曹志磊 周瓊 周永康 龍劍鋒 夏仕安 葛計劃

摘要：近年來，地震系統(tǒng)開展了大規(guī)模的建設，不斷推動地震監(jiān)測臺網(wǎng)發(fā)展，形成了測震臺網(wǎng)和前兆臺網(wǎng)兩大數(shù)字化地震監(jiān)測網(wǎng)絡，產(chǎn)生了海量的基礎監(jiān)測資料，如何高效利用這些數(shù)據(jù)資料，提高地震預測水平，對防震減災事業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。該文通過全面分析當前地震監(jiān)測網(wǎng)絡運行狀況和資料應用等方面存在的問題，提出新形勢下地震監(jiān)測網(wǎng)絡信息的應用和管理模式，利用數(shù)據(jù)挖掘、信息管理等技術，實現(xiàn)地震監(jiān)測網(wǎng)絡信息的融合與集成，在此基礎上設計出一套能夠實現(xiàn)測震、前兆觀測臺網(wǎng)數(shù)據(jù)信息綜合處理的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)匯集、篩選、處理和分析等流程，提取可能的地震異常信息，為地震預測提供依據(jù)。

關鍵詞：地震監(jiān)測預報；地震監(jiān)測臺網(wǎng)；數(shù)據(jù)挖掘；信息管理；輔助決策

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0050-03

Abstract： In recent years， seismic system has launched a massive earthquake monitoring network construction， formed the digital seismic network composed of seismic network and precursor Network， produced a lot of basic monitoring data， it has great significance how to use these data efficient and improve the level of earthquake prediction for protecting against and mitigating earthquake disasters and economic development. In this article， through analysis the current running status of earthquake monitoring network and the problems of information application comprehensive， put forward the future application of earthquake monitoring network information and management pattern， use data mining and information management technology to realize the earthquake monitoring network information fusion and integration， to design a set of vibration can be implemented， the precursory observation network data information processing system on this basis， through data collection， screening， treatment and analysis processes， extracted earthquake anomaly information and provided the basis for earthquake prediction.

Key words： earthquake monitoring and prediction； seismic monitoring network； data mining； information management； assistant decision-making

1 背景

1966年邢臺地震后，我國現(xiàn)代防震減災工作體系開始不斷建立和完善，經(jīng)過40多年發(fā)展，我國的防震減災工作確立了以“預防為主，防御與救助相結合”的工作方針和總體思路，地震之前的準確預測對減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有重要意義[1]。然而，地震預報的進展距離防震減災的現(xiàn)實需求要慢得多，地震預報的科學難度仍然是地震工作者必須面對的瓶頸，它比我們的預期要困難得多，因此，我們必須明確，地震預報在很長一段時間內都將是一個人類需要解決的全球性科學難題[2]。

地震成功預報是建立在完善的地震監(jiān)測網(wǎng)絡基礎之上的，隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡化，信息化技術的發(fā)展，我國地震監(jiān)測網(wǎng)絡發(fā)展迅猛，目前地震監(jiān)測臺網(wǎng)已經(jīng)成為包含測震、形變、電磁和流體4大學科，20余種觀測手段的地震監(jiān)測網(wǎng)絡。組成地震監(jiān)測臺網(wǎng)的臺站密度大幅度增加，測項數(shù)量也急劇增多，地震監(jiān)測范圍基本覆蓋了我國主要地區(qū)，地震監(jiān)測臺網(wǎng)產(chǎn)出的觀測數(shù)據(jù)極大地豐富，地震科技工作者將這些數(shù)據(jù)應用于地震預測預報的研究，取得了新的成果和進展，在地震觀測資料的分析研究、地震信息綜合處理等方面都不斷完善，產(chǎn)生了一系列信息處理系統(tǒng)，在防震減災事業(yè)發(fā)展進程中發(fā)揮了積極作用。但當前存在的主要問題是，在實際運行中，兩個觀測網(wǎng)絡資料基本獨立應用，側重點也各有不同，前兆觀測網(wǎng)絡主要完成數(shù)據(jù)匯集和處理，測震網(wǎng)絡則主要完成地震編目和震情信息發(fā)布以及地震速報等工作而對于地震預測，兩個臺網(wǎng)的海量信息沒有能夠充分地融合，沒有一套成熟的系統(tǒng)完成兩類地震觀測臺網(wǎng)的信息綜合處理，為地震預報所服務。

因此，我們開展的研究，目的就是整合目前前兆觀測和測震觀測臺網(wǎng)信息資源，設計一個通用平臺，面向不同類型用戶，完成基礎資料的分析處理，并利用數(shù)據(jù)挖掘的相關技術提取地震異常，在此基礎上設計出一套地震綜合預報系統(tǒng)，在總結現(xiàn)有地震預報研究成果的基礎上，探索基于地震監(jiān)測網(wǎng)絡信息的地震綜合預測模型，以期提升地震預報的準確度和及時性。

2 地震監(jiān)測網(wǎng)絡信息綜合處理系統(tǒng)設計

2.1 地震監(jiān)測信息管理概況

為了適應數(shù)字化地震觀測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息管理的需要，基于地震監(jiān)測網(wǎng)絡的信息管理系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展，針對不同的用戶和需求，形成了一系列地震信息管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)建立的目的都是為了解決防震減災發(fā)展體系中的某些特定領域問題。這里所指的地震信息主要是與地震監(jiān)測預報相關的數(shù)據(jù)資料，也泛指前述的數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡產(chǎn)出的各類數(shù)據(jù)。

管理信息系統(tǒng)（Management Information System，簡稱MIS）是一項由多種軟硬件共同組成的實用性系統(tǒng)，由個人、計算機等專業(yè)設備以及軟件系統(tǒng)等相互關聯(lián)作用的組織系統(tǒng)，它的主要功能就是對信息的處理和管理。我們針對地震監(jiān)測網(wǎng)絡產(chǎn)生的地震數(shù)據(jù)，設計相應的地震信息綜合處理系統(tǒng)，系統(tǒng)具備管理信息系統(tǒng)的一般特征和功能。

2.2 地震信息綜合處理系統(tǒng)運行程式

地震信息綜合處理系統(tǒng)設計的最終目標是為地震綜合預報服務，提取出有價值的地震信息，因此，系統(tǒng)必須符合地震綜合預報的運行程式，實現(xiàn)地震綜合預報是一個漸進的過程。主要包括：區(qū)域地震活動背景判定、大形勢異常判定及地震危險區(qū)域劃定、利用數(shù)據(jù)挖掘提取異常指標、地震時空強參數(shù)預測。如圖1。

地震的綜合預報是一個復雜的過程，不可能百分之百的準確，我們期望能夠在整個的預報程式過程中，對各個階段的工作正確的評價，不斷篩選得到預測效果好的方法，同時也要對某些方法進行完善。

2.3 系統(tǒng)總體結構設計

2.3.1 系統(tǒng)層次結構

地震信息綜合處理系統(tǒng)的兩大功能是信息管理和綜合預報，應當具有基礎層、專題層和綜合層三個層次的結構。

基礎層，包括地震監(jiān)測網(wǎng)絡產(chǎn)出的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過初步預處理加工的數(shù)據(jù)信息，與系統(tǒng)有關的專題數(shù)據(jù)等，同時建立共享的數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)倉庫，該數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)倉庫具有統(tǒng)一的編碼和規(guī)范[3]。

專題層，包括工作區(qū)地震活動情況、正常地球物理場變化形態(tài)、前兆數(shù)據(jù)異常庫、宏觀異常庫、測震時空異常等子系統(tǒng)。對于異常數(shù)據(jù)，依據(jù)前述的異常判別指標等，同時吸收近年來最新的研究成果。

綜合層，包括地震信息綜合處理結果、地震預測預報意見、地震預測預報輔助決策子系統(tǒng)等。同時建立基于信息處理結果的報表系統(tǒng)，規(guī)范各類報表信息的模板。

2.3.2 系統(tǒng)配置方案

采用客戶/服務器結構（C/S結構），客戶機和服務器選用通用的計算機和外部設備。

建立網(wǎng)絡化的地震綜合信息處理系統(tǒng)，構建一個局域網(wǎng)，因為地震預測預報是一項影響面很大的工作，要按照國家有關法律法規(guī)和要求進行，要確保數(shù)據(jù)的安全性和傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

建立適應客戶/服務器結構的基礎數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這一數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是基于廣泛應用的地震信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基礎上的數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫軟件采用在地震前兆觀測網(wǎng)絡中應用的Oracle關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，增強系統(tǒng)融合度和數(shù)據(jù)處理效率[4]。

選用滿足地震空間預測預報需要的地理信息系統(tǒng)（GIS）基礎軟件，如Mapinfo，重點考慮其與新系統(tǒng)鎖選用軟硬件之間的兼容性，與所選數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有機連接[5]。

系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲和交換的載體，應用程序的開發(fā)方軟件采用Java語言。

2.4 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織

地震信息綜合處理的過程是漸進式的，不同的階段所使用的數(shù)據(jù)庫資料是不同的，隨著地震綜合預報進程的推進，利用相應階段的數(shù)據(jù)資料，得出階段性的決策依據(jù)。總體來講，系統(tǒng)用到的數(shù)據(jù)主要可以分為原始預處理資料數(shù)據(jù)、異常判定指標和地震異常信息等。

2.4.1 數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)按照不同的分類標準進行分類，主要有以下分類方式：

按照地震學科和觀測項目分類。分為重力數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)、形變數(shù)據(jù)、地電數(shù)據(jù)、地下流體數(shù)據(jù)和測震數(shù)據(jù)等。

按照數(shù)據(jù)專題分類。分為機構代碼數(shù)據(jù)、測項分量數(shù)據(jù)、地震目錄數(shù)據(jù)、前兆異常指標、測震學異常指標、干擾因素數(shù)據(jù)、GIS知識庫等。

按照數(shù)據(jù)用途分類。分為正常背景數(shù)據(jù)、數(shù)值分析數(shù)據(jù)、異常判定數(shù)據(jù)、宏觀異常數(shù)據(jù)、異常綜合報告等。

2.4.2 數(shù)據(jù)來源

地震信息綜合處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要有以下來源：“中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”產(chǎn)出的各觀測儀器預處理數(shù)據(jù)庫；“中國地震臺網(wǎng)中心地震數(shù)據(jù)管理與服務系統(tǒng)”共享的地震連續(xù)波形文件和地震目錄，部分波形文件來源于省局地震臺網(wǎng)中心；基于GIS的地圖知識庫，包括省級區(qū)域地圖、地震斷裂帶圖、地質圖等；地震行業(yè)標準（DB/T3—2003）地震及地震前兆測項分類與代碼；宏觀監(jiān)測網(wǎng)點上報并核實的異常信息。

2.4.3 數(shù)據(jù)編碼

對原始數(shù)據(jù)庫內容進行匯集、運算和存儲，形成地震信息綜合處理系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)庫，對運算后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼。主要包括經(jīng)過處理后的前兆數(shù)據(jù)庫、測震數(shù)據(jù)庫和宏觀異常信息數(shù)據(jù)庫，這三類數(shù)據(jù)庫是整個地震信息綜合處理系統(tǒng)運行的關鍵和基礎。編碼主要依據(jù)“地震前兆數(shù)據(jù)庫結構規(guī)范”進行。

前兆數(shù)據(jù)庫：包含整個測量、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，涵蓋儀器運行和產(chǎn)出數(shù)據(jù)的相關信息，主要有觀測環(huán)境、儀器性能和參數(shù)、觀測日志信息以及輔助觀測信息等。前兆觀測受觀測儀器采樣率、測項特性、工作需要等因素的影響，觀測中將產(chǎn)生出多種數(shù)據(jù)表形式，主要包括秒值表、小時值表、日（均）值表和事件數(shù)據(jù)表等。前兆數(shù)據(jù)庫還包含日志表、基礎信息表等。

測震數(shù)據(jù)庫：主要包括有震波形和無震波形，一般情況下，在地震預測研究中，主要用到有震波形數(shù)據(jù)，也就是地震事件數(shù)據(jù)。無震波形一般進行地質背景等方面的研究。對于有震波形數(shù)據(jù)等的處理和存儲主要依靠兩類數(shù)據(jù)表，即地震目錄表和地震事件波形文件，地震波形的存儲采用SEED格式（地震數(shù)據(jù)交換的國際標準格式）。地震序列目錄數(shù)據(jù)表主要用于存儲最終地震定位結果，按照地震發(fā)生的時間順序存儲，存儲的內容主要包括地震序列文件，發(fā)震地點，發(fā)震時間，經(jīng)度，緯度，地震類型，地震震級，類型說明等字段。

異常信息數(shù)據(jù)庫：地震宏觀異常信息的獲取途徑主要通過宏觀監(jiān)測網(wǎng)點上報信息，一般通過宏觀異常報告不定期上報，在信息處理系統(tǒng)的客戶端開辟宏觀異常信息上報模塊，通過Web網(wǎng)頁方式進行填報，實時反饋給有關專家進行異常判定，對于能夠落實的宏觀異常進行入庫處理，形成宏觀異常信息數(shù)據(jù)庫。宏觀異常信息數(shù)據(jù)表詳細記錄宏觀異常的起止時間、異?，F(xiàn)象、異常類別，核實過程，異常幅度等信息。類型按照動物、水體、光、地質等分類。

2.5 系統(tǒng)設計

地震信息綜合處理系統(tǒng)主要包括信息收集處理系統(tǒng)，地震異常信息挖掘系統(tǒng)，異常數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)，地震綜合預測系統(tǒng)和綜合報告輸出系統(tǒng)5個子系統(tǒng)。如圖2、圖3。

地震信息綜合處理系統(tǒng)最主要的任務事實上是對大量數(shù)據(jù)資料的匯集和深入挖掘，從海量地震數(shù)據(jù)和相關數(shù)據(jù)中挖掘出有利于地震預報的地震信息，地震信息綜合處理系統(tǒng)的幾個子系統(tǒng)也是基于以上目標，分步驟的實現(xiàn)地震預報的科學決策，提供判定的依據(jù)。各個子系統(tǒng)之間有著緊密的聯(lián)系。其中，信息收集處理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)轉換和編輯、數(shù)據(jù)調用等功能，以優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理工作。地震異常信息挖掘子系統(tǒng)從預處理數(shù)據(jù)庫中，利用各類數(shù)據(jù)挖掘方法，提取出有用的地震異常信息并入庫。異常數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)主要功能就是對地震異常信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分類。地震綜合預測系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)庫中相關數(shù)據(jù)通過數(shù)學方法加以分析歸納和整理，利用現(xiàn)有的經(jīng)驗和知識，就有可能在這些龐雜的獨立現(xiàn)象中確定出可能影響地震預測的特殊組合，對地震三要素進行綜合性的預測。綜合報告輸出系統(tǒng)輸出內容為地震綜合預測的最終結果，直接進行地震趨勢的判定，給出預測預報的意見供用戶參考，預測預報意見的內容將會分別對區(qū)域內長期地震趨勢、中短期地震趨勢和臨震趨勢進行分層次描述。

3 結束語

“基于地震監(jiān)測網(wǎng)絡的信息綜合處理系統(tǒng)設計”的研究，出發(fā)點是實現(xiàn)地震監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源的更高效利用，為地震預測研究工作提供更可靠的依據(jù)和決策參考。系統(tǒng)設計的載體是利用信息管理技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、數(shù)據(jù)庫技術、軟件技術等實現(xiàn)地震預測各個環(huán)節(jié)的程序化和自動化。系統(tǒng)最終要解決的問題，是實現(xiàn)地震監(jiān)測網(wǎng)絡中各類網(wǎng)絡資源，例如前兆和測震等網(wǎng)絡資源的整合利用，實現(xiàn)海量地震信息的高效匯集和綜合應用，嘗試進行地震綜合預測的研究。

系統(tǒng)設計基于實際的地震預測預報工作進行，而地震預測預報的復雜性也決定了我們所設計的系統(tǒng)不可能解決地震預測預報這一世界性難題，但通過對工作效率的提升，總結較為成熟的案例，積累有益的成果，為推動防震減災事業(yè)發(fā)展提供更多的參考依據(jù)和思路。

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