李 赫 龔永儉 劉 磊 劉雙慶 譚毅培 高 也 尚先旗 胡培元

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MATLAB在數(shù)字地震觀測報告編制中的應用

李 赫 龔永儉 劉 磊 劉雙慶 譚毅培 高 也 尚先旗 胡培元

（天津市地震局，天津 300201）

數(shù)字地震觀測報告是計算視應力等重要參數(shù)的基礎性資料。JOPENS數(shù)據(jù)服務可提供地震目錄，為使用ESSA軟件計算視應力等參數(shù)提供了前提，但ESSA與JOPENS數(shù)據(jù)服務沒有程序接口，需要從JOPENS數(shù)據(jù)服務網(wǎng)站手工下載地震目錄并按需求人工篩選數(shù)據(jù)編制成數(shù)字地震觀測報告。針對手工編制數(shù)字地震觀測報告效率低且容易出錯的問題，利用MATLAB開發(fā)出一套程序，對數(shù)字地震觀測報告的編制實現(xiàn)了自動化處理，大大提高了工作效率，降低了出錯率，能夠更好地為地震分析預報工作提供數(shù)據(jù)服務。

MATLAB 地震觀測報告 編制 視應力 地震預報

引言

地震觀測報告是地震定位過程中產(chǎn)出的、以一定技術(shù)規(guī)范編輯生成的文本報告，它是區(qū)域測震臺網(wǎng)觀測產(chǎn)出的最終成果之一，是具有廣泛使用價值的地震基礎資料，在地震活動性統(tǒng)計分析、地殼速度結(jié)構(gòu)、地震精定位等研究工作中發(fā)揮著重要的作用（馮建剛等，2012）。隨著寬頻帶數(shù)字地震學的發(fā)展，“新參數(shù)地震目錄”的產(chǎn)生，為計算視應力等更多的參數(shù)提供了可能。視應力表征了對引起地震滑動平均應力水平的一種估計，也是對當?shù)亟^對應力水平的一種估計，它已被應用于地震預報的研究中，并有著良好的發(fā)展勢頭。例如：陳學忠等（2007）利用北京數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)觀測到的波形資料，測定了河北文安“空區(qū)”邊緣發(fā)生的20次≥2.0級地震的視應力，分析了“空區(qū)”形成過程中這些地震的視應力隨時間的變化；劉紅桂等（2007）選取1999年7月—2005年4月云南省數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的中小地震數(shù)字化波形資料，計算得到了1020次中小地震的視應力值，發(fā)現(xiàn)在云南地區(qū)地震視應力具有較好的預測意義；楊志高等（2009）計算了首都圈地區(qū)2003年9月到2007年12月，117個>2.5級地震的視應力，結(jié)果顯示視應力在邢臺、唐山和晉冀蒙交界處的空間分布有不同的特征，在2006年7月發(fā)生5.1級地震的文安北東方向有一個較大的視應力值，唐山地區(qū)視應力從南西到北東方向大體是增加的。然而，計算視應力的常用軟件ESSA，雖需依托JOPENS數(shù)據(jù)服務提供的地震目錄所創(chuàng)建的數(shù)字地震觀測報告（報告格式與JOPENS產(chǎn)出的地震目錄格式有區(qū)別），卻與JOPENS數(shù)據(jù)服務沒有程序接口。以往地震目錄的下載、篩選和加工全部由手工完成。如此大數(shù)據(jù)量地震目錄的篩選和加工，手工處理的效率難免會顯得極為低下且易出現(xiàn)人為錯誤。為此，筆者研究開發(fā)出一套基于MATLAB的應用程序，該程序能夠從JOPENS數(shù)據(jù)服務提供的地震目錄中，按照ESSA的輸入要求自動生成數(shù)字地震觀測報告，加之相應的地震波形文件，能夠快速計算出視應力等參數(shù)，從而可更好地為地震分析預報工作提供數(shù)據(jù)服務。

1 MATLAB簡介

MATLAB是Mathworks公司開發(fā)的大型數(shù)學計算應用軟件系統(tǒng)。它提供了強大的矩陣計算和可視化功能，是科學研究及工程應用方面的主流軟件。MATLAB最早的版本出現(xiàn)在20世紀70年代，用FORTRAN語言編寫，主要功能是實現(xiàn)程序庫的接口功能。進入20世紀90年代以后，MATLAB發(fā)展成為國際公認的標準計算軟件，在數(shù)值計算方面的功能不斷增強。MATLAB的內(nèi)核采用C++語言進行編寫，因此語法特征與C++語言極為相似，而且相比更加簡便易用，更加符合科技人員對數(shù)學表達式的書寫格式要求，使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，增強了數(shù)據(jù)的可視化功能，可不斷提供功能更為強大的軟件包。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大地方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。時至今日，MATLAB已經(jīng)發(fā)展為高性能的數(shù)值計算軟件，并且集成了可視化功能，提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，被廣泛地應用于科學計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設計工作（周建興等，2012）。同時由于MATLAB具有的強大的功能，其在地震行業(yè)中已經(jīng)有了廣泛的應用（徐沁等，2013；譚雨文等，2011；溫巖等，2001；魏紅梅等，2007）。因此，MATLAB完全滿足數(shù)字地震觀測報告自動化編制軟件的開發(fā)條件。

2 天津地震臺網(wǎng)概況

為了將天津地震臺網(wǎng)產(chǎn)出的地震目錄有效應用于地震預報，產(chǎn)生了本程序開發(fā)的客觀需求。天津臺網(wǎng)主要是負責本區(qū)域及首都圈示范區(qū)數(shù)字測震臺站的波形匯集、交互分析、在線存儲；通過國家臺網(wǎng)中心獲取首都圈鄰?。ㄉ綎|和遼寧）測震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)，對各道數(shù)據(jù)進行實時檢測、觸發(fā)；責任區(qū)內(nèi)的地震速報、地震編目；實時數(shù)據(jù)上傳中國地震局及數(shù)據(jù)交換、離線數(shù)據(jù)備份；編目數(shù)據(jù)服務以及震源參數(shù)分析結(jié)果服務，實現(xiàn)臺網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)共享。從1999年實施的“首都圈防震減災示范區(qū)系統(tǒng)工程”建設以來，天津地震臺網(wǎng)歷經(jīng)三次大的改造和升級，現(xiàn)可接收到140個地震臺站的實時波形數(shù)據(jù)，地震監(jiān)測可達到最小震級2.0，Ⅱ類定位精度，天津市的監(jiān)控能力達到≥1.0—1.5級，定位精度≤3km，淺源地震的震源深度定位精度≤5km（李軼群等，2012），地震觀測報告準確性和可信度較高。

3 軟件開發(fā)

3.1 需求分析

本程序是針對JOPENS數(shù)據(jù)服務和ESSA之間沒有程序接口設計開發(fā)。輸入為JOPENS數(shù)據(jù)服務的地震目錄，方式為人工獲取；輸出為ESSA所需的數(shù)字地震觀測報告，該數(shù)字地震觀測報告不同于JOPENS數(shù)據(jù)服務的地震目錄格式，需要篩選和加工數(shù)據(jù)。加工過程用于實現(xiàn)ESSA不同于JOPENS數(shù)據(jù)服務的地震目錄格式，程序的最終目的是為JOPENS數(shù)據(jù)服務和ESSA之間架設一座橋梁，實現(xiàn)視應力等參數(shù)的計算，為地震預報提供所需的數(shù)據(jù)服務。

地震觀測報告是每一個地震事件波形經(jīng)過分析后得出的震相數(shù)據(jù)，包括地震發(fā)生的時、空、強基本參數(shù)和P波和S波的到時數(shù)據(jù)。從JOPENS Data Service網(wǎng)站查詢下載地震目錄如下（圖1）：

計算視應力等參數(shù)的ESSA軟件所需要的數(shù)字地震觀測報告可分為全部臺站觀測報告、寬頻帶臺站觀測報告和短周期臺站觀測報告。該軟件需要的數(shù)字地震觀測報告格式與JOPENS數(shù)據(jù)服務的地震目錄不同，筆者設計開發(fā)的軟件需要完成數(shù)字地震觀測報告的自動化編制，輸出結(jié)果如下（圖2—圖4）：

3.2 程序流程圖設計

該軟件基于MATLAB開發(fā)而成，因而具有MATLAB簡單易用等特點。程序流程如圖5所示。

3.3 程序代碼編寫

首先將JOPENS數(shù)據(jù)服務的地震目錄復制到文件名為“觀測報告”的記事本文件中。然后運行程序，程序提示輸入地震時間，格式為年月日，程序代碼如下：

datetime=num2str(input('請輸入日期(如：20130124)：') );

datetime=[datetime（1:4）,' ',datetime（5:6）,' ',datetime（7:8）];

fid=fopen（'d:觀測報告.txt','r'）;

觀測報告要求格式如圖2：

震相信息：臺站代碼 震相名稱（,） 年 月 日 時 分 秒 震中距（km） 方位角（0-360） （第一個臺站）

震相信息：臺站代碼 震相名稱（,） 年 月 日 時 分 秒 震中距（km） 方位角（0-360） （第一個臺站）

因此，需要在圖1中篩選到同時具有（）和（）的臺站信息，以下是篩選臺站代碼，篩選、和也是基本相同，只不過定義變量所在位置不同。

if ~isempty(strfind( temp(tempi,:),'Pg'))

tempresult =[tempresult;temp(tempi,:)];

finalzzj=finalcat(52:57);

finalzzj=[sprintf('%04d',str2num(finalzzj(1:4))),'.',finalcat(57),'000'];

finalfwj=finalcat(59:63);

finalfwj=[sprintf('%03d',str2num(finalfwj(1:3))),'.',finalfwj(5),'000'];

finalbx=finalcat(18:19);

finalsj=finalcat(33:43);

finalsj=[finalsj(1:2),' ',finalsj(4:5),' ',finalsj(7:11),'0','0'];

finallj=[finaltemp,blanks(1),finalbx,blanks(1),datetime,blanks(1),finalsj,blanks(1),finalzzj,blanks(1),finalfwj];

final=[final;finallj];

if finalcat(1,10)=='B'

finalB=[finalB;finallj];

else

finalS=[finalS;finallj];

end

finaltemp定義為臺站代碼；finalbx定義為（）或（）；datetime定義為臺站記錄地震發(fā)生年月日；finalsj定義為臺站記錄地震發(fā)生時分秒和震中距；finalB定義為寬頻帶地震臺站觀測報告；finalS定義為短周期地震臺觀測報告；final定義為全部臺站觀測報告。

最后輸出到記事本文件中。軟件可以根據(jù)ESSA軟件的需要輸出寬頻帶地震臺觀測報告、短周期地震臺和全部臺站觀測報告。輸出結(jié)果如圖2—圖4所示。

3.4 軟件運行結(jié)果考量

軟件在天津市地震局分析預報中心試運行已有一段時間，試運行期間對多個地震事件進行了處理，經(jīng)仔細核對比較并未出現(xiàn)錯誤，說明本軟件準確、可靠，實現(xiàn)了預期功能。通過軟件的使用，大大提高了數(shù)字地震觀測報告編制的速度和準確性，為分析預報工作提供了科學準確的數(shù)據(jù)服務。同時，試運行中也發(fā)現(xiàn)軟件有不足之處，例如：因觀測報告數(shù)據(jù)庫在中國地震臺網(wǎng)中心，該數(shù)據(jù)庫未向用戶提供數(shù)據(jù)下載的功能和接口，所以無法直接實現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，自動進行格式轉(zhuǎn)換和運算，仍需要打開網(wǎng)頁下載報告，再運行此軟件。

4 結(jié)束語

大量實踐證明，測震學科與前兆學科一樣能夠揭示出地震的孕育和發(fā)展過程，能夠利用地震觀測報告和波形數(shù)據(jù)計算出地下視應力等情況，來預測地震。如何有效利用地震目錄是擺在我們面前的一個重要課題。本文所述程序的研制，無疑對測震數(shù)據(jù)的應用起到了一定的推動作用。相信在不遠的將來，測震數(shù)據(jù)能夠更大限度地在地震預測中發(fā)揮作用。筆者嘗試將MATLAB引入數(shù)字地震觀測報告的編制中，收到了一定的成效。MATLAB的簡單易用性決定了其良好的應用前景，有理由相信MATLAB將會在地震觀測和地震預測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

陳學忠，李艷娥，2007．2006年7月4日河北文安5.1地震前震中周圍地區(qū)小震視應力隨時間的變化．中國地震，23（4）：327—336．

馮建剛，蔣長勝，韓立波等，2012．1970年以來甘肅臺網(wǎng)地震觀測報告收集整理及其重新定位研究．西北地震學報，34（3）：289—293．

李軼群，栗連弟，劉雙慶等，2012．天津數(shù)字測震臺網(wǎng)系統(tǒng)建設．地震地磁觀測與研究，33（5/6）：306—309．

劉紅桂，王培玲，楊彩霞等，2007．地震視應力在地震預測中的應用．地震學報，29（4）：437—445．

譚雨文，劉國明，2011．MATLAB在地震信號處理中的應用實例．防災減災學報，27（3）：61—66．

溫巖，喬兵，李忠偉等，2001．基于MAT LAB工具箱的神經(jīng)網(wǎng)絡在地震預報中的應用．東北地震研究，17（3）：36—41．

魏紅梅，黃世源，賀曼秋，2007．基于MATLAB工具箱的地震預測模型．東北地震研究，23（3）：64—68．.

徐沁，鄭寧寧，黃經(jīng)國等，2013．使用MATLAB獲取地震前兆數(shù)據(jù)庫中觀測數(shù)據(jù)．震災防御技術(shù)，8（2）：198—208．

楊志高，張曉東，2009．首都圈地區(qū)地震視應力的計算及空間分布．地震，29（4）：32—43．

周建興，豈興明，矯津等，2012．MATLAB從入門到精通．北京：人民郵電出版社．

Application of MATLAB in Editing the Digital Earthquake Observation Report

Li He, Gong Yongjian, Liu Lei, Liu Shuangqing, Tan Yipei, Gao Ye, Shang Xianqi and Hu Peiyuan

(Earthquake Administration of Tianjin City, Tianjin 300201, China)

Digital seismic observation report is the base for calculating some important parameters such as apparent stress and etc.. JOPENS data services can provide earthquake catalogue, which is the premise of apparent stress parameter calculation by using ESSA software. However, since the ESSA and JOPENS data service has no program interface, there is a need from the JOPENS data service manually download earthquake catalogue and demand of artificial screening data into digital seismic observation report. In order to solve this problem, we utilize MATLAB to develop a set of procedures, compilation of digital seismic observation report with automatic processing procedure, which greatly improve the work efficiency, reduce the error rate, provide the better data service for earthquake prediction.

MATLAB; Earthquake observation report; Edition; Apparent stress; Earthquake prediction

地震科技星火計劃（項目編號：XH14002Y）、2014年度震情跟蹤專項青年工作任務（項目編號：2014020306）和天津市地震局局內(nèi)課題：天津及其周邊地區(qū)地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)變化與近震的關(guān)系（項目編號：20131008）聯(lián)合資助

2013-09-15

李赫，男，生于1987年。助理工程師。2011年6月畢業(yè)于防災科技學院勘查技術(shù)與工程專業(yè)，工學學士。主要從事地震觀測及預測的研究。E-mail: lihe200888@sina.com

李赫，龔永儉，劉磊，劉雙慶，譚毅培，高也，尚先旗，胡培元，2014．MATLAB在數(shù)字地震觀測報告編制中的應用. 震災防御技術(shù)，9（2）：289—295.