數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)的設(shè)計與研制1

劉珠妹 李盛樂 劉 堅 蘇 融

（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢 430071）

前言

隨著現(xiàn)代化數(shù)字地震觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，地震預(yù)報技術(shù)已由模擬觀測分析研究為主過渡到以數(shù)字化觀測分析研究為主。而針對海量數(shù)字化地震資料的處理與分析技術(shù)研究已成為工作的重中之重。目前行業(yè)內(nèi)通用的地震分析預(yù)報系統(tǒng)（MapSIS）和地震前兆信息處理與軟件系統(tǒng)（EIS2000）匯集了前兆資料常用數(shù)據(jù)處理與分析方法，推廣使用至今已有10余年（陸遠忠等，2002；蔣駿等，2000）。但這兩個系統(tǒng)均為桌面版人機交互，并不能方便的一鍵操作前兆處理工作流程；同時這兩個系統(tǒng)也均為基于MapInfo的開發(fā)，底圖為預(yù)先生成，更新較困難，裁剪速度較慢；此外這兩個系統(tǒng)需在線下載數(shù)據(jù)，再進行處理，數(shù)據(jù)的重復(fù)使用率不高。考慮到目前前兆資料分析的最新需求，集成化的數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)的設(shè)計與研制已迫在眉睫。

本文是“十二五”國家科技支撐計劃項目“地震分析預(yù)測若干實用技術(shù)研究”子專題“地震短臨和震后綜合判定技術(shù)研究”的部分研究內(nèi)容。本研究通過引進海量數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)，可提高數(shù)字化前兆資料分析自動化處理能力，為建立健全數(shù)字地震預(yù)測技術(shù)和方法奠定基礎(chǔ)，并在一定程度上提高地震預(yù)測預(yù)報水平。

1 系統(tǒng)概況

數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)的目的是為實現(xiàn)地傾斜、應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)字形變資料，地電阻率、地磁等數(shù)字電磁資料，水位、水溫、水化等數(shù)字流體資料的正常變化識別技術(shù)及異常提取的技術(shù)方法，并實現(xiàn)前兆異常信息的動態(tài)展示。

系統(tǒng)針對不同用戶實現(xiàn)不同的資料處理流程。針對監(jiān)測預(yù)報用戶，建立資料處理和異常識別一鍵處理流程。用戶只需要輸入控制參數(shù)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)基本加工分析、異常自動識別與報警后臺自動處理，并自動生成報告PPT供監(jiān)測預(yù)報用戶會商使用。針對其他行業(yè)用戶，建立學(xué)科專用異常綜合分析和GMT專業(yè)圖像繪制的人機交互半自動處理流程。集成學(xué)科數(shù)據(jù)分析與深加工算法功能，可實現(xiàn)不同周期異常的后臺自動計算，并提供專業(yè)繪圖工具，制作時程曲線、二維和三維空間動態(tài)圖像等，供研究人員進行異常綜合分析。

本系統(tǒng)的前兆資料預(yù)處理產(chǎn)品、時序圖和空間圖加工產(chǎn)品，定時產(chǎn)出后，將存儲在前兆數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品庫中，既可為地震業(yè)務(wù)、科研、服務(wù)用戶提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，又可自動生成圖形網(wǎng)頁，并通過Internet為國家地震局外的地震相關(guān)業(yè)務(wù)人員及社會公眾提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)采用分層式架構(gòu)，自下而上分別是數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層。如圖1所示。

圖1 數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Framework of the digital precursory data analysis and processing system

“數(shù)據(jù)層”為部署在學(xué)科中心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和部署在國家中心、學(xué)科中心的“十五數(shù)據(jù)庫”。本系統(tǒng)從“十五”數(shù)據(jù)庫中交換得到基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)、日志以及數(shù)據(jù)字典，并經(jīng)過本系統(tǒng)自動加工，最終產(chǎn)出常規(guī)預(yù)處理產(chǎn)品表、圖形產(chǎn)品表以及報告類產(chǎn)品表。

“業(yè)務(wù)邏輯層”為整個系統(tǒng)的核心。通過對各學(xué)科各模塊業(yè)務(wù)處理流程的建模，抽象出業(yè)務(wù)邏輯，并通過本系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)的整合與自動化，藉此提高工作效率。同時，本系統(tǒng)還包括三個學(xué)科業(yè)務(wù)處理模塊和兩個通用工具模塊。通過交換得到的基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)本層業(yè)務(wù)模塊加工后可形成圖形和報告產(chǎn)品數(shù)據(jù)，存儲到產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中。

“表現(xiàn)層”為用戶與系統(tǒng)之間的接口。本系統(tǒng)除通過專業(yè)用戶客戶端為地震局系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測預(yù)報用戶、科學(xué)研究用戶提供專業(yè)工具外，還為系統(tǒng)外其他行業(yè)相關(guān)用戶和公眾提供瀏覽器端的產(chǎn)品服務(wù)。

系統(tǒng)的硬件部署如圖2所示。數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)核心算法部署在高性能計算服務(wù)器上；前端通過客戶機為專業(yè)人員提供人機交互加工界面，并通過瀏覽器向公眾發(fā)布產(chǎn)品數(shù)據(jù)；產(chǎn)品存儲在前兆產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，數(shù)據(jù)源來自“十五”數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用Oracle10g數(shù)據(jù)庫，主要業(yè)務(wù)模塊通過VS2010平臺使用C#語言編寫，支持Windows XP或以上操作系統(tǒng)。

圖2 數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)硬件部署示意圖Fig.2 Hardware platform of the digital precursory data analysis and processing system

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

為實現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)分為三個學(xué)科處理子系統(tǒng)：數(shù)字形變資料異常識別子系統(tǒng)、數(shù)字電磁資料異常識別子系統(tǒng)、數(shù)字流體資料異常識別子系統(tǒng)。

在各學(xué)科專業(yè)處理子系統(tǒng)中，“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和預(yù)處理功能”、“公用數(shù)據(jù)處理和分析功能”、“異常自動識別功能”以及公用的“圖形網(wǎng)頁制作模塊”和“ppt自動生成公用模塊”既可根據(jù)定制參數(shù)組合為一鍵工作流程，又可獨立操作?！皩Ｓ梅椒ā奔啊爱惓＞C合分析”功能是針對各學(xué)科專有的分析功能。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Function structure of the system

從算法角度來分，本系統(tǒng)包括三個方法庫：學(xué)科預(yù)處理方法庫、數(shù)據(jù)處理與加工方法庫、異常識別方法庫。

學(xué)科預(yù)處理方法庫：包括各學(xué)科通用的觀測數(shù)據(jù)突跳和掉格的處理、錯誤數(shù)據(jù)處理、臺階處理、缺數(shù)插值等預(yù)處理方法。

數(shù)據(jù)處理與加工方法庫：包括學(xué)科通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)據(jù)加工功能，如均值計算、方差計算、重力潮汐分析、傾斜矢量變化分析、地磁場頻譜分析、水位變差計算等方法。

異常識別方法庫：包括不同尺度周期的異常分析方法。如處理日尺度異常的方差分析法、空間相關(guān)分析法、地磁低點位移計算、固體潮日畸變判定法等；處理周尺度異常的速率分析法、地電場短周期異常分析法等；處理年尺度異常的傾斜矢量破年變異常分析法、地電阻率年趨勢異常提取法、地電阻率年變異常提取法、流體資料年變分析法等。

以上功能和算法不僅可供用戶獨立操作，也可組合為不同的工作流程，方便用戶的使用。

3.1 一鍵處理工作流程

一鍵處理工作時，用戶首先在向?qū)綄υ捒蛑羞x擇分析區(qū)域的背景資料，包括行政區(qū)劃、區(qū)域活動斷裂等地理地質(zhì)底圖、臺站分布情況等基礎(chǔ)信息；之后按照數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)范圍篩選待處理基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)或系統(tǒng)計算得到的中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上可選擇不同的預(yù)處理方法以及異常處理方法，算法的參數(shù)既可人為定制，又可采用固定的經(jīng)驗參數(shù)；最后定制繪圖基本參數(shù)，如曲線顏色、異常報警符號等，實現(xiàn)靈活的專題制圖效果。

經(jīng)過以上向?qū)蕉ㄖ疲到y(tǒng)可自動處理所選擇的數(shù)據(jù)，并進行異常分析，最終生成學(xué)科專用的會商PPT報告。

3.2 后臺自動處理工作流程

除人工定制數(shù)據(jù)處理外，系統(tǒng)還可無需人工干預(yù)，在后臺自動檢測數(shù)據(jù)更新，并觸發(fā)不同時間周期的異常自動處理。處理內(nèi)容包括：最近1日（7日、1月、1年）數(shù)據(jù)與前1日（7日、1月、1年）數(shù)據(jù)的時間相關(guān)分析與方差分析；最近1日（5日均值、月均值、季均值、年均值）與前1日（5日均值、月均值、季均值、年均值）的空間相關(guān)分析，以及異常分析結(jié)果的自動存儲與自動制圖。

后臺自動處理結(jié)果將自動生成圖形網(wǎng)頁并自動發(fā)布，供用戶瀏覽。

4 系統(tǒng)特色

數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)在圖形繪制、數(shù)據(jù)操作與產(chǎn)品展示和服務(wù)上具有以下特色。

4.1 采用GMT交互繪圖技術(shù)繪制專業(yè)圖件

GMT（Generic Mapping Tools）是在國際地學(xué)界普遍使用的，功能齊全的開源繪圖軟件，可運行于Windows、Linux、Mac OS三大主流操作系統(tǒng)。GMT自帶大約60種繪圖工具和全球海岸線、國界、河流數(shù)據(jù)，在二維空間渲染圖、等值線圖、地形圖、函數(shù)圖、時序圖以及三維立體透視圖的繪制上具有靈活的參數(shù)設(shè)置功能和豐富的制圖效果（Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1）。

由于GMT軟件采用命令行和腳本方式執(zhí)行，對于用戶來說并不直觀。用戶需要熟知各種繪圖工具的參數(shù)方法，生成ps格式或eps格式的文件才可查看繪圖結(jié)果（Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1）。對于初學(xué)者或者一般地學(xué)工作者來說，利用GMT繪制出所需的圖件需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)并面臨各種出錯的情況。

本系統(tǒng)圖形網(wǎng)頁公用制作模塊，采用人機交互的形式實現(xiàn)GMT功能。系統(tǒng)使用人員可在完全不了解GMT命令的情況下，完成各種參數(shù)的定制，如圖像位置、尺寸大小、繪圖范圍、顏色配置等，生成專業(yè)GMT專題圖（圖4）。

圖4 GMT交互制圖界面Fig.4 Interface of the GMT interactive graphing

4.2 采用動態(tài)網(wǎng)頁形式展示產(chǎn)品圖像

本系統(tǒng)除存儲ps格式、jpg格式的產(chǎn)品圖外，還可利用網(wǎng)頁動態(tài)曲線圖/空間圖技術(shù)（彭愿等，2012a；2012b），將圖形產(chǎn)品生成動態(tài)網(wǎng)頁，供瀏覽器端用戶調(diào)用查看。動態(tài)網(wǎng)頁圖可在不連接數(shù)據(jù)庫且無任何控件的情況下，將鼠標(biāo)移動經(jīng)過的曲線值、空間值展示出來，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)頁動態(tài)圖Fig.5 Dynamic image on web pages

產(chǎn)品圖像展示頁面缺省為最新生成的異常分析結(jié)果的空間分布圖，每張圖展示觀測資料1天的分析結(jié)果。通過點擊圖中的左右箭頭，可以跳轉(zhuǎn)到上1天、下1天的展示頁面。通過點擊空間分布圖中的某一臺站的異常符號以及詳細列表中的“詳情”按鈕，可打開臺站資料時序圖等詳細分析結(jié)果。

采用動態(tài)網(wǎng)頁的形式發(fā)布產(chǎn)品，既能方便的顯示曲線或空間圖上的具體信息，又保障了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

4.3 具有形式豐富的底圖數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)提供的底圖包括GMT地理圖、地形圖（PS格式），瓦片電子地圖（JPG/PNG格式），MapInfo底圖（TAB格式)，WebGIS（SHP格式）等（圖6）。

其中，網(wǎng)頁電子地圖可以是國家中心自帶的瓦片電子地圖，也可以是百度、谷歌、天地圖等電子地圖。地圖上可以加載斷層、構(gòu)造、臺站信息等多圖層數(shù)據(jù)。瓦片數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)實現(xiàn)有針對性的異步加載，取代了傳統(tǒng)的一次請求同步響應(yīng)，提高了數(shù)據(jù)加載、界面刷新的速度。

圖6 形式豐富的底圖數(shù)據(jù)Fig.6 Base mapn in different formats

4.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)訪問高效

由于本系統(tǒng)既供行業(yè)內(nèi)專業(yè)用戶使用，又提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品的共享和發(fā)布功能。因此系統(tǒng)對于不同的用戶采取不同的權(quán)限設(shè)置，并且嚴(yán)格檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)品的涉密性。對于經(jīng)過授權(quán)的部分“數(shù)據(jù)產(chǎn)品”可以提供在線繪圖服務(wù)、網(wǎng)頁電子地圖展示服務(wù)和下載服務(wù)。未經(jīng)授權(quán)的訪客只可進行產(chǎn)品的圖片瀏覽。

系統(tǒng)中計算機服務(wù)將采用“數(shù)據(jù)瓦片”技術(shù)提高數(shù)據(jù)加載速度。凡是已經(jīng)使用過的數(shù)據(jù)，下次使用時不用再下載；凡是修改了的數(shù)據(jù)會自動再下載；凡是新數(shù)據(jù)會自動下載。對于相同資料的多種科學(xué)計算，只從數(shù)據(jù)庫下載一次數(shù)據(jù)。采用“數(shù)據(jù)瓦片”技術(shù)，可最大效率地提高數(shù)據(jù)的讀取速度，提升整個系統(tǒng)性能。

5 結(jié)論

數(shù)字前兆資料分析處理系統(tǒng)引進了海量數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，集成了數(shù)字形變資料、數(shù)字電磁資料和數(shù)字流體資料的前兆異常識別提取方法，并提供了從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)分析、專業(yè)制圖到演講ppt自動生成的一鍵處理流程，不同周期異常的后臺自動計算，以及專業(yè)處理和異常綜合分析功能。本系統(tǒng)產(chǎn)出的預(yù)處理產(chǎn)品、圖形、報告產(chǎn)品將存儲在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，并通過在線繪圖服務(wù)、網(wǎng)頁產(chǎn)品展示瀏覽和下載服務(wù)，構(gòu)建集成統(tǒng)一的數(shù)字前兆資料分析處理平臺，進一步提升前兆異常判定的綜合處理能力，為建立健全數(shù)字地震預(yù)測技術(shù)和方法奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

蔣駿，李盛樂，張雁濱等，2000.地震前兆信息處理與軟件系統(tǒng).北京：地震出版社.

陸遠忠，李盛樂，鄧志輝等，2002.基于GIS的地震分析預(yù)報系統(tǒng).北京：地震出版社.

彭愿，吳阿丹，李盛樂，2012a.中國地震前兆臺網(wǎng)觀測曲線動態(tài)展示.大地測量與地球動力學(xué)，（S1）：49—52.

彭愿，吳阿丹，董興鵬等，2012b.用JavaScript實現(xiàn)網(wǎng)頁曲線圖動態(tài)信息顯示.軟件，（01）：98—101.

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

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