李 超 于運(yùn)淥 雷振伍 孫德輝 鄧小寶

(北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100144)

0 引 言

公共安全是國(guó)家和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)條件，近年來，我國(guó)面臨的公共安全事件挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。對(duì)公共安全數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和分析，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)公共安全事件進(jìn)一步的決策和防護(hù)，對(duì)降低國(guó)家和社會(huì)危害尤為重要[2]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”時(shí)代，公共安全數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)價(jià)值密度低等特點(diǎn)[3]?，F(xiàn)階段對(duì)公共安全數(shù)據(jù)可視化的研究潛能挖掘不夠[4]，現(xiàn)有的GIS可視化的形式大多是特定研究方向的信息靜態(tài)展示[5]，難以根據(jù)管理人員實(shí)際需求得到有效數(shù)據(jù)信息。而在數(shù)據(jù)索引方面，普遍采用基于數(shù)據(jù)表格的索引機(jī)制，缺少基于GIS和表格動(dòng)態(tài)交互的數(shù)據(jù)索引，難以滿足公共安全領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)據(jù)管理效率的需求。

本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國(guó)家公共安全應(yīng)急平臺(tái)”所含專題“社會(huì)公共安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究”的需求，構(gòu)建基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理平臺(tái)，將可視化技術(shù)應(yīng)用于公共安全領(lǐng)域，把包含復(fù)雜事件信息的公共安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成易于理解的視覺圖像，并結(jié)合GIS呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間信息，形成公共安全數(shù)據(jù)展示和查詢的信息目錄，以動(dòng)態(tài)標(biāo)簽的形式對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的綜合信息進(jìn)行彈窗顯示，可通過點(diǎn)擊地圖數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的表格數(shù)據(jù)，同時(shí)可以選擇表格中數(shù)據(jù)定位到地圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)公共安全數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互，從而針對(duì)公共安全事件實(shí)現(xiàn)更清晰的視覺判斷和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臎Q策分析[6]，并以地震事件數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理平臺(tái)部署于HP Gen8服務(wù)器上，整體采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)[7]?？赏ㄟ^前端瀏覽器展示公共安全數(shù)據(jù)，從而對(duì)其進(jìn)行圖形化顯示、彈窗顯示及信息檢索的有效管理，便于進(jìn)一步分析和決策。平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1所示，主要分為以下四層。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)支撐層：以HBase非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為原始數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)從互聯(lián)網(wǎng)得到的多源異構(gòu)公共安全數(shù)據(jù)；以MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為空間數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)關(guān)系型空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)經(jīng)ArcMap處理形成統(tǒng)一坐標(biāo)格式的地理信息數(shù)據(jù)，以供發(fā)布地圖服務(wù)；以Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)作為地理數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)地圖要素等服務(wù)類可視化數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)專題圖可視化、模型分析等提供支持和保障。

(2) 中間支撐層：通過ArcGIS for Desktop完成數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換，結(jié)合ArcGIS Server地圖服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)布成地圖服務(wù)的功能[8]，通過ArcGIS API for JavaScript調(diào)用REST URL[9]，完成在前端瀏覽器展示數(shù)據(jù)與地圖間的交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、查詢、分析等功能。

(3) 模型層：該層實(shí)現(xiàn)可視化過程中的相關(guān)模型建立，通過映射關(guān)系模型可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到GIS的映射，達(dá)到預(yù)期的可視化效果；通過建立可編輯也可重復(fù)的GP模型，可實(shí)現(xiàn)批量處理復(fù)雜GIS任務(wù)的功能；通過渲染模型實(shí)現(xiàn)對(duì)可視化數(shù)據(jù)的唯一值渲染、分級(jí)渲染，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的GIS可視化效果。

(4) 可視化層：該層主要通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)可視化結(jié)果的展示。主要包括地圖與表格間公共安全數(shù)據(jù)的信息交互、GIS專題地圖的展示、地圖的基本操作、數(shù)據(jù)的索引管理及數(shù)據(jù)分析。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于公共安全數(shù)據(jù)的特性，以地震事件的震級(jí)作為關(guān)鍵參數(shù)表示其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)行基于GIS的公共安全數(shù)據(jù)可視化管理研究的實(shí)踐驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù)是從國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心加載的實(shí)際中國(guó)歷史地震數(shù)據(jù)，以中國(guó)地圖邊界范圍(中國(guó)經(jīng)度范圍：73°33′E至135°05′E，緯度范圍：3°51′N至53°33′N)為參考限制，設(shè)置東經(jīng)72°至136°，北緯3°至54°，截取自2017年以來中國(guó)所有的地震數(shù)據(jù)，不限震級(jí)，得到了近5萬(wàn)條xls格式類型的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)樣例如圖2所示。

圖2 原始數(shù)據(jù)樣例

原始數(shù)據(jù)無法直接應(yīng)用于可視化，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本文中的地圖數(shù)據(jù)基于的坐標(biāo)系是GCS_WGS_1984，屬于地心坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位置設(shè)在地球質(zhì)心[10]，因此需結(jié)合ArcCataLog以及ArcMap將得到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相同坐標(biāo)系的地理信息數(shù)據(jù)。

為了減少坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中常見的錯(cuò)誤發(fā)生，首先需要將xls數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為csv格式，其次在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中X、Y坐標(biāo)系不識(shí)別“度分秒”形式的經(jīng)緯度信息，所以需要通過轉(zhuǎn)換將“度分秒”轉(zhuǎn)換為小數(shù)點(diǎn)形式。經(jīng)度轉(zhuǎn)換方法如下：

D=SUBSTITUTE(SUBSTITUTE(LEFT(C5,LEN(C5)-1),"°",":"),"′",":")*24

緯度轉(zhuǎn)換方法如下：

F=SUBSTITUTE(SUBSTITUTE(LEFT(E5,LEN(E5)-1),"°",":"),"′",":")*24

其中：C為轉(zhuǎn)換前經(jīng)度所在列，D為轉(zhuǎn)換后經(jīng)度所在列。E為轉(zhuǎn)換前緯度所在列，F(xiàn)為轉(zhuǎn)換后緯度所在列。

最終將數(shù)據(jù)處理得到shp格式的地圖數(shù)據(jù)，可發(fā)布地圖要素類數(shù)據(jù)服務(wù)。本文通過使用ArcGIS提供的Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)部署于HP Gen8系統(tǒng)服務(wù)器，具有處理數(shù)據(jù)速度快、安全性相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)[11]，因此通過Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示的速率能夠得到保障。

3 可視化設(shè)計(jì)

3.1 可視化實(shí)現(xiàn)流程

可視化的實(shí)現(xiàn)主要依賴于ESRI公司提供的ArcGIS平臺(tái)[12]，首先通過ArcMap對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，然后結(jié)合ArcGIS Server對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖服務(wù)的發(fā)布，通過調(diào)用ArcGIS API for JavaScript地圖服務(wù)接口和JSAPI庫(kù)功能組件進(jìn)行專題圖的制作。在制作中國(guó)地圖的靜態(tài)唯一值專題圖后，將地震數(shù)據(jù)以震級(jí)為依據(jù)制作動(dòng)態(tài)分級(jí)專題圖，之后實(shí)現(xiàn)靜態(tài)地圖和動(dòng)態(tài)地圖的融合，通過Web界面以動(dòng)態(tài)形式綜合展示地震數(shù)據(jù)的所有信息。可視化實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 可視化實(shí)現(xiàn)流程

3.2 可視化功能模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)可視化的過程中，功能模塊的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，本文構(gòu)建的可視化功能模塊如圖4所示，包括功能調(diào)用模塊、圖層分析模塊、模型渲染模塊、地圖操作模塊和索引查詢模塊。

圖4 可視化功能模塊

功能調(diào)用模塊：該模塊主要引入API庫(kù)中提供的相關(guān)功能，通過require指令獲取所需要的功能模塊，生成每個(gè)功能模塊的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化功能。

圖層分析模塊：該模塊主要功能是對(duì)圖層信息進(jìn)行區(qū)分。圖層屬性包括最基本的點(diǎn)要素、線要素、面要素以及其他復(fù)雜的圖形要素等，通過對(duì)不同的要素進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的處理方式，為最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化做好鋪墊，同時(shí)也可對(duì)圖層進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)，如圖層彈窗設(shè)計(jì)、圖層標(biāo)注設(shè)計(jì)等。

模型渲染模塊：該模塊主要作用是利用唯一值渲染、分級(jí)渲染、熱力圖渲染等方式，對(duì)已分析完成的圖層屬性信息進(jìn)行加工裝飾，實(shí)現(xiàn)可視化的展示功能。

地圖操作模塊：該模塊通過添加地圖小部件實(shí)現(xiàn)在可視化界面上的相關(guān)操作功能，如平移、縮放、底圖切換、測(cè)距等，也可通過添加圖例、標(biāo)簽等增加可視化界面的豐富度。

索引查詢模塊：該模塊通過定義數(shù)據(jù)字段屬性，索引地圖上所有數(shù)據(jù)的信息，從而對(duì)所查詢內(nèi)容進(jìn)行精確定位查找以及范圍搜索，便于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的分析與決策。

3.3 可視化實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)發(fā)布成地圖服務(wù)是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一種形式。通過ArcGIS Server提供的地圖服務(wù)接口，可以在ArcGIS API for JavaScript中調(diào)用地圖服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共安全數(shù)據(jù)的可視化展示及空間分析。地圖服務(wù)發(fā)布過程為：首先在ArcMap中加載shp格式地圖數(shù)據(jù)，選擇將數(shù)據(jù)發(fā)布為地圖服務(wù)，并連接到預(yù)先建立的ArcGIS Server Manager站點(diǎn)。在對(duì)發(fā)布服務(wù)的名稱及位置進(jìn)行設(shè)置后，根據(jù)用戶需求，可以對(duì)服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，如服務(wù)器最大返回的數(shù)據(jù)數(shù)量、服務(wù)類型、功能選擇等，最后進(jìn)行服務(wù)分析，完成地圖服務(wù)的發(fā)布。

底圖加載是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化管理的基礎(chǔ)條件。地圖的放大、縮小、平移等操作功能以及鷹眼圖、精確查詢等顯示功能都依賴于底圖，ArcGIS API接口提供了多樣化的底圖以供加載，包括streets、satellite、oceans等。由于ArcGIS官方提供給開發(fā)者的底圖主要為英文地圖，難以滿足本文可視化需求，因此通過調(diào)用服務(wù)加載中文版的世界地圖作為底圖，并設(shè)置中國(guó)地圖為Web界面的顯示中心。

中國(guó)地圖唯一值專題圖通過ArcGIS API for Java-Script調(diào)用中國(guó)地圖靜態(tài)切片服務(wù)實(shí)現(xiàn)。通過 SimpleFillSymbol函數(shù)定義渲染圖層為面要素，通過Unique ValueRenderer函數(shù)定義渲染模型為唯一值模式，并在渲染模型中將省份字段信息“province”定義為顏色渲染對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)34個(gè)省級(jí)行政區(qū)的唯一值可視化。

地震分級(jí)圖通過ArcGIS API for JavaScript調(diào)用地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)服務(wù)實(shí)現(xiàn)。通過SimpleMarkerSymbol函數(shù)定義渲染圖層為點(diǎn)要素，通過ClassBreaksRenderer函數(shù)完成分級(jí)渲染的模式定義，將渲染對(duì)象定義為數(shù)據(jù)字段信息中的“震級(jí)M”，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的分級(jí)可視化，并通過InfoTemplate函數(shù)實(shí)現(xiàn)綜合信息動(dòng)態(tài)彈窗功能，同時(shí)可根據(jù)需求設(shè)置要顯示的字段信息。

數(shù)據(jù)索引管理的實(shí)現(xiàn)是在基于GIS可視化的基礎(chǔ)上，利用FeatureTable函數(shù)對(duì)要素表格進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過調(diào)用Query、QueryTask、Graphic等函數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于地圖及表格的地震數(shù)據(jù)查詢功能，并通過syncSelection、showAttachments、showRelatedRecords等功能組件對(duì)索引界面進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)。

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 唯一值專題圖

由于本文所研究數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度截取范圍是以中國(guó)邊界最大值為限值，所得地震數(shù)據(jù)包含了部分中國(guó)邊境的數(shù)據(jù)，所以研究中加載的底圖是將中國(guó)定為中心的世界地圖。為了更好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間性，加強(qiáng)可視化效果，本文以34個(gè)省級(jí)行政區(qū)為單位進(jìn)行模型渲染，制作中國(guó)地圖唯一值專題圖。

4.2 地震數(shù)據(jù)分級(jí)圖

地震數(shù)據(jù)包含時(shí)間、空間、震級(jí)、深度等屬性信息，這些信息中震級(jí)是表征地震強(qiáng)弱的量度，是劃分震源放出的能量大小的等級(jí)，震級(jí)象征公共安全事件中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以此字段信息作為數(shù)據(jù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)更能突出數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)，便于進(jìn)行分類查詢。地震震級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 地震震級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

本文嚴(yán)格按照地震震級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的分級(jí)可視化，將每一條地震數(shù)據(jù)以點(diǎn)要素的形式展示在地圖界面。以空間信息字段作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)要素在地圖上的定位。以震級(jí)作為點(diǎn)要素所代表的數(shù)據(jù)字段信息，以不同顏色區(qū)分不同的震級(jí)，在地圖上以點(diǎn)密度圖形式呈現(xiàn)。通過彈窗形式對(duì)數(shù)據(jù)的所有字段信息進(jìn)行綜合展示，實(shí)現(xiàn)直觀清晰查看每一條數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間等信息的功能。地震數(shù)據(jù)分級(jí)圖如圖5所示。

圖5 地震數(shù)據(jù)分級(jí)圖

4.3 疊加專題圖

為了更好地突出空間感，加強(qiáng)空間屬性的可視化效果，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于中國(guó)地圖唯一值專題圖和分級(jí)專題圖的疊加展示，將中國(guó)地圖靜態(tài)服務(wù)與地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)服務(wù)進(jìn)行了有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了疊加專題圖的展示。疊加專題圖如圖6所示。

圖6 疊加專題圖

4.4 地圖操作

在疊加專題圖界面，可通過常規(guī)地圖操作進(jìn)行縮放、平移，對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)查看，也可在彈窗界面通過“縮放至”按鈕直接跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前區(qū)域進(jìn)行精確查看。地圖縮放圖如圖7所示。

圖7 地圖縮放圖

4.5 數(shù)據(jù)索引

在可視化頁(yè)面可通過設(shè)置震級(jí)條件實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)震級(jí)的數(shù)據(jù)索引。通過條件篩選，在可視化頁(yè)面及數(shù)據(jù)屬性圖表中只顯示要查詢的數(shù)據(jù)。同時(shí)可視化頁(yè)面與數(shù)據(jù)屬性圖表之間可以進(jìn)行交互，在一方選擇任意數(shù)據(jù)，另一方都可以跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前所選數(shù)據(jù)?！扒宄龡l件”按鈕可以實(shí)現(xiàn)清空所設(shè)置查詢條件、顯示所有數(shù)據(jù)信息的功能。數(shù)據(jù)索引初始界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)索引初始界面

當(dāng)設(shè)置震級(jí)條件為4.5級(jí)以上時(shí)，表格數(shù)據(jù)數(shù)量從48 606條下降到922條，同時(shí)在地圖上過濾掉震級(jí)為4.5級(jí)以下的數(shù)據(jù)點(diǎn)，清晰可見近3年全國(guó)發(fā)生的地震強(qiáng)度在中強(qiáng)震以上的地震比例相對(duì)比較少，而且震源基本位于中國(guó)的西部和南部，由此可以直觀查看數(shù)據(jù)的綜合信息，從而對(duì)事件進(jìn)行有效的分析。條件設(shè)定索引界面如圖9所示。

圖9 條件設(shè)定索引界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以公共安全為研究主題進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化管理研究，基于地震事件數(shù)據(jù)進(jìn)行了成果的驗(yàn)證。以疊加專題圖、點(diǎn)密度圖的形式有效突出數(shù)據(jù)的關(guān)鍵屬性，同時(shí)基于圖表和地圖建立數(shù)據(jù)索引機(jī)制，形成動(dòng)態(tài)的交互效果，構(gòu)建了一個(gè)能更直觀有效對(duì)事件進(jìn)行展示、查詢和分析的可視化管理平臺(tái)。結(jié)果表明，該可視化平臺(tái)改變了傳統(tǒng)的柵欄數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，突破了基于GIS的數(shù)據(jù)靜態(tài)可視化表達(dá)方式的局限，以動(dòng)態(tài)的空間形式呈現(xiàn)，并且滿足政府相關(guān)主管部門對(duì)公共安全事件數(shù)據(jù)的索引需求，對(duì)公共安全領(lǐng)域的數(shù)據(jù)研究具有一定參考價(jià)值。