通用測震數(shù)據(jù)獲取軟件包的設(shè)計與實現(xiàn)＊

周 輝,申學(xué)林,王文青,馬 亮,任海軍,程 陳

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054;2.中國地震局地震研究所,武漢 430071)

通用測震數(shù)據(jù)獲取軟件包的設(shè)計與實現(xiàn)＊

周 輝1,申學(xué)林2,王文青1,馬 亮1,任海軍1,程 陳1

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054;2.中國地震局地震研究所,武漢 430071)

在掌握數(shù)據(jù)源及相關(guān)數(shù)據(jù)格式的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了讀取 SSS實時流數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫連續(xù)波形、事件波形數(shù)據(jù)以及 SEED文件的通用獲取測震數(shù)據(jù)軟件包。該軟件包可使應(yīng)用程序通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口獲得測震數(shù)據(jù)。經(jīng)測試該軟件包功能完整、高效易用,提高了地震科技人員的工作效率。

測震數(shù)據(jù);SEED;軟件包;統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口

0 引言

隨著 “九五”和 “十五”項目的建設(shè)完成,中國地震局推廣的地震監(jiān)測系統(tǒng) JOPENS在地震日常工作及大震速報方面發(fā)揮了重要作用(孫學(xué)軍,姚宏,2009;李大輝等,2001;胡星星等,2008;胡華燈,黃文輝,2006;金星等,2007;衛(wèi)愛民等,2005)。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,政府和民眾對地震行業(yè)提出了更高的要求,快速、實時利用數(shù)字地震波形開展地震學(xué)相關(guān)學(xué)科的研究、地震預(yù)警、震源參數(shù)反演、“新參數(shù)地震目錄”的產(chǎn)生(付虹等,2009;萬柯松等,2009;陳運泰,吳忠良,1999)等工作已提上日程。但 JOPENS沒有提供二次開發(fā)的接口,地震科技工作者在獲取地震數(shù)據(jù)時面臨很多難題,尤其是測震數(shù)據(jù)存在多數(shù)據(jù)源的情況,如 JOPENS/SSS實時測震流數(shù)據(jù)、來自 JOPENS數(shù)據(jù)庫的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和事件波形數(shù)據(jù)、SEED波形文件等,并且這些數(shù)據(jù)的格式繁多復(fù)雜,需要了解這些數(shù)據(jù)的存儲方式、格式等。針對這些問題,本研究開發(fā)的軟件包將提供一個簡單、可靠、統(tǒng)一的方案,可讀取不同數(shù)據(jù)源的測震數(shù)據(jù),從而方便后期數(shù)據(jù)的處理。

1 總體結(jié)構(gòu)

本軟件包的主要功能是為應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的獲取測震數(shù)據(jù)的平臺。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同,本軟件包分為 3個獨立的模塊,總體模塊圖如圖 1所示,分別為:SSS流數(shù)據(jù)處理模塊、JOPENS數(shù)據(jù)庫處理模塊、SEED文件處理模塊。SSS流數(shù)據(jù)處理模塊用來讀取 SSS服務(wù)器的實時測震數(shù)據(jù),JOPENS數(shù)據(jù)庫處理模塊用于處理 JOPENS數(shù)據(jù)庫中的連續(xù)波形和事件波形數(shù)據(jù),SEED文件處理模塊用于讀取 SEED波形文件。這些模塊分別將不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式,最終為應(yīng)用程序提供指定臺站、通道、采樣率的測震數(shù)據(jù)。本軟件包基于 .NET3.0平臺,采用 C#語言開發(fā),具有使用簡單、完全面向?qū)ο?、層次清晰、效率高等?yōu)點。

圖1 測震數(shù)據(jù)獲取軟件開發(fā)工具包總體模塊圖Fig.1 Overall block diagram

2 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口

為了能夠提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口,本軟件包自行定義了對外的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口 S_data。三大模塊將獲取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式,最后由S_data統(tǒng)一提供給應(yīng)用程序。下面是統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口S_data相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。圖 2為統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口類的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口類結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Unified data-interface class diagram

類 S_data用來存放多個臺站的測震數(shù)據(jù)。stations_name用來存儲臺站名稱的數(shù)組,stations是存放臺站所有數(shù)據(jù)的數(shù)組。本軟件包對外提供的所有測震數(shù)據(jù)都通過這個類來提供。

類 S_Sation_data用來存放單個臺站數(shù)據(jù)。channels_name是存儲該臺站中所有通道名稱的數(shù)組,channels是存放該臺站所有通道原始數(shù)據(jù)的數(shù)組。

方法 getData_Time()和 getStreamData_Time()根據(jù)指定臺站名、通道名和采樣率獲取測震數(shù)據(jù)。當(dāng)前測震數(shù)據(jù)的采樣率通常為 100 Hz,數(shù)據(jù)量很大,同一臺站同一通道一天記錄的數(shù)據(jù)達(dá)到8 640 000個,存在計算量大的困難,用戶可能需要不同采樣率的數(shù)據(jù)來滿足不同的需求,因此本軟件包提供了自行設(shè)定采樣率的功能。方法 get-StreamData_Time()用于獲取流數(shù)據(jù)。方法 getData_Time()應(yīng)用于讀取數(shù)據(jù)庫和 SEED文件數(shù)據(jù)。

3 流數(shù)據(jù)處理模塊

3.1 NetSeis/IP流服務(wù)協(xié)議

目前 “十五”項目測震臺網(wǎng)采用 SSS流服務(wù)器來負(fù)責(zé)接收和分發(fā)近實時波形數(shù)據(jù),該服務(wù)遵守NetSeis/IP流服務(wù)協(xié)議,默認(rèn)采用 5000端口提供實時地震數(shù)據(jù)流。NetSeis/IP協(xié)議類似 FTP協(xié)議,主要參考了美國 Albuquerque Seismological Laboratory(ASL)的 L ISS協(xié)議和 TCP/IP協(xié)議,用于傳送實時地震波形數(shù)據(jù)(李衛(wèi)東,梁兆東,2008)。

3.2 設(shè)計思路

本模塊共有兩個線程——控制線程和接收數(shù)據(jù)線程?？刂凭€程負(fù)責(zé)初始化 SSS服務(wù)器連接、獲取數(shù)據(jù)端口和創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)線程;接收數(shù)據(jù)線程負(fù)責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接、接收數(shù)據(jù)、處理解壓縮數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式供應(yīng)用程序使用。

圖3 流數(shù)據(jù)處理模塊流程圖(a)控制線程;(b)接收數(shù)據(jù)線程Fig.3 Stream data processing module flowchart(a)Thread of control;(b)Thread of receiving data

當(dāng)控制線程連接到 SSS服務(wù)器時,服務(wù)器將驗證用戶名和密碼,通過身份驗證后控制線程發(fā)送PASV RT命令,SSS服務(wù)器收到命令后,動態(tài)分配一個數(shù)據(jù)端口。接收數(shù)據(jù)線程連接到此端口上,再發(fā)送 RETR命令,SSS服務(wù)器收到命令后,驗證請求的臺站數(shù)據(jù)可被下載后,通過該數(shù)據(jù)端口將請求的臺站波形數(shù)據(jù)發(fā)送給接收數(shù)據(jù)線程。本模塊的程序流程圖見圖 3。接收數(shù)據(jù)線程從 SSS服務(wù)器上接收的數(shù)據(jù)實際上是大小為 512字節(jié)的純數(shù)據(jù)SEED卷(Mini-SEED數(shù)據(jù))。該卷包含有固定頭段部分(48字節(jié))和數(shù)據(jù)部分,總長度 512個字節(jié),主要記錄臺站名、通道名、記錄起始時間、樣本數(shù)目、測震數(shù)據(jù)等(中國地震局,2003)。每次接收的純數(shù)據(jù) SEED幀中的樣本數(shù)目并不完全一致,大約在 500左右,也就是說在采樣率為 100的情況下,該幀記錄了同一臺站同一通道約 5 s左右的測震數(shù)據(jù),同一臺站同一通道的前后數(shù)據(jù)幀間隔 5 s左右。

4 JOPENS數(shù)據(jù)庫處理模塊

JOPENS系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)接收和產(chǎn)出的各種數(shù)據(jù)。JOPENS系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫為開源數(shù)據(jù)庫MySQL,當(dāng)前使用的版本為MySQL 5.1。

4.1 NET平臺連接MySQL

MySQL官方提供了 MySQL Connector/NET數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(李波,2005),使得在 .NET平臺下連接MySQL數(shù)據(jù)庫十分簡便。本模塊采用 MySQL Connector/Net 6.1.3作為連接 MySQL的驅(qū)動。Connector/NET是一個純 C#語言編寫的全面托管的ADO.NET驅(qū)動程序,并實現(xiàn)了 ADO.NET所有接口,給開發(fā)人員提供了一種安全、高性能的與MySQL數(shù)據(jù)連接的方案。

4.2 設(shè)計思路

JOPENS數(shù)據(jù)庫中有事件波形和連續(xù)波形數(shù)據(jù),這兩種數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)略有不同,但主要的數(shù)據(jù)格式是相同的,所以把它們的處理整合在一個模塊中。首先,根據(jù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相應(yīng)參數(shù)創(chuàng)建連接。數(shù)據(jù)庫連接創(chuàng)建成功以后,根據(jù)應(yīng)用程序的不同要求來構(gòu)建合適的查詢語句,接著執(zhí)行該查詢語句。獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)以后,再進(jìn)行解壓縮并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,最后關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接。本模塊的程序流程見圖 4。

圖4 JOPENS數(shù)據(jù)庫處理模塊程序流程圖Fig.4 Flowchart of JOPENS database processing module program

5 SEED文件處理模塊

SEED格式是一個針對數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)交換的國際通用格式,它是為地震學(xué)界的應(yīng)用而設(shè)計的,主要是用于各個機(jī)構(gòu)之間交換未經(jīng)處理的地面運動數(shù)據(jù)(中國地震局,2003)。

5.1 SEED結(jié)構(gòu)分析

以下僅以 JOPENS-MSDP產(chǎn)出的 2.3版 SEED文件進(jìn)行簡單介紹。SEED格式文件包括 SEEDVOLUME文件和 Mini-SEED文件,SEEDVOLUME文件包括控制頭段和波形數(shù)據(jù)兩部分,Mini-SEED文件僅包括波形數(shù)據(jù)部分。在 SEEDVOLUME文件中,控制頭段部分以ASCII格式存儲,波形數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式存儲。從物理上劃分,文件由若干個邏輯卷組成,每卷為 4 096字節(jié)。每個邏輯卷以一個 8字節(jié)的 ID子塊開始,后跟 4 088字節(jié)的不同類型的控制頭段及其子塊。存儲時每個控制頭段會根據(jù)其長度可能占一個或多個邏輯卷,當(dāng)一個邏輯卷存放不下時,就開始一個新的邏輯卷存儲。圖 5為完整 SEED文件的存儲結(jié)構(gòu)。

圖5 SEED文件的存儲結(jié)構(gòu)Fig.5 Storage structure of SEED file

5.2 設(shè)計思路

SEED控制頭段內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在實際應(yīng)用中可按不同要求在需要的卷中根據(jù)子塊類型讀取所需要的內(nèi)容。例如若需要臺站列表,那么只需讀取卷索引控制頭段中的卷臺站頭段索引子塊;而臺站的具體信息可以讀取臺站控制頭段;數(shù)據(jù)卷的存儲采用了壓縮策略,在使用數(shù)據(jù)時需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮,具體解壓縮算法可參考《地震波形數(shù)據(jù)交換格式》附錄 B(中國地震局,2003)。圖 6是 SEED文件處理模塊的流程圖,已經(jīng)有資料實現(xiàn)類 Pascal編寫讀取 SEED數(shù)據(jù)文件的程序(劉勝國,賈慶華,2004)。

圖6 SEED文件處理模塊流程圖Fig.6 Flowchart of SEED file processingmodule

6 應(yīng)用實例

6.1 軟件包中類及其主要成員介紹

本研究中開發(fā)的測震數(shù)據(jù)獲取軟件包中有S_data、 clsStreamReader、 cls DatabaseReader、 cls-SeedReader 4個類,其中 S_data為統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口,在前面已經(jīng)介紹過;clsStreamReader用來讀取 SSS流數(shù)據(jù),clsDatabaseReader用來讀取數(shù)據(jù)庫中的連續(xù)和事件波形,clsSeedReader則是用于獲取 SEED文件數(shù)據(jù)。表 1為軟件包中類及其主要數(shù)據(jù)、函數(shù)成員介紹。

在 .NET環(huán)境中使用本軟件包,首先需要添加UDSDAP.DLL文件到 C#工程中引用,使用 using UDSDAP來引用UDSDAP命名空間。UDSDAP.DLL是本軟件包生成的動態(tài)鏈接庫的文件名。

表1 軟件包中類及其主要數(shù)據(jù)、函數(shù)成員Tab.1 Classes and their data and function member in the software package

6.2 讀取實時測震流數(shù)據(jù)實例

本例為讀取湖北興山臺(XSH)和房縣臺(FXI)的實時測震流數(shù)據(jù)的過程。圖 7為本實例的流程圖。

6.3 讀取 JOPENS數(shù)據(jù)庫實例

從 JOPENS數(shù)據(jù)庫中獲取 2010年3月 4日興山臺和房縣臺一天的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)。圖 8為本實例的流程圖。

從 JOPENS數(shù)據(jù)庫中獲取事件編號為HB.201003091844.0002地震波形數(shù)據(jù)。圖 9為讀取 JOPENS數(shù)據(jù)庫地震事件波形的流程圖。

圖7 讀取實時測震流數(shù)據(jù)實例流程圖Fig.7 Flowchart of reading stream data

圖8 讀取 JOPENS數(shù)據(jù)庫連續(xù)地震波形實例流程圖Fig.8 Flowchart of reading continuouswaveform Jdata from OPENS database

圖9 讀取 JOPENS數(shù)據(jù)庫地震事件波形實例流程圖Fig.9 Flowchart of reading eventwavefor m data from JOPENS database

6.4 讀取 SEED文件實例

本例是讀取MSDP產(chǎn)出的 SEED文件,該文件包含了武漢(WHA)臺的測震數(shù)據(jù)。圖 10為從SEED文件中獲取武漢臺 BHE通道的測震數(shù)據(jù)的流程圖。

圖10 讀取 SEED文件實例流程圖Fig.10 Flowchart of reading SEED data file

7 結(jié)語

本軟件包完全實現(xiàn)了既定功能要求,能方便、準(zhǔn)確地獲取測震數(shù)據(jù),讓地震科研人員更方便地進(jìn)行測震數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)及分析處理工作。為了使它適用于更廣泛的領(lǐng)域,應(yīng)考慮進(jìn)一步補(bǔ)充完善本軟件,支持更多的數(shù)據(jù)源,如 EVT格式的數(shù)據(jù)等。另外,在處理中國地震臺網(wǎng)中心產(chǎn)出的 SEED文件時,出現(xiàn)過臺站索引與數(shù)據(jù)卷中的臺站對應(yīng)不上的問題,即數(shù)據(jù)卷中的臺站數(shù)量比索引中的多,發(fā)生這種情況時,只能以索引中的臺站為準(zhǔn)。

衷心感謝中國地震局地震研究所李勝樂研究員對筆者的悉心指導(dǎo)和對本軟件包及論文的寶貴意見。

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Design and Realization of the Acquisition Software Package of Un iversal Seism ic Data

ZHOU Hui1,SHEN Xue-lin2,WANG W en-qing1,MA L iang1,REN Hai-jun1,CHENG Chen1
(1.Second CrustM onitoring and Application Center,CEA,Xi'an710054,Shaanxi,China)(2.Institute of Seismology,CEA,Wuhan430071,Hubei,China)

We develop a universal access to seism om etric data-package w hich can read SSS real-tim e stream ing data,database data including continuous w aveform data and earthquake-event data and the SEED w aveform files based on understanding the data sources and related data form ats.Thus,other applications w ill be able to obtain seism ic data through a unified data-interface.This package has full function and is efficient,w hich improves the efficiency of earthquake personnel.

seism om etric data;SEED;package;unified data-interface

TP311.52

A

1000-0666(2011)01-0102-06

2010-02-03.

國家自然科學(xué)基金(40674019)和中國地震局地震研究所所基金(IS200856066)聯(lián)合資助 .