的Graphics類提供了很多畫圖的基本接口，但在實際使用過程中，如果直接利用這些接口在JPanel面板上畫圖的話，效率很低，特別是縣行政邊界數(shù)據(jù)的一個縣對象元素就包含了上萬個經(jīng)緯度坐標的情況下，甚至有可能會導致內(nèi)存泄漏或程序崩潰等嚴重問題?？紤]到這種情況，優(yōu)化方法是為JPanel面板添加一個圖片緩沖，把畫圖和顯示分為兩個步驟進行，先把地圖畫到PNG圖片上，然后再把PNG圖片顯示在JPanel面板上，有了這一層緩沖后大大提高了畫圖功能的效率，而且PNG圖片是可以重復利用的，為上面動靜分離的優(yōu)化方法提供了支撐。

2.3.3 局部顯示

局部顯示包含了兩個方面的含義：一是只顯示可視范圍內(nèi)的地圖數(shù)據(jù)；二是只顯示某個比例尺范圍內(nèi)的特定圖層數(shù)據(jù)。

當?shù)貓D放大到一定比例時由于面板大小的限制只會顯示面板范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，所以只需要提取面板范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)來進行畫圖處理即可，當?shù)貓D數(shù)據(jù)需要變化（通常是顯示比例或者地圖中心變化引起的）時，重新獲取地圖中心周邊一定距離的地圖數(shù)據(jù)。例如JOPENS系統(tǒng)對地震事件進行自動定位檢測時，同一個地震事件的多次定位修正，其震中位置經(jīng)緯度坐標差別細微，此時不需要重新加載面板上的地圖數(shù)據(jù)。

行政邊界地圖數(shù)據(jù)在JOPENS系統(tǒng)的基礎地圖數(shù)據(jù)中占比重最大的一類，所以能夠?qū)@一類數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理就能大大減輕地圖顯示方面的壓力。按照人的視覺習慣，站在遠處觀察時，只想了解該物體的大致輪廓；靠近物體觀察時希望掌握細節(jié)。所以優(yōu)化方案把基礎地圖數(shù)據(jù)分成了四個等級，分別在四個等級的比例尺上顯示。這四個等級的數(shù)據(jù)分別為：海岸線和國界、省行政邊界、市行政邊界、縣行政邊界。當用戶調(diào)整地圖比例時，永遠只需顯示在這個比例下的等級數(shù)據(jù)，例如如果需要顯示縣行政邊界數(shù)據(jù)時，需要放大顯示比例，如果需要顯示國界時縮小顯示比例。

圖5是這三個層次的優(yōu)化做出的綜合測試結(jié)果，結(jié)果以CPU工作時間為基礎的，因為當程序運行并進行特定的操作時，系統(tǒng)CPU的工作時間能夠反應程序的響應時間，所以本次優(yōu)化通過監(jiān)控系統(tǒng)CPU的工作時間來對比優(yōu)化前后四項地圖基本操作的響應時間，四項地圖基本操作按編號1到4分別為：地圖初始化加載、地圖放大操作、地圖縮小操作和地圖平移操作。

圖5的橫坐標為時間軸，縱坐標為CPU占用率，優(yōu)化前當進行四項地圖操作時，CPU保持15%占有率左右持續(xù)8 s，實行優(yōu)化后，CPU占有率都有2個百分點左右的降低，而且CPU工作時間減少了50%，具體數(shù)據(jù)如下表所示。

3 結(jié)語

空間地理信息是JOPENS系統(tǒng)中使用率非常高的一項技術，在多個功能模塊中都得到應用。針對各個功能模塊不同的特點和使用情況，對空間地理信息技術進行了三項優(yōu)化，分別是：①利用NetCDF格式進行了數(shù)據(jù)存儲優(yōu)化，提高了減少了程序在讀取空間數(shù)據(jù)時的內(nèi)存占用。②利用多邊形的空間特征對地理編碼提取功能進行了優(yōu)化，提高了地理編碼提取的速度。③根據(jù)JAVA畫圖的原理及人眼的視覺習慣，對地圖顯示進行了優(yōu)化，提高了程序的畫圖性能及縮短了用戶交互的響應時間。

空間地理信息學科和地震學科可以說是無法分割的兩門科學，隨著地震科學的發(fā)展，空間地理信息技術將會更多的用武之地，例如空間信息網(wǎng)絡服務、三維可視化及空間分析，甚至虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實都是未來技術的方向。使用空間地理信息技術有利也有弊，它可增加JOPENS系統(tǒng)空間信息處理能力[7]，使本來枯燥的數(shù)據(jù)有更直觀的可視化展現(xiàn)方式，但是空間數(shù)據(jù)占用系統(tǒng)資源非常大，影響系統(tǒng)響應速度，甚至有導致系統(tǒng)崩潰的潛在危險。所以做好各個功能的優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率與用戶體驗的關鍵所在。

圖5 優(yōu)化前后系統(tǒng)CPU占用及工作時間對比Fig.5 CPU utilization and working time before and after optimization

表2 地圖顯示優(yōu)化前后性能對比Table 2 The performance comparison of map view before and after optimization

[1]吳永權(quán)，黃文輝.數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)JOPENS的架構(gòu)設計與實現(xiàn)[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（6）：58-63.

[2]Buliung R N,Remmel T K.Open source spatial analysis and activity-travel behavior research:capabilities of a space package[J].Journal of Geographical Systems，2008（10）：191-216.

[3]M.Neteler，H.Mitasova.Open Source GIS:A GRASS GIS approach[M].New York：Springer，2007.

[4]蘇柱金，黃文輝.基于JOPENS系統(tǒng)的地震速報信息聚合與發(fā)布系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].華南地震，2014，34（4）：35-40

[5]GeoTools API Documents[EB/OL][2014-12-10].http:// docs.geotools.org.

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The Application and Optimization of Spatial Geographic Information Technology in JOPENS

SU Zhujin，HUANG Wenhui，LIU Jun
（Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070，China）

Spatial geographic information is an important technology in JOPENS，and this paper discusses the application of spatial geographic information technology in seismology science，including taking advantage of spatial basic data and algorithm to assistant calculation for seismic location,map data storage，earthquake quick report，view of spatial location，seismic information publish,and the optimization in all these applications，make the program response faster，system resources consumption less and enhance the system running efficiency.

Spatial geographic information；NetCDF；Data optimization；JOPENS

P315.6

A

1001-8662（2016）03-0081-07

10.13512/j.hndz.2016.03.012

2015-07-29

蘇柱金（1983－），男，工程師，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測工作。

E-mail：suzo@foxmail.com

蘇柱金，黃文輝，劉軍.空間地理信息在JOPENS系統(tǒng)中的應用及優(yōu)化[J].華南地震，2016，36（3）：81-87.[SU Zhujin，HUANG Wenhui，LIU Jun.The Application and Optimization of Spatial Geographic Information Technology in JOPENS[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：81-87.]