基于WebGIS的地震觀測數據服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙曦 常俊 孫哲

基于WebGIS的地震觀測數據服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙曦 ?？?孫哲

趙曦，碩士，工程師，2009年畢業(yè)于西安電子科技大學計算機網絡與應用專業(yè)，現(xiàn)于陜西省地震局地震應急中心從事信息網絡和應急指揮系統(tǒng)的建設和研究工作；參與和承擔多個重點項目：省級信息化重點項目——地震安全公共信息服務系統(tǒng)，“十二五”重點項目——“陜西地震社會服務工程”，中國地震局地震專業(yè)基礎設施專項——“陜西地震信息支撐平臺項目”，地震科技星火計劃項目“基于GIS的地震數據服務系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)”等。

我國地震數字化監(jiān)測網絡的建設發(fā)展迅速，數據資源也在快速增長，地震數據資源已成為地震事業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新的重要基礎，以數據密集型應用為特點的科研活動也越來越多，地震數據資源建設和共享已取得了很好的發(fā)展。但與此同時也還存在著很多問題，其中最顯著的問題之一是數據服務能力低。這大大制約了地震科學數據服務社會的效益發(fā)揮，成了迫切需要解決的問題。

隨著IT技術的快速發(fā)展，基于GIS的應用技術已在各行各業(yè)得到廣泛的應用，特別是其地圖可視化性能體現(xiàn)出了獨特的優(yōu)越性及使用價值。在地震行業(yè),地震數據由于其較強的專業(yè)性及抽象性，使得地震數據的服務始終難以在專業(yè)角度與易于公眾理解的角度之間取得良好的平衡，而GIS平臺所具備的地圖可視化功能，可以很好地將抽象的數據用圖形形象地展示出來，所以國內外相關機構都紛紛利用GIS技術建立地震數據共享服務平臺。在美國，由美國地質調查局（USGS）、地震學研究聯(lián)合會（IRIS）及哈佛大學地震研究組（DMC）三強聯(lián)手，共同提供全面、快速的基于Google Map的全球地震數據服務，包括連續(xù)地震波形數據段、地震事件、波形數據、地震速報等。在國內，也有許多專家學者開展相關研究并取得了一定的應用效果?？梢妼⒌卣饠祿张cGIS平臺相結合，無疑是一種值得考慮并極具價值與發(fā)展前景的方法。

本文利用WebGIS技術，闡述了基于ArcGIS平臺的數據服務系統(tǒng)的構建方案，論述了系統(tǒng)設計開發(fā)中的關鍵性問題，并建立了基于WebGIS的陜西省地震觀測數據服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了前兆、測震等多種地震觀測數據的可視化查詢下載功能，為進一步系統(tǒng)有效地加強地震觀測數據共享提供了很好的借鑒。

系統(tǒng)設計

1.需求分析

陜西省地震局目前收集并存儲全省的觀測數據，包括陜西省前兆臺網從1972年以來至今共36個臺站的電磁、流體、形變、重力的觀測數據，1980年至今的陜西臺網地震目錄、震相數據和相應的事件波形圖，1970年至今的全國地震目錄，以及公元元年至1969年中國及鄰近區(qū)域5級以上的大震目錄。

基于陜西省的數據共享需求與數據產出特點，陜西省地震局建立了“陜西省地震數據服務中心”網站，網站初步實現(xiàn)了測震數據、前兆觀測數據及其元數據的在線共享服務。但在實際的使用中，該網站也反映出許多問題，如地震觀測數據大多以列表和圖片形式提供服務，用戶界面過于專業(yè)化，數據服務的直觀性與實用性有所欠缺，數據服務類型有較強的局限性等。筆者在對這些問題進行梳理分析的基礎上，結合現(xiàn)有GIS發(fā)展狀況，設計了基于WebGIS的地震觀測數據服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)應具有以下幾個特點。

①要具有地圖訪問功能，能夠充分體現(xiàn)地震數據的時空特性。

②要求前兆、測震及GPS等地震數據能夠在同一個平臺進行查看；并且具有可擴展能力，以便日后其他類型的數據的加載。

③要求數據完整全面，能夠對觀測儀器、觀測環(huán)境等進行查看，以便對數據有更深入的了解。

2.系統(tǒng)架構設計

為了滿足系統(tǒng)的易用性、高效性及可擴展性，基于SOA設計思想，系統(tǒng)采用三層B/S體系架構，這種架構保證了數據服務的快速與準確。系統(tǒng)架構如圖1所示，由下至上分為三層，依次為數據層（Data Access Layer，DAL）、業(yè)務邏輯層（Business Logic Layer，BLL）和表現(xiàn)層（User Interface，UI）。

數據層是整個系統(tǒng)的最底層，負責存儲所有的數據，包括業(yè)務數據、空間數據等；業(yè)務邏輯層負責接收用戶請求，根據請求從數據層相應的數據表或文件中提取數據并加工，將結果返回給表現(xiàn)層；表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)直接交互的窗口，負責包裝數據，以用戶能夠接受的方式將數據展示給用戶。

在本系統(tǒng)中，數據層使用ORACLE數據庫存儲地震觀測數據、系統(tǒng)運行相關數據及空間數據；使用FTP服務器存儲測震波形文件及大量的相關圖片。

圖1 系統(tǒng)架構圖

業(yè)務邏輯層選用ESRI公司的ArcGIS Server作為GIS應用服務器，通過直接鏈接的方式將空間數據庫中的數據集按設計的專題圖要求制作成地圖服務定義文件（Map Service Definition，MSD），并通過ArcCatalog以相應的服務類型發(fā)布到GIS服務器；使用tomcat 6.0作為WEB服務器，并通過WebService來實現(xiàn)表現(xiàn)層與WEB服務器之間的通信。

表現(xiàn)層使用FlexViewer框架來進行設計和實現(xiàn)。

3.支撐地圖設計

數據服務系統(tǒng)基于GIS平臺，地圖是其重要的支撐，需要一套不涉密地圖數據，以支撐數據服務系統(tǒng)在互聯(lián)網上運行，這套地圖必須具備以下條件：符合國家互聯(lián)網發(fā)布地圖的規(guī)定，不涉及保密問題；要包含陜西省內大比例尺地圖以及全國范圍中大比例尺地圖；要能夠保證訪問的可靠性和穩(wěn)定性，尤其在發(fā)生地震時，要保證能夠正常訪問。根據以上要求，本系統(tǒng)采用天地圖作為系統(tǒng)的地圖支撐，“天地圖”是國家測繪地理信息局建設的地理信息綜合服務平臺，“天地圖”區(qū)別于其他地圖服務的關鍵在于可將地圖數據存儲在用戶端的專用服務器內，由該服務器來提供地圖服務。也就是說，可以采用本地部署、遠程維護的管理模式，即將天地圖服務器部署于陜西省地震局機房內，數據服務等應用通過局域網進行地圖的調用，而陜西省測繪局通過互聯(lián)網遠程對服務器進行維護并更新數據。

圖2 天地圖應用模式

針對天地圖的特點，本系統(tǒng)實行日常模式和應急模式兩種模式管理（見圖2）。在日常模式下，數據服務系統(tǒng)為所有網絡用戶提供服務，用戶能夠查看全國地圖；應急模式下，互聯(lián)網不通，數據服務系統(tǒng)只為地震局內部用戶提供服務，并且只提供陜西省內及周邊一定范圍內的地圖。保證了系統(tǒng)的可用性和安全性，同時又保證了系統(tǒng)的訪問速度。

4.系統(tǒng)功能設計

根據陜西省地震觀測數據的特點及用戶需求，地震觀測數據服務系統(tǒng)分為前兆觀測、測震觀測、強震觀測、GPS觀測4大模塊。

前兆觀測模塊功能及流程設計如下：首先列出前兆所有觀測類別，如地磁、地電、重力等，根據所選觀測類別，在地圖上標繪包含該觀測類別的臺站。然后根據選擇臺站，顯示臺站信息，包括臺站基本信息、儀器信息、臺站照片等。最后通過臺站——學科——測項——儀器——測項分量的選擇來對觀測數據進行查看。同時可下載相關的臺站信息和觀測數據。

測震數據服務模塊包含測震臺站及測震數據。測震臺站通過臺站地區(qū)、運行狀態(tài)、臺站臺基等篩選條件進行篩選，在地圖上標繪臺站，然后根據選擇臺站，顯示臺站信息，包括臺站基本信息、儀器信息等，通過文字信息及圖片進行展示；測震數據包括省內臺網目錄、全國臺網目錄及歷史大震目錄，根據選擇目錄在地圖上進行標繪，并通過顏色及大小區(qū)分地震震級大小和發(fā)震時間，然后通過選中目錄查看震相報告及地震波形。

強震觀測和GPS觀測模塊本次沒有涉及，只在系統(tǒng)中預留了開發(fā)接口，方便日后的開發(fā)。

系統(tǒng)實現(xiàn)

1. FlexViewer框架應用

本系統(tǒng)的表現(xiàn)層是利用FlexViewer搭建的，F(xiàn)lexViewer是由ESRI公司推出的基于Web的Flex應用框架，開發(fā)人員通過簡單配置文件即可快速搭建一個以地圖服務為目的的富客戶端（RIA）應用。

使用FlexViewer框架極大簡化了在系統(tǒng)總體風格、樣式及配置上的花費，使開發(fā)工作的重點能夠放在前兆、測震數據的業(yè)務處理上，并且為系統(tǒng)的擴展和二次開發(fā)奠定了良好的基礎。

2.模塊開發(fā)

在整個系統(tǒng)中，模塊開發(fā)是重中之重，所有與業(yè)務相關的功能、邏輯都是在模塊中實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中，主要涉及前兆模塊和測震模塊的開發(fā)。

圖3 數據服務系統(tǒng)功能圖

（1）前兆模塊開發(fā)

傳統(tǒng)的前兆數據服務是提供觀測數據的列表，需要用戶下載后利用軟件打開，這樣不僅直觀性差，并且可用性低。為了提高前兆觀測數據的直觀性和可用性，本系統(tǒng)通過二維曲線圖來動態(tài)展示前兆觀測數據，用戶在下載使用前可先直觀地對數據進行查看。同時，為了能夠更好地理解數據，還能夠將多個觀測數據放在同一個坐標軸內展示，對比分析某一時間段內的數據變化。

同時，前兆觀測數據格式復雜、數據量大，為了能夠提高響應速度和系統(tǒng)效率，在查看觀測數據時，限制取值范圍顯得尤其重要。否則當加載數據過多時，會對服務端造成很大的壓力。所以在本系統(tǒng)中，根據前兆觀測數據的采樣率（秒采樣、分采樣、時采樣、日采樣）分別設置了取值的時間限制，見表1。

表1 前兆觀測數據顯示范圍

（2）測震模塊開發(fā)

在測震模塊開發(fā)時，必須要解決的一個問題就是大規(guī)模地震目錄的高效率標繪。陜西省測震數據包括省內臺網目錄、全國臺網目錄及歷史大震目錄。目前省臺網地震目錄有記錄26450條，全國臺網目錄有記錄440438條，歷史大震目錄有記錄2834條。這些數據要在地圖上動態(tài)標繪渲染，將會極大地消耗客戶端的系統(tǒng)資源，并且會導致瀏覽器發(fā)生卡頓、假死等情況。

對于這種情況，通常使用arcgis的Cluster集群技術加以解決。Cluster是用點符號的形式顯示一個Cluster數值，點開這個Cluster就會將包含的數值的真實數據進行顯示。Cluster能夠解決部分需求并兼顧效率，但卻并不適用于地震目錄的顯示，通常用戶查看地震目錄時希望能夠看到所有數據，通過其分布情況做進一步的分析工作，而使用Cluster顯然不能滿足用戶的需求。

考慮到瀏覽器性能和用戶體驗，本系統(tǒng)采用了動態(tài)標繪加服務的模式進行展示。對不常更新的全國臺網目錄和歷史大震目錄使用GIS服務進行展示；對實時更新的省內臺網目錄使用動態(tài)標繪進行展示。這樣既減少了地圖標繪的點的數量，又能夠滿足用戶查看所有數據的需求，同時兼顧了需求和效率。

3.數據交換

Flex應用程序不能直接鏈接到遠程數據庫讀取數據，需要使用Web語言（PHP、ColdFusion、Java或任何其他服務器端Web技術）編寫的數據服務鏈接到遠程數據庫，怎樣實現(xiàn)數據的交換是本系統(tǒng)必須要解決的問題。

WebService能使運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數據或集成。依據WebService的實施規(guī)范，無論它們所使用的語言、平臺或內部協(xié)議是什么，都可以相互交換數據。在本系統(tǒng)中，利用Java開發(fā)基于http協(xié)議的WebService來進行前臺頁面與后臺數據的通信。

系統(tǒng)應用效果及總結

1.系統(tǒng)應用

目前，基于WebGIS的地震觀測數據服務系統(tǒng)已正式在陜西省地震局部署應用。系統(tǒng)完成了前兆、測震數據模塊的開發(fā)，并為其他地震觀測數據如強震、GPS等預留了接口。

（1）臺站信息查看

本系統(tǒng)能夠通過多種篩選條件，將符合條件的臺站顯示在地圖上。同時，能夠查看某個臺站的詳細信息，包括臺站名稱、地址、臺基類型、臺站環(huán)境以及臺站照片等等。

（2）地震事件波形查看

本系統(tǒng)能夠查看某次地震事件的波形，通過列表和地圖顯示記錄到該次地震的所有臺站，選擇某個臺站時能夠查看該臺站距震中的距離和該臺站記錄到的波形圖。

（3）前兆數據查看

本系統(tǒng)能夠通過學科—測項—儀器—測點編碼—測項分量的選擇來查看前兆數據，通過曲線圖來展示，方便用戶對數據進行直觀的查看，并提供數據下載功能。

2.總結

將GIS應用于地震數據服務領域，彌補了傳統(tǒng)地震觀測數據服務平臺數據表現(xiàn)形式單一、可用性差、專業(yè)需求高的缺陷。以WebGIS的方式開發(fā)數據服務系統(tǒng)，為用戶提供基于地圖的各種地震觀測數據的統(tǒng)一服務平臺，這種方式具有一定的通用性，并且對地震觀測數據共享及管理起到積極作用。

2016年中國十大自然災害事件（二）

06第1號臺風“尼伯特”

07第17號臺風“鲇魚”

096月中旬新疆洪澇風雹災害

086月上中旬西南地區(qū)東部至黃淮洪澇風雹災害

10福建泰寧縣重大泥石流災害

（資料來源：國家減災委員會網站）