地震應(yīng)急專題圖離線生成技術(shù)研究與應(yīng)用

譚慶全

地震應(yīng)急專題圖離線生成技術(shù)研究與應(yīng)用

譚慶全

譚慶全，博士，高級工程師，中國地震局“防震減災(zāi)優(yōu)秀人才百人計劃”人選。2008年畢業(yè)于中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)，2010年赴英國接受“地震災(zāi)害應(yīng)急管理”相關(guān)培訓(xùn)?，F(xiàn)于北京市地震局從事空間信息技術(shù)及在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用研究工作。作為項目負責人和核心成員完成國家級、省部級科研項目20余項，獲國家實用新型專利6項、發(fā)明專利1項、申請軟件著作權(quán)11項；先后榮獲省級科技進步二、三等獎各1次；發(fā)表論文30余篇。

研究背景

眾所周知，地震災(zāi)害是一種極具破壞力的自然災(zāi)害，常常造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。趙和平研究員在2009年發(fā)表的論文《地震應(yīng)急救援任重道遠》中指出：地震應(yīng)急救援是應(yīng)對地震災(zāi)害的重要手段；這就要求增強震后應(yīng)急處置能力，在震后短時間內(nèi)組織起高效有序的搶救生命、救治傷員、安置受災(zāi)群眾等應(yīng)急行動，最大限度地減輕地震造成的損失，保護人民生命財產(chǎn)安全。

各類地震應(yīng)急專題圖（以下簡稱“專題圖”）是指地震后為滿足抗震救災(zāi)要求的包含震情、災(zāi)情和災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)信息的系列圖件。可以直觀地反映震中位置、地震影響范圍、人口與經(jīng)濟分布、重點目標與危險源分布、學(xué)校與醫(yī)院位置、交通道路、行政區(qū)劃、災(zāi)區(qū)地形等等相關(guān)信息，為抗震救災(zāi)的指揮決策和應(yīng)急救援行動提供重要的信息支持。專題圖作為一種重要的信息表達和傳遞手段，在地震應(yīng)急的各時段都發(fā)揮著重要的作用。

根據(jù)汶川、玉樹地震的經(jīng)驗總結(jié)，中國地震局進一步加強了地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)服務(wù)保障能力的建設(shè)。2011年8月，為規(guī)范地震應(yīng)急專題地圖的產(chǎn)出流程和制作，提高地震應(yīng)急指揮服務(wù)保障工作效率，中國地震局組織編制了《破壞性地震應(yīng)急專題地圖產(chǎn)出流程與制作規(guī)范（試行）》（中震救發(fā)〔2011〕69號）。該規(guī)范對中國地震局地震應(yīng)急指揮中心和省級地震應(yīng)急指揮中心震后專題圖的編制提出了十分具體的要求。其中，對省級地震應(yīng)急指揮中心按震后5個時間段的27幅專題圖制作提出了詳細的標準要求，如下表所示。

因而，專題圖的制作是各級地震應(yīng)急指揮中心都面臨的一項重點業(yè)務(wù)工作。但是，目前現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)很難滿足上述規(guī)范及實際地震應(yīng)急工作的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）對專業(yè)人員的要求：專題圖的制作主要依靠專業(yè)技術(shù)人員通過專業(yè)GIS軟件手工生成，對工作人員有較高的專業(yè)水平要求，而相關(guān)人員同時要參與繁重的各項震后應(yīng)急工作，因而很難實現(xiàn)各應(yīng)急時段專題圖的快速產(chǎn)出。

（2）對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的要求：傳統(tǒng)的專題圖制作方法，在制圖時需要實時鏈接地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。遇網(wǎng)絡(luò)故障或服務(wù)器故障，將無法工作。而應(yīng)急時數(shù)據(jù)庫處于最繁忙的工作狀態(tài)，需要參與各軟件模型的計算；此時頻繁操作數(shù)據(jù)庫，一方面訪問速度受限，另一方面會增加服務(wù)器負擔、增加其癱瘓的可能。

（3）對應(yīng)用場景的要求：為落實中國地震局黨組關(guān)于“地震現(xiàn)場工作重心前移”的指示精神，需要進一步做好地震現(xiàn)場應(yīng)急準備工作，提升現(xiàn)場應(yīng)急信息服務(wù)保障能力。然而，現(xiàn)在的技術(shù)系統(tǒng)和工作模式無法實現(xiàn)地震現(xiàn)場的專題圖實時制作（需要在指揮中心制作，通過視頻會議或衛(wèi)星通信向地震現(xiàn)場傳遞信息）。

為了提高專題圖制作效率，許多研究所與省級地震局已經(jīng)開展了大量研究工作及實際應(yīng)用測試。比如陜西、云南、四川、山東、遼寧、江蘇、廣西等省級地震局，利用AcrGIS提供的開發(fā)接口，基于提前配置好的專題圖模板，可以批量導(dǎo)出專題圖。但是，這種實現(xiàn)方式仍然需要實時鏈接數(shù)據(jù)庫、依然需要專業(yè)GIS軟件的支撐，還是無法徹底滿足現(xiàn)實工作需求。

綜上所述，當前急迫需求一種新的專題圖制作技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)該具有如下特征：①不依賴專業(yè)GIS軟件進行繪制和輸出，基于傳統(tǒng)Windows圖形用戶界面操作形式，不需要專業(yè)技術(shù)人員即可實現(xiàn)繪制；②不需要實時鏈接應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，基于前期數(shù)據(jù)處理將各類專題數(shù)據(jù)信息分層次預(yù)存儲，通過離線方式實現(xiàn)專題圖的快速制作；③可實現(xiàn)各類專題圖的自動批量產(chǎn)出。

作為多年從事我國地震應(yīng)急工作的基層科研技術(shù)人員，針對現(xiàn)實需求和存在的問題，我們開展了大量的研究和探索工作，實現(xiàn)了一條可行的技術(shù)路線、研發(fā)了相關(guān)軟件試用版本，取得了可喜的研究成果。

研究目標、研究內(nèi)容、技術(shù)路線

1.研究目標

在當前地震應(yīng)急對專題圖快速產(chǎn)出的迫切需求驅(qū)動之下，本研究擬實現(xiàn)一種新型的專題圖離線快速生成技術(shù)并進行示范應(yīng)用。該實現(xiàn)技術(shù)通過大量的前期數(shù)據(jù)處理工作，將各類專題數(shù)據(jù)信息建立多級預(yù)存儲地圖，不需要實時鏈接地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫即可實現(xiàn)專題圖的離線輸出；通過自主研發(fā)的專題圖生成軟件，基于傳統(tǒng)Windows圖形用戶操作界面，不需要專業(yè)GIS軟件即可實現(xiàn)專題圖的快速批量繪制輸出；可以實現(xiàn)地震現(xiàn)場應(yīng)急時的專題圖快速制作與輸出。最后，在實際應(yīng)急工作中推廣應(yīng)用，對于增強地震應(yīng)急指揮信息服務(wù)保障能力具有重要的現(xiàn)實意義。

2.主要研究內(nèi)容

為取得上述研究目標，擬開展的研究內(nèi)容主要包括：

（1）預(yù)存儲專題地圖快速生成技術(shù)研究

為了在地震應(yīng)急階段不依賴應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)專題圖的離線制作與快速輸出，需要前期進行大量的數(shù)據(jù)預(yù)處理準備工作。具體是指，將行政區(qū)內(nèi)的所有空間數(shù)據(jù)，按照專題圖的圖層疊加與顯示要求，按不同比例尺進行分級制圖，生成多級預(yù)存儲的地圖數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)過程中，要進一步研究預(yù)存儲地圖生成算法的執(zhí)行效率、算法適應(yīng)性、地圖分層抽樣密度與抽樣算法等關(guān)鍵問題。

（2）預(yù)存儲專題地圖組織管理技術(shù)研究

在預(yù)存儲地圖生成過程中，會生成大量的地圖數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)有效地組織管理起來是必須要研究和解決的問題。具體需要研究地理坐標與地圖像素坐標的轉(zhuǎn)換算法，實現(xiàn)某經(jīng)緯度范圍內(nèi)地圖數(shù)據(jù)的快速檢索與獲取，同時要實現(xiàn)某基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生更新時，可以方便實現(xiàn)預(yù)存儲數(shù)據(jù)的全部或局部更新。

（3）可視化專題圖配置與生成技術(shù)研究

研制可視化專題圖配置軟件，根據(jù)經(jīng)緯度范圍和比例尺，調(diào)取相應(yīng)范圍的預(yù)存儲地圖數(shù)據(jù)，進行無縫拼接和顯示。通過可視化Windows交互操作界面，實現(xiàn)專題圖相關(guān)信息的設(shè)置、修改，疊加顯示其他要素層（預(yù)存儲數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)），最后實現(xiàn)完整專題圖的輸出。

（4）專題圖批量繪制與自動輸出研究

根據(jù)用戶設(shè)定的配置信息，實現(xiàn)“一鍵制圖”功能，具體是指，根據(jù)用戶前期設(shè)置的制圖規(guī)范與要求，由軟件讀取相應(yīng)的配置文件或參數(shù)信息，通過用戶一次提交可以自動輸出需要的所有專題圖。

3.技術(shù)路線

為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，總體技術(shù)路線如下圖所示。

關(guān)鍵技術(shù)與研究結(jié)果

1.預(yù)存儲專題地圖數(shù)據(jù)生成技術(shù)

根據(jù)中國地震局對省級地震應(yīng)急指揮中心專題圖制作規(guī)范要求，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行配圖，然后通過軟件自動生成相應(yīng)地理范圍的多級預(yù)存儲數(shù)據(jù)。主要有以下幾種實現(xiàn)方法。

（1）基于ArcIMS的預(yù)存儲專題地圖生成技術(shù)

對原始的空間數(shù)據(jù)分別用ArcIMS Author或ArcMap進行配圖和設(shè)置，在ArcIMS Administrator中生成不同的Services（Image Service、Feature Service、ArcMap Image Service或Metadata Service），進而由專門的Java應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)的Service生成地圖切片，最后在應(yīng)用程序中調(diào)取地圖切片。本方法適用于ArcGIS9.X系列產(chǎn)品進行地圖配置和地圖服務(wù)發(fā)布。由于ArcGIS軟件升級，目前主流產(chǎn)品均為10.0以上版本。因而，本方法受到應(yīng)用限制，推薦使用下述其他方法。

（2）基于GeoServer的預(yù)存儲專題地圖生成技術(shù)

GeoServer是OpenGIS Web服務(wù)器規(guī)范的J2EE實現(xiàn)，利用GeoServer可以方便地發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對特征數(shù)據(jù)進行更新、刪除、插入操作，通過GeoServer可以比較容易地在用戶之間迅速共享空間地理信息。GeoServer作為一款開源軟件，提供了豐富的GIS操作功能，同時可以通過簡單的配置直接生成地圖切片緩存數(shù)據(jù)。在GeoServer中發(fā)布地圖數(shù)據(jù)時，需要指定對應(yīng)圖層樣式的XML文件或SLD文件。通過uDig可視化地圖管理配置環(huán)境，可以方便地對地圖進行配置并輸出其樣式文件。在GeoServer中完成地圖的發(fā)布后，可以利用其自帶的切片生成工具進行預(yù)存儲地圖的生成。

（3）基于ArcGIS Server的預(yù)存儲專題地圖生成技術(shù)

在最新版本的ArcGIS產(chǎn)品中，可以直接將MXD地圖配置文件發(fā)布為ArcGIS Server中的地圖服務(wù)，針對地圖服務(wù)可以直接按指定的范圍生成不同層級的緩存數(shù)據(jù)。這種方式使用方便，配置靈活，目前是一種比較理想的實現(xiàn)方式。值得注意的是，在切片規(guī)則中選擇“ArcGIS/Bing Maps/ Google Maps”模式，切片存儲選擇“EXPLODED”模式，這樣所生成的切片將按行列規(guī)則存儲在指定的目錄下，方便在其他程序中進行解析和調(diào)用。

（4）基于其他開源GIS軟件的預(yù)存儲專題地圖生成技術(shù)

目前，有來自世界各地的幾十種開源GIS軟件平臺或開發(fā)工具包，比如QGIS、GRASS GIS、MapServer、dotSpatial等等。它們依賴的開發(fā)語言環(huán)境和軟件側(cè)重點都有所不同，但只要巧妙利用，都可以實現(xiàn)個性化的GIS應(yīng)用系統(tǒng)或切片地圖的生成，在此不再贅述。

2.預(yù)存儲專題地圖數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)

在生成預(yù)存儲的地圖數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生數(shù)以萬計的地圖切片文件，這些切片文件以jpg/png/gif等常規(guī)圖片格式存儲，沒有了空間屬性信息。為了在程序中可以方便地檢索和顯示，同時為了和地理坐標位置建立起對應(yīng)關(guān)系，在存儲和命名時必須建立起相應(yīng)的存儲規(guī)則和轉(zhuǎn)換算法。為了實現(xiàn)較好的地圖可視化效果，在地圖投影方面使用了Web Mercator投影。因而，本部分主要從三個方面進行了研究和實現(xiàn)。

（1）投影轉(zhuǎn)換

在Web Mercator投影中，將全球范圍投影到一個正方形區(qū)域。根據(jù)如下投影變換公式將經(jīng)緯度值都變換為［-180°，180°］的范圍：

經(jīng)度變換： φ'＝φ

緯度變換： φ'＝ln［tan（π/4+φ/2）］

在上述緯度的變換中，實際緯度值只能取到［-85.05°，85.05°］的范圍。取赤道半徑為R=6378137米，則赤道的周長L=2πR=40075016.68米，則用一個距離坐標范圍為［-20037508.34，20037508.34］正方形來表示全球地理范圍。顯然，在地球兩極變形較大，在我們?nèi)粘Ｊ褂弥?，很少涉及地球兩極的地理范圍，因而可以忽略。

（2）命名規(guī)則

世界范圍，第0層，是一張256×256像素的圖片，按照增加一層放大一倍的分級規(guī)則，層號從0開始計算，則在第n層，整個地球用2n×2n個切片表示，可以用XY二維編號來表示，如下圖所示。

切片數(shù)據(jù)命名規(guī)則示意圖

通過層號、文件名，可直接定位文件、換算坐標等，但為了避免一個目錄下切片文件過多，在層號下面又設(shè)了一個區(qū)塊編號，即當某分層的文件數(shù)較多時，先把整個圖分成一系列大區(qū)，每個區(qū)對應(yīng)的切片數(shù)最多為256個。我們定義了一個五層文件目錄的命名規(guī)則，如下表所示。

目錄級別目錄規(guī)則含義說明示例1根目錄磁盤上存儲數(shù)據(jù)的文件夾D:mapdata 2數(shù)據(jù)名用來表示該緩存數(shù)據(jù)的內(nèi)容行政區(qū)劃圖人口分布圖3分層號從0層開始的當前層級號（層號為2位10進制數(shù)）L00,L01,...,L12 4區(qū)塊號容納256個切片數(shù)據(jù)的區(qū)塊編號0_1，2_3 5文件名X編號_Y編號.擴展名，X、Y均為10進制，取[0，2n-1] 0_1.png,2_3. png,5867_232. png，

第6層全球地圖切片編號示意圖（█表示北京市位置）

以全球地圖的第6層為例，共有切片4096個，可分為16個區(qū)域，每個區(qū)域編號如下圖所示，每個區(qū)域?qū)?yīng)256個切片。北京在此層對應(yīng)的文件編號為52_24，所以北京在此層上對應(yīng)的切片路徑是這樣的格式：D:mapdata北京測試數(shù)據(jù)L063_152_24.png。

（3）存儲路徑轉(zhuǎn)換

在利用其他GIS軟件生成預(yù)存儲地圖切片時，切片的存儲格式和命名都有各自的規(guī)則。為了將地圖切片存儲路徑轉(zhuǎn)換為本文中提出的5層目錄結(jié)構(gòu)規(guī)則以及相應(yīng)的命名規(guī)范，設(shè)計實現(xiàn)了各種切片存儲規(guī)則之間的轉(zhuǎn)換以及圖片存儲格式轉(zhuǎn)換的程序。同時，基于該程序可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)免費地圖（谷歌地圖、ArcGIS online地圖等）下載到本地后的格式轉(zhuǎn)換與調(diào)用、相關(guān)經(jīng)緯度值的變換等。

切片數(shù)據(jù)存儲規(guī)則轉(zhuǎn)換程序界面

3.可視化專題圖配置與批量輸出技術(shù)

在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境中，自主設(shè)計研發(fā)了地震應(yīng)急專題圖離線生成軟件?；诿嫦?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，將不同切片地圖數(shù)據(jù)、圖層信息和專題圖要素，構(gòu)建相應(yīng)的對象，最后利用圖形圖像處理技術(shù)統(tǒng)一繪制、顯示和輸出。軟件從底層實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)的解析，以及與預(yù)存儲地圖數(shù)據(jù)的疊加顯示，不需要其他GIS軟件接口或類庫的支撐即可單獨運行；所使用的空間數(shù)據(jù)均為預(yù)存儲的地圖切片數(shù)據(jù)，因而無須實時鏈接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；通過簡單直觀的交互界面，用戶不需要掌握復(fù)雜的GIS專業(yè)知識和技能即可實現(xiàn)專題圖的批量制作與輸出。軟件實現(xiàn)的主要功能有：

加載預(yù)存儲專題圖數(shù)據(jù)進行無縫拼接顯示

切換顯示不同專題圖模板對應(yīng)的緩存數(shù)據(jù)

對地圖數(shù)據(jù)進行漫游、縮放、定位等基本操作

人工設(shè)置地震名稱、震級、震中位置、走向等信息

人工設(shè)置專題圖編制信息（單位、人員、時間等）

自動生成烈度預(yù)評估矢量數(shù)據(jù)并可疊加顯示、輸出保存加載本地shp格式地震影響場矢量數(shù)據(jù)并疊加顯示

可以疊加本地歷史地震、避難場所等點圖層數(shù)據(jù)

可任意選擇多幅專題圖進行一鍵制圖輸出

可自定義主要城市信息并實時計算生成距離專題圖

制圖時自動添加圖名、圖例、圖號、比例尺、編制信息、經(jīng)緯度網(wǎng)格等

可自定義軟件中使用的參數(shù)或影響場繪制效果

軟件主界面、軟件產(chǎn)品測試報告和軟件著作權(quán)證書

成果總結(jié)及下一步工作計劃

本研究工作得到了中國地震局地震科技星火計劃項目（XH13001）及北京市自然科學(xué)基金項目（8164068）的資助。其中，星火項目是2013年度地震應(yīng)急救援領(lǐng)域全國唯一一項攻關(guān)項目，已于2015年通過中國地震局組織的專家驗收，驗收結(jié)論為優(yōu)秀。取得了地震應(yīng)急專題地圖離線生成軟件、預(yù)存儲專題地圖數(shù)據(jù)生成與管理軟件、地震應(yīng)急空間數(shù)據(jù)處理軟件、地震應(yīng)急專題信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)等多項軟件著作權(quán)證書。其中，地震應(yīng)急專題地圖離線生成軟件通過了“信息處理產(chǎn)品標準符合性檢測中心”的軟件產(chǎn)品測試。

本軟件交互界面簡潔直觀、制圖快速高效，對操作人員、第三方GIS軟件、應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用場景均無特殊要求，在普通辦公電腦上即可單機運行。經(jīng)實際測試驗證，在一分鐘內(nèi)即可完成所有專題圖的繪制和輸出。目前，軟件在北京市地震局的日常地震應(yīng)急工作與模擬演練中進行了示范應(yīng)用，發(fā)揮了重要的作用。

許多學(xué)者認為，專題圖的制作必須基于專業(yè)GIS軟件實時鏈接原始數(shù)據(jù)進行繪制。因為在震級大小震中位置及影響范圍不確定的情況下，無法確定專題圖的比例尺。然而，我們的技術(shù)思路打破了傳統(tǒng)思維的限定。通過建立多級預(yù)緩存數(shù)據(jù)，且保證數(shù)據(jù)范圍足夠大、數(shù)據(jù)分層足夠多、緩存數(shù)據(jù)類型足夠豐富，就完全可以保證任意位置、任意范圍所對應(yīng)的合適比例尺的專題圖的離線制作輸出。以北京市行政區(qū)域為例，緩存20余類基礎(chǔ)地理底圖，比例尺由1:5000000放大到1:10000建立10級預(yù)存儲數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量在1GB左右。盡管這種處理方式要占用更多的存儲空間，但換來的是更高效的制圖效率、更廣闊的應(yīng)用場景。尤其是，在如今硬件存儲設(shè)備價格越來越低廉的時代，震后應(yīng)急工作面臨的時效性越來越強，所以，這種以“空間換取時間”的策略還是非常有意義的。

在后續(xù)的研究工作中，如何對大量切片文件進行更高效的管理以及如何對動態(tài)的震情信息（如余震、救災(zāi)進展、災(zāi)情漸進統(tǒng)計等）進行自動綜合制圖，將是我們擬解決的關(guān)鍵問題。

本文由北京市自然科學(xué)基金項目（8164068）、地震科技星火計劃項目（XH16001、XH13001）資助。