地震臺(tái)站勘選數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬偉霞，王勤忠，謝恒義，潘林山，雷 閃

(1.河南省地震局，河南 鄭州 450016；2.鄭州測(cè)繪學(xué)校，河南 鄭州 450016)

0 引言

地震臺(tái)站臺(tái)址勘選是地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的前期工作，也是地震臺(tái)站建設(shè)過(guò)程中至關(guān)重要的基礎(chǔ)工作[1]。新建臺(tái)站在勘選階段需要對(duì)站點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，確認(rèn)站點(diǎn)是否符合建臺(tái)要求。2016年2月國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目河南分項(xiàng)啟動(dòng)。根據(jù)規(guī)劃方案，河南省擬新建23個(gè)基準(zhǔn)站?！邦A(yù)警基準(zhǔn)站勘選技術(shù)指南”中明確要求，每個(gè)基準(zhǔn)站需要選擇至少連續(xù)48 h的記錄數(shù)據(jù)并繪制3 Hz頻點(diǎn)的噪聲功率譜密度值VS時(shí)間分布圖。通過(guò)現(xiàn)有軟件計(jì)算后，單個(gè)臺(tái)站會(huì)產(chǎn)生三分向(UD、EW、NS)的數(shù)據(jù)文件，單個(gè)分向文件含有至少48個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊含有1～20 Hz頻帶共14個(gè)頻點(diǎn)的噪聲功率譜密度數(shù)據(jù)。如果僅依賴(lài)人工手動(dòng)處理這些數(shù)據(jù)，因工作量大且人員較少，很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。針對(duì)這一問(wèn)題，文章基于C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一套數(shù)據(jù)處理軟件，軟件可提高數(shù)據(jù)處理人員的工作效率，保證勘選工作按時(shí)完成。

1 數(shù)據(jù)文件簡(jiǎn)介

河南省在進(jìn)行預(yù)警臺(tái)站勘選時(shí)，儀器采用北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FSS-3M反饋式短周期地震計(jì)和EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器。利用“Cal_20120525C”程序包對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)處理后，生成UD、EW、NS三分向的功率譜密度測(cè)試結(jié)果詳細(xì)報(bào)告，對(duì)于基準(zhǔn)站，該報(bào)告里包含連續(xù)48 h的數(shù)據(jù)，且每小時(shí)數(shù)據(jù)里均包含中心頻率1～20 Hz的1/3倍頻程各頻率，以及各頻率對(duì)應(yīng)的地動(dòng)噪聲功率譜密度、地動(dòng)噪聲RMS值，平均地動(dòng)噪聲、地震臺(tái)觀(guān)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍等。

EW分向功率譜密度測(cè)試結(jié)果詳細(xì)報(bào)告(選取其中兩個(gè)時(shí)間點(diǎn))的數(shù)據(jù)格式如下：

fss-3m_2016030718：

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：

中心頻率1～20 Hz的1/3倍頻程各頻率：

1.000,1.260,1.587,2.000,2.520

3.175,4.000,5.040,6.350,8.000

10.079,12.699,16.000,20.159

fss-3m臺(tái)(ew向)1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段地動(dòng)噪聲功率譜密度(dB):

-140.991,-138.308,-135.077,-129.255,-126.811

-122.911,-121.521,-114.824,-117.534,-99.053

-109.595,-112.400,-107.090,-103.585

1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段地動(dòng)噪聲RMS值(m/s):

1.678 94e-008,2.037 16e-008,2.632 49e-008,4.584 61e-008,5.411 46e-008

7.554 2e-008,7.897 23e-008,1.521 07e-007,9.919 8e-008,7.419 68e-007

1.963 74e-007,1.266 78e-007,2.079 75e-007,2.773 91e-007

1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段的平均地動(dòng)噪聲RMS值為2.355 34e-007(m/s)。

平均地動(dòng)噪聲(記錄p-p)為435(Counts)。

地震臺(tái)觀(guān)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍(dB)(Hz)[輸出10 V檔]：

93.5(0.2),109.0(1.0),100.3(2.0),87.8(5.0),84.5(10),78.6(20)

fss-3m_2016030719:

測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：

中心頻率1～20 Hz的1/3倍頻程各頻率：

1.000, 1.260, 1.587, 2.000,2.520

3.175, 4.000, 5.040, 6.350,8.000

10.079,12.699,16.000,20.159

fss-3m臺(tái)(ew向)1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段地動(dòng)噪聲功率譜密度(dB):

-141.474,-137.948,-134.547,-131.044,-127.204

-122.338,-120.046,-115.077,-115.890,-99.968

-103.747,-109.765,-104.243,-99.869

1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段地動(dòng)噪聲RMS值(m/s):

1.588 12e-008,2.123 35e-008,2.798 24e-008,3.731 43e-008,5.172 04e-008

8.068 92e-008,9.358 84e-008,1.477 42e-007,1.198 68e-007,6.677 9e-007

1/3倍頻程帶寬(1～20 Hz)各段的平均地動(dòng)噪聲RMS值為2.598 07e-007(m/s)。

平均地動(dòng)噪聲(記錄p-p)為480(Counts)。

地震臺(tái)觀(guān)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍(dB)(Hz)[輸出10 V檔]：

92.2(0.2),109.5(1.0),102.0(2.0),88.1(5.0),78.6(10),74.9(20)

……

上述文件中需要用到1/3倍頻程頻率3 Hz對(duì)應(yīng)的地動(dòng)噪聲功率譜密度值：-122.911、-122.338、……。該研究之前，河南省地震局處理這些數(shù)據(jù)有兩種方法：一種是直接打開(kāi)文件，手動(dòng)挑選數(shù)據(jù)；另一種是將數(shù)據(jù)拷貝到excel文件中，然后選數(shù)據(jù)。兩種方法都是靠人工手動(dòng)挑選數(shù)據(jù)，經(jīng)測(cè)算，手動(dòng)處理一個(gè)基準(zhǔn)站至少需要1 h，不僅工作量大，且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)文件中的數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律：同一文件中不同時(shí)間的儀器型號(hào)相同、內(nèi)容格式相同；同一時(shí)間內(nèi)不同頻率與其對(duì)應(yīng)的功率譜密度的相對(duì)位置相同。因此，軟件在設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)處理思路為：將三分向數(shù)據(jù)文件同時(shí)加載；然后按照相同規(guī)則依次處理每個(gè)文件，并將讀取的數(shù)據(jù)保存到臨時(shí)數(shù)組中，待三分向數(shù)據(jù)全部處理完畢；最后將臨時(shí)數(shù)組中的數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式依次保存至excel文件。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Data processing flow

2.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

由于文件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前也沒(méi)有像HDF、NetCDF、GrADS等文件有專(zhuān)門(mén)的第三方庫(kù)函數(shù)可以利用[2-4]，所以在處理此類(lèi)型數(shù)據(jù)時(shí)，必須研究人員自己寫(xiě)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言有很多，也有很多數(shù)據(jù)處理人員利用不同的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和程序語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究[5-7]。經(jīng)過(guò)調(diào)研，C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)文本文件的處理，以及Windows窗體和控件的創(chuàng)建[8-10]。故選擇基于VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用圖形界面較好、功能比較強(qiáng)大的C#來(lái)編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)。“臺(tái)站勘選數(shù)據(jù)處理軟件”主要由文件讀取、數(shù)據(jù)保存兩部分組成。其中，文件讀取過(guò)程通過(guò)使用StreamReader類(lèi)進(jìn)行，讀取部分代碼如下：

for(int i=0; i<3; i++)//循環(huán)讀取三分向文件

{

StreamReader dataReader = new StreamReader(DataFile[i], Encoding.Default);

string data = dataReader.ReadLine();//逐行讀取數(shù)據(jù)

if (data.Contains(FindContent))//FindContent為查找內(nèi)容，由前端輸入

{

for (int j = 0; j < row; j++)//row為待讀取數(shù)據(jù)所在行數(shù)，由前端輸入

{

data = dataReader.ReadLine();

}

string[] pos = data.Split(new Char[] { ',' }, StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);

list.data = Convert.ToDouble(pos[col - 1]);//選擇第col列的數(shù)據(jù)，col由前端輸入

dataArray.Add(list);//將讀取的數(shù)據(jù)放入dataArray中

}

dataReader.Close();//文件讀取結(jié)束

}

文件讀取結(jié)束后，為方便制作圖表，將讀取的數(shù)據(jù)保存到excel文件中。將數(shù)據(jù)保存在excel文件中的部分代碼為：

for (int i = 0; i < dataArray.Count; i++)

{

if (dataArray[i].num == 0)

{

Excel.Range rng1 = xsheet.get_Range("A" + (3 + i), Missing.Value); //序號(hào)列

rng1.Value2 = Convert.ToString(i+1);

Excel.Range rng2 = xsheet.get_Range("B" + (3 + i), Missing.Value); //UD分向列

rng2.HorizontalAlignment = Excel.XlVAlign.xlVAlignCenter;

rng2.Value2 = Convert.ToString(dataArray[i].data);

}

else if (dataArray[i].num == 1)

{

Excel.Range rng = xsheet.get_Range("C" + (3 + (i - dataArray.Count / 3)), Missing.Value); //EW分向列

rng.HorizontalAlignment = Excel.XlVAlign.xlVAlignCenter;

rng.Value2 = dataArray[i].data;

}

else

{

Excel.Range rng = xsheet.get_Range("D" + (3 + (i - (dataArray.Count / 3) * 2)), Missing.Value); //NS分向列

rng.HorizontalAlignment = Excel.XlVAlign.xlVAlignCenter;

rng.Value2 = dataArray[i].data;

}

}

xbook.SaveAs(outfile, FormatNum); //保存excel文件

3 軟件應(yīng)用

軟件是在VS2010和.net framework4.0環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在運(yùn)行軟件前須確保安裝.net framework4.0框架，將exe可執(zhí)行文件復(fù)制到電腦上，直接雙擊運(yùn)行即可，運(yùn)行軟件時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的界面。

圖2 臺(tái)站勘選數(shù)據(jù)處理軟件界面Fig.2 Interface of data processing software for station selection

【選擇UD文件】：UD分向的功率譜密度測(cè)試結(jié)果詳細(xì)報(bào)告文件。

【選擇EW文件】：EW分向的功率譜密度測(cè)試結(jié)果詳細(xì)報(bào)告文件。

【選擇NS文件】：NS分向的功率譜密度測(cè)試結(jié)果詳細(xì)報(bào)告文件。

【查找內(nèi)容】：不同分向文件中不同時(shí)間內(nèi)都存在且唯一的相同內(nèi)容。

【測(cè)站名】：待處理數(shù)據(jù)所屬的臺(tái)站名。

【第?行】：待讀取數(shù)據(jù)所在行數(shù)與“查找內(nèi)容”所在行數(shù)的差值。如果待讀取數(shù)據(jù)在“查找內(nèi)容”以上則輸入負(fù)數(shù)，以下則輸入正數(shù)。

【第?列】：待讀取數(shù)據(jù)所在的列數(shù)。

利用該軟件處理后生成的excel文件，格式如第47頁(yè)圖3所示。

數(shù)據(jù)處理人員利用軟件可以快速地獲取想要的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果應(yīng)用到臺(tái)站勘選報(bào)告中。該軟件的運(yùn)用，使河南省的臺(tái)站勘選報(bào)告在中國(guó)地震局規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成，并在第一批次通過(guò)項(xiàng)目專(zhuān)家組審核。

4 結(jié)論與討論

針對(duì)臺(tái)站勘選過(guò)程中人工處理數(shù)據(jù)繁瑣的問(wèn)題，在分析文件數(shù)據(jù)規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套數(shù)據(jù)處理軟件。通過(guò)與人工處理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該軟件的可靠性，且大大提高了工作效率，為今后處理類(lèi)似文本數(shù)據(jù)提供新方法。

圖3 軟件處理后生成的excel文件Fig.3 Excel files generated after software processing

“臺(tái)站勘選數(shù)據(jù)處理軟件”是在具體項(xiàng)目需求下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。就處理速度而言，手動(dòng)提取數(shù)據(jù)處理完一個(gè)基準(zhǔn)站最快需要60 min，而該軟件不到1 min即可處理完畢；其次，操作簡(jiǎn)便。只需選擇3個(gè)文件、輸入4個(gè)參數(shù)即可完成，可減少人為錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性；另外，還具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值，雖然是在預(yù)警項(xiàng)目的需求下開(kāi)發(fā)，仍可嘗試應(yīng)用于類(lèi)似此種操作的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中。

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