劉春國(guó) 李正媛 王建國(guó) 張彬 樊春燕 陳華靜

1)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

2)天津市地震局，天津 300201

3)中國(guó)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(xiàng)目完成后，國(guó)家地下流體臺(tái)網(wǎng)中心(以下簡(jiǎn)稱地下流體中心)部署有前兆臺(tái)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(píng)價(jià)系統(tǒng)、地下流體臺(tái)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(gè)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(tái)網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)工作平臺(tái)。

隨著我國(guó)地下流體臺(tái)網(wǎng)整合的完成(周克昌等，2013)，地下流體臺(tái)網(wǎng)已經(jīng)從建設(shè)期轉(zhuǎn)入相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行期，臺(tái)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(cè)、地震科研以及其他防震減災(zāi)工作的迫切需要?，F(xiàn)有的軟件系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足上述需求，在此背景下，配合“十一·五”背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目“前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”的實(shí)施，對(duì)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(kù)進(jìn)行了規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是滿足背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目完成后地下流體中心所有地下流體測(cè)項(xiàng)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(cè)項(xiàng)包括井水位(以下簡(jiǎn)稱水位)、井(泉)水溫(以下簡(jiǎn)稱水溫)、水(氣)氡(以下簡(jiǎn)稱氡)、水(氣)汞(以下簡(jiǎn)稱汞)、氣體及離子等;根據(jù)測(cè)項(xiàng)的性質(zhì)不同，這些測(cè)項(xiàng)可分為物理量測(cè)項(xiàng)和化學(xué)量測(cè)項(xiàng)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(jì)

1.1 設(shè)計(jì)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(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目“前兆數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”總體設(shè)計(jì)框架下設(shè)計(jì)的。

背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)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(chǔ)、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(shí)現(xiàn)3大學(xué)科臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與加工、產(chǎn)品制作功能;產(chǎn)品存儲(chǔ)、交換與管理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)從5個(gè)學(xué)科臺(tái)網(wǎng)中心(國(guó)家地下流體、地電、地磁、形變和重力臺(tái)網(wǎng)中心)到國(guó)家前兆臺(tái)網(wǎng)中心的自動(dòng)匯集;產(chǎn)品可視化展示、服務(wù)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)品的可視化展示與對(duì)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(jì)遵循統(tǒng)一規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)、模塊化設(shè)計(jì)等原則。

圖1 背景場(chǎng)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(gè)地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(cè)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(kù)保存;數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工模塊從產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)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(jí)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(duì)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(kù)設(shè)計(jì)

地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)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(kù)的組成部分。地下流體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)站、測(cè)點(diǎn)、觀測(cè)儀器、觀測(cè)井泉等基礎(chǔ)信息表，分鐘值、整點(diǎn)值、日均值等數(shù)據(jù)表，以及質(zhì)量評(píng)價(jià)信息表等。這些表已包括在現(xiàn)有的前兆數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)(中國(guó)地震局，2012)中，不再設(shè)計(jì)，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(shí)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(jì)，采取與前兆產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(kù)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(jì)。設(shè)計(jì)的基本原則是嚴(yán)格按照3NF范式進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，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(kuò)展性與動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)共設(shè)計(jì)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(gè)一級(jí)模塊、16個(gè)子模塊和37個(gè)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(cè)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(cè)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(kù)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(gè)子模塊。

數(shù)據(jù)檢查與改正子模塊包含6個(gè)主要功能小模塊:數(shù)據(jù)初檢、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理、突跳數(shù)據(jù)處理、臺(tái)階數(shù)據(jù)處理、測(cè)量單位修正、水位值轉(zhuǎn)換等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工源數(shù)據(jù)的快速檢查與地下流體常見的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、突跳數(shù)據(jù)、臺(tái)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(gè)功能小模塊組成，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量審核分類參數(shù)的動(dòng)態(tài)管理、質(zhì)量指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算和數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)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(gè)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(cè)項(xiàng)時(shí)序產(chǎn)品中出現(xiàn)的因儀器啟用新K值的臺(tái)階而設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)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(gè)功能子模塊組成:

(1)水位氣壓改正:對(duì)受氣壓影響明顯的水位觀測(cè)序列氣壓改正。

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

(3)均值與均方差:臺(tái)網(wǎng)地下流體測(cè)項(xiàng)日均值、五日均值、旬均值、月均值、年均值及其均方差的自動(dòng)計(jì)算。

(4)物理量變差:臺(tái)網(wǎng)物理量年變差和月變差值的自動(dòng)計(jì)算。

(5)化學(xué)量相對(duì)變差:臺(tái)網(wǎng)化學(xué)量的月相對(duì)變差、年相對(duì)變差的自動(dòng)計(jì)算。

(6)地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)識(shí)別:臺(tái)網(wǎng)中有地震響應(yīng)變化的水位、水溫、氣氡、氣汞測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)篩選識(shí)別，地震響應(yīng)參數(shù)的提取。

(7)月潮汐因子變化:臺(tái)網(wǎng)水位月潮汐因子變化值自動(dòng)計(jì)算。

(8)產(chǎn)品數(shù)據(jù)歸一化:對(duì)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(shí)，可以采取該模塊將數(shù)據(jù)歸一到某一個(gè)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(gè)子模塊及18個(gè)功能小模塊:

(1)背景值分布圖:采用臺(tái)網(wǎng)地下流體主要測(cè)項(xiàng)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(cè)量變化分布圖:采用臺(tái)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(duì)變差值產(chǎn)品數(shù)據(jù)，繪制各觀測(cè)量變化空間分布圖。

(3)同震響應(yīng)分布圖:采用臺(tái)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(tái)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(shí)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(cè)項(xiàng)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(shí)序圖、水位氣壓改正時(shí)序圖、各測(cè)項(xiàng)月變差及年變差時(shí)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(cè)項(xiàng)或多種測(cè)項(xiàng)，用符號(hào)區(qū)分;通過顏色、符號(hào)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(guó)圖時(shí)采用塊體邊界圖替代斷層分布圖)，點(diǎn)擊指定臺(tái)站，能夠顯示臺(tái)站物理量及其站點(diǎn)基礎(chǔ)信息等。

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

4 處理模型設(shè)計(jì)

處理模型設(shè)計(jì)包括功能模塊的輸入、輸出、處理流程與算法設(shè)計(jì)。基本原則是盡量采用在長(zhǎng)期地下流體數(shù)據(jù)分析處理和運(yùn)行評(píng)價(jià)中形成的成熟的數(shù)學(xué)模型，適當(dāng)引入近年來(lái)地下流體監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(gè)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(dòng)掃描的方法，先篩選出疑似有問題的臺(tái)項(xiàng)，再提交給錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理、突跳數(shù)據(jù)處理、臺(tái)階數(shù)據(jù)處理、測(cè)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(shí)別、突變數(shù)據(jù)識(shí)別:

①合理值識(shí)別方法:根據(jù)各測(cè)項(xiàng)的合理值域范圍來(lái)判定，超出范圍的觀測(cè)值被認(rèn)為是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

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

時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，有可能是突跳或臺(tái)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(duì)地下流體數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分類，我們?cè)诜治?010～2012年地下流體臺(tái)網(wǎng)月評(píng)比的評(píng)價(jià)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(dòng)態(tài)規(guī)律、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)模型為

式中，S動(dòng)態(tài)規(guī)律、S穩(wěn)定性、S內(nèi)在質(zhì)量分別為動(dòng)態(tài)規(guī)律、穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)的月評(píng)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(cè)項(xiàng)的 α、β、γ可以不同。根據(jù)S值的大小和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分為合格、基本合格和不合格3個(gè)等級(jí)。

(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(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995)對(duì)水位和氣壓整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾除潮汐引力的處理;采用對(duì)氣壓向前滑動(dòng)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(yàn)的線性方程，進(jìn)而求出滯后時(shí)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(cè)預(yù)報(bào)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(duì)變差、地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)識(shí)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(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)儀器標(biāo)定后啟用新K值而出現(xiàn)臺(tái)階的現(xiàn)象。K值的變化過程很復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化問題，認(rèn)為臺(tái)階是誤差線性累積造成的。將標(biāo)定誤差平均分配在兩個(gè)標(biāo)定周期間的觀測(cè)數(shù)值中，對(duì)標(biāo)定K值變化引起的臺(tái)階進(jìn)行消除。算法如下

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

進(jìn)行計(jì)算。以某臺(tái)站數(shù)字化氣氡觀測(cè)為例。2011年12月24日10點(diǎn)(TA)至2012年12月24日10點(diǎn)(TB)為上次標(biāo)定結(jié)束后的觀測(cè)時(shí)段(共計(jì)8785個(gè)數(shù)，n=8784)，2012年12月24日11點(diǎn)至2012年12月25日21點(diǎn)為本次標(biāo)定時(shí)段，2012年12月25日22點(diǎn)恢復(fù)觀測(cè)，測(cè)值與標(biāo)定前測(cè)值出現(xiàn)臺(tái)階ΔR=5Bq/L，采用式(3)消除臺(tái)階。觀測(cè)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(cè)曲線疊加即為改正曲線，改正曲線顯示臺(tái)階已經(jīng)消除。

圖3 某臺(tái)站氣氡觀測(cè)時(shí)間序列標(biāo)定誤差分配示意圖

(2)水位高程校正

水位觀測(cè)按照是否有泄流，分為靜水位觀測(cè)和動(dòng)水位觀測(cè)。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(dòng)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(cè)站點(diǎn)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(cè)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(shí)h為正，為井口時(shí)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(shí)段內(nèi)，以一定的滑動(dòng)步長(zhǎng)(可以為1天、2天或任意給定天數(shù))和窗長(zhǎng)(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(jì)算每次滑動(dòng)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(dòng)結(jié)束后，計(jì)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(shí)間序列。

月潮汐因子變化自動(dòng)計(jì)算具體算法如下:①首先根據(jù)上一年度評(píng)比計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)篩選出水位觀測(cè)網(wǎng)中觀測(cè)質(zhì)量為合格以上，M2潮汐因子相對(duì)誤差＜20%的觀測(cè)站作為計(jì)算對(duì)象;②根據(jù)月評(píng)比計(jì)算的當(dāng)月M2潮汐因子值以及上一年12個(gè)月的M2潮汐因子值，計(jì)算每個(gè)觀測(cè)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(cè)站水位月M2潮汐因子變化值 Δi為

其中δi第i觀測(cè)站當(dāng)月M2潮汐因子;Vi為第i觀測(cè)站的背景值。

(4)物理量變差或化學(xué)量相對(duì)變差

根據(jù)月均值和年均值的計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)計(jì)算質(zhì)量等級(jí)合格以上的所有觀測(cè)站物理量變差值和化學(xué)量相對(duì)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(jì)算公式為

其中X為水位高程校正值或水溫觀測(cè)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(duì)變化量，年變差反映的是當(dāng)年與上年相比的相對(duì)變化量。相對(duì)變差計(jì)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(duì)變差。

(5)地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)識(shí)別

采用差分-均方差法與人機(jī)對(duì)話相結(jié)合的方式，快速識(shí)別有地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)的臺(tái)項(xiàng)、提取地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)。具體步驟如下:

1)設(shè)原始觀測(cè)序列 {Xi}，一階差分序列{ΔXi}，對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列{ti}(一般不大于3天，應(yīng)包含發(fā)震時(shí)刻td)，σ為{ΔXi}的均方差，閾值K(一般為3)，當(dāng)某個(gè)觀測(cè)站測(cè)項(xiàng)滿足

初步認(rèn)定其動(dòng)態(tài)對(duì)地震有響應(yīng)，響應(yīng)開始時(shí)間為滿足上述條件的最小時(shí)間ti。

2)自動(dòng)篩選所有有地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)的臺(tái)項(xiàng)，并記錄響應(yīng)開始時(shí)間。

3)逐一瀏覽篩選出的臺(tái)項(xiàng)的觀測(cè)曲線，確認(rèn)臺(tái)項(xiàng)的地震響應(yīng)判斷和自動(dòng)記錄的響應(yīng)開始時(shí)間是否準(zhǔn)確，無(wú)誤后再判斷響應(yīng)類型與形態(tài)，拉框自動(dòng)計(jì)算響應(yīng)幅度、提取響應(yīng)結(jié)束時(shí)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(lái)的取值區(qū)間映射到一個(gè)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(guó)等，2012)。

考慮到產(chǎn)品數(shù)據(jù)有正、負(fù)值，我們對(duì)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(jì)算方法如下:

設(shè)需要?dú)w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(hào)(正號(hào)或負(fù)號(hào))。

4.3 處理模型測(cè)試與應(yīng)用

我們重點(diǎn)對(duì)改進(jìn)的處理模型、新提出的處理模型進(jìn)行了測(cè)試。

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

測(cè)試軟件中的地震響應(yīng)識(shí)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(duì)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(jì)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(cè)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(shí)別模塊(圖5)，對(duì)全國(guó)水位、水溫觀測(cè)網(wǎng)的同震效應(yīng)進(jìn)行了快速掃描，在1個(gè)小時(shí)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(shí)序圖集，而在以前至少需要1天時(shí)間。

圖5 地震響應(yīng)識(shí)別示例

在2013年度地下流體學(xué)科會(huì)商水位資料處理中，應(yīng)用水位逐日潮汐分析模塊對(duì)某些臺(tái)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(shí)繪制了潮汐因子中誤差棒，直觀地給出了潮汐因子計(jì)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(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的梳理、新增產(chǎn)品的實(shí)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(jì)已經(jīng)通過地下流體學(xué)科專家組的評(píng)審，并被背景場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)施組采納。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于:

(1)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(píng)價(jià)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(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)模型，為產(chǎn)品加工源數(shù)據(jù)的篩選、觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)、對(duì)外提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

(3)在多個(gè)模塊中設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(lái)被流體預(yù)測(cè)研究人員所關(guān)注的研究產(chǎn)品如水位日潮汐變化時(shí)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(tái)網(wǎng)產(chǎn)出產(chǎn)品水平還處在一個(gè)相對(duì)初級(jí)的階段，物理意義明確又具有實(shí)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(tái)網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)工作有待加強(qiáng)，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(bǔ)充和完善。