楊周勝 楊晶瓊 姚遠(yuǎn)

摘要：研究地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及交換的SEED和miniSEED格式標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)存儲(chǔ)格式中的Steim1和Steim2的壓縮方法和編碼方式進(jìn)行了深入分析，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外SEED格式的差異，利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了SEED和miniSEED格式壓縮數(shù)據(jù)的解壓和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SEED;miniSEED;Steim1;Steim2;數(shù)據(jù)壓縮;編碼方式;數(shù)據(jù)解壓

中圖分類號(hào)：P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2019）01-0144-06

0引言

地震數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（StandardfortheExchangeofEarthquakeData，簡(jiǎn)稱SEED），是國(guó)際數(shù)字地震數(shù)據(jù)交換的一種標(biāo)準(zhǔn)格式，miniSEED格式（王曉磊等，2016）是SEED格式的簡(jiǎn)化版。兩種格式數(shù)據(jù)在測(cè)震觀測(cè)中被廣泛使用，miniSEED格式主要用于單臺(tái)，形成臺(tái)站卷，而SEED格式主要用于臺(tái)網(wǎng)和臺(tái)陣，形成臺(tái)網(wǎng)卷。早期的中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（ChinaDigitalSeismographNetwork，簡(jiǎn)稱CDSN臺(tái)）的地震記錄就開(kāi)始使用SEED格式（和躍時(shí)，2007），我國(guó)的測(cè)震觀測(cè)數(shù)據(jù)從“十五”建設(shè)開(kāi)始即與國(guó)際接軌，地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換采用了SEED格式。SEED格式將地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，有效地解決了存儲(chǔ)效率，但同時(shí)也帶來(lái)了應(yīng)用方面的不便。一般使用者通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用：一是利用公開(kāi)的轉(zhuǎn)換軟件，如rdSEED（何加勇，2009），進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換成ASCII碼，然后再編寫軟件轉(zhuǎn)換成自己需要的格式;二是研究壓縮技術(shù)編寫軟件，直接轉(zhuǎn)換為設(shè)定的格式。第一種方式繁雜，使用起來(lái)不方便，靈活性不強(qiáng);第二種方式，由于標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)的描述和地震波形數(shù)據(jù)的實(shí)際存在一定的出入，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有非常大的困難。檢索以往文獻(xiàn)，多側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)、壓縮技術(shù)等方面的探討，對(duì)具體的壓縮方法和解壓轉(zhuǎn)換方面的論述寥寥無(wú)幾。本文基于第二種方式，深入研究這兩種格式數(shù)據(jù)，找出標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)描述與實(shí)際地震記錄的差異，利用MATLAB實(shí)現(xiàn)了壓縮數(shù)據(jù)的解壓和各種轉(zhuǎn)換。

1SEED和miniSEED格式

1.1格式體

SEED格式體包含控制頭段（ASCII格式）和時(shí)間序列（二進(jìn)制），其中，控制頭段包含關(guān)于卷、臺(tái)站、通道和數(shù)據(jù)的輔助信息，時(shí)間序列（二進(jìn)制）包含原始數(shù)據(jù)以及嵌入的與特定通道和時(shí)間有關(guān)的輔助信息。

1.2控制頭段

控制頭段共4種：卷索引控制頭段，包含關(guān)于數(shù)據(jù)的時(shí)間、邏輯記錄長(zhǎng)度、該邏輯卷的格式版本以及對(duì)臺(tái)站控制頭段和時(shí)間片控制頭段的索引信息（朱文林等，1994a，b）;縮略語(yǔ)字典控制頭段，包含用在其它控制頭段中的縮略語(yǔ)的定義;臺(tái)站控制頭段，提供有關(guān)臺(tái)站和它的所有通道的信息;時(shí)間片控制頭段，標(biāo)識(shí)隨后的時(shí)間序列所處的時(shí)間段。

1.3數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)記錄緊接著控制頭段，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的部分。每個(gè)記錄長(zhǎng)度為512字節(jié)，若干個(gè)記錄組成一個(gè)數(shù)據(jù)記錄。miniSEED格式記錄中，3個(gè)方向的數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)，不同方向的記錄交替存放，某一方向可連續(xù)使用幾個(gè)記錄，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個(gè)記錄中又分為8幀，每幀64字節(jié)。記錄的第一幀，前48個(gè)字節(jié)稱為固定頭段區(qū)，統(tǒng)一存放固定頭段信息，其中，前20個(gè)字節(jié)采用ASCII，后面的28個(gè)字節(jié)采用二進(jìn)制存儲(chǔ)。固定頭段區(qū)從數(shù)據(jù)記錄的第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始，前6個(gè)字節(jié)為序號(hào)，第七個(gè)字節(jié)是一個(gè)ASCII字符“D”，表示其為一數(shù)據(jù)記錄，第八個(gè)字節(jié)為ASCII字符空格。接下來(lái)的12個(gè)字節(jié)包含該記錄的臺(tái)站、位置及通道標(biāo)識(shí)符信息。頭段的二進(jìn)制部分的內(nèi)容為：記錄起始時(shí)間、樣本數(shù)目、采樣率因子、采樣率乘數(shù)、后面的子塊數(shù)目、數(shù)據(jù)開(kāi)始偏移量、第一個(gè)子塊偏移量等信息。

第一幀中固定頭段區(qū)后的16個(gè)字節(jié)，采用二進(jìn)制存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)子塊，一般可存放2個(gè)子塊，如果子塊數(shù)目較多，可采用可變頭段（萬(wàn)永革等，1995）的方式進(jìn)行存放。固定頭段的后16個(gè)字節(jié)根據(jù)實(shí)際進(jìn)行子塊存放，如有2個(gè)子塊，則16個(gè)字節(jié)全部使用;如果只有1個(gè)子塊，則其余字節(jié)為空閑;如果不接任何子塊，則后續(xù)16個(gè)字節(jié)均為空閑。固定頭段的內(nèi)容如表1所示。

SEED格式記錄是對(duì)miniSEED記錄的重新整理，3個(gè)方向獨(dú)立，并以4096字節(jié)為一記錄，實(shí)際記錄中是將同一方向連續(xù)8個(gè)512字節(jié)的記錄串起來(lái)，形成一個(gè)SEED記錄，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2Steim壓縮算法

Steim壓縮算法是地震數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的核心壓縮技術(shù)，其方法是在一個(gè)記錄中，先存放1個(gè)32

位數(shù)值的前向積分常數(shù)和1個(gè)32位數(shù)值的反向積分常數(shù)，后接連續(xù)記錄的差值，由于差值較小，占用的數(shù)據(jù)位也相應(yīng)變少，這樣可以顯著地壓縮數(shù)據(jù)，節(jié)省存儲(chǔ)空間。早期采用Steim1壓縮算法（李鉑等，2009），由于方法的改進(jìn)，后來(lái)出現(xiàn)了壓縮效率更高的Steim2算法（王洪體等，2004）。

2.1Steim1壓縮算法

地震記錄的兩個(gè)連續(xù)樣本之間的差值一般比較小，只有在大地震時(shí)，其差值才可能大于8位二進(jìn)制數(shù)所能表示的最大值，對(duì)這種極少發(fā)生的情況，可以使用一個(gè)2字節(jié)或4字節(jié)數(shù)值來(lái)表示樣本差值。Steim1壓縮算法就是一種編碼方式，它確定樣本差值采用的字節(jié)數(shù)，對(duì)于99%以上的地震記錄，樣本差值只用1個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。因此，Steim1壓縮方式節(jié)約了存儲(chǔ)，壓縮比可達(dá)3.5∶1。Steim1壓縮方式的存儲(chǔ)格式為：前向積分常數(shù)、反向積分常數(shù)、兩者之間的全部差值，反向積分常數(shù)可對(duì)差值進(jìn)行校核。

512字節(jié)的數(shù)據(jù)記錄中，第一幀存放固定頭段信息，后7幀存放地震波形數(shù)據(jù)，每幀均為64字節(jié)。存放數(shù)據(jù)的每一幀的前4個(gè)字節(jié)，存有16個(gè)2位廣義字節(jié)編碼Ci（i取值0～15），每個(gè)Ci對(duì)應(yīng)4個(gè)字節(jié)，Ci值確定對(duì)應(yīng)4個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)的差值數(shù)量。