地下流體數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工軟件系統(tǒng)設(shè)計

劉春國 李正媛 王建國 張彬 樊春燕 陳華靜

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2)天津市地震局，天津 300201

3)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

0 前言

“十五”地震數(shù)字網(wǎng)絡(luò)項目完成后，國家地下流體臺網(wǎng)中心(以下簡稱地下流體中心)部署有前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、前兆數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)、地下流體臺網(wǎng)管理與質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、地下流體專業(yè)網(wǎng)站等5個軟件系統(tǒng)，構(gòu)成了地下流體中心數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量監(jiān)控與臺網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)工作平臺。

隨著我國地下流體臺網(wǎng)整合的完成(周克昌等，2013)，地下流體臺網(wǎng)已經(jīng)從建設(shè)期轉(zhuǎn)入相對穩(wěn)定的運行期，臺網(wǎng)的產(chǎn)品產(chǎn)出能力日益引起關(guān)注，要求地下流體中心能夠快速加工產(chǎn)出高質(zhì)量的地下流體專業(yè)產(chǎn)品，以滿足震情監(jiān)測、地震科研以及其他防震減災(zāi)工作的迫切需要。現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足上述需求，在此背景下，配合“十一·五”背景場探測項目“前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”的實施，對地下流體中心數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工軟件系統(tǒng)的功能、處理模型和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了規(guī)劃和設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是滿足背景場探測項目完成后地下流體中心所有地下流體測項常規(guī)產(chǎn)出和應(yīng)急產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品加工和制作的需求。處理的地下流體測項包括井水位(以下簡稱水位)、井(泉)水溫(以下簡稱水溫)、水(氣)氡(以下簡稱氡)、水(氣)汞(以下簡稱汞)、氣體及離子等;根據(jù)測項的性質(zhì)不同，這些測項可分為物理量測項和化學(xué)量測項兩大類，物理量包括水位和水溫等，化學(xué)量包括氡、汞、氣體及離子等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計基本原則

地下流體數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工軟件系統(tǒng)是在背景場探測項目“前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”總體設(shè)計框架下設(shè)計的。

背景場探測項目“前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”的構(gòu)成如圖1所示，包括數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工和產(chǎn)品存儲、交換與管理以及產(chǎn)品可視化展示、服務(wù)等3大分系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工分系統(tǒng)包括地下流體、電磁和形變的數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工系統(tǒng)，實現(xiàn)3大學(xué)科臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與加工、產(chǎn)品制作功能;產(chǎn)品存儲、交換與管理分系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)從5個學(xué)科臺網(wǎng)中心(國家地下流體、地電、地磁、形變和重力臺網(wǎng)中心)到國家前兆臺網(wǎng)中心的自動匯集;產(chǎn)品可視化展示、服務(wù)分系統(tǒng)實現(xiàn)加工產(chǎn)品的可視化展示與對外服務(wù)功能。

地下流體數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工軟件系統(tǒng)設(shè)計遵循統(tǒng)一規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)、模塊化設(shè)計等原則。

圖1 背景場前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成與加工流程

系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，其中包括地下流體數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工和圖形產(chǎn)品制作等3大軟件模塊和1個地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)加工流程為:通過數(shù)據(jù)處理模塊，完成地下流體觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、專業(yè)處理和質(zhì)量分類工作，產(chǎn)出淺加工產(chǎn)品數(shù)據(jù)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫保存;數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工模塊從產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中獲取淺加工產(chǎn)品數(shù)據(jù)(經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、且質(zhì)量等級滿足加工需求)進(jìn)行進(jìn)一步加工處理，生成深加工產(chǎn)品數(shù)據(jù);圖形產(chǎn)品制作模塊采用可視化展示技術(shù)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形產(chǎn)品制作。

圖2 地下流體數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品加工系統(tǒng)構(gòu)成與加工基本流程

2 地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫設(shè)計

地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫用于存儲地下流體數(shù)據(jù)與加工系統(tǒng)加工的各類產(chǎn)品數(shù)據(jù)及其輔助信息，是前兆產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的組成部分。地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表可分為3大類:

(1)前兆數(shù)據(jù)基本表

包括臺站、測點、觀測儀器、觀測井泉等基礎(chǔ)信息表，分鐘值、整點值、日均值等數(shù)據(jù)表，以及質(zhì)量評價信息表等。這些表已包括在現(xiàn)有的前兆數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)(中國地震局，2012)中，不再設(shè)計，直接采用。

(2)新增學(xué)科通用表

包括月均值及年均值產(chǎn)品數(shù)據(jù)、時序圖產(chǎn)品信息、空間圖產(chǎn)品信息、背景圖層信息、數(shù)據(jù)處理日志等數(shù)據(jù)表。這類各學(xué)科具有共性的數(shù)據(jù)表不需自行設(shè)計，采取與前兆產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一設(shè)計的表結(jié)構(gòu)。

(3)新增流體自用表

這類表在現(xiàn)有前兆數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)中沒有，且只有地下流體的數(shù)據(jù)處理與加工才需要，因此需要自行設(shè)計。設(shè)計的基本原則是嚴(yán)格按照3NF范式進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計，考慮的主要因素包括數(shù)據(jù)的讀寫速度與數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)表的可擴展性與動態(tài)參數(shù)的管理等。新增流體自用表如表1所示。

表1 表1 新增流體自用表

3 功能設(shè)計

系統(tǒng)共設(shè)計了數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工和圖形產(chǎn)品制作等3個一級模塊、16個子模塊和37個功能小模塊。

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工前觀測數(shù)據(jù)檢查、問題數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)質(zhì)量的審核與數(shù)據(jù)分類，以及產(chǎn)品加工前的一些必要的專業(yè)處理。通過數(shù)據(jù)處理后，可以生成帶質(zhì)量分類信息的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品和包括水位高程校正值、標(biāo)定誤差消除值等淺加工產(chǎn)品，并將其保存在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)檢查與改正、質(zhì)量審核和專業(yè)處理等3個子模塊。

數(shù)據(jù)檢查與改正子模塊包含6個主要功能小模塊:數(shù)據(jù)初檢、錯誤數(shù)據(jù)處理、突跳數(shù)據(jù)處理、臺階數(shù)據(jù)處理、測量單位修正、水位值轉(zhuǎn)換等，以實現(xiàn)對產(chǎn)品加工源數(shù)據(jù)的快速檢查與地下流體常見的錯誤數(shù)據(jù)、突跳數(shù)據(jù)、臺階數(shù)據(jù)、非標(biāo)準(zhǔn)單位數(shù)據(jù)和未轉(zhuǎn)換成水位值的水柱高度數(shù)據(jù)等的處理功能。

質(zhì)量審核由質(zhì)量審核參數(shù)管理和質(zhì)量審核分類等2個功能小模塊組成，以實現(xiàn)質(zhì)量審核分類參數(shù)的動態(tài)管理、質(zhì)量指標(biāo)的自動計算和數(shù)據(jù)質(zhì)量分級功能。

專業(yè)處理由標(biāo)定誤差分配、水位高程校正、缺數(shù)插值等3個功能小模塊組成。其中標(biāo)定誤差分配功能是為了消除某些測項時序產(chǎn)品中出現(xiàn)的因儀器啟用新K值的臺階而設(shè)計的;水位高程校正是將基于不同基準(zhǔn)面的水位值歸一到海平面，為水位的空間產(chǎn)品加工提供可能;缺數(shù)插值功能主要用于水位潮汐產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)的處理。

3.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工

數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工模塊主要完成對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理且數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足加工需求(質(zhì)量為優(yōu)秀或合格)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品加工，以生成產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工模塊由8個功能子模塊組成:

(1)水位氣壓改正:對受氣壓影響明顯的水位觀測序列氣壓改正。

(2)水位逐日潮汐分析:對有固體潮效應(yīng)的水位觀測序列逐日計算日潮汐參數(shù)及其中的誤差。

(3)均值與均方差:臺網(wǎng)地下流體測項日均值、五日均值、旬均值、月均值、年均值及其均方差的自動計算。

(4)物理量變差:臺網(wǎng)物理量年變差和月變差值的自動計算。

(5)化學(xué)量相對變差:臺網(wǎng)化學(xué)量的月相對變差、年相對變差的自動計算。

(6)地震動態(tài)響應(yīng)識別:臺網(wǎng)中有地震響應(yīng)變化的水位、水溫、氣氡、氣汞測點的自動篩選識別，地震響應(yīng)參數(shù)的提取。

(7)月潮汐因子變化:臺網(wǎng)水位月潮汐因子變化值自動計算。

(8)產(chǎn)品數(shù)據(jù)歸一化:對于需要在空間分布圖上展示的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)變化范圍較大時，可以采取該模塊將數(shù)據(jù)歸一到某一個范圍。

3.3 圖形產(chǎn)品制作

圖形產(chǎn)品制作模塊主要利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工模塊生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)制作圖形產(chǎn)品。包括5個子模塊及18個功能小模塊:

(1)背景值分布圖:采用臺網(wǎng)地下流體主要測項的年(月)均值或均值歸一化值產(chǎn)品數(shù)據(jù)，繪制背景值空間分布圖。

(2)觀測量變化分布圖:采用臺網(wǎng)物理量年(月)變差值及歸一化年(月)變差值、化學(xué)量年(月)相對變差值產(chǎn)品數(shù)據(jù)，繪制各觀測量變化空間分布圖。

(3)同震響應(yīng)分布圖:采用臺網(wǎng)水位、水溫、氣氡、氣汞等同震響應(yīng)參數(shù)(響應(yīng)類型、響應(yīng)幅度)，繪制同震相應(yīng)分布圖。

(4)水位潮汐因子變化分布圖:采用臺網(wǎng)水位潮汐因子變化值產(chǎn)品數(shù)據(jù)，繪制潮汐因子變化分布圖。

(5)時序產(chǎn)品繪制:采用水位日潮汐參數(shù)、水位氣壓改正數(shù)據(jù)、各測項月變差值及年變差值等產(chǎn)品數(shù)據(jù)，繪制水位潮汐變化時序圖、水位氣壓改正時序圖、各測項月變差及年變差時序圖等。

此外，(1)～(4)的分布圖制作功能還包含以下功能:

可以在1幅圖上，繪制1種測項或多種測項，用符號區(qū)分;通過顏色、符號大小顯示物理量的大小;可標(biāo)注地震;可疊加1:20區(qū)域水文地質(zhì)圖、斷層分布圖(繪制全國圖時采用塊體邊界圖替代斷層分布圖)，點擊指定臺站，能夠顯示臺站物理量及其站點基礎(chǔ)信息等。

時序產(chǎn)品繪制功能子模塊還包含多條對比曲線、均值線、異常上下限的繪制，地震的標(biāo)注，以及觀測日志、站點基礎(chǔ)信息的聯(lián)機查詢等功能。在水位潮汐變化時序圖中提供了潮汐參數(shù)中誤差(誤差棒的形式)的標(biāo)識功能。

4 處理模型設(shè)計

處理模型設(shè)計包括功能模塊的輸入、輸出、處理流程與算法設(shè)計?；驹瓌t是盡量采用在長期地下流體數(shù)據(jù)分析處理和運行評價中形成的成熟的數(shù)學(xué)模型，適當(dāng)引入近年來地下流體監(jiān)測預(yù)報領(lǐng)域使用的分析研究方法。

4.1 引用模型的改進(jìn)

表2為本系統(tǒng)引用現(xiàn)有軟件系統(tǒng)處理模型的基本情況。引用的處理模型只涉及到數(shù)據(jù)檢查與改正(包括5個功能子模塊)、質(zhì)量審核和水位氣壓改正模塊。這些模塊并不能完全滿足本系統(tǒng)的需求，必須加以改進(jìn)。

(1)數(shù)據(jù)檢查與改正

為了提高數(shù)據(jù)檢查、改正的效率，在數(shù)據(jù)檢查與改正模塊中增加數(shù)據(jù)初檢模塊:采取自動掃描的方法，先篩選出疑似有問題的臺項，再提交給錯誤數(shù)據(jù)處理、突跳數(shù)據(jù)處理、臺階數(shù)據(jù)處理、測量單位修正、水位值轉(zhuǎn)換功能小模塊進(jìn)行處理與改正。篩選模型主要包括合理值識別、突變數(shù)據(jù)識別:

①合理值識別方法:根據(jù)各測項的合理值域范圍來判定，超出范圍的觀測值被認(rèn)為是錯誤數(shù)據(jù)。

②突變數(shù)據(jù)識別:采用一階差分序列的超差識別方法，當(dāng)差分值ΔXi滿足

時，認(rèn)為該點數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，有可能是突跳或臺階。式中σ為一階差分序列的均方差，K為閾值。

(2)質(zhì)量審核模塊

為了對地下流體數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分類，我們在分析2010～2012年地下流體臺網(wǎng)月評比的評價指標(biāo)及得分標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量狀況的基礎(chǔ)上，篩選出內(nèi)在質(zhì)量、動態(tài)規(guī)律、動態(tài)穩(wěn)定性等3個指標(biāo)來衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量分級模型為

式中，S動態(tài)規(guī)律、S穩(wěn)定性、S內(nèi)在質(zhì)量分別為動態(tài)規(guī)律、穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)的月評比得分(均轉(zhuǎn)換為100分制);α、β、γ為權(quán)重指標(biāo)，α+β+γ=1，不同測項的 α、β、γ可以不同。根據(jù)S值的大小和分級標(biāo)準(zhǔn)，將觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分為合格、基本合格和不合格3個等級。

(3)水位氣壓改正處理模型

在水位氣壓改正之前，采用別爾采夫潮汐濾波方法(國家地震局科技監(jiān)測司，1995)對水位和氣壓整點值數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾除潮汐引力的處理;采用對氣壓向前滑動的水位-氣壓回歸分析法，求出回歸分析相關(guān)系數(shù)最大且經(jīng)過相關(guān)顯著性檢驗的線性方程，進(jìn)而求出滯后時間和氣壓系數(shù)。

4.2 新處理模型的提出

這里的“新”指的是在現(xiàn)有的前兆監(jiān)測預(yù)報專業(yè)軟件中尚未出現(xiàn)過。新處理模型主要包括標(biāo)定誤差分配、水位高程校正、水位逐日潮汐分析、月潮汐因子變化、物理量變差或化學(xué)量相對變差、地震動態(tài)響應(yīng)識別和產(chǎn)品歸一化等。

(1)標(biāo)定誤差分配

在目前的地下流體觀測中經(jīng)常出現(xiàn)儀器標(biāo)定后啟用新K值而出現(xiàn)臺階的現(xiàn)象。K值的變化過程很復(fù)雜，為了簡化問題，認(rèn)為臺階是誤差線性累積造成的。將標(biāo)定誤差平均分配在兩個標(biāo)定周期間的觀測數(shù)值中，對標(biāo)定K值變化引起的臺階進(jìn)行消除。算法如下

上一次標(biāo)定結(jié)束后的觀測序列{Xi，i=0，1，2…n}，Xn為此次標(biāo)定前的最后一個觀測數(shù)據(jù)，因本次標(biāo)定造成觀測值出現(xiàn)臺階，階變量為ΔR，消除臺階的改正序列{Yi}可以用

進(jìn)行計算。以某臺站數(shù)字化氣氡觀測為例。2011年12月24日10點(TA)至2012年12月24日10點(TB)為上次標(biāo)定結(jié)束后的觀測時段(共計8785個數(shù)，n=8784)，2012年12月24日11點至2012年12月25日21點為本次標(biāo)定時段，2012年12月25日22點恢復(fù)觀測，測值與標(biāo)定前測值出現(xiàn)臺階ΔR=5Bq/L，采用式(3)消除臺階。觀測曲線、改正曲線如圖3所示。從圖3中可看出誤差累積線與觀測曲線疊加即為改正曲線，改正曲線顯示臺階已經(jīng)消除。

圖3 某臺站氣氡觀測時間序列標(biāo)定誤差分配示意圖

(2)水位高程校正

水位觀測按照是否有泄流，分為靜水位觀測和動水位觀測。靜水位一般是以井口為基準(zhǔn)面，值越大表示水位上升;而動水位一般是以泄流口為基準(zhǔn)面，值越大表示水位下降。

水位的空間產(chǎn)品要求空間分布的所有水位觀測站點采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)面，一般選取海平面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)面。水位高程校正公式為

其中，H為水位校正值;G為觀測井口或泄流口的海拔高程;h為水位值，當(dāng)基準(zhǔn)面為泄流口時h為正，為井口時h為負(fù)。

(3)水位逐日潮汐分析與月潮汐因子變化

水位逐日潮汐分析方法:在選定時段內(nèi)，以一定的滑動步長(可以為1天、2天或任意給定天數(shù))和窗長(一般為30天)，進(jìn)行逐日水位固體潮汐分析。采用Venedikov調(diào)和分析方法(周克昌等，2011)，計算每次滑動后的水位M2波潮汐因子及其中誤差、相位滯后及其中誤差，將其作為某一天的潮汐參數(shù)。滑動結(jié)束后，計算得到水位M2波潮汐因子及其中誤差、相位滯后及其中誤差時間序列。

月潮汐因子變化自動計算具體算法如下:①首先根據(jù)上一年度評比計算結(jié)果，自動篩選出水位觀測網(wǎng)中觀測質(zhì)量為合格以上，M2潮汐因子相對誤差＜20%的觀測站作為計算對象;②根據(jù)月評比計算的當(dāng)月M2潮汐因子值以及上一年12個月的M2潮汐因子值，計算每個觀測站上一年度水位月M2潮汐因子的平均值和均方差;③剔除超過3倍均方差的潮汐因子，剩余值的平均值作為背景值，第i觀測站水位月M2潮汐因子變化值 Δi為

其中δi第i觀測站當(dāng)月M2潮汐因子;Vi為第i觀測站的背景值。

(4)物理量變差或化學(xué)量相對變差

根據(jù)月均值和年均值的計算結(jié)果，自動計算質(zhì)量等級合格以上的所有觀測站物理量變差值和化學(xué)量相對變差值。

物理量變差包括月變差和年變差，月變差反映的是當(dāng)月與上月相比的變化量，年變差反映的是當(dāng)年與上年相比的變化量。計算公式為

其中X為水位高程校正值或水溫觀測值的月均值或年均值;ΔX為變差值。

化學(xué)量月變差反映的是化學(xué)量當(dāng)月與上月相比的相對變化量，年變差反映的是當(dāng)年與上年相比的相對變化量。相對變差計算公式為

其中，ΔX月=X當(dāng)月－X上月，A月=(X當(dāng)月+X上月)/2，ΔX年=X當(dāng)年－X上年，A年=(X當(dāng)年+X上年)/2，X為化學(xué)量月均值或年均值，ΔX為變差，A為平均值，CΔX為相對變差。

(5)地震動態(tài)響應(yīng)識別

采用差分-均方差法與人機對話相結(jié)合的方式，快速識別有地震動態(tài)響應(yīng)的臺項、提取地震動態(tài)響應(yīng)參數(shù)。具體步驟如下:

1)設(shè)原始觀測序列 {Xi}，一階差分序列{ΔXi}，對應(yīng)的時間序列{ti}(一般不大于3天，應(yīng)包含發(fā)震時刻td)，σ為{ΔXi}的均方差，閾值K(一般為3)，當(dāng)某個觀測站測項滿足

初步認(rèn)定其動態(tài)對地震有響應(yīng)，響應(yīng)開始時間為滿足上述條件的最小時間ti。

2)自動篩選所有有地震動態(tài)響應(yīng)的臺項，并記錄響應(yīng)開始時間。

3)逐一瀏覽篩選出的臺項的觀測曲線，確認(rèn)臺項的地震響應(yīng)判斷和自動記錄的響應(yīng)開始時間是否準(zhǔn)確，無誤后再判斷響應(yīng)類型與形態(tài)，拉框自動計算響應(yīng)幅度、提取響應(yīng)結(jié)束時間。

(6)產(chǎn)品歸一化

歸一化方法在數(shù)據(jù)挖掘中也叫數(shù)據(jù)的正規(guī)化，將數(shù)據(jù)屬性值從原來的取值區(qū)間映射到一個更適當(dāng)?shù)膮^(qū)間。常見的歸一化方法有最小最大值、零均值和小數(shù)尺度法等3種。最小最大值法就是將數(shù)據(jù)歸一至(0，1)(李愛國等，2012)。

考慮到產(chǎn)品數(shù)據(jù)有正、負(fù)值，我們對最小最大值法進(jìn)行了改良，將正數(shù)歸一到(0，1)，負(fù)數(shù)歸一化到(0，－1)，計算方法如下:

設(shè)需要歸一化的一組產(chǎn)品數(shù)據(jù)為{Xi}i=0，1，2…，n。

其中Xmin為{|xi|}的最小值，Xmax為{|xi|}的最大值;Yi為歸一化值，sign(Xi)為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的符號(正號或負(fù)號)。

4.3 處理模型測試與應(yīng)用

我們重點對改進(jìn)的處理模型、新提出的處理模型進(jìn)行了測試。

采用C#開發(fā)語言，編制了基于C/S架構(gòu)的測試軟件。利用測試軟件，連接地下流體中心地下流體數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示處理模型算法正確、合理。

測試軟件中的地震響應(yīng)識別、水位氣壓改正、水位逐日潮汐分析等模塊已經(jīng)在地震應(yīng)急和分析研究中使用。

采用水位氣壓改正模塊對河南蘭考豫11井2011年9月1～30日水位數(shù)據(jù)及其氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算結(jié)果表明該井水位與氣壓變化基本同步，氣壓系數(shù)為0.0075m/hPa，水位、氣壓觀測曲線及其水位氣壓改正后曲線見圖4所示。

圖4 水位氣壓改正示例

在2013年4月蘆山地震應(yīng)急工作中，我們采用地震響應(yīng)識別模塊(圖5)，對全國水位、水溫觀測網(wǎng)的同震效應(yīng)進(jìn)行了快速掃描，在1個小時內(nèi)快速產(chǎn)出了水位同震分布圖、水溫同震分布圖和同震時序圖集，而在以前至少需要1天時間。

圖5 地震響應(yīng)識別示例

在2013年度地下流體學(xué)科會商水位資料處理中，應(yīng)用水位逐日潮汐分析模塊對某些臺站的水位潮汐因子、相位滯后的變化情形進(jìn)行分析研究。圖6顯示了重慶石柱魚池水位在2012年～2013年8月潮汐因子的變化圖像，圖6中同時繪制了潮汐因子中誤差棒，直觀地給出了潮汐因子計算結(jié)果的可靠性。此外繪制的潮汐因子均值、2倍均方差上下限有助于潮汐因子異常的判斷。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計是在對現(xiàn)有產(chǎn)品的梳理、新增產(chǎn)品的實用化研究、產(chǎn)品加工模型的調(diào)研等工作基礎(chǔ)上完成，軟件設(shè)計已經(jīng)通過地下流體學(xué)科專家組的評審，并被背景場項目實施組采納。本系統(tǒng)軟件設(shè)計的創(chuàng)新點在于:

(1)本系統(tǒng)設(shè)計從數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)淺加工、數(shù)據(jù)深加工到產(chǎn)品產(chǎn)出的數(shù)據(jù)加工流程，與實際的人工產(chǎn)品加工流程相吻合，從現(xiàn)有的軟件中集成了與產(chǎn)品加工相關(guān)的部分功能，改變了以往數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評價與產(chǎn)品加工軟件分離的現(xiàn)狀，確保加工生成的產(chǎn)品的正確性和合理性。

(2)建立了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分級模型，為產(chǎn)品加工源數(shù)據(jù)的篩選、觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級、對外提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

(3)在多個模塊中設(shè)計了自動搜索篩選及批量處理功能，為產(chǎn)品的快速產(chǎn)出提供了可能。引入歸一化模型，使得物理量參差不齊、大小差異顯著的空間圖更加可視化。

圖6 水位逐日潮汐分析示例

(4)除了滿足地下流體中心常規(guī)產(chǎn)出與應(yīng)急產(chǎn)出以外，還吸納一些近年來被流體預(yù)測研究人員所關(guān)注的研究產(chǎn)品如水位日潮汐變化時序圖、月M2潮汐因子變化分布圖等，為地下流體中心開展分析研究提供便捷工具。

當(dāng)然，地下流體臺網(wǎng)產(chǎn)出產(chǎn)品水平還處在一個相對初級的階段，物理意義明確又具有實際應(yīng)用的產(chǎn)品還很少，一些產(chǎn)品的加工處理模型還不成熟，地下流體臺網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)工作有待加強，產(chǎn)品加工處理模型有待于隨著地下流體學(xué)科的發(fā)展進(jìn)一步補充和完善。