數字前兆資料分析處理系統的設計與研制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

隨著現代化數字地震觀測技術的不斷發展，地震預報技術已由模擬觀測分析研究為主過渡到以數字化觀測分析研究為主。而針對海量數字化地震資料的處理與分析技術研究已成為工作的重中之重。目前行業內通用的地震分析預報系統（MapSIS）和地震前兆信息處理與軟件系統（EIS2000）匯集了前兆資料常用數據處理與分析方法，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；同時這兩個系統也均為基于MapInfo的開發，底圖為預先生成，更新較困難，裁剪速度較慢；此外這兩個系統需在線下載數據，再進行處理，數據的重復使用率不高。考慮到目前前兆資料分析的最新需求，集成化的數字前兆資料分析處理系統的設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“地震分析預測若干實用技術研究”子專題“地震短臨和震后綜合判定技術研究”的部分研究內容。本研究通過引進海量數據處理和數據挖掘技術，建立數字前兆資料分析處理系統，可提高數字化前兆資料分析自動化處理能力，為建立健全數字地震預測技術和方法奠定基礎，并在一定程度上提高地震預測預報水平。

1 系統概況

數字前兆資料分析處理系統的目的是為實現地傾斜、應力應變等數字形變資料，地電阻率、地磁等數字電磁資料，水位、水溫、水化等數字流體資料的正常變化識別技術及異常提取的技術方法，并實現前兆異常信息的動態展示。

系統針對不同用戶實現不同的資料處理流程。針對監測預報用戶，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，即可實現數據準備、數據預處理、數據基本加工分析、異常自動識別與報警后臺自動處理，并自動生成報告PPT供監測預報用戶會商使用。針對其他行業用戶，建立學科專用異常綜合分析和GMT專業圖像繪制的人機交互半自動處理流程。集成學科數據分析與深加工算法功能，可實現不同周期異常的后臺自動計算，并提供專業繪圖工具，制作時程曲線、二維和三維空間動態圖像等，供研究人員進行異常綜合分析。

本系統的前兆資料預處理產品、時序圖和空間圖加工產品，定時產出后，將存儲在前兆數據處理產品庫中，既可為地震業務、科研、服務用戶提供數據共享服務，又可自動生成圖形網頁，并通過Internet為國家地震局外的地震相關業務人員及社會公眾提供數據服務。

2 系統總體架構設計

數字前兆資料分析處理系統采用分層式架構，自下而上分別是數據層、業務邏輯層和表現層。如圖1所示。

圖1 數字前兆資料分析處理系統總體架構Fig.1 Framework of the digital precursory data analysis and processing system

“數據層”為部署在學科中心的產品數據庫和部署在國家中心、學科中心的“十五數據庫”。本系統從“十五”數據庫中交換得到基礎觀測數據、日志以及數據字典，并經過本系統自動加工，最終產出常規預處理產品表、圖形產品表以及報告類產品表。

“業務邏輯層”為整個系統的核心。通過對各學科各模塊業務處理流程的建模，抽象出業務邏輯，并通過本系統實現業務的整合與自動化，藉此提高工作效率。同時，本系統還包括三個學科業務處理模塊和兩個通用工具模塊。通過交換得到的基礎觀測數據，經本層業務模塊加工后可形成圖形和報告產品數據，存儲到產品數據庫中。

“表現層”為用戶與系統之間的接口。本系統除通過專業用戶客戶端為地震局系統內監測預報用戶、科學研究用戶提供專業工具外，還為系統外其他行業相關用戶和公眾提供瀏覽器端的產品服務。

系統的硬件部署如圖2所示。數字前兆資料分析處理系統核心算法部署在高性能計算服務器上；前端通過客戶機為專業人員提供人機交互加工界面，并通過瀏覽器向公眾發布產品數據；產品存儲在前兆產品數據庫服務器上，數據源來自“十五”數據庫服務器。本系統數據存儲采用Oracle10g數據庫，主要業務模塊通過VS2010平臺使用C#語言編寫，支持Windows XP或以上操作系統。

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

3 系統功能實現

為實現以上功能，本系統分為三個學科處理子系統：數字形變資料異常識別子系統、數字電磁資料異常識別子系統、數字流體資料異常識別子系統。

在各學科專業處理子系統中，“數據準備和預處理功能”、“公用數據處理和分析功能”、“異常自動識別功能”以及公用的“圖形網頁制作模塊”和“ppt自動生成公用模塊”既可根據定制參數組合為一鍵工作流程，又可獨立操作。“專用方法”及“異常綜合分析”功能是針對各學科專有的分析功能。系統功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能結構示意圖Fig.3 Function structure of the system

從算法角度來分，本系統包括三個方法庫：學科預處理方法庫、數據處理與加工方法庫、異常識別方法庫。

學科預處理方法庫：包括各學科通用的觀測數據突跳和掉格的處理、錯誤數據處理、臺階處理、缺數插值等預處理方法。

數據處理與加工方法庫：包括學科通用或專用的數據加工功能，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，用戶首先在向導式對話框中選擇分析區域的背景資料，包括行政區劃、區域活動斷裂等地理地質底圖、臺站分布情況等基礎信息；之后按照數據類型和數據范圍篩選待處理基礎觀測數據或系統計算得到的中間產品數據；在此基礎上可選擇不同的預處理方法以及異常處理方法，算法的參數既可人為定制，又可采用固定的經驗參數；最后定制繪圖基本參數，如曲線顏色、異常報警符號等，實現靈活的專題制圖效果。

經過以上向導式定制，系統可自動處理所選擇的數據，并進行異常分析，最終生成學科專用的會商PPT報告。

3.2 后臺自動處理工作流程

除人工定制數據處理外，系統還可無需人工干預，在后臺自動檢測數據更新，并觸發不同時間周期的異常自動處理。處理內容包括：最近1日（7日、1月、1年）數據與前1日（7日、1月、1年）數據的時間相關分析與方差分析；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）的空間相關分析，以及異常分析結果的自動存儲與自動制圖。

后臺自動處理結果將自動生成圖形網頁并自動發布，供用戶瀏覽。

4 系統特色

數字前兆資料分析處理系統在圖形繪制、數據操作與產品展示和服務上具有以下特色。

4.1 采用GMT交互繪圖技術繪制專業圖件

GMT（Generic Mapping Tools）是在國際地學界普遍使用的，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。GMT自帶大約60種繪圖工具和全球海岸線、國界、河流數據，在二維空間渲染圖、等值線圖、地形圖、函數圖、時序圖以及三維立體透視圖的繪制上具有靈活的參數設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方法，生成ps格式或eps格式的文件才可查看繪圖結果（Wessel,P.&W.H.F.Smith，2013.1）。對于初學者或者一般地學工作者來說，利用GMT繪制出所需的圖件需要反復調整參數并面臨各種出錯的情況。

本系統圖形網頁公用制作模塊，采用人機交互的形式實現GMT功能。系統使用人員可在完全不了解GMT命令的情況下，完成各種參數的定制，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 采用動態網頁形式展示產品圖像

本系統除存儲ps格式、jpg格式的產品圖外，還可利用網頁動態曲線圖/空間圖技術（彭愿等，2012a；2012b），將圖形產品生成動態網頁，供瀏覽器端用戶調用查看。動態網頁圖可在不連接數據庫且無任何控件的情況下，將鼠標移動經過的曲線值、空間值展示出來，如圖5所示。

圖5 網頁動態圖Fig.5 Dynamic image on web pages

產品圖像展示頁面缺省為最新生成的異常分析結果的空間分布圖，每張圖展示觀測資料1天的分析結果。通過點擊圖中的左右箭頭，可以跳轉到上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果。

采用動態網頁的形式發布產品，既能方便的顯示曲線或空間圖上的具體信息，又保障了產品數據的安全性和保密性。

4.3 具有形式豐富的底圖數據

本系統提供的底圖包括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、構造、臺站信息等多圖層數據。瓦片數據、矢量數據實現有針對性的異步加載，取代了傳統的一次請求同步響應，提高了數據加載、界面刷新的速度。

圖6 形式豐富的底圖數據Fig.6 Base mapn in different formats

4.4 產品數據安全，數據訪問高效

由于本系統既供行業內專業用戶使用，又提供數據產品的共享和發布功能。因此系統對于不同的用戶采取不同的權限設置，并且嚴格檢查數據產品的涉密性。對于經過授權的部分“數據產品”可以提供在線繪圖服務、網頁電子地圖展示服務和下載服務。未經授權的訪客只可進行產品的圖片瀏覽。

系統中計算機服務將采用“數據瓦片”技術提高數據加載速度。凡是已經使用過的數據，下次使用時不用再下載；凡是修改了的數據會自動再下載；凡是新數據會自動下載。對于相同資料的多種科學計算，只從數據庫下載一次數據。采用“數據瓦片”技術，可最大效率地提高數據的讀取速度，提升整個系統性能。

5 結論

數字前兆資料分析處理系統引進了海量數據處理和數據挖掘技術，集成了數字形變資料、數字電磁資料和數字流體資料的前兆異常識別提取方法，并提供了從數據準備、數據分析、專業制圖到演講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，以及專業處理和異常綜合分析功能。本系統產出的預處理產品、圖形、報告產品將存儲在產品數據庫中，并通過在線繪圖服務、網頁產品展示瀏覽和下載服務，構建集成統一的數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，為建立健全數字地震預測技術和方法奠定技術基礎。

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

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

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

彭愿，吳阿丹，董興鵬等，2012b.用JavaScript實現網頁曲線圖動態信息顯示.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.

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