利用ArcPy實現地震應急專題圖的多進程生產

楊玉永　徐秀杰　董翔

【摘 要】為了解決在震后初期地震應急專題圖在生產中所面臨著的專題內容多、幅面種類多、時間十分緊迫等問題。在地震應急專題圖自動化生產系統(tǒng)的基礎上，充分挖掘和利用服務器的CPU等物理資源，進而利用ArcPy進行了多進程生產模式的設計開發(fā)。經實驗對比，生產具有相同分辨率和幅面數量的專題圖，相較傳統(tǒng)模式而言，多進程模式將生產時間由原先的1308秒縮減至377秒，效能提升約347%。在實際應用中，腳本化的程序即拷即用，讓功能部署變得更加簡單便捷。應急專題圖的標準化、產品化、生產效能均得大幅提升，地震應急信息化服務水平得到顯著進步。

【關鍵字】ArcGIS;Python;多進程;專題圖;地震應急

中圖分類號： P631.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0004-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.002

Using ArcPy to Realize Multiprocess Production of Earthquake Emergency Thematic Map

YANG Yu-yong XU Xiu-jie DONG Xiang*

（Shandong Earthquake Agency， Jinan Shandong 250014， China）

【Abstract】In order to solve the problems of the earthquake emergency thematic map within so many topics， kinds and urgent time in the early post-earthquake period. On the basis of automatic production system of earthquake emergency thematic map， the multiprocess production mode is designed and developed by using ArcPy， which makes full use of physical resources such as CPU of server. Compared with the traditional mode， the multiprocess mode reduces the production time from 1308 seconds to 377 seconds and improves the efficiency by about 347%. In practical applications， scripts are used to make function deployment easier and more convenient. The standardization， production and production efficiency of emergency thematic maps have been greatly improved， and the level of earthquake emergency information service has been significantly improved.

【Key words】ArcGIS; Python; Multiprocess; Thematic Map; Earthquake Emergency

1 地震應急專題圖生產現狀

為提高地震應急專題圖的制圖標準和產出流程，提升地震應急指揮的工作效率與服務水平，中國地震局編制并印發(fā)了《破壞性地震應急專題地圖產出流程與制作規(guī)范（試行）》，對專題類別、制圖要素以及圖幅整飾等方面提出了標準化的指導意見?！兑?guī)范》指出，在震后的3個（第一時段0～1小時、第二時段2～3小時）小時內，應須產出地震影響估計范圍、震中與主要城市距離，以及人口、經濟、交通、重點目標等共計22類36幅專題圖產品，幅面涵蓋A0、A1、A3或更大尺寸。然而，傳統(tǒng)專題圖在制作方法上，數據選取、圖面注記、圖例設置等方面存在著作業(yè)量大、重復性高、自動化程度低、效率低等問題。

諸多學者針對專題圖自動生產方面展開研究，并取得了一定的成果。譚慶全[1]按照數據專題建立了多級預存儲地圖切片，實現了無需GIS接口或類庫支持下的專題圖離線生產。該系統(tǒng)需占用較大存儲空間，而且由于使用離線數據，對于數據的現勢性有待商榷。席楠[2]基于ArcEngine與XML設計開發(fā)了地震應急災情動態(tài)專題圖快速生成系統(tǒng)。系統(tǒng)對圖層內容、比例尺規(guī)則、符號標注規(guī)則等構建了制圖要素處理規(guī)則庫，解決了地圖符號表達與空間一致性協(xié)調處理的技術難題。但是在圖件生產耗時方面不甚理想，在獲取地震數據后約需30分鐘才可生產完畢。劉軍[3]利用Python開發(fā)了震后專題圖件快速成圖軟件。用戶輸入震中經緯度、震級，并根據地震影響范圍自定義圖片的輸出范圍，從而實現專題圖件的快速產出。該軟件人工干預因素較大。陳文凱[4]、魏艷旭[5]、鄭川[6]等也都基于地理信息系統(tǒng)軟件及其組件，研發(fā)了地震應急專題圖的快速產出軟件?？梢?，在提高地震應急專題圖標準化、專業(yè)化，以及生產效能的道路上，應急從業(yè)人員始終做著長期不懈的努力。

2 專題圖多進程生產設計

目前，在地震應急行業(yè)中廣泛使用的地理信息系統(tǒng)平臺是來自ESRI公司的ArcGIS。ArcGIS不僅僅是一款桌面級的地理信息系統(tǒng)軟件，同時也為用戶提供了ArcEngine、ArcObject，以及ArcGIS Server等跨桌面和服務器的組件式開發(fā)環(huán)境。Python作為目前最為流行的編程語言之一，當然也被嵌入了ArcGIS之中，即ArcPy。ArcPy能夠以高效的工作方式來執(zhí)行對地理空間數據的分析、轉換、管理等地圖編輯處理與幾何操作。這為實現應急專題圖的自動化批量生產提供了可能。

2.1 設計思想

圖1 系統(tǒng)流程圖

目前，基于ArcPy已經初步實現了地震應急專題圖的自動化生產。系統(tǒng)主要存在三個環(huán)節(jié)：一是抽取地震影響場數據;二是遍歷制圖模板獲取圖層信息;三是將每個生產過程進行堆棧逐一排隊完成。因此，整套專題圖生產完成需要耗費較多時間。在實際生產過程中，A0、A1等大幅面圖件的生產占用計算機硬件資源的需求量較大，耗時較長，對隊列中后續(xù)圖件的生產將造成較大影響。這種堆棧式的生產流程顯然無法滿足地震應急緊迫性的工作需求。為此，擬依托具備多進程計算能力的計算機硬件支持，將每一個圖幅的生產過程分配給計算機上一個單獨的處理器，實現多進程并發(fā)計算。將過去的“縱隊”變成現在的“橫隊”，使文件之間的處理操作互不影響，從而保證專題圖生產效率得到大幅提升。

2.2 多進程服務的實現與編碼

在利用ArcPy對多個制圖模板文件執(zhí)行并發(fā)操作之前需要首先創(chuàng)建進程池（Pool）。Pool的作用是可以為用戶提供指定數量的進程以供系統(tǒng)調用。當有新的操作請求提交到Pool中時，如果進程池還沒有滿載，則創(chuàng)建一個新的進程來執(zhí)行該請求;如果池中的進程數已經達到規(guī)定的最大值，那么該請求就會繼續(xù)等待，直到池中某個進程結束后，才會重新創(chuàng)建新的進程來滿足對它的操作。在使用進程池時，采用異步非阻塞的pool.apply_async（）函數。該函數的優(yōu)點在于無須等待當前進程中的操作執(zhí)行完畢，隨時可以根據系統(tǒng)的調度切換進程。最后當全部的子進程均運行完畢后，再切換回至主進程執(zhí)行剩余部分。具體實現代碼如下：

同時，在系統(tǒng)的Python腳本中，為用戶提供了對進程池中進程數processMax變量值的自定義功能，即地震應急專題圖生產可分配多少個進程完全可以由用戶自定義。其在實際工作中的使用意義在于，用戶可以根據服務器上運行業(yè)務的負載情況，對地震應急專題圖的生產進行動態(tài)調配，從而保證服務器硬件負載合理、均衡。

3 生產效能分析

在相同計算機硬件配置條件下（CPU E5-2420 2.2G 8核、內存16G、硬盤SSD），分別利用單進程與多進程兩種模式生產具有相同分辨率（300dpi）和幅面數量（1幅A0、12幅A1、23幅A3）的專題圖，對二者的生產效能進行對比分析。如圖2所示。

試驗證明，與傳統(tǒng)的單進程模式相比較而言，在計算機硬件資源消耗方面，內存由9.5G左右提升至11G左右、CPU占用率由21%左右提升至91%左右，服務器負載有較大程度的增加，表明硬件資源得到較為充分的利用;在專題圖生產耗時方面，多進程的生產模式將圖件的生產時間由原先1308秒縮減至377秒，效能提升了約347%。

4 結論

地震應急專題圖的制作是個繁瑣的作業(yè)過程，利用ArcPy實現了批量化的自動生產，同時，設計并實現了多進程生產的方法。將原先堆棧式冗繁的制圖任務進行了分解，憑借具備多核心CPU的計算機硬件支持，將傳統(tǒng)制圖過程的“縱隊”變?yōu)椤皺M隊”，實現了任務操作的并行化，較大程度的縮減了專題圖生產的耗時，生產效率得到大幅度提高。隨著更高性能計算機硬件和云計算的快速發(fā)展，勢必將地震應急專題圖的服務水平推向新臺階。

【參考文獻】

[1]譚慶全.地震應急專題圖離線生成技術研究與應用[J].城市與減災，2017（1）：53-58.

[2]席楠，楊天青，姜立新.基于制圖規(guī)則的地震應急災情動態(tài)專題圖快速生成系統(tǒng)研究與應用[J].中國科技成果，2016，17（3）：46-48.

[3]劉軍，宋立軍，孫甲寧，等.新疆地市地震應急信息平臺研究與應用[J].內陸地震，2015，29（3）：268-273.

[4]陳文凱，孫艷萍，周中紅，等.甘肅省地震應急專題圖的設計與實現[J].地震工程學報，2015，37（3）：884-889.

[5]魏艷旭，賈軍鵬，楊凡，等.河北省地震應急專題圖模板化及快速出圖技術研究[J].國際地震動態(tài)，2016（6）：20-25.

[6]鄭川，曹彥波，李敏，等.云南地震應急專題圖模板設計與本地化軟件集成應用[J].華南地震，2016，36（4）：71-77.