CN105183942A - 一种新型地震目录持久化及可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型地震目录持久化及可视化方法，包括四个基本步骤：1、建立地震目录元数据；2、根据查询条件，确定相应的地震可视化表达资源；3、将可视化地震目录映射子集和可视化表达资源封装在KML或KMZ数据包中；4、利用三维地理信息系统软件对封装后的KML或KMZ数据包进行读取、管理和控制，完成封装地震目录的可视化过程。其方法丰富了地震可视化表达资源，可视化效果直观、明了、清晰、准确，同时，利用三维地理信息系统软件实现封装数据交互，提高了可视化效率，实现了大量地震目录的时空分布规律可视化，为进一步发现地震活动时空演化规律提供了方便。

Description

一种新型地震目录持久化及可视化方法

技术领域

本发明涉及一种计算机可视化技术方法，特别针对地震科学数据可视化中描述地震活动时空迁移规律的新型地震目录持久化及可视化方法。

背景技术

地震活动作为一种自然灾害，威胁着人类生命、财产的安全，并且长期存在。由于地震活动发生在地壳深处，在科学上还没有完全揭开地震发生之谜，所以，对历史地震时空迁移活动的研究，就成为目前了解地震发生规律的有效和重要途径。

描述地震时空强分布的数据体，一般称为“地震目录”。每个已经发生且记录到的地震事件，都会通过发震时间、位置和震级大小等描述写入到地震目录中。

通常，地震目录可视化需要结合特定的地理图、地质图等信息，才能有助了解每次地震事件周边的地质构造信息，判定每个地区、构造或断裂的危险性。具体可视化过程还需要按照一定的规则从地震目录库中筛选地震事件，形成一个特定的地震目录，然后再结合二维地图等信息进行叠加显示。主要缺点是：目前没有一个统一规则去体现地震目录中事件所属不同震级之前能量关系的可视化方法。对地震目录进行存储也没有一个统一的封装格式，起到既保存地震目录信息，又能提供丰富的多媒体显示资源的方式。

随着可视化技术、地理信息技术的高度发展，特别是类似于谷歌地球(GoogleEarth)这类三维地理信息技术的进步和成熟，在地震活动研究中，迫切需要一种新的数据描述方法来对地震目录数据进行重新封装或称为持久化，封装后的地震目录格式，除了可以描述地震目录本身性质之外，还应该具有广泛的通用性，适合与主流三维地理信息技术平台进行对接，实现地震目录的数据加载，并可便捷地实现和满足地震事件时空演化的可视化需求。

发明内容

鉴于上述现有情况和不足，本发明旨在提供一种新型地震目录持久化及可视化方法，第一，用于分级不同地震事件震级大小的可视化算法，以提高可视化质量和可视化合理性，解决描述地震活动时空迁移规律的可视化问题；第二，用广泛应用的KML/KMZ格式封装地震目录数据，可以有效地解决地震目录基础信息与多媒体可视化效果资源的联合存储或持久化问题，如果以此为数据接口，可以实现在多种通用的三维地理信息系统(3DGIS)数据平台之上对地震时空迁移规律进行可视化显示。本发明专利可以为探索地震活动时空演化规律提供方便。

地震目录是描述地震时、空、强分布的数据集合，根据用户需求，可以从地震目录中选取不同时空尺度范围内的指定震级范围的地震事件子集，从而为可视化过程提供数据基础。

为了便于研究这些地震事件子集的分布位置、规律等目的，需要将这些选取的地震事件进行可视化。但在可视化过程中，首先要面对的是用什么样的方法去表示这些地震事件的时空强分布，一般最常用的就是采用圆形图标在每个地震震中位置进行标注，所画出的震中分布图就是最基本的地震目录可视化方法。在具体实施的过程中，将主要面临的问题包括以下两个方面：(1)因为地震震级是一种度量地震释放能量的标准，一般来说，震级每升高1级，对应的能量大约升高30倍，例如：1次8级地震释放的地震波能量相当于30次7级地震释放能量的总和。因此，需要把不同震级的地震用不同大小的图标显示，而如何对这些图标进行分级，如果简单按照30倍标准进行缩放，那么同时可视化3个震级以上的地震事件时，小震级事件就会被大震级事件图标所“淹没”，于是，采用一种“规则”可以合理地体现出不同地震对应的能量释放水平，又能达到较好可视化目的的方法是要解决的问题之一；(2)地震事件的空间分布是不规律的，尤其是小地震事件(震级小于3级)在地理上分布较随机，当需要一次可视化较多地震事件时，如果不进行合适的可视化画法约束，整个画面将完全被地震事件图标所覆盖，因此，采用一种方法可以自动根据地震事件的数量等信息来控制可视化效果，是要解决的问题之二。

为此，本发明在可视化前，需要先设定两个参数：1、地震震级放大比E_X；2、地震事件标识占比E_I，为实现预定要求的可视化效果提供一个标准参考。下面具体描述一下这两个参数的确定方法：

(1)地震震级放大比E_X

因为地震震级是度量地震释放能量的一种标准，物理意义明确。地震震级也分为很多种，如面波震级M_s，矩震级M_w，地方震级M_L等。本发明中，可视化参数E_X参考矩震级定义实现，矩震级M_w通常采用以下形式定义：

$M_W=\frac{2}{3}\log M_0-6.03$

上式中，M₀为地震矩，表示能量大小，单位为：牛·米。上式可以变为：则震级相差1级，地震矩相差约为10^1.5≈31.62倍，即能量约30倍。因此，如果对震级可视化分类能与地震矩(能量)相联系，根据以上分析，可以采用下式作为可视化过程中震级放大尺度分类标准：

E_x＝1.5x

式中，x为用户指定参数，即地震震级每增加1级，可视化图标尺度增加1.5的指定倍数，这样不同震级图标的可视化比例即能保持相对成比例，又可以按照指数规律与每个震级的能量相对应。

(2)地震事件标识占比E_I

因为小震级事件的时空分布不规律，如果对于每个地震事件的标识大小选择不当，整个可视化区域内可能被地震事件标识所覆盖，为了控制可视化效果，需要限制表示地震事件的图标占整个可视化面积的比例大小。这里，采用参数E_I表示。如果可视化空间面积为A；地震事件的图标采用圆形表示，圆形直径为R；选择后的地震事件数量为N；地震事件共包含K个震级，每个震级包含的地震数目为m_j个，则E_I可以用下式表示：

其中，E_X参数为地震震级放大比，具体值可根据用户的设置带入上式。上式中未知参数为R，需要根据用户指定的E_I值进行求解。

对于每个可视化数据集，当地震事件和震级数量等参数确定后，方程可以直接求解，得到对应参数下的R值，完成不同震级的图标标识，从而通过占用可视化面积比例参数E_I的设置，有效控制了图标的大小，使可视化过程更直观、明了。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种新型地震目录持久化及可视化方法，具体步骤包括：

步骤1、建立地震目录元数据

在计算机中汇总以往地震事件信息，以经度、纬度、发生时间和震级为基本信息形成所需的地震目录元数据，每个元数据记录的计量单位保持一致；记录的每个地震事件元数据包括规则排列的时间、地点和属性三部分信息，时间部分信息包括每个地震事件发生的“年、月、日、时、分、秒”；地点部分信息包括每个地震事件发生的“经度、纬度、深度”；属性部分信息包括“震级、震源机制、类型、备注”信息。

步骤2、根据查询结果，确定地震可视化表达资源

步骤201、输入相应的需查询地震事件基本信息，依据建立的地震目录元数据，得到满足要求的可视化地震目录映射子集及相应的地震事件信息，具体表示为：

g(x，y，t，m)∈f(x，y，t，m)

其中，g(x，y，t，m)表示按用户要求选择的可视化地震目录映射后的子集，f(x，y，t，m)为原始的地震目录集合。x，y，t，m分别表示地震事件的经度、纬度、发生时间和震级。

步骤202、根据地震震级与地震矩能量成正比关系，设置可视化过程中震级放大尺度分类标准：

E_x＝1.5x

式中，x为用户指定参数，E_X为地震震级放大比，即可视化图标尺度按地震震级的1.5倍增加。

步骤203、以圆形表示地震事件图标，设置可视化过程中的地震事件标识占比E_I为：

$E_I=\frac{1}{A}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}0.25{\mathrm{\πR}}^2\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{m}_j{E}_x^{j-1}$

式中，A为可视化空间面积，R为地震事件图标直径，N为选择后的地震事件数量，K为选择后地震事件包含的震级个数，m_j为选择后每个震级包含的地震数目，E_X为地震震级放大比。

根据用户指定的E_I值，结合地震事件数量、震级个数和每个震级包含的地震数目信息进行相应的数据集求解，求得对应的未知参数R，并以不同直径的圆形图案完成每个数据集中每条地震事件的可视化资源表达。

步骤3、地震目录持久化封装

将可视化地震目录映射后的子集和相对应的可视化资源表达信息存储到KML或KMZ数据包中，完成地震目录持久化封装过程。

步骤4、地震目录的接入与控制

将KML或KMZ数据源接入到现有的三维地理信息系统软件中，通过三维地理信息系统软件的读入、管理和控制，实现数据动态展示，完成地震目录可视化过程。

所述步骤203中，可视化资源表达方式还包括颜色，颜色用于填充在各个不同直径的圆中。

所述圆形图案和颜色信息都来自于外界多媒体数据文件。

所述步骤203中，可视化资源表达方式还包括带有标注性质的特定标签字段，特定标签字段标注并显示在圆形图案的中心或周围。

所述特定标签字段的内容包括：地震发生的地点、深度和/或震源机制信息。

本发明所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法的有益效果包括：

(1)地震可视化表达资源的确定科学、合理

通过设置地震震级放大比E_X和地震事件标识占比E_I，为实现预定要求的可视化效果提供了一个参考标准，使可视化效果更直观、明了、清晰、准确，避免了以往可视化结果相互‘覆盖’的现象。

(2)有利于发现地震活动规律

通过采用KML/KMZ格式来将地震目录数据与多媒体可视化资源一起进行封装，与通用的三维地理信息系统(3DGIS)软件实现数据交互，可以提高可视化效率，高效、便捷地实现大量地震目录的时空分布规律可视化，在三维地理信息资源环境下，更加易于发现地震活动的时空演化规律。

(3)通用规范的数据格式

KML基于XML语法来对数据对象进行管理，其对数据属性等参数的管理更加规范，是一种理想且规范的通用数据管理方法，类似于一种小型的文件型数据库，比利用通常的普通文本文件来存储数据更加规范，且更容易进行扩展。

(4)丰富的可视化效果

通过本发明提出的新型地震目录可视化方法，可以利用数据接口方法，将地震目录数据便捷地移植到3DGIS软件平台上进行可视化，一般3DGIS平台软件都提供各种专题图形式的可视化方法，加上可以灵活配置各种多媒体显示方式，丰富灵活地提高了地震目录显示的可视化效果。

(5)更加便捷高效的数据共享

以KML/KMZ数据格式封装后，地震目录可以在各种地理信息系统软件或互联网上实现方便的数据共享与信息交换，在当前的大数据时代是十分必要的，且有利于进一步的实现数据学习与信息挖掘等工作。

(6)更加灵活和直观的可视化效果

利用三维地理信息系统软件平台，可以实现时间控制下的不同对象的可视化过程，完成地震目录的时间维演化控制，对于发现地震目录中的演化信息非常高效。

附图说明

图1为图标大小按照震级采用线性比例放大的可视化效果图；

图2为图标大小随着震级增加按照本发明所述方法E_X比例放大后的可视化效果图。

具体实施方式

本发明所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法，包括四个基本步骤：1、建立地震目录元数据；2、设置查询条件，根据查询结果，确定相应的地震可视化表达资源；3、将查询结果和可视化表达资源封装存储在KML或KMZ数据包中；4、利用现有三维地理信息系统软件对封装后的KML或KMZ数据包进行读取、管理和控制，完成封装地震目录的可视化过程。

具体实现过程如下：

步骤1、在计算机中汇总以往地震事件信息，以经度、纬度、发生时间和震级为基本信息形成所需的地震目录元数据，每个元数据记录的计量单位保持一致。

其中，记录的每个地震事件元数据包括规则排列的时间、地点和属性三部分信息，时间部分信息包括每个地震事件发生的“年、月、日、时、分、秒”；地点部分信息包括每个地震事件发生的“经度、纬度、深度”；属性部分信息包括“震级、震源机制、类型、备注”信息。

步骤2、输入需查询地震事件的基本信息，依据建立的地震目录元数据，得到满足要求的可视化地震目录映射子集及相应的地震事件信息，具体表示为：

g(x，y，t，m)∈f(x，y，t，m)

其中，g(x，y，t，m)表示按用户要求选择的可视化地震目录映射子集，f(x，y，t，m)为原始的地震目录集合，x，y，t，m分别表示地震事件的经度、纬度、发生时间和震级。

通常情况下，以地震的时空强分布范围进行查询，就可轻松检索到所需的地震事件子集，其基本信息是地震目录可视化过程的关键，而其它项目，如深度、震源机制等信息则主要为满足特殊情况下的查询需要而设定。

步骤3、根据地震震级与地震矩能量成正比关系，设置可视化过程中震级放大尺度分类标准：

E_x＝1.5x

式中，x为用户指定参数，E_X为地震震级放大比。

因地震震级是度量地震释放能量的标准，震级每升高1级，对应的能量大约升高30倍，因此，不同的震级可以用不同大小的图标来显示。本发明中，可视化图标尺度按地震震级的1.5倍来描述，在有效区分震级大小的同时还可有效降低图标占用的面积，提高可视化效果。

步骤4、以圆形表示地震事件图标，设置可视化过程中的地震事件标识占比E_I为：

$E_I=\frac{1}{A}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}0.25{\mathrm{\πR}}^2\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{m}_j{E}_x^{j-1}$

式中，A为可视化空间面积，R为地震事件图标直径，N为选择后的地震事件数量，K为选择后地震事件包含的震级个数，m_j为选择后每个震级包含的地震数目，E_X为地震震级放大比。

在实际使用中，因为小震级事件的时空分布不规律，如果对于每个地震事件的标识大小选择不当，整个可视化区域内可能被地震事件标识所覆盖，为了控制可视化效果，需要限制表示地震事件的图标占整个可视化面积的比例大小，因此，人为设置每次可视化地震目录映射子集所占用的可视化面积大小，将能有效控制可视化效果，避免全覆盖情况的发生。

通过用户指定E_I值，在上式中只有R为未知参数，所以，结合地震事件数量、震级个数和每个震级包含的地震数目信息进行相应的数据集求解，就可求得对应的未知参数R，从而实现了以不同直径圆形图案对每个数据集中每条地震事件的可视化资源表达，为后续可视化显示过程提供了方便。其中，圆形图案来自于外界多媒体数据文件。

当然，为提高表达效果，还可在圆形图案中添加颜色，以显著区分表达内容或对个别地震事件进行特殊显示。或者，通过增加特定标签字段的形式，以标注方式将字段内容显示在圆形图案的中心或周围，以形成更简单、明了的注释，方便显示过程，提高显示效果。常见的特定标签字段内容包括但不限于：地震发生的地点、深度和/或震源机制信息等信息。

步骤5、将可视化地震目录映射子集和相对应的可视化资源表达信息存储到KML或KMZ数据包中，完成地震目录持久化封装过程。

封装后的数据包在后期使用中，不需要再添加任何信息，降低了以往繁琐的检索过程，构成了一个稳定、方便、快捷的运行环境，同时，可视化地震目录映射子集与可视化资源表达信息相互对应，方便了后期直接调用和显示过程。

步骤6、将封装后的KML或KMZ数据源接入到现有的三维地理信息系统软件中，通过三维地理信息系统软件的读入、管理和控制，在三维地理信息系统软件自身具有的时间、事件等控制功能的作用下自动进行动态展示，完成地震目录的可视化过程。

下面以实施例方式，结合附图1、2对地震可视化表达资源确定过程进行描述：

设定一个模拟地震目录，震级由2级到8级，图标大小按照震级采用线性比例放大，其可视化效果如图1所示。根据本发明提出的算法，我们选取E_I值为0.1，即表示可视化区域内地震事件图标所占面积为可视化总面积的10％，E_X值为1.5，原图面积为168cm2，地震数目共计42个，求得R值为0.0499cm，相应地，地震事件随着震级增加按照E_X比例放大直径后可视化效果如图2所示。图中，不同地震事件的图标大小，依据震级规律呈指数递增，且总占用面积大小按照用户需求可控，可视化效果明显改善。

综上所述，利用参数E_X和E_I控制地震目录可视化过程，可实现地震目录可视化过程中不同尺寸大小图标的资源再配置，达到及依赖于相关物理背景，又具有较好可视化视觉效果的需求。

Claims (5)

1.一种新型地震目录持久化及可视化方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1、建立地震目录元数据

在计算机中汇总以往地震事件信息，以经度、纬度、发生时间和震级为基本信息形成所需的地震目录元数据，每个元数据记录的计量单位保持一致；

记录的每个地震事件元数据包括规则排列的时间、地点和属性三部分信息，时间部分信息包括每个地震事件发生的“年、月、日、时、分、秒”；地点部分信息包括每个地震事件发生的“经度、纬度、深度”；属性部分信息包括“震级、震源机制、类型、备注”信息；

步骤2、根据查询结果，确定地震可视化表达资源

步骤201、输入相应的需查询地震事件基本信息，依据建立的地震目录元数据，得到满足要求的可视化地震目录映射子集及相应的地震事件信息，具体表示为：

g(x，y，t，m)∈f(x，y，t，m)

其中，g〔x，y，t，m)表示按用户要求选择的可视化地震目录映射后的子集，f〔x，y，t，m)为原始的地震目录集合。x，y，t，m分别表示地震事件的经度、纬度、发生时间和震级；

步骤202、根据地震震级与地震矩能量成正比关系，设置可视化过程中震级放大尺度分类标准：

E_X＝1.5x

式中，x为用户指定参数，E_X为地震震级放大比，即可视化图标尺度按地震震级的1.5倍增加；

步骤203、以圆形表示地震事件图标，设置可视化过程中的地震事件标识占比E_I为：

式中，A为可视化空间面积，R为地震事件图标直径，N为选择后的地震事件数量，K为选择后地震事件包含的震级个数，m_j为选择后每个震级包含的地震数目，E_X为地震震级放大比；

根据用户指定的E_I值，结合地震事件数量、震级个数和每个震级包含的地震数目信息进行相应的数据集求解，求得对应的未知参数R，并以不同直径的圆形图案完成每个数据集中每条地震事件的可视化资源表达；

步骤3、地震目录持久化封装

将可视化地震目录映射后的子集和相对应的可视化资源表达信息存储到KML或KMZ数据包中，完成地震目录持久化封装过程；

步骤4、地震目录的接入与控制

将KML或KMZ数据源接入到现有的三维地理信息系统软件中，通过三维地理信息系统软件的读入、管理和控制，实现数据动态展示，完成地震目录可视化过程。

2.根据权利要求1所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法，其特征在于，所述步骤203中，可视化资源表达方式还包括颜色，颜色用于填充在各个不同直径的圆中。

3.根据权利要求2所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法，其特征在于，所述圆形图案和颜色信息都来自于外界多媒体数据文件。

4.根据权利要求1所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法，其特征在于，所述步骤203中，可视化资源表达方式还包括带有标注性质的特定标签字段，所述特定标签字段标注并显示在圆形图案的中心或周围。

5.根据权利要求4所述的一种新型地震目录持久化及可视化方法，其特征在于，所述特定标签字段的内容包括：地震发生的地点、深度和/或震源机制信息。