基于震例的测震学异常辅助判定系统

黄金刚 薛艳 宋美琴 周龙泉 易桂喜吕坚 张致伟 任枭 韩立波 郑建常

1）山西省地震局，太原市旧晋祠路二段69号 030021

2）中国地震台网中心，北京 100045

3）四川省地震局，成都 610041

4）江西省地震局，南昌 330039

5）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

6）山东省地震局，济南 250102

0 引言

我国是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家之一。最早的地震记录可追溯到公元前23世纪的山西蒲州 5⅟2 级地震。我国大规模的地震预报探索始于20世纪60年代。从1966年邢台地震开始，中国地震局针对每一次显著地震均组织相关部门和单位编著并出版震例专著，如《一九六六年邢台地震》、《大同-阳高地震研究》等。1986年国家地震局开创并启动了中国大陆震例的规范化研究工作。截至2012年，累计编写了266次M≥5.0地震震例资料，正式出版 10册《中国震例》（1966－2006）（张肇诚，1988、1990a、1990b、1999、2000；陈棋福，2002a、2002b、2002c、2008），《中国震例（2007-2012）》（蒋海昆，2014）已经成稿，正在校对、刊印阶段。这些文献为进一步开展地震预测探索提供了全面的震例研究基础资料，是广大地震科学工作者必备的工具书。

目前，我国地震预测研究仍处于基于震例统计的经验预测阶段，日常震情跟踪与年度危险区判定依据主要来自《中国震例》的经验总结，但是，《中国震例》均是针对单次地震前的异常现象的汇总，而地震预测人员更多地需要具有普适性的指标性方法来指导预测工作。《中国震例》资料目前已经以PDF格式挂载在Mapsis软件平台上，但使用者只能分别查阅不同震例，无法方便地得到一个汇总的结果，这阻碍了基于震例资料的进一步研究。目前，已有的研究成果主要是基于部分震例资料，针对某项异常的系统研究（曲延军等，2010；敖雪明等，2010；李莹甄等，2011；刘蒲雄等，1989；蒋海昆等，2009），且以期刊论文的形式存在，分布零散，非常不便于查阅、使用。

测震学科技术管理组通过对1966～2012年《中国震例》收录的266次M≥5.0地震震例前的测震学异常进行系统梳理，初步清理出震前普遍存在的可量化统计的图像类、参数类、数字地震学新方法等3类共计11项异常，分别为地震条带、空区、平静、b值、前震、频度、震群、震情窗口、波速比、视应力与震源机制解一致性。同时也发现，《中国震例》基础数据存在一些问题，为了确保基于震例资料的统计结果的可靠性，测震学科技术管理组又对震例资料进行了逐条核实。

此外，学科组还收集了190余篇与11项测震学异常有关的国内外研究论文（陈宇卫等，2007；敖雪明等，1996；Wyss，1986、2000；蒋海昆等，2003；易桂喜等，2013；王林瑛等，2014；王兰兰等，2004；杨芬等，2010；李艳娥等，2012；Marsan et al，2012），并以 PDF格式存储，供使用者查阅，同时还保存了重要研究结果的图件。

在此基础上，完成了以下工作：①汇总11项异常在每个震例中的开始时间、结束时间、最低震级、异常范围、主震震级、主震位置、异常判定等基础信息，建立测震学异常数据库；②基于异常数据库，编制测震学异常辅助判定系统，该系统易于操作，界面友好，便于使用者进行深入、系统的研究。

1 系统技术流程与数据处理步骤

图1为“基于震例的测震学异常辅助判定系统”的技术流程图。本系统最核心的内容是建立测震学异常数据库。基于1966～2012年266次M≥5.0地震震例资料，汇总测震学中地震活动图像、数字地震学、参数等3类11项异常，分别为地震空区、条带、前震、震群、震情窗口、波速比、震源机制解一致性、视应力、b值、频度与平静。以每一次震例的发震时刻为检索指标，建立异常信息库，异常信息包括：异常项名称、异常最低震级、异常范围、异常判据、异常开始时间、异常结束时间、预测三要素（指震例中主震的发生时间、强度与地点）、对应震例名称、异常图件编号等。其中，异常图件编号与相应的图一一对应，编号以“发震时刻＋方法＋序号”为命名规则，以便于后期检索调用。数据库采用EXCEL格式。

在建立测震学异常数据库的基础上，编制测震学异常辅助判定系统。基于该系统，使用者可以对266次不同构造区域的地震，统计某项测震学异常的时间、地点与强度，如统计异常出现时间与发震时间间的关系、异常持续时间与主震强度间的关系、异常范围与主震位置间的关系等，根据这些统计结果，提炼预测指标。

图1 系统平台的技术流程

2 系统关键技术

GIS技术是系统的基础核心部件。本系统基于.Net Framework的桌面程序，使用了桌面GIS组件Map Win Gis。区别于传统的桌面GIS应用，Map Win Gis是一个非常轻量化的GIS组件，Map Win Gis的核心组件只有10M左右，而且不依赖任何GIS桌面与GIS系统。这意味着系统可以独立使用，不需要安装庞大的GIS专业软件（如Arc Gis、Map Info等）。

2.1 Map Win Gis简介

Map Win Gis是开源的GIS二次开发组件，基于MPL开源协议，可以免费使用并自由修改和发布，类似于 Arc Gis的 AO，基于微软的 COM思想编写，其核心是 Map Win Gis的Active X控件。开发人员可以利用Active X控件在自己的系统中添加与GIS相关的功能（杨益飞等，2010）。

Map Win Gis的主要功能包括：直接打开、编辑、保存 Shape File、Image、Grid、Tin、Dbf等格式的文件；在地图中对图像进行浏览、标注，支持矢量数据的符号化、栅格数据的透明显示，在地图中对矢量数据进行空间数据查询，动态地在图层上标注空间数据、存储地图中的相关数据，对不同格式进行转换等功能（郑大鹏，2012；吕秀琴等，2012）。

2.2 Map Win Gis在系统中应用的关键技术

系统中使用的地图文件都是Shape File格式，系统借助Map Win Gis组件对Shape File进行图层加载、显示、查询、编辑和保存。

2.2.1 加载和显示图层

调用Map Win Gis控件的Add Layer方法，传入要加载的Shape File文件名，即可加载和显示该图层。Add Layer的方法签名如下：int Add Layer（object，bool）。

2.2.2 获取和选择图层中的内容

首先，获取当前图层，将Shape File图层添加到 Map Win Gis中，得到1个唯一的句柄（Handel），通过句柄可以得到某一图层，调用方法为：object get＿shape file（int）。

返回对象为Shape File对象，获取当前图层选择的对象时，可以遍历当前图层的所有图形对象，调用Shape File的get＿Selected方法判断图形是否被选择，传入的参数为图形的索引，方法签名如下：Bool get＿selected（int index）。选择当前图层上某些图形时，也可以遍历当前图层所有图形，调用Shape File的set＿selected方法手动选择图形，参数是图形的索引，方法签名如下：Bool set＿selected（int index，bool pVal）。

根据范围手动选择某些图形时，其实现相对比较复杂。例如，选择某省范围内所有条带异常，条带异常指标为一图层，而省界为另一底图图层。首先，从底图图层查找某省的范围图形对象，然后，调用该对象的Contains方法依次判断条带图层的图形是否在范围图形对象内，方法签名如下：Bool Contains（Shape shape）。

2.2.3 绘制异常指标统计图

系统中所有异常指标都是以Shape File保存，异常指标的Shape File图层中包含了异常指标的所有字段，其中，经纬度使用地震震例的经纬度，其他字段为与指标相关的属性，如条带指标包含起始震级、主震震级、异常持续时间等，绘制异常指标统计图时，需要从Shape File中提取相关字段的值，然后绘制统计图。

从 Shape File中提取字段的值时，首先，调用Shape File对象的get＿Field Index By Name，获得该字段索引，然后，对图层中每个图形调用Shape File对象的get＿Cell Value方法获取图形对应字段的值，参数为字段索引和图形的编号，方法签名如下：Object get＿Cell Value（int field Index，int shape Index）。

2.2.4 系统的发布

用户使用Map Win Gis开发的GIS系统时，不需安装Map Win Gis系统，也不依赖其他桌面GIS系统（如Arc Gis、Map Info等），只需将Map Win Gis控件及其依赖库打包到安装程序中。

Map Win Gis控件需要注册，可在安装脚本中自动注册，依赖包的大小取决于需要的功能，如果只需要使用Map Win Gis的基础功能，只需打包几个关键依赖包即可。在系统中依赖包包括：Shape File库、图形库及GDAL库，依赖包的大小共约10M。

3 主要功能及特色

3.1 主要功能

3.1.1 查询功能

（1）可以对11项测震学异常信息进行查询，包括定义、基本原理、适用范围、主要参考文献等信息。例如，选择波速比异常项，点击“定义”功能键，就可以出现波速比的相关信息（图2）。

（2）PDF格式的震例报告查询

系统收集到《中国震例》1966～2006年所有已经发表的震例报告，并以PDF格式存储。查阅方法如下：选中软件左侧数据图层中的“震例”，则右侧底图上就会显示出所有震例的空间分布，点击功能菜单“参考文献”，即可出现所有PDF震例报告，使用者可选择某个报告双击阅读。

（3）与11项测震学异常相关的研究论文查阅

除了收集《中国震例》资料外，系统还收集了190余篇与11项测震学异常有关的国内外研究论文，并以PDF格式存储。例如，如果查阅与前震有关的研究论文，则选择软件左侧数据图层中的“前震”，再点击功能菜单中的“参考文献”，则在右侧就会出现与前震相关的研究论文，使用者可以双击阅读（图3）。（4）震例报告中异常图件查询

图2 异常项相关信息查询结果

图3 “前震”相关论文查阅示意图

可以查阅《中国震例》中任意一次震例报告中与11项测震学异常相关的图件。例如，查阅地震条带异常图件，首先选择数据图层中的“条带”，则右侧就会显示出震前出现条带异常的所有震例分布，任意选择某个地震（图4中的红色矩形），则右侧就会在原底图上出现该次地震前的条带异常图件（图4）。

图4 查阅某一地震前的异常“条带”图件

（5）已有研究结果的典型图件查询

提供了与11项异常有关的重要研究论文图件，并与系统的结果进行对比。例如，在功能菜单中选中“条带”，点击右键，选择“时间预测指标”，则会出现已有的研究结果图件（图5中的右图）及本系统的统计结果（图5中的左图，蓝色柱状图）。

图5 关于地震“条带”的已有研究结果图件（关于时间预测的图件）

3.1.2 统计与绘图功能

本系统可以对11项异常进行统计绘图。选中某个数据图层（即选中某个异常项），分别点击“强度指标”、“时间指标”及“地点指标”，可以得到该异常项的时、空、强统计图件。例如，选择“空区”异常项，右侧底图中就会显示出在震前出现空区异常的所有震例的位置（图6中黄色矩形）；在此基础上，再选择功能菜单“强度指标”，则会出现“空区”持续时间与主震震级间（图7（a））、围空震级与主震震级间（图7（b））、“空区”尺度与主震震级间的关系图（图7（c）），由图7可见，“空区”持续时间、围空震级及“空区”尺度等均与主震震级呈正相关关系。

图6 选择“空区”异常项与所有震前出现“空区”异常的震例空间分布

点击功能菜单“时间指标”，则出现“空区”持续时间的统计图（图8）。当震情跟踪过程中出现了1个地震“空区”，其围空震级为3.0，“空区”尺度为200km，则可根据图7大致推测未来强震的震级。由图8可见，利用“空区”预测地震的优势时间为“空区”持续3个月内，其次为持续3个月至1年内。由于地震均发生在“空区”内部或边缘，所以，软件不再统计地点预测。

3.1.3 分区域统计功能

可根据预测需求，分多边形、方形、矩形、构造区域、省界等不同区域给出11项测震学异常与主震时、空、强的统计图件。例如，选择“空区”，再点击“选择”功能菜单，则出现一个下拉菜单，内容主要有“按矩形选择、按多边形选择、按统计分区选择、按省选择”等，如果点击按“统计分区选择”，则又出现一个下拉菜单“青藏高原北部、天山、南北地震带中南部、华北”，即中国大陆按照构造分为这4个统计分区，如果选择“南北地震带中南部”，则右侧底图中南北地震带中南部的震例颜色将变为黄色，即选择了该区的震例资料（图9）；然后再次点击“强度指标”功能菜单，则会出现根据该区震例得到的统计结果（图10）。

图7 中国大陆地区5级以上震例前的“空区”强度统计

图8 中国大陆地区5级以上震例前的“空区”持续时间统计

3.1.4 存储功能

系统产出的每一幅图件，只要点击菜单条上方的截图按钮，即可将其保存到指定的文件夹；或者点击鼠标左键，也可以实现对所绘图件的存储。存储的图件为jpg格式。

图9 选择南北地震带中南部5级以上震例作为研究对象

图10 南北地震带中南部“空区”持续时间（a）、围空震级（b）、“空区”规模（c）与主震震级间的统计关系

3.1.5 添加新震例

系统数据库具有开放性特征，可以随时添加新震例。为了保证数据的可靠性，数据库的更新是有权限的，一般使用者无此权限，不能随意添加新震例。当有新震例时，测震学科技术管理组会及时整理异常信息，更新数据库，并尽快将更新后的软件发送给使用者。

3.2 系统使用

进入系统后，界面上方提供系统工具栏，包括GIS基础缩放、选择、统计图等功能；系统左侧提供了图层导航栏；系统右侧为图层显示区域。

在图层导航栏中，勾选／反勾选某一图层，可以显示或隐藏该图层。点击图层右侧图标，可以编辑图层中的数据显示形状。点选某一数据图层（异常指标图层）后，点击工具栏的功能按钮，进行相应功能使用，如点击“强度指标”，则在弹出对话框中显示该异常的强度统计图。在右侧图层区，点击查看“属性”，然后点击某一异常图形，可以查看该异常的相关图件等内容。

系统对各类统计图都提供了保存功能，并同时提供了图层的截图功能，以方便用户保存制作的底图。

4 小结

（1）首次建立了可实现检索的测震学异常数据库。数据来源于11册《中国震例》（张肇诚，1988、1990a、1990b、1999、2000；陈棋福，2002a、2002b、2002c、2008；蒋海昆，2014），其中，前10册已经正式出版，而最近1册（2006～2012）待出版，共涉及266次震例前出现的测震学异常信息。该数据库具有开放性，可以随时追加最新的震例研究结果。

（2）首次建立了测震学异常辅助判定系统。该系统界面友好，操作简单，便于安装。GIS技术是系统的基础核心部件。系统是基于.Net Framework的桌面程序，使用了桌面GIS组件Map Win Gis。区别于传统的桌面 GIS应用，Map Win Gis是一个非常轻量化的 GIS组件，Map Win Gis的核心组件只有10M左右，而且不依赖任何GIS桌面与GIS系统。这意味着系统可以独立使用，不需要安装传统的庞大的GIS专业软件（如Arc Gis、Map Info等）。

（3）软件平台可以实现如下功能：

①提供基于GIS的3类共计11项测震学异常信息的查询。

②可以查阅所有已发表的PDF格式的震例报告。

③可以查阅190余篇与11项测震学异常相关的国内外研究论文。

④点击功能菜单可实现11项测震学异常与主震时、空、强间的统计图件；并提供了相应方法已有研究结果的典型图件。

⑤可根据预测需求，分多边形、方形、矩形、构造区域、省界等不同区域给出11项测震学异常与主震时、空、强间的统计图件。

⑥针对某一种方法，点击目标地震，即可释放出《中国震例》中该方法在该次震例前的异常图件。

⑦点击“截图”按钮，可将所绘图件保存到目标文件夹中。