城市活动断层探测中的浅层地震勘探数据库建设——以石嘴山市活动断层探测为例①

王 银，杜克平，于贵华，孟广魁，崔 谨，吴熙彦

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001；3.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100087；4.中国地震局地质研究所，中国地震局活动构造与火山重点实验室，北京 100029）

0 前言

大量震例研究表明，活动断层是城市地震灾害的元凶［1－3］。世界多地震地区各国政府越来越清楚地认识到城市活动断层探测与研究的重要性和迫切性。我国于2001年首先将福州市作为全国城市活动断层探测的试点城市［4－5］，随后将北京、上海、西安、银川等20个城市列为首批开展城市活断层探测与地震危险性评价的城市［6－7］。目前，已在全国多地震的省（区）的重点城市逐步展开城市活断层探测与地震危险性评价工作。

城市活断层探测手段有多种，其中浅层人工地震勘探［8－9］技术能够揭示隐伏断裂发育特征、深部展布状态及活动性质，是城市活断层探测工程中的首选探测手段［10］。城市活断层探测中的数据库［11－14］建设是一项非常重要的工作，它不仅为开展探测的城市提供城市规划和建设的依据，也为我国防震减灾事业积累基础资料。其中，浅层地震勘探数据库是为城市活断层探测提供重要的断裂模型解释等地球物理数据支撑。本文以石嘴山市活断层探测中的浅层地震勘探数据库建设为例，在阐述建库标准的基础上，以建库操作流程为线索介绍浅层地震勘探数据库建设的技术方法、操作技巧以及注意事项，可供利用ArcGIS系统建立数据库作为借鉴。

1 浅层地震勘探数据库建库标准

图1 数据库模板Fig.1 The database template

为了有效地实现活动构造数据交换、集成和共享服务，有关部门颁布了《DB／T 15－2009活动断层探测》［15］和《活动断层探测数据汇交与共享管理办法》［16］等，并由相关单位研制了“活动构造数据库模板［17］”（以下简称“数据库模板”），作为城市活断层数据库建设的统一标准。数据库模板中对要素数据集、要素类、数据间的关系、值域范围、数据类型、数据项编码、数据存储长度、数据项约束条件等均做出了规定。数据库建设人员必须熟练掌握建库标准，并善于灵活运用它进行数据库建设。

数据库模板是一个与活动断层探测工作的前期准备、野外探察、分析总结等3大阶段相对应的非常庞杂的结构体系，其中野外探察归为B类，野外探察又包含多种手段，按照入库顺序，地球物理探测部分编为B5类。模板以ArcGIS、Excel两种格式给出［17］。图1（a）为浅层地震勘探数据库使用的Arc－GIS数据库模版——B5＿Geophysical Survey要素数据集模版，该数据集中设计了地球物理测点、地球物理测线、地球物理探测断点要素类（以下分别简称“测点、测线、断点”）及与要素类相关联的单独属性表（地球物理探测工程表、地球物理探测数据表等）。与ArcGIS格式数据库模版相对应的Excel格式数据库模版如图1（b）所示。

2 浅层地震勘探数据库建设的方法、步骤和操作流程

浅层地震勘探数据库建设的总体目标是将物探部门提供的文档、图形、图像等资料经过整理和多种专业性特殊处理，构建成数据库，提供给相关部门和领域共享使用。

为使物探部门提供的数据、资料尽可能符合数据库建设需要，在浅层地震勘探工作之初，应告知野外施工人员所需收集的数据、资料的内容和格式，特别要注意提供的测量坐标值必须采用WGS1984坐标系。数据库建设应与探测工作同步进行，建库人员应及时收集、整理建库所需的数据、资料。

建库人员获得物探部门的数据、资料后进行属性数据操作和空间数据入库。属性数据操作是在Microsoft Office Excel软件下由填写Excel格式数据库模版表的方法完成，其内容包括填写要素类属性表和单独属性表；空间数据入库需完成从文档数据模型到ArcGIS数据模型［18］的转换，首先创建一个ArcGIS数据库，然后创建空间几何要素，再实现空间几何要素的入库。

在上述工作完成之后使用活动构造数据库批量入库软件［17］，实现数据批量入库，包括要素类属性数据、单独属性表数据和档案数据［19］入库。最后一个步骤是由国家地震活断层研究中心对建成的浅层地震勘探数据库进行检测，检测通过后实现成果汇交。图2是浅层地震勘探数据库建设操作流程图。

图2 浅层地震勘探数据库建设操作流程图Fig.2 Flowchart of operation process in database construction of shallow seismic exploration

3 浅层地震勘探数据库建设关键操作

为了建成一个方便使用并满足数据共享要求的浅层地震勘探数据库，需要建立一个供数据存储的文件夹，数据存储文件夹的命名规则为：项目所在城市行政区代码＋专题号。根据上述规则，石嘴山市活动断层探测浅层地震勘探数据文件夹命名为“640200102”，其中640200为石嘴山市行政区划代码，102为专题代码（项目组给定）。

3.1 浅层地震勘探档案数据整理

首先要对浅层地震勘探档案数据进行整理，其步骤是：在“640200102”数据文件夹下建立一个子文件夹4－ArchiveFile，供档案数据存储使用。档案数据的具体内容为：每条测线的时间剖面图和深度剖面图、平均速度图、工作班报、仪器班报，测线地震反射原始数据（＊.sgy）、时间剖面原始格式（如PLDC5时间剖面图.cdr）、每条测线的深度剖面原始格式、石嘴山活断层浅层地震勘探方案.doc、石嘴山浅层地震勘探报告.doc、石嘴山活断层浅层地震勘探方案.pdf、石嘴山浅层地震勘探报告.pdf等。如果档案数据大于300M，还需要建立子文件夹5－HugeFile，将大于300M的档案数据整理在该子文件夹中，并编写对应档案数据的说明文件。

需要注意的是，若档案数据中的时间剖面、深度剖面，野外施工单位提交时为原始格式，整理档案数据时需要各存储一份JPG格式图像；对于浅层地震勘探方案、浅层地震勘探报告，野外实施单位各提交一份doc格式，整理档案数据时需要各存储一份pdf格式文档。在整理档案数据的过程中还要注意检查核对其完整性与正确性，及时完善档案数据。档案数据在数据库中以属性内容的形式存储，因此档案数据要录入数据库必须是按照一定规则填写完成档案数据对应的所有Excel表格，并完成与档案数据相关的几何要素入库后才能实施档案数据入库。

3.2 属性数据操作

属性数据操作就是从物探部门提供的一套资料中，按照数据库模板中的规定分离提取需要的信息，将其分别填入到Excel格式的数据库模板表格中。属性数据操作的便捷方法是，从数据库模板表中提取出与浅层地震勘探相对应的模板表，然后由具有浅层地震勘探专业知识的人员在Microsoft office Excel软件下完成表格的填写。这种方法可充分发挥建库人员和勘探人员各自的专业特长，达到快捷、准确建成数据库的目的。

首先需要将浅层地震勘探相对应的模板表分类存储在相应的位置。要在上文中已建好的640200102文件夹下建立3个子文件夹，其中1－Features Class子文件夹下存储要素类对应的属性表格；2－Attribute Table子文件夹下存储单独属性表对应的表格；3－Archive Table子文件夹下存储档案表。这样的表格共有10个，具体内容列于表1。

表1 浅层地震勘探Excel格式数据库模版表格列表Table 1 Database template tables of shallow seismic exploration in Excel format

表格填写过程中除一些特殊字段外，其余须按照Excel表格的顶部给出的表格填写约束条件来填写。下面对表格中出现的特殊字段作填写注意事项的说明，其例表见表2至表5。

（1）表格中出现的ID编号和工程编号规定为17位，但建库人员只需填写字符数不超过八位的唯一编号部分，其余编号位数由软件自动编辑补齐。

（2）表中绿色底为数据库中设置值域项的字段［17］，应按照值域设定的范围来填写。如“探测方法”为值域项，其中浅层地震纵波反射值域设定为“231111”，表格中只填写“231111”即可（表2）。

（3）表格中有许多档案编号字段，如表3中的三列，虽然该表中规定为20位的编号，但是建库人员在表格中填写的内容为“档案数据名称及扩展名”，如“芦花台断层1号测线时间剖面图”填为“LHTC1时间剖面图”，分别以.cdr和.jpg两种格式填写。需要注意，档案数据名称必须与上文中整理的档案名一一对应，并与属性表中其他记录对应。

（4）属性表中档案编号字段里出现的文件必须填写其对应的档案表，如表3中第一列“综合解释剖面矢量图原始文件编号”字段中填写的文件，必须填写其对应的档案表（表4）。要素类属性表／单独属性表中档案字段有三类，其与档案表的对应关系见表5。

（5）档案表中的ID字段项规定为20位字符，在填表时只填写不超过8位的唯一字符。该表格中Filename字段项填写内容为：路径〔.文件扩展名，如表4。

在填写表格时还需要注意：同一条测线上测点的信息必须连续录入，且必须按照测点桩号由小到大的顺序填写表格所设置的内容。此外，如果5－HugeFile子文件夹中存储了档案数据，则必须填写D＿HugeVolumeDataPathTable—大数据文件表。

3.3 空间几何要素入库

在浅层地震勘探报告中给出了与空间几何要素相关的两种表单，其中浅层地震勘探测点描述表中以经纬度的形式记录了测点的空间位置，从属相同测线的测点顺序隐含地记录了测线的空间位置；表单通过记录浅层地震探测的断点距地震测线起点的位置隐含地表达了异常区的空间信息［19］。这些成果数据需要经过空间化处理，创建空间几何要素后才能实现数据入库。前面填写的Excel表格中已经整理出测点、断点参数，可直接利用这些参数完成空间几何要素的创建，具体操作如下。

（1）创建空的ArcGIS数据库

首先在ArcCatalog软件下新建空的ArcGIS数据库文件以供存储几何要素，该数据库存储在数据文件夹（石嘴山市为640200102）下，命名为Subject＋数据文件夹名（石嘴山市项目中的浅层地震勘探数据库为“Subject640200102.gdb”）；然后在 Arc－GIS模板中复制该数据库需要的空白要素类和单独属性表，具体内容为：A1＿LiteratureDocumentTable、D＿HugeVolumeDataPathTable、E＿ArchiveImageTable、E＿ArchiveRawDataTabl、E＿ArchiveReportTable、InternalDataTable以及图1中所有内容，共三个要素类，8个单独属性表。

表2 GeophySvyPoint－地球物理测点—点.xlsTable 2 GeophySvyPoint－point.xls

表3 地球物理测线表中档案编号字段填写的内容Table 3 The content fill in GeophySvyLine archive number field

表4 原始档案表中填写的主要内容Table 4 The contents of ArchiveRawData table

表5 三类档案表与要素类属性表／单独属性表中档案字段对应关系表Table 5 Three archive table corresponding with archive field in features class table／attribute table

（2）创建空间几何要素

测点要素的获得是利用已经填写完成的测点表格（表2）整理出一个测点简表（只含有一行英文字段名），然后采用ArcMap软件中点事件处理的方法自动创建测点图层，该方法主要是在Add XY Data工具下利用X和Y的坐标值（即测点的经度和纬度）来创建测点Events图层，然后将测点Events图层输出为“测点.shp”，即完成测点要素创建，此方法可以快速获得测点几何要素。

测线要素是由其对应的所有测点连线获得，创建方法是在Point2Line（点生成线）软件下利用已获得的测点.shp图层自动连结创建测线。该软件主要通过测点与测线的归属关系以及测点在测线上的记录顺序来创建测线，因此使用该软件时必须将每个测点对应的测线编号（SvyLineID）填写正确，还要确保每条测线上的测点按照起点到终点的顺序记录。

建库人员使用点生成线软件可以保证每一条测线是由该测线上所有测点连结而成，该软件自动扑捉每一个点，容差值在数据库检查软件规定的范围之内，保证了每一条测线的精度。在浅层地震勘探中有些测线上的测点多达几十个，如果人工手动连结不仅速度慢还可能出现测点遗漏的现象，导致绘制的测线不精确。使用点生成线的软件可以快速准确地将点连结成线。

在空间几何要素创建中，最复杂的是断点要素的创建。浅层地震报告中提供的断点参数是断点距测线起点的距离，而不是断点的坐标值。因此，断点空间几何要素类就不能像创建测点那样的方法来实现。最简洁的方法是采用ArcToolbox软件中的路径事件［20］处理方法来完成断点创建。创建断点的步骤为：

（1）建立沿测线的长度度量参考系［19］。在ArcToolbox工具中利用“Calibrate Routes”功能为测线建立一个长度度量参考值，得到一个带有长度参考值的图层“测线＿CalibrateRoutes”，操作流程如图3。

图3 测线长度度量参考系建立流程Fig.3 The process of generated linear reference value for survey line

图4 创建断点要素流程Fig.4 The process of creating fault point

（2）创建断点：首先利用填写完成的表1中的断点属性表，整理另存一个断点表（表6）。然后在ArcMap界面下打开ArcToolbox工具，使用该工具中的“Make Route Event Layer”功能，利用断点简表生成断点表Events图层，将生成的“断点表E－vents”图层输出为断点.Shp图层，即完成了断点要素的创建。其操作流程见图4。

使用上述的方法创建断点，必须确保测点、测线属性表和断点表格中测线的编号相互对应，即有一条编号（ID）为“23”的测线，其测线上测点的属性表中测线编号字段（SvyLineID）中的内容也必须是“23”，与此同时该条测线上断点表格中测线编号（SvyLineID）列中的内容也必须是“23”。利用上述方法创建断点，既提高了断点定位的速度，又确保了断点与测线的容差值在数据库检查软件规定的范围之内，保证了断点定位精度。

（3）空间几何要素入库

图5 要素加载到数据库中的操作流程Fig.5 The operation process of survey point feature loaded into database

得到空间几何要素后，利用ArcCatalog中load Data工具［20］，将每个图层中的要素都加载到Subject640200102.gdb数据库中对应的要素类中，从而实现了空间几何要素入库。加载数据操作流程如图5。完成几何要素入库后，要注意核对要素的ID（编号）字段内容和要素对应的Excel表格中ID列的内容是否一致。如一条测线在ArcGIS格式的测线属性表中测线编号为1，则该条测线在Excel格式的测线表格编号列的内容必须为 “1”。否则ArcGIS格式的测线无法和Excel格式的测线表格中记录的测线内容关联。

3.4 属性数据及档案数据与空间要素类关联批量入库

编辑完成表1中列出的Excel格式表格，并将几何要素全部加载到数据库后，运行活动构造数据库批量入库软件，将属性和档案数据导入数据库Subject640200102.gdb中，这样便建成了浅层地震数据库。使用批量入库软件的关键步骤有三步，下面分别进行详细说明。

（1）编辑批量入库软件BatchDataImport的配套文件ID－code.xls表格，在CityCode＿mapper工作薄的A列中写入项目所在城市名称，本项目所在城市为石嘴山市，因此此处填写“石嘴山市”，在CityCode＿mapper工作薄的B列写入项目所在城市的行政区划代码“640200”。保存并关闭表格。

（2）给数据库中要素类和单独属性表等的名称后面添加专题代码，在批量入库软件BatchDataImport中打开数据库“Subject640200102.gdb”，录入三位专题代码为 “102”，运行软件，即给要素类、单独属性表等的名称后面添加了专题代码。

（3）运行软件完成数据入库：完成添加专题代码后，可以使用批量入库软件对属性数据及档案数据批量入库，该软件规范要素ID，导入档案数据，检测并处理填入Excel格式模板上的数据格式、逻辑关系等，将要素ID自动规范化编辑为17位，将填入Excel格式模板上的属性数据信息批量导入Arc－GIS数据库中，将4－ArchiveFile子文件夹中的档案数据批量导入 ArcGIS数据库（Subject640200102）中，并自动完成档案编号的20位规范化处理，其操作流程如图6。

表6 断点表Table 6 Fault point summary table

图6 属性及档案数据批量入库流程Fig.6 The process of attributes and archive data batch input database

石嘴山市活动断层探测项目的浅层地震勘探数据库中包含三个几何要素类、一个地球物理探测数据表、一个地球物理探测工程表、三个档案表和一个内部数据表。三个几何要素类中分别记录509个测点、33条测线、36个断点的几何特征及其相关属性内容；地球物理探测数据表中记录了99条档案信息；地球物理探测工程表中记录了1条浅层地震勘探相关信息；三个档案表总共记录了268个档案数据的编号及相关信息；内部数据表存储了三个档案表中记录的268个档案。

4 数据库成果汇交

建库人员完成数据库建设后，将数据库送往活动断层探测数据汇交与管理中心进行数据质量检测，根据检测结果修改完善数据库，检测合格的数据库可以按照要求汇交到活动断层探测数据汇交与管理中心。依照活动断层探测数据汇交与共享管理办法，为项目档案的完整性及便于数据库检测，在一个项目完成时除了提交ArcGIS格式的数据库，还需要同时提交建库使用的Excel格式数据及所有原始材料。下面仅以石嘴山市活动断层探测中浅层地震勘探数据库为例对提交的数据库成果予以说明。

（1）提交640200102文件夹中的内容必须包含1－Features Class、2－Attribute Table、3－Archive Table、4－ArchiveFile、5－HugeFile 5个子文件夹及其内容，并包含一个数据库（Subject640200102.gdb）。

（2）由于数据库在建设过程中经过多次反复修改，为了保证提交成果为最终成果，需确保子文件夹1－Features Class、2－Attribute Table、3－Archive Table下的表格内容和数据库中的内容一致。

（3）数据库中的档案记录与4－ArchiveFile和5－HugeFile文件夹中的档案内容保持一致。

浅层地震勘探数据库的建设应与野外探测工作同步进行，切不可认为数据库不重要而将其滞后。另外，在完成浅层地震勘探数据库的建设后要及时完成浅层地震勘探实际材料图、断层分布图的编制，并及时保存这些专题图文档。例如在石嘴山市活断层探测中，及时根据浅层地震勘探数据库绘制了断层分布图（图7），发现断层在崇岗乡附近存在间断区。项目组在间断区分开的两个断层段的关键部位各布设了一个钻探剖面，解决了断层活动性问题，做到有的放矢，避免了盲目性，从而做到既高效、省时，又节约经费。因此，及时、准确的数据库资料有利于提高项目的工作质量和工作效率。

图7 断层分布及钻探剖面位置图Fig.7 The map of Fault distribution and drilling section location

5 结语

本文中采用ArcMap中点事件处理的方法，将测点坐标值自动创建成点图层，再使用“点生成线”的工具（piont2line）将点连成线，实现了浅层地震勘探测线图层的创建。在“断点”要素的创建过程中采用了ArcToolbox软件中路径事件处理的方法，快速准确地标定了断点的空间位置。上述方法较之其他方法具有快速省时、精度高的特点。文中使用Excel格式模板表填写属性数据，然后使用国家活动断层研究中心为活动断层数据库模板配套研发的数据批量入库软件BatchDataImport.exe，将填入Excel格式模板上的属性数据信息批量导入Arc－GIS数据库中，规范化处理了ID编码，并将4－ArchiveFile子文件夹中的档案数据导入了ArcGIS数据库中，既降低了数据入库的难度，又提高了工作效率。

浅层地震勘探的建设是一项系统的工作，从笔者的建库体验中体会到建库人员只具有ArcGIS相关操作技术还不能胜任此项工作，必须熟练掌握活动构造数据库模版，并善于利用模版开展工作，此外还要在一定程度上具备与活断层探测相关的地震地质知识，只有这样才能建出高质量的浅层地震勘探数据库。

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