趙峰 周輝 馬亮

趙峰，中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)研究院工程師，現(xiàn)主要從事地殼形變監(jiān)測(cè)與研究工作，長(zhǎng)期堅(jiān)守在青藏高原地殼形變監(jiān)測(cè)第一線，具有十分豐富的形變監(jiān)測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近幾年來(lái)，參與跨斷層測(cè)距采集與數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)等項(xiàng)目，作為形變觀測(cè)組組長(zhǎng)，先后承擔(dān)“綜合地球物理場(chǎng)青藏東北緣項(xiàng)目”“綜合地球物理場(chǎng)鄂爾多斯周緣項(xiàng)目”和“綜合地球物理場(chǎng)大華北項(xiàng)目”等重大項(xiàng)目的野外觀測(cè)工作，所完成的觀測(cè)成果連續(xù)5年獲得中國(guó)地震局?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)比第一名。

周輝，中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心科技信息室副主任，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士。

研究 背景

跨斷層形變監(jiān)測(cè)被認(rèn)為是較可靠的地震前兆監(jiān)測(cè)手段之一。目前中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心每年負(fù)責(zé)12個(gè)跨斷層測(cè)距場(chǎng)地的觀測(cè)任務(wù)。直到2015年跨斷層測(cè)距外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集仍然使用1993年問(wèn)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(shù)據(jù)記錄及資料處理等方面，均存在較多問(wèn)題。

1.手持端設(shè)備已停產(chǎn)多年，所配套外業(yè)記錄軟件功能不完善

HP-100LX掌上電腦已停產(chǎn)多年，該機(jī)器及數(shù)據(jù)連接線經(jīng)過(guò)十多年的使用已嚴(yán)重老化，故障率越來(lái)越高，很難找到相匹配的零部件。之前，為了保障觀測(cè)的順利進(jìn)行，在外業(yè)觀測(cè)過(guò)程中作業(yè)人員通常須攜帶著全部?jī)H有的4臺(tái)掌上電腦，以備在掌上電腦發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)替換使用。HWJB2002記錄軟件雖然有完備的數(shù)據(jù)記錄功能但沒(méi)有超限檢查功能，觀測(cè)人員需要另外手動(dòng)計(jì)算觀測(cè)結(jié)果檢查是否超限，給正常觀測(cè)記錄帶來(lái)極大的不便。

2.桌面計(jì)算機(jī)端資料處理軟件存在嚴(yán)重不足

資料處理軟件HWP20在設(shè)計(jì)之初并未考慮到儀器型號(hào)的變更及單邊測(cè)量等問(wèn)題；用該程序生成手簿后，還存在個(gè)別觀測(cè)的內(nèi)容錯(cuò)誤或空缺，仍然需要人工修改。另外該軟件被注冊(cè)到指定計(jì)算機(jī)以后，該計(jì)算機(jī)服役時(shí)間較長(zhǎng)，主機(jī)嚴(yán)重老化，運(yùn)行緩慢，容易出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響觀測(cè)手簿整理的效率。

3.資料整理中手工操作工作量過(guò)大

在后期資料整理過(guò)程中，成果及精度統(tǒng)計(jì)表的編制工作都由觀測(cè)小組成員手工操作完成。手工操作可能會(huì)帶來(lái)操作失誤、準(zhǔn)確率低等問(wèn)題。同時(shí)，由于每年都要進(jìn)行跨斷層測(cè)距工作，編制成果及精度統(tǒng)計(jì)表時(shí)均需大量的人工計(jì)算，大大增加了資料處理人員的工作量。

本研究正是面對(duì)跨斷層測(cè)距工作中的實(shí)際迫切需求，在手持端和桌面計(jì)算機(jī)端更新相應(yīng)的硬件和軟件，研制開(kāi)發(fā)一套適用于手持智能終端的跨斷層測(cè)距觀測(cè)外業(yè)記錄軟件和一套適用于桌面計(jì)算機(jī)端的資料處理軟件。

研究目標(biāo)及任務(wù)

1.選用一款完全適合外業(yè)作業(yè)環(huán)境的手持智能終端，開(kāi)發(fā)基于該手持智能終端的集觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄和超限檢查于一體的外業(yè)記錄軟件。該軟件具有以下功能：觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取與記錄；作業(yè)時(shí)間智能化提示；按測(cè)量規(guī)范各項(xiàng)限差要求對(duì)操作嚴(yán)格控制和人性化提示；將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以加密方式保存。

2.開(kāi)發(fā)基于Windows桌面操作系統(tǒng)的資料處理軟件。該軟件主要集成以下功能：生成外業(yè)記錄軟件用配置文件；外業(yè)觀測(cè)手簿的生成與打?。怀晒熬冉y(tǒng)計(jì)表的生成與打??；可解密加密后的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，并可將其轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式一致的數(shù)據(jù)文件。

功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)前述目標(biāo)及任務(wù)，本研究具體開(kāi)展了以下軟件的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1.軟件功能設(shè)計(jì)

（1）跨斷層測(cè)距外業(yè)記錄軟件

結(jié)合監(jiān)測(cè)隊(duì)實(shí)際外業(yè)工作需求，跨斷層測(cè)距外業(yè)記錄軟件設(shè)計(jì)了3個(gè)模塊，分別是：外業(yè)觀測(cè)記簿模塊、實(shí)用功能模塊和軟件設(shè)置模塊（圖1）。

外業(yè)觀測(cè)記簿模塊有以下功能：根據(jù)記錄人員的操作記錄觀測(cè)基礎(chǔ)信息、天氣情況和觀測(cè)數(shù)據(jù)等，并計(jì)算出單次觀測(cè)成果；在記錄的過(guò)程中對(duì)一些限制條件進(jìn)行超限檢查；最后對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)加密，使得原始觀測(cè)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)以加密方式存儲(chǔ)。

圖1 外業(yè)記錄軟件功能模塊圖

實(shí)用功能模塊的功能有：讀取指定跨斷層測(cè)距的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及計(jì)算相對(duì)誤差等觀測(cè)成果，根據(jù)對(duì)應(yīng)的超限標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提示；可根據(jù)日期和觀測(cè)場(chǎng)地的經(jīng)緯度等參數(shù)計(jì)算日出日落時(shí)間以及允許觀測(cè)的時(shí)間段。

軟件設(shè)置模塊主要用于設(shè)置和查看程序正常運(yùn)行所需的各種參數(shù)，包含：當(dāng)前觀測(cè)期數(shù)、是否使用軟鍵盤等。

（2）跨斷層測(cè)距資料處理軟件

資料處理軟件由3個(gè)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(jù)配置參數(shù)與觀測(cè)成果生成最終的成果及精度統(tǒng)計(jì)表、觀測(cè)手簿。

儀檢文件模塊功能是生成測(cè)距儀加常數(shù)K測(cè)定表、生成測(cè)距儀工作頻率偏差的檢驗(yàn)與校正（乘常數(shù)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(yè)記錄軟件運(yùn)行所需要的各種參數(shù)，包含：當(dāng)前觀測(cè)期數(shù)、場(chǎng)地、點(diǎn)位、儀器等參數(shù)。

2.軟件開(kāi)發(fā)

（1）跨斷層測(cè)距外業(yè)記錄軟件

本研究最終選用符合IP64防護(hù)等級(jí)的Android智能終端作為外業(yè)記簿器，因此，外業(yè)記錄軟件須基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Android是一種基于Linux內(nèi)核的自由及開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦，由Google公司和開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開(kāi)發(fā)?？衫肊clipse軟件為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Android虛擬設(shè)備（AVD）進(jìn)行仿真，使用JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)Android應(yīng)用程序。搭建、配置Android開(kāi)發(fā)環(huán)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(cè)距資料處理軟件

資料處理軟件在Windows桌面系統(tǒng)中運(yùn)行，因此選擇微軟C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、微軟 Visual Studio作為開(kāi)發(fā)工具。

外業(yè)記錄軟件和資料處理軟件運(yùn)行界面如圖3和圖4所示。

3.軟件調(diào)式與測(cè)試

軟件從開(kāi)發(fā)到完成經(jīng)過(guò)了兩個(gè)測(cè)試階段。

（1）單元測(cè)試，在開(kāi)發(fā)階段完成。每個(gè)類或小段程序甚至每個(gè)處理函數(shù)，都要進(jìn)行單元測(cè)試；

（2）軟件功能綜合測(cè)試。軟件在正式使用前進(jìn)行了兩次綜合自測(cè)。

①與歷史資料對(duì)比測(cè)試。使用外業(yè)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(cè)距原始資料，使用資料處理軟件生成相應(yīng)的觀測(cè)手簿和成果表。經(jīng)對(duì)比，所生觀測(cè)手簿和成果表與檔案資料完全一致。

圖3 外業(yè)記錄軟件

②跨斷層場(chǎng)地外業(yè)測(cè)試。課題組根據(jù)任務(wù)書計(jì)劃組織了一次外業(yè)測(cè)試任務(wù)。2016年8月23—25日，科技信息室、監(jiān)測(cè)隊(duì)一行10人赴寶雞市陳倉(cāng)區(qū)縣功鎮(zhèn)馮家山村馮家山跨斷層場(chǎng)地進(jìn)行了水準(zhǔn)與測(cè)距場(chǎng)地聯(lián)合測(cè)試（圖5）。該場(chǎng)地有A、B、C、D四個(gè)測(cè)點(diǎn)，首先進(jìn)行的是跨斷層場(chǎng)地水準(zhǔn)測(cè)量獲得測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高差；然后是場(chǎng)地測(cè)距，獲得測(cè)點(diǎn)之間的距離，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件良好。通過(guò)對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，觀測(cè)成果數(shù)據(jù)精確，驗(yàn)證了軟件的準(zhǔn)確、實(shí)用性。本次測(cè)試證明外業(yè)記錄和測(cè)距資料軟件均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，能夠滿足跨斷層測(cè)距業(yè)務(wù)的要求。

4.關(guān)鍵技術(shù)

圖4 資料處理軟件

圖5 馮家山跨斷層場(chǎng)地測(cè)試

①允許觀測(cè)時(shí)間段計(jì)算算法的研究與實(shí)現(xiàn)。利用觀測(cè)場(chǎng)地所在地的經(jīng)緯度坐標(biāo)和觀測(cè)日期推算出當(dāng)天的允許觀測(cè)的時(shí)間段。眾所周知，一年之中日出、日落時(shí)間是不斷變化的。即使是在同一天當(dāng)中，不同緯度的日出時(shí)間也是不同的。地球每時(shí)每刻都圍繞著太陽(yáng)自西向東公轉(zhuǎn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，我們從地球上也能觀測(cè)到太陽(yáng)在一年當(dāng)中圍繞天球黃道自西向東旋轉(zhuǎn)一圈，這自然會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)的赤經(jīng)與赤緯時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生變化。并且不同日期，其變化的快慢也略有不同，這就導(dǎo)致了一年之中日出、日落時(shí)間是會(huì)隨季節(jié)不斷變化的。日出、日落的時(shí)間會(huì)隨季節(jié)及各地方緯度的不同而改變。本軟件利用觀測(cè)場(chǎng)地所在地的經(jīng)緯度坐標(biāo)和觀測(cè)日期可以方便推算出當(dāng)天的日出、日落時(shí)間，由此推算出當(dāng)天的允許觀測(cè)的時(shí)間段，滿足野外觀測(cè)的需要，避免日光、溫度對(duì)觀測(cè)的影響。

②高效嚴(yán)密的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)加、解密算法的研究與實(shí)現(xiàn)。特別是如何實(shí)現(xiàn)在外業(yè)記錄軟件所使用的JAVA語(yǔ)言和資料處理軟件所使用C#語(yǔ)言之間保持協(xié)調(diào)一致的加解密算法是本研究中特別關(guān)鍵的難點(diǎn)。

總結(jié)及下一步工作計(jì)劃

本項(xiàng)研究工作得到了中國(guó)地震局地震星火計(jì)劃項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)目已于2017年通過(guò)了專家驗(yàn)收，驗(yàn)收結(jié)論為優(yōu)秀。

本研究開(kāi)發(fā)的外業(yè)記錄和資料處理軟件已經(jīng)在本單位的觀測(cè)任務(wù)中得到了應(yīng)用，同時(shí)也取得了一項(xiàng)軟件著作權(quán)。2015年，本系統(tǒng)在主體功能開(kāi)發(fā)完成的情況下，正好本單位僅剩的幾臺(tái)HP-100LX記簿器均無(wú)法正常啟動(dòng)，因此外業(yè)記錄與資料處理軟件從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始在本單位跨斷層測(cè)距業(yè)務(wù)中進(jìn)行了試用。

2016年、2017年在中國(guó)地震局綜合地球物理場(chǎng)大華北項(xiàng)目中這些軟件正式用于跨斷層測(cè)距觀測(cè)。在出測(cè)前，編制了軟件使用說(shuō)明書，并由技術(shù)人員對(duì)觀測(cè)人員進(jìn)行了系統(tǒng)培訓(xùn)，掌握了軟件的基本操作。在實(shí)際觀測(cè)中，觀測(cè)人員普遍反映軟件操作簡(jiǎn)單、方便，減輕了很多野外觀測(cè)工作量。通過(guò)軟件可以方便的記錄觀測(cè)基礎(chǔ)信息、天氣情況等，在記錄的過(guò)程中對(duì)一些限制條件進(jìn)行超限檢查，不再需要人工干預(yù)，非常適合野外觀測(cè)。在后期的資料處理中，可以自動(dòng)生成觀測(cè)手簿和觀測(cè)成果表，大大降低了出錯(cuò)機(jī)率，提高了工作效率。由于在實(shí)際使用過(guò)程中積累了良好的口碑和用戶體驗(yàn)，2018年初，中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心的跨斷層測(cè)距業(yè)務(wù)開(kāi)始采用本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的跨斷層測(cè)距外業(yè)記錄與資料處理軟件系統(tǒng)。觀測(cè)人員也認(rèn)為軟件操作簡(jiǎn)單、非常實(shí)用，解決了跨斷層測(cè)距觀測(cè)中一系列實(shí)際問(wèn)題，大大減輕了野外工作人員的工作量。

如何進(jìn)一步提高用戶體驗(yàn)，并增加遠(yuǎn)程觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鼘?shí)用的功能，是我們將來(lái)繼續(xù)研究的方向。