GEOFON数据中心*

范晓勇

(中国地震局地球物理研究所,北京100081)



GEOFON数据中心*

范晓勇※

(中国地震局地球物理研究所,北京100081)

应中国全球地震台网建设预研项目的要求,对德国主导的GEOFON地震台网数据中心进行了调研。研究表明,GEOFON数据中心应用自己的软件包SeisComP3,实现实时数据采集、 自动地震定位、 信息发布、 数据存储、 数据共享、 数据质量控制、 数据产品等一系列功能。为中国全球地震台网建设提供了重要的信息。

GEOFON； SeisComP3； 中国全球地震台网预研； 数据质量； 数据存储

引言

中国属于地震多发国家,多年来一直致力于全国地震监测。目前,全国测震台站1000多个,受地区所限,对国外地震监测能力较弱。由于国际公共台网为我所用方面存在诸多问题,使得我国对全球地震监测的工作急需更进一步。这就是确立中国全球地震台网建设预研项目的原因。该项目需要对世界各大地震台网进行调研,在此对GEOFON地震台网的数据中心进行了调查研究。

1　数据中心使用的软件

目前, GEOFON有SeisComP3、 Arclink Nagios插件、 aiUtils软件包和WebDC3 四个软件计划,最主要的计划是SeisComP3(图1),其他3个都与这个有关。欲了解其他相关信息请登陆http:∥www.seiscomp.com/。

GEOFON台网的日常运行和数据中心(包括数据存储与服务)几乎全部依赖于自开发软件SeisComP包,这个软件开发了近10年,是一个被广泛应用的集数据采集、 数据处理、 数据交换为一身的软件包。它的数据传输协议SeedLink已经变成一个实际意义上的世界标准,数据存储协议ArcLink也逐渐与SeedLink一样被人们所接受。最近欧洲地震学中类似实际欧洲宽频带地震台网(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)和欧洲综合数据存储中心(European Integrated Data Archive,EIDA)之类的大型基础设施的发展将完成,它们主要通过在欧洲继续发展和传播SeisComP的一系列计划[地中海-欧洲快速地震数据信息和存储中心(Mediterranean-European Rapid Earthquake Data Information and Archiving Network,MEREDIAN), 欧洲地震研究的基础设施网络(Network of Research Infrastructures for European Seismology,NERIES),欧洲地震风险评估和减灾研究基础设施网络(Network of European Research Infrastructures for Earthquake Risk Assessment and Mitigation,NERA),欧洲地震观测和研究实验室(Observatories and Research Facilities for European Seismology,ORFEUS)协调]而完成。以德国印度洋海啸预警系统(German Indian Ocean Tsunami Early Warning System,GIOTEWS)项目为背景,在2014年12月印度洋破坏性海啸之后,启动实施了附加功能,用以实现预警控制中心的需求。这需要在软件架构上有大的改变,许多新的需求需要完全重新设计SeisComP,从而促进了新的高性能的软件包SeisComP3(SC3)的产生。

1.1SeisComP3目前能提供以下功能

(1) 实时数据采集,用SeedLink直接从大多数数采中获取；

(2) 通过SeedLink或者其他普通的数据交换协议与其他数据中心进行实时数据交换；

(3) 网络状态监测；

(4) 波形数据质量控制评估；

(5) 波形数据存储,长期存档管理,通到远程ArcLink节点；

(6) 元数据控制(清单、 路由、 QC、 事件参数/QuakeML)；

(7) 存储波形的数据分布(ArcLink),实际ArcLink存储的管理；

(8) 元数据分布( 资料 SEED,XML)；

(9) 自动拾取、 地震定位、 振幅和震级的计算；

(10) 交互事件定位和定量化；

(11) 当地或远程连接SC3模块信息系统和中心数据库；

(12) 从/往SC3系统输入/输出检测事件起始信息；

(13) 在展示房间快速处理预览应用的特殊图像设计。

2008年,GFZ外包的一个小软件公司,叫做GEMPA GmbH,它的主要开发人员围绕SeisComP3提供了各种各样的服务软件。GEOFON仍然主持与协调SeisComP3的开发,但同时,几个其他的主办方也已经对该开发贡献力量。SeisComP3软件不能直接从该网页上下载,但是你可以从http:∥www.seiscomp3.org/(由GEOFON、 GEMPA软件公司和SeisComP3委员会维护)获得,连带另外一些信息和文件。

1.2Arclink Nagios插件

在GEOFON,开发了一个监测SeedLink和ArcLink服务器的插件,虽然带一点试验性,但是欢迎大家来进行实验。可以发评论、 建议以及简介请求等。

1.3aiUtils软件包

aiUtils软件包提供一系列工具,可使由ArcLink服务器产生的XML格式的地震元数据信息能够生效,并对该数据进行操作。这些工具被ai2Table和aiValidate支持。

1.4WebDC3

WebDC工具能够探索地震事件、 台站或更多信息。

图1　SeisComP3.0 的基础结构

2　数据中心数据

图2a为GEOFON 数据中心的数据处理流程。GEOFON台站、 GEOFON扩充实际地震台网(GEOFON Extended Virtual Network,GEVN)台站、 其他地震和预警中心的实时数据通过SeedLink传输协议传输到GEOFON的SeedLink服务器； SeedLink服务器再把数据传送到SeisComP3服务器进行软件分析,同时把数据送到波形存储装置。软件分析后,进行信息发布形成地震数据库,并通过ArcLink协议进行数据存储。波形数据在通过ArcLink协议进行存储后,

图2　(a) GEOFON数据中心工作流程图; (b) GEOFON数据中心

可提供波形和元数据,并与欧洲综合数据存储中心(European Integrated Data Archive, EIDA)和德国综合数据存储中心(German Integrated Data Archive,GIDA)进行数据交换。在波形存储阶段,负责网络管理运行的工作人员可进行数据质量分析。

GEOFON是欧洲最大的地震数据中心。它主要存储来自GEOFON永久地震台网的VBB数据。对于其他一些合作台网,GEOFON相当于数据备份和数据发布中心。另外,一些临时数据也被GEOFON永久存储。尤其是GFZ的波茨坦地球物理仪器库(Geophysical Instrument Pool Potsdam,GIPP)和德国特别地震工作组进行的试验数据。来自永久台站的实时数据流可主要通过互联网获取,通过SeedLink实时数据反馈也可获得实时数据流,或者通过直接申请获取实时数据。大部分欧洲台网属于实际欧洲宽频带地震台网(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)。虽然数据主要来自宽频带台站,但是还包括大量的短周期数据和一些强震数据以及OBS数据。

GEOFON数据存储中心是通过GFZ的Arclink协议与GIDA和EIDA数据中心联络。这个数据中心的基础设施通过一个简单的前端式数据入口允许暂时访问所有数据存储中心的数据。所有数据通过统一的方式,用ArcLink、 SeedLink、 网页或邮件获取。

2.1数据获取

2.1.1数据获取方法

(1) 通过ArcLink直接获取,即利用Arclink 获取命令行客户端；

(2) 通过网络端口的基于网络的请求,尤其适合小用户；

(3) 对于在GFZ存储的2014年的新数据,可利用FDSN网络服务；

(4) 通过邮件,向breq_fast@gfz-potsdam.de或者req_fast@webdc.eu发送 BREQ-FAST5请求字样；

(5) 通过HTTP(门户网站或直接Arclink请求)或者FTP(BREQ-FAST请求)进行数据传输。

2.1.2受限数据

(1) 数据来自近期临时布设；

(2) 数据来自一些永久的第三方台网或台站,GEOFON也同样可以存储数据；

(3) 使用这些数据必须经过授权,即数据使用者必须提供数据生产者允许使用的授权书,也就是运行该台网的研究所的代表或者该试验的PI。数据必须传送到GEOFON,包括批准书。数据在传送之前必须加密,在使用前必须解密。

2.1.3实时数据

(1) GEOFON/GEVN数据可以通过SeedLink协议从SeedLink服务器(geofon.gfz-potsdam.de:18000)实时供给,不需要特别批准；

(2) GEOFON实时台站的数据以“活的”地震图形式供给；

(3) 遥测状态可由SeedLink监控器显示出来；

(4) GEOFON对GFZ台网的SeedLink监控器；

(5) GEVN对GEOFON合作台网的SeedLink监控器。

2.2数据格式

SeedLink 实时数据为512字节,Mini-SEED格式； 存档数据传输为512字节或者4096字节,SEED 格式。

作为SEED卷的仪器响应信息和ArcLink XML响应文件可通过ArcLink和WebDC3数据请求界面(http:∥eida.gfz-potsdam.de/webdc3)请求。

受限数据通过OpenSSL加密。

2.3数据存储信息

GEOFON具有超过100 TB的地震数据容量,诚挚邀请各研究所加入存储。要想可靠地存储长期SEED格式的地震波形数据,数据最少要有两份拷贝。

通过ArcLink,网页服务和其他方式传递数据到客户端。

如果有需要可进入EIDA。

假如需要,为自己的台网帮助准备或铸造数字目标指针(Digital Object Identify, DOI)。

连同GFZ图书馆的工作人员,协助准备数据报告以描述你的数据集,包括台站信息、 数据可用率、 谱信息以及其他。这可以形成报告(如GFZ的科学技术报告Science Technique Report, STR)的基础。

2.4数据质量监控

SeisComP3软件具有质量控制模块,它可以实时统计数据的质量,主要包括断点数、 数据间隔和数据可用率等(图3)。

GEOFON数据中心会有固定的分析人员进行日常分析(一般1～2人),当数据质量不达标时,会与当地合作者联系,查找并解决问题,以达到规定的数据可用率和质量。必要时,还要去当地国更换配件并进行技术指导。当地国的合作部门也安装了质量控制软件,并有专人进行分析,并对数据进行实时监控。如发现问题,与GEOFON沟通并着力解决。

GEOFON的数据质量控制软件(Seis-ComP3)可进行实时/离线基本质量控制,在所在中心完成,只在GFZ有实时质量控制(Quality Control,QC)网页。基于质量控制的数据选择功能,目前尚不可行。

图3　SeisComP3质量控制图

质量控制主要包括(图3)： 时间延迟、 时间质量、 偏移量、 rms(均方根)、 Gap间隔、 Gaps长度、 Spikes间隔和Spikes振幅。

3　数据应用与服务

3.1数据应用

快速发布大地震信息是GEOFON的一个重要工作。作为欧洲地中海地震中心(European Mediterranean Seismological Centre,EMSC)的一个主要节点,GFZ有责任发布最快的全球大地震信息。GEOFON 目前逐步变成一个地中海、 东北大西洋和印度洋海啸监测的主要力量。GEOFON是世界范围内发布地震信息最快的组织之一(图4)。利用实时数据流,GEOFON快速确定所有能够记录到的全球大地震和大部分区域地震(图5),并在几分钟延迟后为大地震提供人为修正结果。这项服务为世界范围内的地震和海啸预警中心、 政府机关、 灾害协调组、 新闻媒体、 GFZ以及任何地方的科学家提供最基本的快速地震信息。GEOFON的地震信息在地震发生后的3～10分钟内发布,采用自动波形处理,按需人工修正。

GEOFON的信息服务最开始是全自动结果(A类结果),会出现错误； 而后被GEOFON地震学家在特定的基础上确认为M类或者C类(确认过的自动信息)结果； 以GEVN(大于700个地震台)和其他地震台网(在欧洲,绝大部分台站来自VEBSN)合作台站为基础,发布通知邮件和RSS反馈系统。

综上所述,GEOFON的信息服务包括： 波形自动处理； 按需求进行人工修正； 地震发生后3～10分钟内公布,是最快的全球地震信息。

图4　GEOFON地震信息服务

图5　SeisComP3软件的自动检测和自动定位

全球地震监测是一张利用全球可视地震台网自动定位的全球地震活动性地图,详细信息包括最近大地震的震中经纬度与位置图。还有一张图适于在1280×1024的屏幕上展示,通过网页浏览器以全屏模式实现。

3.2数据服务

GEOFON提供数据服务,数据格式为MiniSEED,数据获取方法请参照2.1.1。

事件分级标准：

(1) 标准地震： 由足够数量的台站(≥25个)自动定位的所有地震事件或经过人工修正过的地震。

(2) 大地震： 在中欧所有M≥4.5的地震或者在更宽泛范围内的欧洲和地中海范围内M≥5.0的地震或者世界其他地区M≥5.5的地震。

(3) 超大地震： 在中欧所有M≥5.0的地震或者在更宽泛范围内的欧洲和地中海范围内M≥5.5的地震或者世界其他地区M≥6.5的地震。

GEOFON数据中心提供自动地震提醒e-mail订阅服务,用GEOFON提供的表格进行申请。GEOFON公报最近的地震也可以通过RSS反馈获得。

GEOFON产出实时地震目录(图6)和矩张量地震目录(图7),实时地震目录是GEVN的一个产品,属于所有相关的研究所。另外, 还可以在目录里查询历史地震目录(图8)。图8显示,可以选择必要的参数,然后产生实时地震信息网页,或者是标准的HTML表,或者是RSS反馈。按照经纬度范围输入感兴趣的区域、 或者给出一个震级最小值、 或者最大地震数。只有符合条件的地震才会显示出来。

3.3对地震学研究的贡献

GEOFON地震数据中心对地震学研究产生了巨大的影响,做出了很大的贡献。它发展和改善了实时数据快速分析方法,工作在软件开发的最前沿,把任何地方方法学的发展并入它的分析流,并与其他国家和国际数据中心合作制定地震数据交换标准。

GEOFON数据和地震参数的获取,为地球结构和地球动力学[1-2],主要是固体地球物理的研究做出了很大贡献； 其次是对水圈、 大气层、 相关大地震和海啸的应用研究[3-5]； 再次是由国家和跨国公司组织的以减灾为目的的地震监测； 最后是针对公众的快速信息发布。

图9显示了Krüger[6]的研究成果,2014年12月26日苏门答腊9.3级地震的破裂追踪。另外,自GEOFON产出数据以来,地

图6　GEOFON 2015年5月25～27日发布的地震目录

图8　GEOFON 地震目录查询

图9　远震监测-破裂追踪： 2014年12月26日苏门答腊MW9.3地震的破裂追踪[6]

震学家利用GEOFON数据或产品进行研究发表文章近300篇。

致谢： 感谢河北省地震局李小军同志在相关资料上的帮助。

[1] Bozdag E,Trampert J. Assessment of tomographic mantle models using spectral element seismograms. Geophys.J. Int.,2010,180(3): 1187-1199

[2] Sodoudi F,Yuan X,Asch G,et al. High-resolution image of the geometry and thickness of the subducting Nazca lithosphere beneath northern Chile. J. Geophys. Res.,2011,116(B4): 257-265

[3] Blaser L,Ohrnberger M,Krüger F,et al. Probabilistic tsunami threat assessment of 10 recent earthquakes offshore Sumatra. Geophys. J. Int.,2012,188(3): 1273-1284

[4] Kumar T S,Nayak S,Kumar C P,et al. Successful monitoring of the 11 April 2012 tsunami off the coast of Sumatra by Indian Tsunami Early Warning Centre. Current Science,2012,102(11): 1519-1526

[5] Custodio S,Cesca S,Heimann S. Fast kinematic waveform inversion and robustness analysis: Application to the 2007MW5.9 Horseshoe abyssal plain earthquake offshore Southwest Iberia. Bull. Seismol. Soc. Amer.,2012,102(1): 361-376

[6] Krüger F,Ohrnberger M. Tracking the rupture of theMW=9.3 Sumatra earthquake over 1,150 km at teleseismic distance. Nature,2005,435(7044): 937-939. doi:10.1038/nature03696

GEOFON data center

Fan Xiaoyong

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration,Beijing 100081, China)

For the project of preparatory research of China global seismic network, we studied the data center of GEOFON supported by Germany. The results of research show that GEOFON data center used SeisComP3 software developed by itself,which had realized the functions of real-time data digitizing, automatic earthquake location, information distribution, data storage, data sharing, data quality control, data products etc. All these results provided important information for the project of preparatory research of China global seismic network.

GEOFON； SeisComP3； preparatory research of China global seismic network； data quality; archive data

2016-05-13； 采用日期： 2016-06-05。

范晓勇,e-mail: fxy@cea-igp.ac.cn。

地震行业科研专项： 中国全球地震台网建设预研(201508007)资助。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.009