跨斷層測距外業記錄與資料處理軟件的研制

趙峰 周輝 馬亮

趙峰，中國地震局第二監測中心監測研究院工程師，現主要從事地殼形變監測與研究工作，長期堅守在青藏高原地殼形變監測第一線，具有十分豐富的形變監測實踐經驗。近幾年來，參與跨斷層測距采集與數據處理軟件研發等項目，作為形變觀測組組長，先后承擔“綜合地球物理場青藏東北緣項目”“綜合地球物理場鄂爾多斯周緣項目”和“綜合地球物理場大華北項目”等重大項目的野外觀測工作，所完成的觀測成果連續5年獲得中國地震局數據質量評比第一名。

周輝，中國地震局第二監測中心科技信息室副主任，高級工程師，工學碩士。

研究 背景

跨斷層形變監測被認為是較可靠的地震前兆監測手段之一。目前中國地震局第二監測中心每年負責12個跨斷層測距場地的觀測任務。直到2015年跨斷層測距外業觀測數據采集仍然使用1993年問世的惠普HP-100LX掌上電腦，與其配套的HWJB2002記錄軟件是基于DOS的Qbasic45程序。在數據記錄及資料處理等方面，均存在較多問題。

1.手持端設備已停產多年，所配套外業記錄軟件功能不完善

HP-100LX掌上電腦已停產多年，該機器及數據連接線經過十多年的使用已嚴重老化，故障率越來越高，很難找到相匹配的零部件。之前，為了保障觀測的順利進行，在外業觀測過程中作業人員通常須攜帶著全部僅有的4臺掌上電腦，以備在掌上電腦發生故障時能夠及時替換使用。HWJB2002記錄軟件雖然有完備的數據記錄功能但沒有超限檢查功能，觀測人員需要另外手動計算觀測結果檢查是否超限，給正常觀測記錄帶來極大的不便。

2.桌面計算機端資料處理軟件存在嚴重不足

資料處理軟件HWP20在設計之初并未考慮到儀器型號的變更及單邊測量等問題；用該程序生成手簿后，還存在個別觀測的內容錯誤或空缺，仍然需要人工修改。另外該軟件被注冊到指定計算機以后，該計算機服役時間較長，主機嚴重老化，運行緩慢，容易出現故障，嚴重影響觀測手簿整理的效率。

3.資料整理中手工操作工作量過大

在后期資料整理過程中，成果及精度統計表的編制工作都由觀測小組成員手工操作完成。手工操作可能會帶來操作失誤、準確率低等問題。同時，由于每年都要進行跨斷層測距工作，編制成果及精度統計表時均需大量的人工計算，大大增加了資料處理人員的工作量。

本研究正是面對跨斷層測距工作中的實際迫切需求，在手持端和桌面計算機端更新相應的硬件和軟件，研制開發一套適用于手持智能終端的跨斷層測距觀測外業記錄軟件和一套適用于桌面計算機端的資料處理軟件。

研究目標及任務

1.選用一款完全適合外業作業環境的手持智能終端，開發基于該手持智能終端的集觀測數據記錄和超限檢查于一體的外業記錄軟件。該軟件具有以下功能：觀測數據獲取與記錄；作業時間智能化提示；按測量規范各項限差要求對操作嚴格控制和人性化提示；將原始觀測數據以加密方式保存。

2.開發基于Windows桌面操作系統的資料處理軟件。該軟件主要集成以下功能：生成外業記錄軟件用配置文件；外業觀測手簿的生成與打印；成果及精度統計表的生成與打印；可解密加密后的原始觀測數據，并可將其轉換為與現有數據格式一致的數據文件。

功能設計與實現

針對前述目標及任務，本研究具體開展了以下軟件的功能設計和實現。

1.軟件功能設計

（1）跨斷層測距外業記錄軟件

結合監測隊實際外業工作需求，跨斷層測距外業記錄軟件設計了3個模塊，分別是：外業觀測記簿模塊、實用功能模塊和軟件設置模塊（圖1）。

外業觀測記簿模塊有以下功能：根據記錄人員的操作記錄觀測基礎信息、天氣情況和觀測數據等，并計算出單次觀測成果；在記錄的過程中對一些限制條件進行超限檢查；最后對原始觀測數據加密，使得原始觀測數據在存儲時以加密方式存儲。

圖1 外業記錄軟件功能模塊圖

實用功能模塊的功能有：讀取指定跨斷層測距的觀測數據以及計算相對誤差等觀測成果，根據對應的超限標準進行提示；可根據日期和觀測場地的經緯度等參數計算日出日落時間以及允許觀測的時間段。

軟件設置模塊主要用于設置和查看程序正常運行所需的各種參數，包含：當前觀測期數、是否使用軟鍵盤等。

（2）跨斷層測距資料處理軟件

資料處理軟件由3個模塊組成，分別是成果與手簿模塊、儀檢文件模塊和配置文件模塊（圖2）。

成果與手簿模塊功能是根據配置參數與觀測成果生成最終的成果及精度統計表、觀測手簿。

儀檢文件模塊功能是生成測距儀加常數K測定表、生成測距儀工作頻率偏差的檢驗與校正（乘常數R）記錄表、生成氣壓表校核表、生成溫度表校核表和生成反射棱鏡校核表。

配置文件模塊主要用于生成外業記錄軟件運行所需要的各種參數，包含：當前觀測期數、場地、點位、儀器等參數。

2.軟件開發

（1）跨斷層測距外業記錄軟件

本研究最終選用符合IP64防護等級的Android智能終端作為外業記簿器，因此，外業記錄軟件須基于Android系統開發。Android是一種基于Linux內核的自由及開放源代碼的操作系統，主要應用于移動設備，如智能手機和平板電腦，由Google公司和開放手機聯盟領導及開發。可利用Eclipse軟件為集成開發環境，采用Android虛擬設備（AVD）進行仿真，使用JAVA語言進行開發Android應用程序。搭建、配置Android開發環境需要的軟件工具有 Java Development Kit（JDK）、Eclipse、Android Software Development Kit（Android SDK）和 Eclipse 插件 ADT。

圖2 資料處理軟件功能模塊圖

（2）跨斷層測距資料處理軟件

資料處理軟件在Windows桌面系統中運行，因此選擇微軟C#作為開發語言、微軟 Visual Studio作為開發工具。

外業記錄軟件和資料處理軟件運行界面如圖3和圖4所示。

3.軟件調式與測試

軟件從開發到完成經過了兩個測試階段。

（1）單元測試，在開發階段完成。每個類或小段程序甚至每個處理函數，都要進行單元測試；

（2）軟件功能綜合測試。軟件在正式使用前進行了兩次綜合自測。

①與歷史資料對比測試。使用外業記錄軟件重新模擬記錄了2007年至2014年本單位的所有的跨斷層測距原始資料，使用資料處理軟件生成相應的觀測手簿和成果表。經對比，所生觀測手簿和成果表與檔案資料完全一致。

圖3 外業記錄軟件

②跨斷層場地外業測試。課題組根據任務書計劃組織了一次外業測試任務。2016年8月23—25日，科技信息室、監測隊一行10人赴寶雞市陳倉區縣功鎮馮家山村馮家山跨斷層場地進行了水準與測距場地聯合測試（圖5）。該場地有A、B、C、D四個測點，首先進行的是跨斷層場地水準測量獲得測點的相對高差；然后是場地測距，獲得測點之間的距離，現場觀測條件良好。通過對觀測結果進行現場計算，觀測成果數據精確，驗證了軟件的準確、實用性。本次測試證明外業記錄和測距資料軟件均達到了設計的要求，能夠滿足跨斷層測距業務的要求。

4.關鍵技術

圖4 資料處理軟件

圖5 馮家山跨斷層場地測試

①允許觀測時間段計算算法的研究與實現。利用觀測場地所在地的經緯度坐標和觀測日期推算出當天的允許觀測的時間段。眾所周知，一年之中日出、日落時間是不斷變化的。即使是在同一天當中，不同緯度的日出時間也是不同的。地球每時每刻都圍繞著太陽自西向東公轉。根據運動的相對性，我們從地球上也能觀測到太陽在一年當中圍繞天球黃道自西向東旋轉一圈，這自然會導致太陽的赤經與赤緯時時刻刻都發生變化。并且不同日期，其變化的快慢也略有不同，這就導致了一年之中日出、日落時間是會隨季節不斷變化的。日出、日落的時間會隨季節及各地方緯度的不同而改變。本軟件利用觀測場地所在地的經緯度坐標和觀測日期可以方便推算出當天的日出、日落時間，由此推算出當天的允許觀測的時間段，滿足野外觀測的需要，避免日光、溫度對觀測的影響。

②高效嚴密的原始觀測數據加、解密算法的研究與實現。特別是如何實現在外業記錄軟件所使用的JAVA語言和資料處理軟件所使用C#語言之間保持協調一致的加解密算法是本研究中特別關鍵的難點。

總結及下一步工作計劃

本項研究工作得到了中國地震局地震星火計劃項目的資助。該項目已于2017年通過了專家驗收，驗收結論為優秀。

本研究開發的外業記錄和資料處理軟件已經在本單位的觀測任務中得到了應用，同時也取得了一項軟件著作權。2015年，本系統在主體功能開發完成的情況下，正好本單位僅剩的幾臺HP-100LX記簿器均無法正常啟動，因此外業記錄與資料處理軟件從這個時候開始在本單位跨斷層測距業務中進行了試用。

2016年、2017年在中國地震局綜合地球物理場大華北項目中這些軟件正式用于跨斷層測距觀測。在出測前，編制了軟件使用說明書，并由技術人員對觀測人員進行了系統培訓，掌握了軟件的基本操作。在實際觀測中，觀測人員普遍反映軟件操作簡單、方便，減輕了很多野外觀測工作量。通過軟件可以方便的記錄觀測基礎信息、天氣情況等，在記錄的過程中對一些限制條件進行超限檢查，不再需要人工干預，非常適合野外觀測。在后期的資料處理中，可以自動生成觀測手簿和觀測成果表，大大降低了出錯機率，提高了工作效率。由于在實際使用過程中積累了良好的口碑和用戶體驗，2018年初，中國地震局第一監測中心的跨斷層測距業務開始采用本項目開發的跨斷層測距外業記錄與資料處理軟件系統。觀測人員也認為軟件操作簡單、非常實用，解決了跨斷層測距觀測中一系列實際問題，大大減輕了野外工作人員的工作量。

如何進一步提高用戶體驗，并增加遠程觀測數據傳輸等更實用的功能，是我們將來繼續研究的方向。