基于震例的測震學異常輔助判定系統

黃金剛 薛艷 宋美琴 周龍泉 易桂喜呂堅 張致偉 任梟 韓立波 鄭建常

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）中國地震臺網中心，北京 100045

3）四川省地震局，成都 610041

4）江西省地震局，南昌 330039

5）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

6）山東省地震局，濟南 250102

0 引言

我國是全球大陸地震最頻繁、地震災害最嚴重的國家之一。最早的地震記錄可追溯到公元前23世紀的山西蒲州 5?2 級地震。我國大規模的地震預報探索始于20世紀60年代。從1966年邢臺地震開始，中國地震局針對每一次顯著地震均組織相關部門和單位編著并出版震例專著，如《一九六六年邢臺地震》、《大同-陽高地震研究》等。1986年國家地震局開創并啟動了中國大陸震例的規范化研究工作。截至2012年，累計編寫了266次M≥5.0地震震例資料，正式出版 10冊《中國震例》（1966－2006）（張肇誠，1988、1990a、1990b、1999、2000；陳棋福，2002a、2002b、2002c、2008），《中國震例（2007-2012）》（蔣海昆，2014）已經成稿，正在校對、刊印階段。這些文獻為進一步開展地震預測探索提供了全面的震例研究基礎資料，是廣大地震科學工作者必備的工具書。

目前，我國地震預測研究仍處于基于震例統計的經驗預測階段，日常震情跟蹤與年度危險區判定依據主要來自《中國震例》的經驗總結，但是，《中國震例》均是針對單次地震前的異常現象的匯總，而地震預測人員更多地需要具有普適性的指標性方法來指導預測工作。《中國震例》資料目前已經以PDF格式掛載在Mapsis軟件平臺上，但使用者只能分別查閱不同震例，無法方便地得到一個匯總的結果，這阻礙了基于震例資料的進一步研究。目前，已有的研究成果主要是基于部分震例資料，針對某項異常的系統研究（曲延軍等，2010；敖雪明等，2010；李瑩甄等，2011；劉蒲雄等，1989；蔣海昆等，2009），且以期刊論文的形式存在，分布零散，非常不便于查閱、使用。

測震學科技術管理組通過對1966～2012年《中國震例》收錄的266次M≥5.0地震震例前的測震學異常進行系統梳理，初步清理出震前普遍存在的可量化統計的圖像類、參數類、數字地震學新方法等3類共計11項異常，分別為地震條帶、空區、平靜、b值、前震、頻度、震群、震情窗口、波速比、視應力與震源機制解一致性。同時也發現，《中國震例》基礎數據存在一些問題，為了確保基于震例資料的統計結果的可靠性，測震學科技術管理組又對震例資料進行了逐條核實。

此外，學科組還收集了190余篇與11項測震學異常有關的國內外研究論文（陳宇衛等，2007；敖雪明等，1996；Wyss，1986、2000；蔣海昆等，2003；易桂喜等，2013；王林瑛等，2014；王蘭蘭等，2004；楊芬等，2010；李艷娥等，2012；Marsan et al，2012），并以 PDF格式存儲，供使用者查閱，同時還保存了重要研究結果的圖件。

在此基礎上，完成了以下工作：①匯總11項異常在每個震例中的開始時間、結束時間、最低震級、異常范圍、主震震級、主震位置、異常判定等基礎信息，建立測震學異常數據庫；②基于異常數據庫，編制測震學異常輔助判定系統，該系統易于操作，界面友好，便于使用者進行深入、系統的研究。

1 系統技術流程與數據處理步驟

圖1為“基于震例的測震學異常輔助判定系統”的技術流程圖。本系統最核心的內容是建立測震學異常數據庫。基于1966～2012年266次M≥5.0地震震例資料，匯總測震學中地震活動圖像、數字地震學、參數等3類11項異常，分別為地震空區、條帶、前震、震群、震情窗口、波速比、震源機制解一致性、視應力、b值、頻度與平靜。以每一次震例的發震時刻為檢索指標，建立異常信息庫，異常信息包括：異常項名稱、異常最低震級、異常范圍、異常判據、異常開始時間、異常結束時間、預測三要素（指震例中主震的發生時間、強度與地點）、對應震例名稱、異常圖件編號等。其中，異常圖件編號與相應的圖一一對應，編號以“發震時刻＋方法＋序號”為命名規則，以便于后期檢索調用。數據庫采用EXCEL格式。

在建立測震學異常數據庫的基礎上，編制測震學異常輔助判定系統。基于該系統，使用者可以對266次不同構造區域的地震，統計某項測震學異常的時間、地點與強度，如統計異常出現時間與發震時間間的關系、異常持續時間與主震強度間的關系、異常范圍與主震位置間的關系等，根據這些統計結果，提煉預測指標。

圖1 系統平臺的技術流程

2 系統關鍵技術

GIS技術是系統的基礎核心部件。本系統基于.Net Framework的桌面程序，使用了桌面GIS組件Map Win Gis。區別于傳統的桌面GIS應用，Map Win Gis是一個非常輕量化的GIS組件，Map Win Gis的核心組件只有10M左右，而且不依賴任何GIS桌面與GIS系統。這意味著系統可以獨立使用，不需要安裝龐大的GIS專業軟件（如Arc Gis、Map Info等）。

2.1 Map Win Gis簡介

Map Win Gis是開源的GIS二次開發組件，基于MPL開源協議，可以免費使用并自由修改和發布，類似于 Arc Gis的 AO，基于微軟的 COM思想編寫，其核心是 Map Win Gis的Active X控件。開發人員可以利用Active X控件在自己的系統中添加與GIS相關的功能（楊益飛等，2010）。

Map Win Gis的主要功能包括：直接打開、編輯、保存 Shape File、Image、Grid、Tin、Dbf等格式的文件；在地圖中對圖像進行瀏覽、標注，支持矢量數據的符號化、柵格數據的透明顯示，在地圖中對矢量數據進行空間數據查詢，動態地在圖層上標注空間數據、存儲地圖中的相關數據，對不同格式進行轉換等功能（鄭大鵬，2012；呂秀琴等，2012）。

2.2 Map Win Gis在系統中應用的關鍵技術

系統中使用的地圖文件都是Shape File格式，系統借助Map Win Gis組件對Shape File進行圖層加載、顯示、查詢、編輯和保存。

2.2.1 加載和顯示圖層

調用Map Win Gis控件的Add Layer方法，傳入要加載的Shape File文件名，即可加載和顯示該圖層。Add Layer的方法簽名如下：int Add Layer（object，bool）。

2.2.2 獲取和選擇圖層中的內容

首先，獲取當前圖層，將Shape File圖層添加到 Map Win Gis中，得到1個唯一的句柄（Handel），通過句柄可以得到某一圖層，調用方法為：object get＿shape file（int）。

返回對象為Shape File對象，獲取當前圖層選擇的對象時，可以遍歷當前圖層的所有圖形對象，調用Shape File的get＿Selected方法判斷圖形是否被選擇，傳入的參數為圖形的索引，方法簽名如下：Bool get＿selected（int index）。選擇當前圖層上某些圖形時，也可以遍歷當前圖層所有圖形，調用Shape File的set＿selected方法手動選擇圖形，參數是圖形的索引，方法簽名如下：Bool set＿selected（int index，bool pVal）。

根據范圍手動選擇某些圖形時，其實現相對比較復雜。例如，選擇某省范圍內所有條帶異常，條帶異常指標為一圖層，而省界為另一底圖圖層。首先，從底圖圖層查找某省的范圍圖形對象，然后，調用該對象的Contains方法依次判斷條帶圖層的圖形是否在范圍圖形對象內，方法簽名如下：Bool Contains（Shape shape）。

2.2.3 繪制異常指標統計圖

系統中所有異常指標都是以Shape File保存，異常指標的Shape File圖層中包含了異常指標的所有字段，其中，經緯度使用地震震例的經緯度，其他字段為與指標相關的屬性，如條帶指標包含起始震級、主震震級、異常持續時間等，繪制異常指標統計圖時，需要從Shape File中提取相關字段的值，然后繪制統計圖。

從 Shape File中提取字段的值時，首先，調用Shape File對象的get＿Field Index By Name，獲得該字段索引，然后，對圖層中每個圖形調用Shape File對象的get＿Cell Value方法獲取圖形對應字段的值，參數為字段索引和圖形的編號，方法簽名如下：Object get＿Cell Value（int field Index，int shape Index）。

2.2.4 系統的發布

用戶使用Map Win Gis開發的GIS系統時，不需安裝Map Win Gis系統，也不依賴其他桌面GIS系統（如Arc Gis、Map Info等），只需將Map Win Gis控件及其依賴庫打包到安裝程序中。

Map Win Gis控件需要注冊，可在安裝腳本中自動注冊，依賴包的大小取決于需要的功能，如果只需要使用Map Win Gis的基礎功能，只需打包幾個關鍵依賴包即可。在系統中依賴包包括：Shape File庫、圖形庫及GDAL庫，依賴包的大小共約10M。

3 主要功能及特色

3.1 主要功能

3.1.1 查詢功能

（1）可以對11項測震學異常信息進行查詢，包括定義、基本原理、適用范圍、主要參考文獻等信息。例如，選擇波速比異常項，點擊“定義”功能鍵，就可以出現波速比的相關信息（圖2）。

（2）PDF格式的震例報告查詢

系統收集到《中國震例》1966～2006年所有已經發表的震例報告，并以PDF格式存儲。查閱方法如下：選中軟件左側數據圖層中的“震例”，則右側底圖上就會顯示出所有震例的空間分布，點擊功能菜單“參考文獻”，即可出現所有PDF震例報告，使用者可選擇某個報告雙擊閱讀。

（3）與11項測震學異常相關的研究論文查閱

除了收集《中國震例》資料外，系統還收集了190余篇與11項測震學異常有關的國內外研究論文，并以PDF格式存儲。例如，如果查閱與前震有關的研究論文，則選擇軟件左側數據圖層中的“前震”，再點擊功能菜單中的“參考文獻”，則在右側就會出現與前震相關的研究論文，使用者可以雙擊閱讀（圖3）。（4）震例報告中異常圖件查詢

圖2 異常項相關信息查詢結果

圖3 “前震”相關論文查閱示意圖

可以查閱《中國震例》中任意一次震例報告中與11項測震學異常相關的圖件。例如，查閱地震條帶異常圖件，首先選擇數據圖層中的“條帶”，則右側就會顯示出震前出現條帶異常的所有震例分布，任意選擇某個地震（圖4中的紅色矩形），則右側就會在原底圖上出現該次地震前的條帶異常圖件（圖4）。

圖4 查閱某一地震前的異常“條帶”圖件

（5）已有研究結果的典型圖件查詢

提供了與11項異常有關的重要研究論文圖件，并與系統的結果進行對比。例如，在功能菜單中選中“條帶”，點擊右鍵，選擇“時間預測指標”，則會出現已有的研究結果圖件（圖5中的右圖）及本系統的統計結果（圖5中的左圖，藍色柱狀圖）。

圖5 關于地震“條帶”的已有研究結果圖件（關于時間預測的圖件）

3.1.2 統計與繪圖功能

本系統可以對11項異常進行統計繪圖。選中某個數據圖層（即選中某個異常項），分別點擊“強度指標”、“時間指標”及“地點指標”，可以得到該異常項的時、空、強統計圖件。例如，選擇“空區”異常項，右側底圖中就會顯示出在震前出現空區異常的所有震例的位置（圖6中黃色矩形）；在此基礎上，再選擇功能菜單“強度指標”，則會出現“空區”持續時間與主震震級間（圖7（a））、圍空震級與主震震級間（圖7（b））、“空區”尺度與主震震級間的關系圖（圖7（c）），由圖7可見，“空區”持續時間、圍空震級及“空區”尺度等均與主震震級呈正相關關系。

圖6 選擇“空區”異常項與所有震前出現“空區”異常的震例空間分布

點擊功能菜單“時間指標”，則出現“空區”持續時間的統計圖（圖8）。當震情跟蹤過程中出現了1個地震“空區”，其圍空震級為3.0，“空區”尺度為200km，則可根據圖7大致推測未來強震的震級。由圖8可見，利用“空區”預測地震的優勢時間為“空區”持續3個月內，其次為持續3個月至1年內。由于地震均發生在“空區”內部或邊緣，所以，軟件不再統計地點預測。

3.1.3 分區域統計功能

可根據預測需求，分多邊形、方形、矩形、構造區域、省界等不同區域給出11項測震學異常與主震時、空、強的統計圖件。例如，選擇“空區”，再點擊“選擇”功能菜單，則出現一個下拉菜單，內容主要有“按矩形選擇、按多邊形選擇、按統計分區選擇、按省選擇”等，如果點擊按“統計分區選擇”，則又出現一個下拉菜單“青藏高原北部、天山、南北地震帶中南部、華北”，即中國大陸按照構造分為這4個統計分區，如果選擇“南北地震帶中南部”，則右側底圖中南北地震帶中南部的震例顏色將變為黃色，即選擇了該區的震例資料（圖9）；然后再次點擊“強度指標”功能菜單，則會出現根據該區震例得到的統計結果（圖10）。

圖7 中國大陸地區5級以上震例前的“空區”強度統計

圖8 中國大陸地區5級以上震例前的“空區”持續時間統計

3.1.4 存儲功能

系統產出的每一幅圖件，只要點擊菜單條上方的截圖按鈕，即可將其保存到指定的文件夾；或者點擊鼠標左鍵，也可以實現對所繪圖件的存儲。存儲的圖件為jpg格式。

圖9 選擇南北地震帶中南部5級以上震例作為研究對象

圖10 南北地震帶中南部“空區”持續時間（a）、圍空震級（b）、“空區”規模（c）與主震震級間的統計關系

3.1.5 添加新震例

系統數據庫具有開放性特征，可以隨時添加新震例。為了保證數據的可靠性，數據庫的更新是有權限的，一般使用者無此權限，不能隨意添加新震例。當有新震例時，測震學科技術管理組會及時整理異常信息，更新數據庫，并盡快將更新后的軟件發送給使用者。

3.2 系統使用

進入系統后，界面上方提供系統工具欄，包括GIS基礎縮放、選擇、統計圖等功能；系統左側提供了圖層導航欄；系統右側為圖層顯示區域。

在圖層導航欄中，勾選／反勾選某一圖層，可以顯示或隱藏該圖層。點擊圖層右側圖標，可以編輯圖層中的數據顯示形狀。點選某一數據圖層（異常指標圖層）后，點擊工具欄的功能按鈕，進行相應功能使用，如點擊“強度指標”，則在彈出對話框中顯示該異常的強度統計圖。在右側圖層區，點擊查看“屬性”，然后點擊某一異常圖形，可以查看該異常的相關圖件等內容。

系統對各類統計圖都提供了保存功能，并同時提供了圖層的截圖功能，以方便用戶保存制作的底圖。

4 小結

（1）首次建立了可實現檢索的測震學異常數據庫。數據來源于11冊《中國震例》（張肇誠，1988、1990a、1990b、1999、2000；陳棋福，2002a、2002b、2002c、2008；蔣海昆，2014），其中，前10冊已經正式出版，而最近1冊（2006～2012）待出版，共涉及266次震例前出現的測震學異常信息。該數據庫具有開放性，可以隨時追加最新的震例研究結果。

（2）首次建立了測震學異常輔助判定系統。該系統界面友好，操作簡單，便于安裝。GIS技術是系統的基礎核心部件。系統是基于.Net Framework的桌面程序，使用了桌面GIS組件Map Win Gis。區別于傳統的桌面 GIS應用，Map Win Gis是一個非常輕量化的 GIS組件，Map Win Gis的核心組件只有10M左右，而且不依賴任何GIS桌面與GIS系統。這意味著系統可以獨立使用，不需要安裝傳統的龐大的GIS專業軟件（如Arc Gis、Map Info等）。

（3）軟件平臺可以實現如下功能：

①提供基于GIS的3類共計11項測震學異常信息的查詢。

②可以查閱所有已發表的PDF格式的震例報告。

③可以查閱190余篇與11項測震學異常相關的國內外研究論文。

④點擊功能菜單可實現11項測震學異常與主震時、空、強間的統計圖件；并提供了相應方法已有研究結果的典型圖件。

⑤可根據預測需求，分多邊形、方形、矩形、構造區域、省界等不同區域給出11項測震學異常與主震時、空、強間的統計圖件。

⑥針對某一種方法，點擊目標地震，即可釋放出《中國震例》中該方法在該次震例前的異常圖件。

⑦點擊“截圖”按鈕，可將所繪圖件保存到目標文件夾中。