基于Django框架的江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

曾文敬，徐長文，肖建華，范衛(wèi)星，趙璇，曾先進(jìn)，陳建龍

（江西省地震局，江西南昌 330095）

自2012年以來，全球進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，各行各業(yè)都將可視化技術(shù)作為大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘的重要手段，讓數(shù)據(jù)說話，讓數(shù)據(jù)看得見?？梢暬夹g(shù)作為解釋大數(shù)據(jù)最有效的手段而率先被科學(xué)與工程計(jì)算領(lǐng)域采用，科學(xué)可視化把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多維度、多尺度的時(shí)空動(dòng)態(tài)圖形圖像，給予人們深刻與意想不到的洞察力，幫助公眾理解事物間的深度內(nèi)涵、潛在關(guān)聯(lián)和運(yùn)行規(guī)律，極大地提高了人腦分析解釋這些數(shù)據(jù)的能力，已在很多領(lǐng)域使科學(xué)家的研究方式發(fā)生了根本性變化。

近年來，地震大數(shù)據(jù)可視化研究和應(yīng)用問題引起了地震行業(yè)有關(guān)專家的極大關(guān)注和思考。張晁軍等（2015）認(rèn)為大數(shù)據(jù)的核心是積累數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)有助于提高人們的特殊技能和洞察力，大數(shù)據(jù)分析具有預(yù)測事物發(fā)展趨勢、改變傳統(tǒng)觀念和發(fā)現(xiàn)新事物的功能，并有助于人們從信息中挖掘有價(jià)值信息，大數(shù)據(jù)改變著人類探索世界的傳統(tǒng)觀念和方法，尤其是通過了解模型的優(yōu)點(diǎn)和局限性，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生知識(shí)。王志秋（2018）認(rèn)為，就目前地震業(yè)務(wù)領(lǐng)域來看，地震大數(shù)據(jù)產(chǎn)出可視化研究和應(yīng)用至少可以包括：測震學(xué)科產(chǎn)出可視化，如震源破裂過程可視化；形變學(xué)科產(chǎn)出可視化，包括重力、傾斜、短水準(zhǔn)、洞體形變、應(yīng)力應(yīng)變、航空觀測、GPS等可視化；電磁學(xué)科產(chǎn)出可視化，包括地電阻率、地磁、電磁波等可視化；流體學(xué)科產(chǎn)出可視化，包括水位、水溫、水氡、水汞、溶解氣、土壤氣等可視化；以及其他學(xué)科和新技術(shù)產(chǎn)出可視化，如地震地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地球動(dòng)力學(xué)、地震活動(dòng)性、衛(wèi)星、遙感、紅外觀測等可視化。地震行業(yè)利用可視化技術(shù)逐步開展了一些探索和應(yīng)用研究，并取得了可喜的結(jié)果，如：楊應(yīng)召（2020）為研究在地震速報(bào)等基于測震數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場景中，對(duì)于地震事件檢測等中間處理結(jié)果的可視化問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于實(shí)時(shí)測震數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)，并得到了實(shí)際應(yīng)用，吳珍云等（2020）基于開源GIS技術(shù)研發(fā)的江蘇省地震應(yīng)急信息可視化平臺(tái)具有良好的性能體驗(yàn)，并在地震應(yīng)急工作中起到了較強(qiáng)的輔助決策作用；馬士振等（2015）、羅勇等（2020）、李晨曦等（2021）研發(fā)的基于地震目錄數(shù)據(jù)的可視化服務(wù)系統(tǒng)為地震數(shù)據(jù)服務(wù)提供了一種新模式，提升了地震信息服務(wù)的深度和廣度。此外，很多專業(yè)人員（姚會(huì)琴等，2014；潘懷文等，2015；張文蕾等，2018；韓濱等，2021）將地震監(jiān)測信息、監(jiān)控信息通過可視化技術(shù)進(jìn)行加工處理后，大大提升了地震信息服務(wù)的能力和水平。目前，可視化工具有多種選擇，其中國內(nèi)的可視化庫主要以Echarts為代表，被很多工程師采用（王子毅等，2016；崔蓬，2019；徐欣威，2019）。Echarts可視化庫是完全開源免費(fèi)的，是由百度公司開發(fā)的開源數(shù)據(jù)圖表可視化技術(shù)，是由純JavaScript腳本語言編寫的可視化類庫，兼容目前多種瀏覽器，底層采用ZRender渲染技術(shù)，達(dá)到美觀、生動(dòng)的顯示效果，提供豐富的、靈活的數(shù)據(jù)可視化圖表集成接口。

地震目錄是地震行業(yè)產(chǎn)出的最為基礎(chǔ)的地震科學(xué)研究資料。為了進(jìn)一步挖掘地震數(shù)據(jù)信息，讓地震目錄數(shù)據(jù)的空間、時(shí)間信息更好地被人們特別是非專業(yè)人員快速有效的理解，本文根據(jù)江西地震臺(tái)的地震目錄數(shù)據(jù)，自行設(shè)計(jì)了一套前后端分離，并采用Django、Echarts開源框架自主開發(fā)的江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，旨在幫助非專業(yè)人員能夠通過對(duì)地震目錄數(shù)據(jù)的挖掘及時(shí)空動(dòng)態(tài)分析并以可視化的簡易圖表形式，快速了解江西省地震活動(dòng)時(shí)間和空間分布的基本概況。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與響應(yīng)流程

Django框架是基于Python語言的開源框架。Django框架的設(shè)計(jì)模式借鑒了MVC框架的思想，也是分成模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller）三部分，來降低各個(gè)部分之間的耦合性。Django框架不同于MVC之處在于它拆分的三部分（見圖1）：Model（模型）、Template（模板）和View（視圖），也就是MTV框架。Django框架通過分層設(shè)計(jì)，將各層次之間的邏輯結(jié)構(gòu)化，將系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行分離，系統(tǒng)內(nèi)部不同功能模塊之間的訪問通過相互調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)，用一種業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，從而大大降低了系統(tǒng)內(nèi)部功能的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)簡便、快速地開發(fā)數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)站（吳俊鋒，2016）。

圖1 Django框架的MTV模型

江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)以Django框架為基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)過程中用了Echarts和百度地圖API等多種技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了一站式的地震目錄可視化服務(wù)。為了快速完成系統(tǒng)開發(fā)，筆者在Windows10操作系統(tǒng)環(huán)境下，選用Python3．6開發(fā)語言及其Web框架Django3．0、MySQL5．6數(shù)據(jù)庫、Echarts和百度地圖API等工具進(jìn)行全棧式開發(fā)。系統(tǒng)前端頁面模板文件利用HTML+Div+Css進(jìn)行渲染，并使用Js+Jquery+Ajax技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)應(yīng)用接口的交互，后臺(tái)Python應(yīng)用程序負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，并提取MySQL數(shù)據(jù)，返回給模板文件，模板文件加載了第三方庫Echarts和百度地圖API，并將后臺(tái)返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖表。系統(tǒng)響應(yīng)處理流程圖見圖2。在測試運(yùn)行階段，筆者使用Windows Server 2016+Apache mod_wsgi+Django的方式進(jìn)行系統(tǒng)部署和運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)響應(yīng)處理流程圖

2 系統(tǒng)主要功能

江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的主體功能分為三大模塊：實(shí)時(shí)地震模塊、基于緩沖區(qū)的歷史地震模塊和全省歷史地震統(tǒng)計(jì)模塊（見圖3）。其中，實(shí)時(shí)地震模塊包括最新地震參數(shù)、全省近期地震目錄和震中分布圖3個(gè)子模塊；基于緩沖區(qū)的歷史地震模塊包括震中距100 km內(nèi)的震級(jí)分組統(tǒng)計(jì)、震中距100 km內(nèi)的震級(jí)-距離分布圖和震中距100 km內(nèi)的地震序列類型分布圖3個(gè)子模塊；全省歷史地震模塊包括全省歷史地震的震級(jí)分組隨時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)圖和全省歷史地震的震級(jí)隨時(shí)間變化圖2個(gè)子模塊。這些模塊均通過在模板文件中加載Echarts圖表庫，實(shí)現(xiàn)了圖表化的可視化效果，系統(tǒng)展示效果見圖4。

圖3 江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)功能圖

圖4 江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)界面

2．1 實(shí)時(shí)地震模塊

（1）通過EQIM 協(xié)議實(shí)時(shí)監(jiān)聽江西地震臺(tái)EQIM 服務(wù)端的實(shí)時(shí)速報(bào)地震信息，當(dāng)獲取到符合要求的江西省內(nèi)M≥2．0地震時(shí)，即向后臺(tái)數(shù)據(jù)庫寫入該地震目錄。同時(shí)更新頁面最新地震三要素參數(shù)，以文本的形式展現(xiàn)在網(wǎng)頁上，滿足了用戶快速獲取地震三要素信息的需求。（2）從數(shù)據(jù)庫中獲取最新的目錄進(jìn)行滾動(dòng)列表播放，滿足了用戶快速了解近期省內(nèi)地震目錄基本參數(shù)信息的需求。（3）通過在模板文件中加載GeoJson地圖接口，從數(shù)據(jù)庫中獲取最新的地震目錄，將地震經(jīng)緯度數(shù)據(jù)以地理地圖的形式在網(wǎng)頁中間位置進(jìn)行展示，突顯了可視化震情地圖效果，該模塊滿足了用戶將數(shù)字形式的震中位置轉(zhuǎn)換為地圖形式的震中位置的需求，幫助用戶快速高效了解江西地震空間分布特征。此外，當(dāng)鼠標(biāo)滑過震中圖標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出該地震的有關(guān)提示信息。同時(shí)借助Echarts地理地圖庫提供的工具，實(shí)現(xiàn)了地圖縮放和平移功能等。

2．2 基于緩沖區(qū)的歷史地震模塊

（1）根據(jù)距離最新地震100 km范圍內(nèi)的歷史地震目錄，按震級(jí)M2、M3、M4、M5和M6進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，并以柱狀圖的形式顯示在頁面，滿足了用戶快速了解最新地震震中距100 km 范圍內(nèi)的歷史地震震級(jí)總體分布情況。（2）根據(jù)距離最新地震100 km 范圍內(nèi)的歷史地震目錄，計(jì)算各地震距離最新地震的距離，并以震級(jí)為縱軸、發(fā)震時(shí)間為橫軸作震級(jí)隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖顯示在頁面，滿足了用戶快速了解最新地震震中距100 km內(nèi)的最大歷史地震和最近歷史地震的距離和時(shí)間分布情況。（3）根據(jù)距離最新地震100 km 范圍內(nèi)的地震序列類型數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)“主余型”“震群型”“孤立型”“前主余型”等序列類型分布情況，滿足了用戶根據(jù)震中周圍歷史序列類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果，快速判別最新地震可能序列類型。

2．3 全省歷史地震模塊

（1）根據(jù)全省范圍內(nèi)最近3年M≥2．0的歷史地震目錄，先按年度作為一級(jí)分組統(tǒng)計(jì)后，再按震級(jí)檔M2、M3、M4、M5和M6進(jìn)行二次分組統(tǒng)計(jì)，并以柱狀圖形式顯示在頁面，滿足用戶了解全省歷史地震的震級(jí)隨時(shí)間變化的情況。（2）根據(jù)全省范圍內(nèi)1970年以來M≥2．0的歷史地震目錄，以震級(jí)為縱軸、發(fā)震時(shí)間為橫軸作震級(jí)隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖顯示在頁面，滿足用戶快速了解全省歷史地震隨時(shí)間分布情況。

3 結(jié)語

借助Django框架前后端分層分離的機(jī)制實(shí)現(xiàn)B／S架構(gòu)，筆者在較短周期內(nèi)完成了江西地震目錄數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)的主要特色與優(yōu)點(diǎn)為：（1）系統(tǒng)通過地理空間數(shù)據(jù)可視化方法和關(guān)系數(shù)據(jù)可視化方法，利用Echarts可視化庫和web前端技術(shù)，將江西地震活動(dòng)情況以多圖單頁的方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示出來，達(dá)到了使用感知代替認(rèn)知、減少人的記憶負(fù)擔(dān)和增強(qiáng)吸引力的效果，幫助用戶快速、高效地了解江西地震活動(dòng)的主要時(shí)、空、強(qiáng)特征；（2）系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)展示最新地震震中距100 km 內(nèi)的歷史地震情況，如最大歷史地震的震中距和發(fā)震時(shí)間，最近顯著地震的震中距和發(fā)震時(shí)間，以及震中距100 km 內(nèi)地震序列類型情況等。

系統(tǒng)自2020年試運(yùn)行以來，多次服務(wù)于江西地震臺(tái)向系統(tǒng)外領(lǐng)導(dǎo)來臺(tái)調(diào)研考察活動(dòng)，幫助非專業(yè)人士快速了解江西震情特點(diǎn)。系統(tǒng)另一個(gè)可應(yīng)用的情景為地震應(yīng)急響應(yīng)提供震中距100 km 內(nèi)的震情信息。在試運(yùn)行過程中，我們也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還存在一些不足，如：（1）由于頁面加載了一些國外較新的開源js，用戶端瀏覽器局限于使用基于chrome內(nèi)核的瀏覽器或Firefox瀏覽器；（2）系統(tǒng)功能較為單一，僅僅利用地震目錄數(shù)據(jù)可視化，下一步可增加地震監(jiān)控、監(jiān)測信息方面的內(nèi)容，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍以及服務(wù)對(duì)象。