地震监测网络信息综合处理系统设计

曹志磊 周琼 周永康 龙剑锋 夏仕安 葛计划

摘要：近年来，地震系统开展了大规模的建设，不断推动地震监测台网发展，形成了测震台网和前兆台网两大数字化地震监测网络，产生了海量的基础监测资料，如何高效利用这些数据资料，提高地震预测水平，对防震减灾事业和经济的发展具有重要意义。该文通过全面分析当前地震监测网络运行状况和资料应用等方面存在的问题，提出新形势下地震监测网络信息的应用和管理模式，利用数据挖掘、信息管理等技术，实现地震监测网络信息的融合与集成，在此基础上设计出一套能够实现测震、前兆观测台网数据信息综合处理的系统，通过数据汇集、筛选、处理和分析等流程，提取可能的地震异常信息，为地震预测提供依据。

关键词：地震监测预报；地震监测台网；数据挖掘；信息管理；辅助决策

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0050-03

Abstract： In recent years， seismic system has launched a massive earthquake monitoring network construction， formed the digital seismic network composed of seismic network and precursor Network， produced a lot of basic monitoring data， it has great significance how to use these data efficient and improve the level of earthquake prediction for protecting against and mitigating earthquake disasters and economic development. In this article， through analysis the current running status of earthquake monitoring network and the problems of information application comprehensive， put forward the future application of earthquake monitoring network information and management pattern， use data mining and information management technology to realize the earthquake monitoring network information fusion and integration， to design a set of vibration can be implemented， the precursory observation network data information processing system on this basis， through data collection， screening， treatment and analysis processes， extracted earthquake anomaly information and provided the basis for earthquake prediction.

Key words： earthquake monitoring and prediction； seismic monitoring network； data mining； information management； assistant decision-making

1 背景

1966年邢臺地震后，我国现代防震减灾工作体系开始不断建立和完善，经过40多年发展，我国的防震减灾工作确立了以“预防为主，防御与救助相结合”的工作方针和总体思路，地震之前的准确预测对减少人员伤亡和财产损失具有重要意义[1]。然而，地震预报的进展距离防震减灾的现实需求要慢得多，地震预报的科学难度仍然是地震工作者必须面对的瓶颈，它比我们的预期要困难得多，因此，我们必须明确，地震预报在很长一段时间内都将是一个人类需要解决的全球性科学难题[2]。

地震成功预报是建立在完善的地震监测网络基础之上的，随着数字化、网络化，信息化技术的发展，我国地震监测网络发展迅猛，目前地震监测台网已经成为包含测震、形变、电磁和流体4大学科，20余种观测手段的地震监测网络。组成地震监测台网的台站密度大幅度增加，测项数量也急剧增多，地震监测范围基本覆盖了我国主要地区，地震监测台网产出的观测数据极大地丰富，地震科技工作者将这些数据应用于地震预测预报的研究，取得了新的成果和进展，在地震观测资料的分析研究、地震信息综合处理等方面都不断完善，产生了一系列信息处理系统，在防震减灾事业发展进程中发挥了积极作用。但当前存在的主要问题是，在实际运行中，两个观测网络资料基本独立应用，侧重点也各有不同，前兆观测网络主要完成数据汇集和处理，测震网络则主要完成地震编目和震情信息发布以及地震速报等工作而对于地震预测，两个台网的海量信息没有能够充分地融合，没有一套成熟的系统完成两类地震观测台网的信息综合处理，为地震预报所服务。

因此，我们开展的研究，目的就是整合目前前兆观测和测震观测台网信息资源，设计一个通用平台，面向不同类型用户，完成基础资料的分析处理，并利用数据挖掘的相关技术提取地震异常，在此基础上设计出一套地震综合预报系统，在总结现有地震预报研究成果的基础上，探索基于地震监测网络信息的地震综合预测模型，以期提升地震预报的准确度和及时性。

2 地震监测网络信息综合处理系统设计

2.1 地震监测信息管理概况

为了适应数字化地震观测网络数据信息管理的需要，基于地震监测网络的信息管理系统也在不断地发展，针对不同的用户和需求，形成了一系列地震信息管理系统，这些系统建立的目的都是为了解决防震减灾发展体系中的某些特定领域问题。这里所指的地震信息主要是与地震监测预报相关的数据资料，也泛指前述的数字地震观测网络产出的各类数据。

管理信息系统（Management Information System，简称MIS）是一项由多种软硬件共同组成的实用性系统，由个人、计算机等专业设备以及软件系统等相互关联作用的组织系统，它的主要功能就是对信息的处理和管理。我们针对地震监测网络产生的地震数据，设计相应的地震信息综合处理系统，系统具备管理信息系统的一般特征和功能。

2.2 地震信息综合处理系统运行程式

地震信息综合处理系统设计的最终目标是为地震综合预报服务，提取出有价值的地震信息，因此，系统必须符合地震综合预报的运行程式，实现地震综合预报是一个渐进的过程。主要包括：区域地震活动背景判定、大形势异常判定及地震危险区域划定、利用数据挖掘提取异常指标、地震时空强参数预测。如图1。

地震的综合预报是一个复杂的过程，不可能百分之百的准确，我们期望能够在整个的预报程式过程中，对各个阶段的工作正确的评价，不断筛选得到预测效果好的方法，同时也要对某些方法进行完善。

2.3 系统总体结构设计

2.3.1 系统层次结构

地震信息综合处理系统的两大功能是信息管理和综合预报，应当具有基础层、专题层和综合层三个层次的结构。

基础层，包括地震监测网络产出的数据信息，经过初步预处理加工的数据信息，与系统有关的专题数据等，同时建立共享的数据库或者数据仓库，该数据库或者数据仓库具有统一的编码和规范[3]。

专题层，包括工作区地震活动情况、正常地球物理场变化形态、前兆数据异常库、宏观异常库、测震时空异常等子系统。对于异常数据，依据前述的异常判别指标等，同时吸收近年来最新的研究成果。

综合层，包括地震信息综合处理结果、地震预测预报意见、地震预测预报辅助决策子系统等。同时建立基于信息处理结果的报表系统，规范各类报表信息的模板。

2.3.2 系统配置方案

采用客户/服务器结构（C/S结构），客户机和服务器选用通用的计算机和外部设备。

建立网络化的地震综合信息处理系统，构建一个局域网，因为地震预测预报是一项影响面很大的工作，要按照国家有关法律法规和要求进行，要确保数据的安全性和传输的可靠性。

建立适应客户/服务器结构的基础数据库系统，这一数据库系统是基于广泛应用的地震信息系统数据库基础上的数据库；数据库软件采用在地震前兆观测网络中应用的Oracle关系型数据库管理系统，增强系统融合度和数据处理效率[4]。

选用满足地震空间预测预报需要的地理信息系统（GIS）基础软件，如Mapinfo，重点考虑其与新系统锁选用软硬件之间的兼容性，与所选数据库系统的有机连接[5]。

系统采用Oracle数据库作为数据存储和交换的载体，应用程序的开发方软件采用Java语言。

2.4 数据库数据组织

地震信息综合处理的过程是渐进式的，不同的阶段所使用的数据库资料是不同的，随着地震综合预报进程的推进，利用相应阶段的数据资料，得出阶段性的决策依据。总体来讲，系统用到的数据主要可以分为原始预处理资料数据、异常判定指标和地震异常信息等。

2.4.1 数据分类

数据按照不同的分类标准进行分类，主要有以下分类方式：

按照地震学科和观测项目分类。分为重力数据、地磁数据、形变数据、地电数据、地下流体数据和测震数据等。

按照数据专题分类。分为机构代码数据、测项分量数据、地震目录数据、前兆异常指标、测震学异常指标、干扰因素数据、GIS知识库等。

按照数据用途分类。分为正常背景数据、数值分析数据、异常判定数据、宏观异常数据、异常综合报告等。

2.4.2 数据来源

地震信息综合处理系统数据库主要有以下来源：“中国地震前兆台网数据处理系统”产出的各观测仪器预处理数据库；“中国地震台网中心地震数据管理与服务系统”共享的地震连续波形文件和地震目录，部分波形文件来源于省局地震台网中心；基于GIS的地图知识库，包括省级区域地图、地震断裂带图、地质图等；地震行业标准（DB/T3—2003）地震及地震前兆测项分类与代碼；宏观监测网点上报并核实的异常信息。

2.4.3 数据编码

对原始数据库内容进行汇集、运算和存储，形成地震信息综合处理系统的基础数据库，对运算后的数据进行统一编码。主要包括经过处理后的前兆数据库、测震数据库和宏观异常信息数据库，这三类数据库是整个地震信息综合处理系统运行的关键和基础。编码主要依据“地震前兆数据库结构规范”进行。

前兆数据库：包含整个测量、数据处理等环节，涵盖仪器运行和产出数据的相关信息，主要有观测环境、仪器性能和参数、观测日志信息以及辅助观测信息等。前兆观测受观测仪器采样率、测项特性、工作需要等因素的影响，观测中将产生出多种数据表形式，主要包括秒值表、小时值表、日（均）值表和事件数据表等。前兆数据库还包含日志表、基础信息表等。

测震数据库：主要包括有震波形和无震波形，一般情况下，在地震预测研究中，主要用到有震波形数据，也就是地震事件数据。无震波形一般进行地质背景等方面的研究。对于有震波形数据等的处理和存储主要依靠两类数据表，即地震目录表和地震事件波形文件，地震波形的存储采用SEED格式（地震数据交换的国际标准格式）。地震序列目录数据表主要用于存储最终地震定位结果，按照地震发生的时间顺序存储，存储的内容主要包括地震序列文件，发震地点，发震时间，经度，纬度，地震类型，地震震级，类型说明等字段。

异常信息数据库：地震宏观异常信息的获取途径主要通过宏观监测网点上报信息，一般通过宏观异常报告不定期上报，在信息处理系统的客户端开辟宏观异常信息上报模块，通过Web网页方式进行填报，实时反馈给有关专家进行异常判定，对于能够落实的宏观异常进行入库处理，形成宏观异常信息数据库。宏观异常信息数据表详细记录宏观异常的起止时间、异常现象、异常类别，核实过程，异常幅度等信息。类型按照动物、水体、光、地质等分类。

2.5 系统设计

地震信息综合处理系统主要包括信息收集处理系统，地震异常信息挖掘系统，异常数据分类系统，地震综合预测系统和综合报告输出系统5个子系统。如图2、图3。

地震信息综合处理系统最主要的任务事实上是对大量数据资料的汇集和深入挖掘，从海量地震数据和相关数据中挖掘出有利于地震预报的地震信息，地震信息综合处理系统的几个子系统也是基于以上目标，分步骤的实现地震预报的科学决策，提供判定的依据。各个子系统之间有着紧密的联系。其中，信息收集处理子系统是整个系统的基础工作，实现数据查询、数据转换和编辑、数据调用等功能，以优化数据采集和处理工作。地震异常信息挖掘子系统从预处理数据库中，利用各类数据挖掘方法，提取出有用的地震异常信息并入库。异常数据分类系统主要功能就是对地震异常信息数据库中的数据进行分类。地震综合预测系统对异常数据库中相关数据通过数学方法加以分析归纳和整理，利用现有的经验和知识，就有可能在这些庞杂的独立现象中确定出可能影响地震预测的特殊组合，对地震三要素进行综合性的预测。综合报告输出系统输出内容为地震综合预测的最终结果，直接进行地震趋势的判定，给出预测预报的意见供用户参考，预测预报意见的内容将会分别对区域内长期地震趋势、中短期地震趋势和临震趋势进行分层次描述。

3 结束语

“基于地震监测网络的信息综合处理系统设计”的研究，出发点是实现地震监测网络数据资源的更高效利用，为地震预测研究工作提供更可靠的依据和决策参考。系统设计的载体是利用信息管理技术、数据挖掘技术、数据库技术、软件技术等实现地震预测各个环节的程序化和自动化。系统最终要解决的问题，是实现地震监测网络中各类网络资源，例如前兆和测震等网络资源的整合利用，实现海量地震信息的高效汇集和综合应用，尝试进行地震综合预测的研究。

系统设计基于实际的地震预测预报工作进行，而地震预测预报的复杂性也决定了我们所设计的系统不可能解决地震预测预报这一世界性难题，但通过对工作效率的提升，总结较为成熟的案例，积累有益的成果，为推动防震减灾事业发展提供更多的参考依据和思路。

参考文献：

[1] 陈建民. 中國地震灾害与防震减灾[J].财经界， 2007，25（11）： 54-62.

[2] 丁国瑜， 戎绍昌. 我国地震科学技术发展现状与前景[Z]. 中国地震局科学技术委员会， 2005.

[3] 王方建， 李卫东，赵国峰，等. 区域地震前兆数据集成共享模型[J]. 中国地震， 2010， 26（2）： 218-224.

[4] 盖殿广， 刘希强， 唐廷梅， 等. 基于Oracle的地震数据仓库系统的建立[J]. 防灾减灾学报， 2012， 28（2）： 57-60.

[5] 沈业龙， 黄晓岗， 谢庆胜， 等. 基于GIS的城市防震减灾信息管理系统设计研究[J]. 灾害学， 2001， 16（4）： 8-12.