模拟记录地震图的数字化实现

２０１８年　　６月

内陆地震

ＩＮＬＡＮＤ　ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ

Ｖｏｌ.３２　Ｎｏ.２Ｊｕｎ.　２０１８

文章编号:１００１￣８９５６(２０１８)０２￣０１４７￣０８中图分类号:Ｐ３１５.６３　　文献标识码:Ａ　　

模拟记录地震图的数字化实现

何思源１ꎬ　雷　宛２ꎬ　刘华姣１ꎬ　钟李彬１

①

(１.四川省地震局成都地震基准台ꎬ四川成都　６１１７３０ꎻ　２.成都理工大学ꎬ四川成都　６１００５９)

摘要:通过ＳｅｉｓＤｉｇ软件与Ｍａｔｌａｂ软件的结合ꎬ实现了对模拟记录地震图的数字化ꎮ实现的过程主要分３个步骤:扫描地震模拟图纸、图纸扫描后的图形处理、ＳｅｉｓＤｉｇ软件对图纸的数字化ꎮ数字化的对象是模拟记录时期记录了重大地震事件的波形资料ꎮ经过数字化后的地震波形还原程度高ꎬ效果明显ꎮ此数字化方法在成都地震台２００２年编号６６０号地震图(ＤＫ￣１)进行了应用ꎬ取得了良好的效果ꎮ这对于模拟记录地震资料的保存意义重大ꎬ为今后地震研究时引用历史地震资料提供了便利ꎮ

关键词:模拟记录地震图ꎻ数字化ꎻＳｅｉｓＤｉｇꎻＭａｔｌａｂｄｏｉ:１０.１６２５６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１￣８９５６.２０１８.０２.００８

　　２００７年之前ꎬ中国的地震观测图纸散布在各省地震局ꎬ虽然一些单位也曾开展过少量的地震图整编工作ꎬ但是大部分比较零散ꎬ且地震图的波形数字化工作几乎很少涉及ꎮ特别是一些记录了历史重大地震事件的地震图ꎬ这些重要的地震资料尚未在地球科学研究中发挥应有的作用ꎬ迫切需要开展模拟地震图的整编、保存工作ꎮ２００２年起ꎬ由美国哥伦比亚大学拉蒙特－多赫蒂地球观象台与美国加州大学斯克里普斯海洋研究所在ＮｘＳｃａｎ的基础上ꎬ合作开发了ＳｅｉｓＤｉｇ软件ꎬＳｅｉｓＤｉｇ是使用Ｍａｔｌａｂ开发的ꎬ利用了Ｍａｔｌａｂ图像处理功能ꎬ从而提高了软件的自动化水平[１－２]ꎮ到２０１５年底ꎬ拉蒙特－多赫蒂地球观象台已经用该软件将多年的模拟地震记录数字化ꎬ取得了很好的效果ꎮ２０１６年经过拉蒙特－多赫蒂地球观象台的许可ꎬ中国地震局地球物理研究所得到了ＳｅｉｓＤｉｇ软件代码ꎬ根据中国模拟地震记录的实际ꎬ对软件进行了重新编译ꎮ本文中介绍了从扫描地震模拟图到输出数字化图形的过程ꎮ

１　扫描地震模拟图纸

扫描地震模拟图纸是数字化的第一步ꎬ将图纸中的信息扫描到电脑中ꎬ为下一步图形的处理做好准备ꎮ地震观测模拟记录的地震仪多采用滚筒式记录波形ꎬ常用记录滚筒及记录纸参数见表１[３]ꎮ图纸扫描质量的优劣是由图纸的分辨率、位深度(灰度值)及压缩比３个参数决定ꎮ扫描参数中最主要的是分辨率ꎬ分辨率过低难以完整表达图纸记录的地动信息ꎬ分辨率过高将带来高昂的存储代价[４]ꎮ因此ꎬ从经济、实用性考虑ꎬ结合实际操作的经验ꎬ扫描图纸时

①

收稿日期:２０１７￣０１￣０５ꎻ修回日期:２０１７￣０５￣０３.

作者简介:何思源(１９９１~)ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ成都理工大学在职硕士ꎬ主要从事地震监测工作.

Ｅ￣ｍａｉｌ:１１８４００３０３７＠ｑｑ.ｃｏｍ

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ｄｐｉ值选择４００~５００即可满足需求ꎮ对于扫描后质量较差、ｄｐｉ值低于４００的图件ꎬ需要在图形处理时进行深度加工ꎮ

表１　地震观测常用记录滚筒及记录纸参数

地震仪器号ＤＤ－１ＤＫ￣１Ｘ７３７６８

记录道数

３５３６３１１３３

滚筒长/ｃｍ４５５０３７５０３８１９.５３７３７３３

直径/ｃｍ２３２３３０１９.５１１.５２４.５３０３０３２

记录面积/ｃｍ×ｃｍ７２×４５７２×５０９４×３７９６×５０６１×３８３６×３３７７×２０９４×３７９４×３７

记录纸尺寸/ｃｍ×ｃｍ８２×４５８２×５０

纸张类型铜版纸铜版纸薄形记录纸铜版纸铜版纸铜版纸示波仪器感光纸示波仪器感光纸

铜版纸

１０４×３７１００×５０７１×３８４６×３３８７×２０１０４×３７１０４×３７

ＤＳＬ－３ＤＳＬ－１流动仪基式７６３

２　图形处理

图形处理是数字化的第二步ꎮ由于ＳｅｉｓＤｉｇ软件只对位图格式的图件能进行较好的识别ꎬ因此扫描后图件需要通过ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件进行处理ꎮ图形处理是十分关键的步骤ꎬ如果处理不当ꎬ在后面数字化的过程中ꎬ会造成原来的地震波形信息丢失ꎬ使得数字化后的地震波形不完整和畸变ꎮ

图形处理时ꎬ首先需要选择波形区域ꎬ然后使用ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ中\"色彩范围\"功能ꎬ去掉原图的彩色背景并保留波形信息ꎮ此过程需不断重复ꎬ使波形的完整度达到最佳效果ꎬ期间可以使用\"锐化\"功能来增加效果ꎬ使得波形更清楚ꎮ最后通过\"反向\"功能变成黑底的图像ꎬ再以位图的格式保存图件ꎮ

图１是北京台１９７８年编号２７６号地震图(ＳＫ)经过扫描和图形处理后的情况ꎮ其中扫描后的图件中ꎬ３分向的地震波形均较为清晰ꎬ图形处理后的地震波形和背景的颜色有明显的区分ꎬ说明扫描和图形处理的结果都比较理想ꎬ为下一步的数字化工作打下了良好的基础ꎮ

３　ＳｅｉｓＤｉｇ数字化

通过ＳｅｉｓＤｉｇ载入经过图形处理后的位图格式图件ꎬ为了更准确的拟合地震波形ꎬ需要沿着图中的波形走向进行人工控制点追踪ꎬ即沿地震波形手动加上控制点ꎬ之后将控制点进行拟合ꎬ各个控制点相互拟合形成的曲线即与地震波形进行匹配ꎬ匹配之后的曲线就是我们数字化后的地震波形ꎮ在实际数字化的过程中ꎬ若对３个分量同时进行数字化ꎬ则计算量大、耗时长ꎮ因此ꎬ一般采取分别对３个分量进行图形处理、数字化的方式ꎬ最后通过ＭＡＴＬＡＢ命令将３个数字化后的分量输出到一张图中ꎮ

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图１　北京台１９７８年编号２７６地震图(ＳＫ)图形处理前后

Ｆｉｇ.１　Ｂｅｉｊｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎꎬ１９７８ꎬＮｏ.２７６ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ(ＳＫ)ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｇｒａｐｈｉｃｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

(ａ)扫描后的地震图　(ｂ)图形处理去除原图背景、保留波形信息　(ｃ)输出“反向”后的图件

３.１　控制点的选择

模拟资料数字化过程中对控制点数量、控制点位置的选择上至关重要ꎬ直接关系到波形的还原程度高低ꎮ根据实际操作的经验ꎬ平均一个较为平滑的波峰(波谷)至少应该添加８~１０个控制点才能保证较好的波形还原程度ꎬ对于存在拐点的波峰(波谷)应该额外添加４~５个控制点ꎮ控制点过少(平均一个波峰或波谷控制点不足８个)、拐点位置控制点缺失都会造成拟合曲线的变形ꎬ使得波形还原程度低ꎻ反之ꎬ控制点添加充足的情况下ꎬ波形还原程度高ꎮ

在对北京台１９７８年编号２７６地震图(ＳＫ)南－北分向进行数字化处理的过程中ꎬ使用较少的控制点(平均每个波峰或波谷不足６个控制点)ꎬ对于存在拐点的波峰(波谷)未添加控制点ꎬ由图２(ｂ)可知ꎬ波形的拟合曲线在箭头的地方发生了变形ꎻ而在控制点添加充足的情况

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下ꎬ波形的拟合曲线与原波形匹配程度高ꎬ如图２(ｃ)所示ꎬ也证明了控制点数量、控制点位置对于波形还原的重要性ꎮ对比图２(ａ)、(ｅ)可知ꎬ数字化后地震图南－北分向波形连续性好ꎬ还原程度高ꎮ

图２　北京台１９７８年编号２７６地震图(ＳＫ)南北分向数字化过程

(ａ)图形处理后的南－北分向)　(ｂ)数字控制点数量过少(图中的Ｘ及圆点就是控制点)　(ｃ)数字控制点数量足够

(ｄ)数字控制点追踪完成　(ｅ)数字化完成后的南－北分向

Ｆｉｇ.２　Ｂｅｉｊｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎꎬ１９７８ꎬＮｏ.２７６ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ(ＳＫ)ｓｏｕｔｈ￣ｎｏｒｔｈｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

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３.２　弧度矫正

需要特别注意的是ꎬ在ＤＫ￣１所记录的模拟图纸中ꎬ地震波形是具有弧度的ꎬ而在Ｓｅｉｓｄｉｇ中拟合有弧度的波形是比较困难的ꎬ易造成控制点拟合曲线的变形导致以及与原波形不匹配的情况ꎮ因此ꎬ需要对此类波形进行预处理ꎬ将弧度进行矫正ꎮ以北京台１９８１年编号６５号地震图(ＤＫ￣１)的ＥＷ向为例ꎬ我们通过ＳｅｉｓＤｉｇ中的Ｄｅａｒｃ程序进行弧度矫正ꎮ在弧度矫正的过程中ꎬ需要ＤＫ￣１仪器记录笔的长度(ｍｍ)以及图件ｄｐｉ值作为参数ꎮ通过仪器记录笔的长度可以换算出需要矫正的弧度ꎬ而图件的ｄｐｉ值则决定了矫正的效果ꎮ若ｄｐｉ值高于原始值则弧度矫正不足ꎬｄｐｉ值低于原始值则弧度矫正过大(图３)ꎮ弧度矫正的过程中ꎬ依然采用３个分向分别矫正的方法ꎮ

图３　北京台１９８１年编号６５号地震图(ＤＫ￣１)东西分向弧度矫正前后(笔长:１５０ｍｍ)

Ｆｉｇ.３　Ｂｅｉｊｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎꎬ１９８１ꎬＮＯ.６５ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ(ＤＫ￣１)ｅａｓｔ￣ｗｅｓｔｐａｒｔｉａｌｒａｄｉａｔｉｏｎ

ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ(ｒｅｃｏｒｄｐｅｎｌｅｎｇｔｈ:１５０ｍｍ)

(ａ)引用图件ｄｐｉ原始值:７２　(ｂ)ｄｐｉ过高:２００　(ｃ)ｄｐｉ过低:４５　(ｄ)ｄｐｉ一致:７２

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３.３　输出数字化图形

成３个分向的数字化ꎬ图４即为输出包含模拟图纸中完整波形、高还原度的数字化图形ꎮ

３个分向经过弧度矫正后ꎬ便在ＳｅｉｓＤｉｇ中进行数字化控制点追踪和控制点曲线拟合ꎬ完

图４　北京台１９８１年编号６５号地震图(ＤＫ￣１)数字化

Ｆｉｇ.４　Ｂｅｉｊｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎꎬ１９８１ꎬＮＯ.６５ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ(ＤＫ￣１)ｄｉｇｉｔａｌｇｒａｐｈｉｃｓ

(ａ)扫描后的地震图　(ｂ)数字化后的地震图

４　实际应用—以成都台为例

通过对北京台数据的处理以及所得到的成果ꎬ证明了基于ＳｅｉｓＤｉｇ软件实现地震模拟图纸数字化的可行性ꎮ因此ꎬ文中通过上述的数字化处理流程对成都地震台２００２年ＤＫ￣１记录的编号６６０号模拟图纸进行数字化ꎮ由于６６０号模拟图纸扫描的质量较差(ｄｐｉ值仅有３００)ꎬ因此需要进行反复的图形处理ꎬ达到地震波形与图纸背景能够明显区分的效果ꎬ再通过弧度矫正后进行控制点追踪ꎬ最后完成数字化图形输出ꎬ得到高还原度的数字化图形(图５)ꎮ

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图５　成都台２００２年编号６６０号地震图(ＤＫ￣１)南北向数字化前后

(ａ)扫描后的地震图(ｄｐｉ:３００)　(ｂ)图形处理、弧度矫正后　(ｃ)数字化后的地震图

Ｆｉｇ.５　Ｃｈｅｎｇｄｕｓｅｉｓｍｉｃｓｔａｔｉｏｎꎬ２００２ꎬＮＯ.６６０ｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ(ＤＫ￣１)ｓｏｕｔｈ￣ｎｏｒｔｈ

ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

５　结语

从数字化处理过程中得出了几点认识ꎮ

(１)由北京台和成都台数字化的结果可知ꎬ数字化后的地震波形与原图地震波形相比ꎬ还

原程度高ꎬ波形的连续性良好ꎬ证明了此方法的可行性ꎬ适合推广到各个台站进行使用ꎮ此方法的运用ꎬ对于地震图纸的保存具有重要意义ꎬ避免图纸保存不当发生霉变ꎬ从而造成历史资料的丢失和破坏ꎮ模拟图纸的数字化实现ꎬ为今后地震研究引用历史资料提供了便利ꎮ对于数字化后的资料如何更好地应用于未来的科研工作ꎬ这方面还有探索的空间ꎮ件需要进行反复的图形处理进行改善ꎮ

(２)图纸扫描时ｄｐｉ值选择４００~５００即可满足需求ꎬ扫描质量较差、ｄｐｉ值低于４００的图(３)图形处理时需注意尽量使得波形与背景的颜色区分明显ꎬ这样在以位图格式进行保(４)对于ＤＫ￣１这类记录的模拟地震图中的波形具有弧度的ꎬ需要在数字化前通过ＳｅｉｓＤｉｇ

存并载入ＳｅｉｓＤｉｇ进行控制点追踪时ꎬ会更容易识别波形的实际走向ꎮ反之ꎬ则容易造成控制点追踪失准ꎬ使得控制点拟合后的曲线与原来波形不匹配ꎮ

的附加程序Ｄｅａｒｃ做预处理ꎬ以矫正波形弧度ꎮ需要注意的是ꎬ在矫正时除了需要准确的笔长数据ꎬ还需要准确所采用图片的ｄｐｉ值ꎮ其他如ＳＫ记录的图纸中波形没有弧度ꎬ则无需预处理ꎮ

(５)对波形添加控制点时应注意ꎬ控制点过少会造成数字化后地震波形还原度差ꎮ平均

一个波峰或波谷至少应添加８~１０个控制点ꎬ对于存在拐点的波峰(波谷)应该额外添加４~５个控制点ꎮ

１５　４　　　　　　　　　　　　　　　　内　陆　地　震　　　　　　　　　　　　　　　　　３２卷

参考文献:

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ＤＩＧＩＴＡＬＲＥＡＬＩＺＡＴＩＯＮＯＦＳＩＭＵＬＡＴＥＤＳＥＩＳＭＯＧＲＡＭ

(１.ＣｈｅｎｇｄｕＳｅｉｓｍｉｃＳｔａｎｄａｒｄＳｔａｔｉｏｎｏｆＳｉｃｈｕａｎＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｇｅｎｃｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１１７３０ꎬＳｉｃｈｕａｎꎬＣｈｉｎａꎻ

２.ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００５９ꎬＳｉｃｈｕａｎꎬＣｈｉｎａ)

ＨＥＳｉ￣ｙｕａｎ１ꎬ　ＬＥＩＷａｎ２ꎬ　ＬＩＵＨｕａ￣ｊｉａｏ１ꎬ　ＺＨＯＮＧＬｉ￣ｂｉｎ１

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓＳｅｉｓＤｉｇｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｅｉｓｍｏｇｒａｍ.Ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｓｍａｉｎｌｙｔｈｒｅｅｓｔｅｐｓ:ｓｃａｎｎｉｎｇｓｅｉｓｍｉｃｓｉｍｕｌａ￣ｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅｍａｉｎｏｂｊｅｃｔｏｆｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎｉｓｔｏｒｅｃｏｒｄｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍｄａｔａｏｆｌａｒｇｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｅ￣ｄｅｇｒｅｅ.ＴｈｉｓｄｉｇｉｔａｌｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｅｉｓｍｏｇｒａｍＮｏ.６６０(ＤＫ￣１)ｏｆＣｈｅｎｇｄｕＳｅｉｓｍｏｌｏｇ￣ｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｒｅｓｅａｒｃｈ.

ｔｉｏｎｄｒａｗｉｎｇｓꎬｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｇｒａｐｈｓａｆｔｅｒｔｈｅｇｒａｐｈｉｃｓｓｃａｎｎｉｎｇａｎｄｄｉｇｉｔｉｚｉｎｇｔｈｅｇｒａｐｈｓｂｙＳｅｉｓＤｉｇｖｅｎｔｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｒｅｃｏｒｄｉｎｇｐｅｒｉｏｄ.ＡｆｔｅｒｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｆｏｒｍｓｗｅｒｅｒｅｓｔｏｒｅｄｔｏａｈｉｇｈｉｃａｌＳｔａｔｉｏｎｉｎ２００２ꎬａｎｄｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｓ.ＴｈｉｓｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆａｎａｌｏｇｓｅｉｓｍｉｃｄａｔａꎬａｎｄｉｔｉｓａｌｓｏｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｆｏｒｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｓｅｉｓｍｉｃｅｖｅｎｔｓＫｅｙｗｏｒｄｓ:ＳｉｍｕｌａｔｅｄｓｅｉｓｍｏｇｒａｍꎻＤｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎꎻＳｅｉｓＤｉｇꎻＭａｔｌａｂ