数字前兆资料分析处理系统的设计与研制1

刘珠妹 李盛乐 刘 坚 苏 融

（中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉 430071）

前言

随着现代化数字地震观测技术的不断发展，地震预报技术已由模拟观测分析研究为主过渡到以数字化观测分析研究为主。而针对海量数字化地震资料的处理与分析技术研究已成为工作的重中之重。目前行业内通用的地震分析预报系统（MapSIS）和地震前兆信息处理与软件系统（EIS2000）汇集了前兆资料常用数据处理与分析方法，推广使用至今已有10余年（陆远忠等，2002；蒋骏等，2000）。但这两个系统均为桌面版人机交互，并不能方便的一键操作前兆处理工作流程；同时这两个系统也均为基于MapInfo的开发，底图为预先生成，更新较困难，裁剪速度较慢；此外这两个系统需在线下载数据，再进行处理，数据的重复使用率不高。考虑到目前前兆资料分析的最新需求，集成化的数字前兆资料分析处理系统的设计与研制已迫在眉睫。

本文是“十二五”国家科技支撑计划项目“地震分析预测若干实用技术研究”子专题“地震短临和震后综合判定技术研究”的部分研究内容。本研究通过引进海量数据处理和数据挖掘技术，建立数字前兆资料分析处理系统，可提高数字化前兆资料分析自动化处理能力，为建立健全数字地震预测技术和方法奠定基础，并在一定程度上提高地震预测预报水平。

1 系统概况

数字前兆资料分析处理系统的目的是为实现地倾斜、应力应变等数字形变资料，地电阻率、地磁等数字电磁资料，水位、水温、水化等数字流体资料的正常变化识别技术及异常提取的技术方法，并实现前兆异常信息的动态展示。

系统针对不同用户实现不同的资料处理流程。针对监测预报用户，建立资料处理和异常识别一键处理流程。用户只需要输入控制参数，即可实现数据准备、数据预处理、数据基本加工分析、异常自动识别与报警后台自动处理，并自动生成报告PPT供监测预报用户会商使用。针对其他行业用户，建立学科专用异常综合分析和GMT专业图像绘制的人机交互半自动处理流程。集成学科数据分析与深加工算法功能，可实现不同周期异常的后台自动计算，并提供专业绘图工具，制作时程曲线、二维和三维空间动态图像等，供研究人员进行异常综合分析。

本系统的前兆资料预处理产品、时序图和空间图加工产品，定时产出后，将存储在前兆数据处理产品库中，既可为地震业务、科研、服务用户提供数据共享服务，又可自动生成图形网页，并通过Internet为国家地震局外的地震相关业务人员及社会公众提供数据服务。

2 系统总体架构设计

数字前兆资料分析处理系统采用分层式架构，自下而上分别是数据层、业务逻辑层和表现层。如图1所示。

图1 数字前兆资料分析处理系统总体架构Fig.1 Framework of the digital precursory data analysis and processing system

“数据层”为部署在学科中心的产品数据库和部署在国家中心、学科中心的“十五数据库”。本系统从“十五”数据库中交换得到基础观测数据、日志以及数据字典，并经过本系统自动加工，最终产出常规预处理产品表、图形产品表以及报告类产品表。

“业务逻辑层”为整个系统的核心。通过对各学科各模块业务处理流程的建模，抽象出业务逻辑，并通过本系统实现业务的整合与自动化，藉此提高工作效率。同时，本系统还包括三个学科业务处理模块和两个通用工具模块。通过交换得到的基础观测数据，经本层业务模块加工后可形成图形和报告产品数据，存储到产品数据库中。

“表现层”为用户与系统之间的接口。本系统除通过专业用户客户端为地震局系统内监测预报用户、科学研究用户提供专业工具外，还为系统外其他行业相关用户和公众提供浏览器端的产品服务。

系统的硬件部署如图2所示。数字前兆资料分析处理系统核心算法部署在高性能计算服务器上；前端通过客户机为专业人员提供人机交互加工界面，并通过浏览器向公众发布产品数据；产品存储在前兆产品数据库服务器上，数据源来自“十五”数据库服务器。本系统数据存储采用Oracle10g数据库，主要业务模块通过VS2010平台使用C#语言编写，支持Windows XP或以上操作系统。

图2 数字前兆资料分析处理系统硬件部署示意图Fig.2 Hardware platform of the digital precursory data analysis and processing system

3 系统功能实现

为实现以上功能，本系统分为三个学科处理子系统：数字形变资料异常识别子系统、数字电磁资料异常识别子系统、数字流体资料异常识别子系统。

在各学科专业处理子系统中，“数据准备和预处理功能”、“公用数据处理和分析功能”、“异常自动识别功能”以及公用的“图形网页制作模块”和“ppt自动生成公用模块”既可根据定制参数组合为一键工作流程，又可独立操作。“专用方法”及“异常综合分析”功能是针对各学科专有的分析功能。系统功能模块如图3所示。

图3 系统功能结构示意图Fig.3 Function structure of the system

从算法角度来分，本系统包括三个方法库：学科预处理方法库、数据处理与加工方法库、异常识别方法库。

学科预处理方法库：包括各学科通用的观测数据突跳和掉格的处理、错误数据处理、台阶处理、缺数插值等预处理方法。

数据处理与加工方法库：包括学科通用或专用的数据加工功能，如均值计算、方差计算、重力潮汐分析、倾斜矢量变化分析、地磁场频谱分析、水位变差计算等方法。

异常识别方法库：包括不同尺度周期的异常分析方法。如处理日尺度异常的方差分析法、空间相关分析法、地磁低点位移计算、固体潮日畸变判定法等；处理周尺度异常的速率分析法、地电场短周期异常分析法等；处理年尺度异常的倾斜矢量破年变异常分析法、地电阻率年趋势异常提取法、地电阻率年变异常提取法、流体资料年变分析法等。

以上功能和算法不仅可供用户独立操作，也可组合为不同的工作流程，方便用户的使用。

3.1 一键处理工作流程

一键处理工作时，用户首先在向导式对话框中选择分析区域的背景资料，包括行政区划、区域活动断裂等地理地质底图、台站分布情况等基础信息；之后按照数据类型和数据范围筛选待处理基础观测数据或系统计算得到的中间产品数据；在此基础上可选择不同的预处理方法以及异常处理方法，算法的参数既可人为定制，又可采用固定的经验参数；最后定制绘图基本参数，如曲线颜色、异常报警符号等，实现灵活的专题制图效果。

经过以上向导式定制，系统可自动处理所选择的数据，并进行异常分析，最终生成学科专用的会商PPT报告。

3.2 后台自动处理工作流程

除人工定制数据处理外，系统还可无需人工干预，在后台自动检测数据更新，并触发不同时间周期的异常自动处理。处理内容包括：最近1日（7日、1月、1年）数据与前1日（7日、1月、1年）数据的时间相关分析与方差分析；最近1日（5日均值、月均值、季均值、年均值）与前1日（5日均值、月均值、季均值、年均值）的空间相关分析，以及异常分析结果的自动存储与自动制图。

后台自动处理结果将自动生成图形网页并自动发布，供用户浏览。

4 系统特色

数字前兆资料分析处理系统在图形绘制、数据操作与产品展示和服务上具有以下特色。

4.1 采用GMT交互绘图技术绘制专业图件

GMT（Generic Mapping Tools）是在国际地学界普遍使用的，功能齐全的开源绘图软件，可运行于Windows、Linux、Mac OS三大主流操作系统。GMT自带大约60种绘图工具和全球海岸线、国界、河流数据，在二维空间渲染图、等值线图、地形图、函数图、时序图以及三维立体透视图的绘制上具有灵活的参数设置功能和丰富的制图效果（Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1）。

由于GMT软件采用命令行和脚本方式执行，对于用户来说并不直观。用户需要熟知各种绘图工具的参数方法，生成ps格式或eps格式的文件才可查看绘图结果（Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1）。对于初学者或者一般地学工作者来说，利用GMT绘制出所需的图件需要反复调整参数并面临各种出错的情况。

本系统图形网页公用制作模块，采用人机交互的形式实现GMT功能。系统使用人员可在完全不了解GMT命令的情况下，完成各种参数的定制，如图像位置、尺寸大小、绘图范围、颜色配置等，生成专业GMT专题图（图4）。

图4 GMT交互制图界面Fig.4 Interface of the GMT interactive graphing

4.2 采用动态网页形式展示产品图像

本系统除存储ps格式、jpg格式的产品图外，还可利用网页动态曲线图/空间图技术（彭愿等，2012a；2012b），将图形产品生成动态网页，供浏览器端用户调用查看。动态网页图可在不连接数据库且无任何控件的情况下，将鼠标移动经过的曲线值、空间值展示出来，如图5所示。

图5 网页动态图Fig.5 Dynamic image on web pages

产品图像展示页面缺省为最新生成的异常分析结果的空间分布图，每张图展示观测资料1天的分析结果。通过点击图中的左右箭头，可以跳转到上1天、下1天的展示页面。通过点击空间分布图中的某一台站的异常符号以及详细列表中的“详情”按钮，可打开台站资料时序图等详细分析结果。

采用动态网页的形式发布产品，既能方便的显示曲线或空间图上的具体信息，又保障了产品数据的安全性和保密性。

4.3 具有形式丰富的底图数据

本系统提供的底图包括GMT地理图、地形图（PS格式），瓦片电子地图（JPG/PNG格式），MapInfo底图（TAB格式)，WebGIS（SHP格式）等（图6）。

其中，网页电子地图可以是国家中心自带的瓦片电子地图，也可以是百度、谷歌、天地图等电子地图。地图上可以加载断层、构造、台站信息等多图层数据。瓦片数据、矢量数据实现有针对性的异步加载，取代了传统的一次请求同步响应，提高了数据加载、界面刷新的速度。

图6 形式丰富的底图数据Fig.6 Base mapn in different formats

4.4 产品数据安全，数据访问高效

由于本系统既供行业内专业用户使用，又提供数据产品的共享和发布功能。因此系统对于不同的用户采取不同的权限设置，并且严格检查数据产品的涉密性。对于经过授权的部分“数据产品”可以提供在线绘图服务、网页电子地图展示服务和下载服务。未经授权的访客只可进行产品的图片浏览。

系统中计算机服务将采用“数据瓦片”技术提高数据加载速度。凡是已经使用过的数据，下次使用时不用再下载；凡是修改了的数据会自动再下载；凡是新数据会自动下载。对于相同资料的多种科学计算，只从数据库下载一次数据。采用“数据瓦片”技术，可最大效率地提高数据的读取速度，提升整个系统性能。

5 结论

数字前兆资料分析处理系统引进了海量数据处理和数据挖掘技术，集成了数字形变资料、数字电磁资料和数字流体资料的前兆异常识别提取方法，并提供了从数据准备、数据分析、专业制图到演讲ppt自动生成的一键处理流程，不同周期异常的后台自动计算，以及专业处理和异常综合分析功能。本系统产出的预处理产品、图形、报告产品将存储在产品数据库中，并通过在线绘图服务、网页产品展示浏览和下载服务，构建集成统一的数字前兆资料分析处理平台，进一步提升前兆异常判定的综合处理能力，为建立健全数字地震预测技术和方法奠定技术基础。

蒋骏，李盛乐，张雁滨等，2000.地震前兆信息处理与软件系统.北京：地震出版社.

陆远忠，李盛乐，邓志辉等，2002.基于GIS的地震分析预报系统.北京：地震出版社.

彭愿，吴阿丹，李盛乐，2012a.中国地震前兆台网观测曲线动态展示.大地测量与地球动力学，（S1）：49—52.

彭愿，吴阿丹，董兴鹏等，2012b.用JavaScript实现网页曲线图动态信息显示.软件，（01）：98—101.

Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1.GMT A Map-making Tutorial[EB/OL].http://gmt.soest.hawaii.edu.

Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1.GMT Technical Reference and Cookbook[EB/OL].http://gmt.soest.hawaii.edu.