通用測(cè)震數(shù)據(jù)獲取軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通用測(cè)震數(shù)據(jù)獲取軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0引言

隨著“九五”和“十五”項(xiàng)目的建設(shè)完成，中國(guó)地震局推廣的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)JOPENS在地震日常工作及大震速報(bào)方面發(fā)揮了重要作用。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府和民眾對(duì)地震行業(yè)提出了更高的要求，快速、實(shí)時(shí)利用數(shù)字地震波形開(kāi)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)生等工作已提上日程。但JOPENS沒(méi)有提供二次開(kāi)發(fā)的接口，地震科技工作者在獲取地震數(shù)據(jù)時(shí)面臨很多難題，尤其是測(cè)震數(shù)據(jù)存在多數(shù)據(jù)源的情況，如JOPENS/SSS實(shí)時(shí)測(cè)震流數(shù)據(jù)、來(lái)自JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)方式、格式等。針對(duì)這些問(wèn)題，本研究開(kāi)發(fā)的軟件包將提供一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠、統(tǒng)一的方案，可讀取不同數(shù)據(jù)源的測(cè)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(gè)統(tǒng)一的獲取測(cè)震數(shù)據(jù)的平臺(tái)。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，本軟件包分為3個(gè)獨(dú)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(kù)處理模塊、SEED文件處理模塊。SSS流數(shù)據(jù)處理模塊用來(lái)讀取SSS服務(wù)器的實(shí)時(shí)測(cè)震數(shù)據(jù)，JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊用于處理JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)站、通道、采樣率的測(cè)震數(shù)據(jù)。本軟件包基于。平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單、完全面向?qū)ο?、層次清晰、效率高等?yōu)點(diǎn)。

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(duì)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(lèi)的結(jié)構(gòu)圖。

類(lèi)S_data用來(lái)存放多個(gè)臺(tái)站的測(cè)震數(shù)據(jù)。stations_name用來(lái)存儲(chǔ)臺(tái)站名稱(chēng)的數(shù)組，stations是存放臺(tái)站所有數(shù)據(jù)的數(shù)組。本軟件包對(duì)外提供的所有測(cè)震數(shù)據(jù)都通過(guò)這個(gè)類(lèi)來(lái)提供。

類(lèi)S_Sation_data用來(lái)存放單個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)。channels_name是存儲(chǔ)該臺(tái)站中所有通道名稱(chēng)的數(shù)組，channels是存放該臺(tái)站所有通道原始數(shù)據(jù)的數(shù)組。

方法getData_Time[KG0]和getStreamData_Time[KG0]根據(jù)指定臺(tái)站名、通道名和采樣率獲取測(cè)震數(shù)據(jù)。當(dāng)前測(cè)震數(shù)據(jù)的采樣率通常為100Hz，數(shù)據(jù)量很大，同一臺(tái)站同一通道一天記錄的數(shù)據(jù)達(dá)到8640000個(gè)，存在計(jì)算量大的困難，用戶(hù)可能需要不同采樣率的數(shù)據(jù)來(lái)滿(mǎn)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getStreamData_Time[KG0]用于獲取流數(shù)據(jù)。方法getData_Time[KG0]應(yīng)用于讀取數(shù)據(jù)庫(kù)和SEED文件數(shù)據(jù)。

3流數(shù)據(jù)處理模塊

/IP流服務(wù)協(xié)議

目前“十五”項(xiàng)目測(cè)震臺(tái)網(wǎng)采用SSS流服務(wù)器來(lái)負(fù)責(zé)接收和分發(fā)近實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)流。NetSeis/IP協(xié)議類(lèi)似FTP協(xié)議，主要參考了美國(guó)AlbuquerqueSeismologicalLaboratory的LISS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，用于傳送實(shí)時(shí)地震波形數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)思路

本模塊共有兩個(gè)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。

當(dāng)控制線程連接到SSS服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器將驗(yàn)證用戶(hù)名和密碼，通過(guò)身份驗(yàn)證后控制線程發(fā)送PASVRT命令，SSS服務(wù)器收到命令后，動(dòng)態(tài)分配一個(gè)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(yàn)證請(qǐng)求的臺(tái)站數(shù)據(jù)可被下載后，通過(guò)該數(shù)據(jù)端口將請(qǐng)求的臺(tái)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(jiàn)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(shí)際上是大小為512字節(jié)的純數(shù)據(jù)SEED卷。該卷包含有固定頭段部分和數(shù)據(jù)部分，總長(zhǎng)度512個(gè)字節(jié)，主要記錄臺(tái)站名、通道名、記錄起始時(shí)間、樣本數(shù)目、測(cè)震數(shù)據(jù)等。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(shuō)在采樣率為100的情況下，該幀記錄了同一臺(tái)站同一通道約5s左右的測(cè)震數(shù)據(jù)，同一臺(tái)站同一通道的前后數(shù)據(jù)幀間隔5s左右。

4JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊

JOPENS系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(kù)為開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，當(dāng)前使用的版本為。

平臺(tái)連接MySQL

MySQL官方提供了MySQLConnector/NET數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)，使得在。NET平臺(tái)下連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)十分簡(jiǎn)便。本模塊采用MySQLConnector/作為連接MySQL的驅(qū)動(dòng)。Connector/NET是一個(gè)純C#語(yǔ)言編寫(xiě)的全面托管的驅(qū)動(dòng)程序，并實(shí)現(xiàn)了所有接口，給開(kāi)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。

設(shè)計(jì)思路

JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)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(gè)模塊中。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相應(yīng)參數(shù)創(chuàng)建連接。數(shù)據(jù)庫(kù)連接創(chuàng)建成功以后，根據(jù)應(yīng)用程序的不同要求來(lái)構(gòu)建合適的查詢(xún)語(yǔ)句，接著執(zhí)行該查詢(xún)語(yǔ)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(kù)連接。本模塊的程序流程見(jiàn)圖4。

5SEED文件處理模塊

SEED格式是一個(gè)針對(duì)數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)交換的國(guó)際通用格式，它是為地震學(xué)界的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要是用于各個(gè)機(jī)構(gòu)之間交換未經(jīng)處理的地面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)分析

以下僅以JOPENSMSDP產(chǎn)出的版SEED文件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。SEED格式文件包括SEEDVOLUME文件和MiniSEED文件，SEEDVOLUME文件包括控制頭段和波形數(shù)據(jù)兩部分，MiniSEED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(chǔ)，波形數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)。從物理上劃分，文件由若干個(gè)邏輯卷組成，每卷為4096字節(jié)。每個(gè)邏輯卷以一個(gè)8字節(jié)的ID子塊開(kāi)始，后跟4088字節(jié)的不同類(lèi)型的控制頭段及其子塊。存儲(chǔ)時(shí)每個(gè)控制頭段會(huì)根據(jù)其長(zhǎng)度可能占一個(gè)或多個(gè)邏輯卷，當(dāng)一個(gè)邏輯卷存放不下時(shí)，就開(kāi)始一個(gè)新的邏輯卷存儲(chǔ)。圖5為完整SEED文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)思路

SEED控制頭段內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中可按不同要求在需要的卷中根據(jù)子塊類(lèi)型讀取所需要的內(nèi)容。例如若需要臺(tái)站列表，那么只需讀取卷索引控制頭段中的卷臺(tái)站頭段索引子塊；而臺(tái)站的具體信息可以讀取臺(tái)站控制頭段；數(shù)據(jù)卷的存儲(chǔ)采用了壓縮策略，在使用數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)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。圖6是SEED文件處理模塊的流程圖，已經(jīng)有資料實(shí)現(xiàn)類(lèi)Pascal編寫(xiě)讀取SEED數(shù)據(jù)文件的程序。

6應(yīng)用實(shí)例

軟件包中類(lèi)及其主要成員介紹

本研究中開(kāi)發(fā)的測(cè)震數(shù)據(jù)獲取軟件包中有S_data、clsStreamReader、clsDatabaseReader、clsSeedReader4個(gè)類(lèi)，其中S_data為統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，在前面已經(jīng)介紹過(guò)；clsStreamReader用來(lái)讀取SSS流數(shù)據(jù)，clsDatabaseReader用來(lái)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)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(lèi)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，首先需要添加文件到C#工程中引用，使用usingUDSDAP來(lái)引用UDSDAP命名空間。是本軟件包生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的文件名。

讀取實(shí)時(shí)測(cè)震流數(shù)據(jù)實(shí)例

本例為讀取湖北興山臺(tái)和房縣臺(tái)的實(shí)時(shí)測(cè)震流數(shù)據(jù)的過(guò)程。圖7為本實(shí)例的流程圖。

讀取JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例

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

從JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取事件編號(hào)為地震波形數(shù)據(jù)。圖9為讀取JOPENS數(shù)據(jù)庫(kù)地震事件波形的流程圖。

讀取SEED文件實(shí)例

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

7結(jié)語(yǔ)

本軟件包完全實(shí)現(xiàn)了既定功能要求，能方便