形变数字化观测资料的处理与应用

第2期形变数字化观测资料的处理与应用31形变数字化观测资料的处理与应用邹钟毅（1）李正媛（2）陈志遥（2）邵娟（1）（1）山东省地震局烟台地震台，264000（2）中国地震局地震研究所，430071前言随着“九五”数字化观测仪器的改造完成，各观测仪器运行状况逐步正常，并产出了大量的观测数据。数字化观测与模拟观测相比，在数据方面有无可比拟的优势，数据量大，使用方便，为地震前兆资料分析和地震预报研究提供了基础。因此，要求数字化观测数据必须真实可靠。怎样提供真实可靠的观测资料是目前需要解决的主要问题。对于台站来说，观测资料处理是日常的主要工作，处理的好坏直接影响到观测资料的质量。台站处理一般为数据的预处理，经预处理得到的数据为原始前兆观测数据。在日常处理过程中，什么样的数据应该处理，什么样的数据不应该处理，是观测人员应该且必须掌握的方法。如果处理不当，会对观测数据产生重大的影响，甚至会直接影响到地震监测预报。由中国地震局地震研究所和山东省地震局研制开发的《形变前兆台站（网）数据处理系统》是处理形变观测数据的主要方法之一。该系统针对数字化观测资料出现的问题，提供了多种预处理解决的方法，最终产出真实可靠的观测结果。从1998年山东省地震局前兆试验台网开始运行以来，全国各省（市）也相继完成了前兆台网改造并已正式实施了观测，产出了大量的观测数据。但在观测数据的应用与管理上可能还存在某些弊端。各台站的观测数据都是以省为单位集中在各省地震局的前兆数据中心，基本上是各自为政，不能充分发挥数字化观测数据的优势。为了使数字化观测在今后的道路上更好地发展下去，使观测数据得到充分的利用，有必要对这方面的问题进行探讨。一、观测数据的产出目前，全国形变观测台站数字化观测仪器基本改造完成，数字采集器大部分采用的是中国地震局地壳应力研究所研制的DQS型数采仪，采集的主要是模拟电压量。个别台站使用的是其它类型的数采仪，采集的方式基本相同，只是数据文件输出格式有所差异。采集器采集的是观测仪器传感器信号通过前置放大输出的电压模拟量，采集频率为132形变学科通讯2003年次/分。采集到的数据存放于采集器的数据模块中，用本地或远程计算机通过通讯单元接收并转换成可使用的前兆数据存放于计算机硬盘上。计算机接收的数据属于原始数据，为电压量，单位毫伏（mV），每天按测项以文件的形式存放在磁盘中，包括分钟值文件和整点值文件，文件名的格式为：???????.org，命名规则按《数字化通讯控制软件》的约定自动生成，原始数据按照一定的方式转换成相应的物理量。对于形变观测各测项，一般采用线性转换方式，即将电压值乘以标定格值再加上改正值得到对应的物理量。转换过程既可在《数字化通讯控制软件》中实现，也可用《形变前兆台站（网）数据处理系统》实现。二、观测数据的处理采集器在观测读数过程中，可能会出现一些非连续的数据，例如单点突跳、台阶等。这些数据可能是仪器本身因素造成的，也可能含有前兆信息量。怎样正确地处理观测数据，是观测人员必须掌握的重要方法。在使用《形变前兆台站（网）数据处理系统》处理数据过程中，首先应该判断产生非连续数据的原因，才能正确产出真实可靠的观测数据。如果是仪器本身或人为因素等造成的突跳、台阶等（如外界干扰、调零、标定等），这样的数据必须用相应的软件处理掉，否则将会影响到观测数据的连续性，资料无法正常使用。如果是未知原因或地壳本身的变化（如地震、突变等），则数据不能随意进行处理，否则将失去其包含的信息和应有的意义。1．突跳突跳产生的现象在数字化台站观测中几乎都出现过，只是出现的程度不同（图1a）。有些台站甚至相当频繁，严重地影响到正常的观测数据。因此，对这样的数据就要及时查明原因，采取相应的措施。突跳产生的原因从目前的观测情况看，主要是仪器本身因素造成的，从地壳形变来说，2002年台站三结合课题资助图1a数字化观测记录的突跳现象第2期形变数字化观测资料的处理与应用33一般不会发生这种短时间（1~2分钟）内的突变（地震除外。地震可从观测曲线中明显看出，其突跳幅度逐步减少，各测项观测曲线同时存在）。因此，针对这种单点突跳现象，可以采用线性补差的方式进行过滤。2．台阶台阶是数字化观测资料中比较常见的现象之一，产生这种现象的原因主要有：停电、仪器调试、标定、仪器本身因素、外界干扰（如矿区的爆破、矿震）等。台阶有突变台阶和渐变台阶，突变台阶基本上是由于上述情况引起的；而渐变台阶的情况比较复杂，有外界因素的影响（如温度、气压、人为干扰等），有仪器的原因，有地壳本身的变化。在日常观测中，要能正确识别各种原因引起的台阶，针对不同的情况采用不同的处理方式。一般情况下，突变台阶变化幅度相对较大，时间较短（1~2分钟）（图2a）。这样的台阶比较容易处理，也不会产生较大的误差。在《形变前兆台站（网）数据处理系统》中进行加常数改正，可以得到较好的修正数据（图2b）。从图2中可以看出经过修正后，台阶前后的观测曲线几乎没有差异。图1b经过处理后的观测曲线图2a观测曲线中的突变台阶图2b经过台阶处理后的观测曲线34形变学科通讯2003年渐变台阶一般幅度较小，变化时间稍长，观测曲线呈缓慢上升（下降），但明显与观测趋势不符。如果确定是人为原因（调试仪器、标定以及人员进洞引起观测洞室温度改变等可查明的各种因素）或仪器故障造成的，可视情况决定是否处理。有些情况下只影响到部分观测数据，影响过后可能又会恢复到原来的水平，这不需要处理，受影响的部分根据其大小进行取舍。而另一种情况可能与先前的数据有差异，这时需对差异部分进行加常数改进。在处理这种情况的数据时，相对比较麻烦一些，而且处理结果会因人而异，误差相对较大。这就需要观测人员反复地对比试验，反复调整，尽可能减少误差。图3a是由于仪器的原因，在观测曲线中出现一渐变台阶。图3b是经过加常数改正后的观测曲线，使观测趋势前后基本保持一致，其中发生变化的部分由于数据不正常，这里进行了缺数处理。在日常观测中，各种观测仪器不可避免地要受到诸多外界因素的影响，如气压、气温、降雨等等。由于受这些气象因素的影响，观测曲线会出现一些畸变或趋势上升（下降）。对这种现象，在预处理过程中一般不要进行改正。因为这些因素不是直接作用于观测仪器上，而是作用于地壳本身造成的，是地壳变化的真实反映。虽然会影响到对地震异常的识别，但在地震预报分析中可对观测资料后处理过程进行相关改正。例如，图4中由于气压的影响，体应变和伸缩仪观测曲线都出现不同程度的突变，体应变随气压呈同步变化，而伸缩仪两个方向都出现一个突变台阶。图5是由于降雨使井孔水位升高，导致体应变发生同步图3a观测曲线中的渐变台阶图3b经过处理后的观测曲线第2期形变数字化观测资料的处理与应用35的变化。若对这些情况进行台阶改正，则随着气压、水位的逐步恢复，可能会使随后观测的曲线与前面出现一个差异。图4受气压影响的观测曲线此外，还有一种比较特殊的现象，前兆各种仪器在恢复供电后几乎都有一种拖尾现象，常常需要3~4小时后才能稳定、恢复正常观测，有时还会产生一个较大的台阶（图6a）。对这种数据的处理是最为棘手的，处理不当往往偏差很大。对于这种情况《形变前兆台站（网）数据处理系统》采用了补差公式：Yt=Yt-24+Yt-25-Yt-49进行处理，这样可以避免用手工处理时带来的较大随机性。但处理结果的好坏与前两天的数据有直接的关系，因此在处理时，一定要选择没有任何影响的数据作为参考。首先输入台阶的起始时间及恢复正常后的一个参考时间，系统将根据前两天的数据自动进行处理。图6b是经过上述方法处理后的观测曲线，图6c是去掉拖尾后的观测曲线。36形变学科通讯2003年对于不明原因的突变在处理时一定要谨慎，由于这里可能包含地壳形变的异常信息，甚至可能是地震前兆的一种反映。如果随意处理掉，就失去了观测的意义。图5受降雨影响的观测曲线图6a仪器供电后的拖尾现象图6b经过台阶处理的观测曲线图6c经过缺数处理的观测曲线第2期形变数字化观测资料的处理与应用37台阶对观测数据影响比较大，处理的好坏会影响到整个观测数据的质量。因此在处理后，还要参考前期观测曲线的变化趋势，尽可能减少误差。3．缺数在数字化观测中，由于停电、仪器调试、标定等原因，会产生许多不正常的数据，尤其是数字化仪器改造的前期，这种情况比较频繁。而这样的数据也影响对正常观测资料的查看和使用，因此对能够确定的由上述原因引起的不正常数据可进行缺数处理，以便得到较好的观测结果。在对观测数据进行缺数处理时，一定要对这段数据进行相应的文字记录，说明其原因，以备后查。同时对这段数据也不能进行任何补插，以保持数据的真实性。三、观测数据的管理在数字化观测中，观测数据是以文件的形式保存在磁盘上，包括原始数据文件和前兆数据文件两种。原始文件是接收的数据采集器采集到的各种仪器的模拟电压量数据，前兆文件是经过转换的实际观测的物理量数据。1．文件的管理台站在日常观测中，每天会产出许多的数据文件，一个月至少有二百多个文件，最多可达到几千个。面对如此大量的数据文件，必须进行合理有效的管理，才能保证不会丢失或被破坏。首先，要对计算机进行有效的管理。一般在数字化观测中各台站都配备有专门的计算机用于接收观测数据，专机专用是有效的管理方法之一。杜绝不明文件的拷入或不明软件的安装以及电子邮件的收发、安装正版病毒监视系统或防火墙、定期或不定期对磁盘进行病毒扫描是避免计算机受到病毒侵害造成系统瘫痪的另一种管理手段。其次，要对计算机进行合理的规划。对计算机硬盘一般至少要分两个区（C:、D:），对配置较高的大容量计算机，可进行更多的分区。我们的观测数据一般应放在D:盘之后，这样可以基本上保证系统瘫痪后数据文件不会丢失或被破坏。之后可针对原始数据文件和前兆数据文件分别建立多个文件夹，以便存放各个时期的各种数据文件。最后，应对各种数据文件进行备份。日常观测中应对每天的观测数据进行备份，条件允许的情况下应备份到不同的磁盘分区上。备份包括原始数据和前兆数据，而前兆数据又分未处理的数据和处理过的数据，这样便于对两种观测数据进行比较，查看其原始形态。原始数据和未处理的数据应在数据转换完成后立即进行备份。上述功能可在《形变前兆台站（网）数据处理系统》中实现，而处理过的数据备份可每天进行也可按月进行。此外，38形变学科通讯2003年有条件的单位可以将数据定期刻到光盘上存档，便于长期保存。对于数据的处理，由于各地的实际情况不同，采取的方式也不尽相同。有些省份采取台站处理，有些省份采取省地震局前兆台网中心统一处理。统一处理有其不利的一面，首先由于数据集中，手段较多，工作量较大，处理人员的任务比较繁重。其次由于各观测台站的情况不同，造成数据非正常的原因比较复杂，难于确定处理方式。若处理不当，数据的可靠性难以保证。从目前数字化观测运行较早的山东省前兆数字化试验台网来看，分开处理、集中管理的方式比较适合目前数字化的观测管理工作。因为各台站观测人员对自己的仪器运行状况比较了解，出现的问题也基本上能够查明原因，因此可以确定是否应该处理并采取相应的方式。处理过的前兆数据文件通过FTP或电子邮件传输到省局的前兆数据中心，由数据中心统一进行管理。这样可以大大提高工作效率，保证数字化观测工作合理有效地进行，推动数字化的进一步发展，为地震监测预报工作提供真实可靠的观测资料。2．数据库的管理文件形式的数据在应用上比较方便、快捷，但对于数据的保存有其不利的一面，容易造成文件丢失或被破坏，管理也比较繁琐，而数据库的管理方式相对简单一些。对于拥有服务器的省级地震局前兆数据中心，可采用SQLServer数据库进行管理，相应的软件有中国地震局地壳应力研究所开发的《前兆数据库服务软件（台网版）》；而对于台站可采用Access数据库，相应的软件有《形变前兆台站（网）数据处理系统》和《前兆数据库服务软件（台站版）》。数据库的管理方式，能够为数据共享、复制等提供基本条件，实现跨地区有权限的资料交流、共享。数据库的管理与维护相对比较复杂一些，要求操作人员计算机知识比较丰富，能够应对各种可能出现的问题。如果处理不当，对