大地形變流動觀測數據庫

郭啟倩 周 輝 楊 勤 馬 亮 王隨隨

（中國西安 710054 中國地震局第二監測中心）

0 引言

中國地震局第二監測中心（以下簡稱二測中心）作為大地形變學科骨干單位，監測區域基本跨越川滇、陜西、甘肅蘭天武—河西走廊、寧夏西海固、青藏高原和新疆等全國主要地震區，覆蓋汾渭、河套—銀川、喜馬拉雅山、可可西里—金沙江、柴達木、阿爾金—祁連山、西昆侖等地震帶。監測手段包括區域精密水準測量、三角測量、基線測量、激光與紅外激光測量、流動跨斷層場地觀測、流動GNSS 觀測、流動重力觀測、流動地磁觀測、流動測震觀測、工程測震等。科研領域遍及大地測量學、地球動力學、構造地質學、地球物理學、工程測震學等。

二測中心產出的大地形變流動觀測數據通過質量管控、標準化處理、結構化入庫的規范流程，形成了以區域精密水準、流動GNSS、流動重力、跨斷層場地測距數據為主的大地形變流動觀測數據庫（下文簡稱形變數據庫），由國家地震數據共享中心西部形變數據分中心（以下簡稱西部形變分中心）管理。該數據庫將大地形變流動觀測數據集進行結構化存儲，從而有效提高數據的管理效率。本文從流動形變數據收集和入庫、數據樣本描述、數據質量控制和評估、數據價值等方面，介紹大地形變流動觀測數據庫。

1 數據收集和入庫

1.1 數據收集

二測中心承擔中國大陸地區地震形變監測和地震預測研究任務，先后參與實施了地震預報科技攻關、“中國地殼運動觀測網絡”、“中國數字地震觀測網絡”、“中國大陸構造環境監測網絡”、“中國地震背景場探測”、“華北地區強震強化監視跟蹤”及“中國綜合地球物理場觀測”等重大科學工程，產出中國大陸三維地殼運動背景速度場圖像等產品。完成約1.6×105km 的精密水準測量、近5 000 處次跨斷層綜合形變（基線丈量、紅外測距）測量、5 000 余點段流動重力測量、500 多個GNSS 觀測點選建以及8 000 余點次GNSS 觀測等。與此同時，二測中心組織開展了1986 年青海門源6.4 級地震、1990 年青海共和MS6.9 地震、1990 年古浪MS6.2 地震、2001 年昆侖山西口MS8.1 地震、2008 年四川汶川MS8.0 地震、2010 年青海玉樹MS7.1 地震、2013 年蘆山MS7.0 地震、2016 年新疆呼圖壁MS6.2 地震、2017年新疆精河MS6.6及四川九寨溝MS7.0地震等10多次地震的應急監測與科學考察。歷經幾十年觀測，積累了大量流動形變觀測資料。截至2019 年，西部形變分中心歸檔并提供服務的流動形變數據集見表1。

表1 流動形變數據集Table 1 The data set of mobile geodetic deformation

1.2 數據入庫

西部形變分中心基于形變數據庫管理流動形變觀測資料，實現了流動形變觀測數據結構化和關系型的數據管理（楊勤等，2016）。作為基礎數據庫，形變數據庫的目標是將大地形變流動觀測過程中產生的所有數據（包含觀測數據和管理數據）進行存儲管理。

基于上述理念，將形變數據庫結構設計為多個子庫的集合，包含共通基礎信息子庫、監測任務管理信息子庫、流動水準觀測信息子庫、流動GNSS 觀測子庫、跨斷層測距觀測子庫以及數據產品子庫，內容包括所有觀測手段的觀測點位或觀測場地基礎信息、觀測儀器基本信息、觀測手簿和觀測結果數據以及觀測任務的管理過程信息等。數據庫表設計見表2，其中，區域精密水準數據邏輯結構設計見圖1，流動GNSS 數據邏輯結構設計見圖2，跨斷層測距數據邏輯結構見圖3。

表2 流動形變數據庫表設計Table 2 The database table design of mobile geodetic deformation

圖1 區域精密水準數據邏輯結構Fig.1 The logical structure of regional precise leveling data

圖2 流動GNSS 數據邏輯結構Fig.2 The logical structure of mobile GNSS data

圖3 跨斷層測距數據邏輯結構Fig.3 The logical structure of cross fault ranging data

2 數據樣本描述

（1）共通基礎信息子庫。該子庫包含定義地點地址的全國行政區劃信息表、定義全國業務單位的機關單位信息表、定義業務人員的人員信息表，以及全局檔案文件資源信息表，全局代碼分類信息表等。

（2）監測管理信息子庫。該子庫包含監測管理中對項目、任務、子任務以及觀測小組的信息定義，以及子任務詳情信息表和項目任務完成狀態表等。監測管理信息子庫數據示例見圖4。

圖4 監測管理信息子庫數據示例Fig.4 The example of subbase of monitoring management information

項目信息表主要定義監測任務的項目或課題信息，表中存放項目來源、起止年月、完成狀況以及項目任務書和驗收報告等檔案文件。任務信息表定義了從項目分解到某一觀測年度、以某種觀測方法的可執行任務。例如，大華北項目是跨多年度、具有多種觀測手段的重大行業專項，該項目的2015年水準觀測就是一個任務。任務信息表中存放該任務的父級項目、起止時間、觀測手段、完成狀況等信息，以及技術設計書、實施方案、部門技術總結等檔案文件。子任務是指將任務繼續分解，由某個觀測小組實施其中的一部分任務，表中存放該子任務的父級任務、起止時間、完成狀況、實施觀測小組等信息，以及小組技術總結報告等檔案文件。觀測小組信息表定義觀測小組管理單位、小組成員、觀測手段等信息。

（3）流動水準觀測信息子庫。該子庫包括水準觀測點之記、水準區域信息、水準觀測儀器信息等基礎信息表和表示觀測數據的觀測手簿信息表、表示觀測結果數據的水準高差表和表示水準觀測儀器檢驗結果的觀測儀器檢驗表等。將觀測手簿和高差表完整導入數據庫，是該數據庫的特點之一。流動水準觀測信息子庫數據示例見圖5。

圖5 流動水準觀測信息子庫數據示例(a)水準高差成果表原始數據；(b)水準高差成果表數據庫列表Fig.5 The example of subbase of flowing leveling data

（4）流動GNSS 觀測信息子庫。流動GNSS 觀測子庫包括GNSS 觀測點之記、GNSS觀測網信息、GNSS 觀測儀器信息等基礎信息表，和表示觀測數據的觀測手簿信息表、表示 GNSS 觀測儀器檢驗結果的儀器檢驗表等。

（5）跨斷層場地測距觀測信息子庫。跨斷層場地測距觀測子庫包括測距觀測場地、測點及測邊信息、測距觀測儀器信息等基礎信息表，和表示觀測數據的觀測手簿信息表、觀測成果表以及表示測距觀測儀器檢驗結果的儀器檢驗表等。跨斷層場地測距觀測信息子庫數據示例見圖6。

圖6 跨斷層場地測距觀測信息子庫數據示例（跨斷層測距成果列表）Fig.6 The example of subbase of cross fault site ranging observational data

（6）數據產品管理子庫。將各種大地形變流動觀測產出的研究報告、數據圖形、論文等數據產品和引用的原始數據文件等信息進行分類并歸類管理，便于其他研究者快速查詢。

3 數據質量控制和評估

3.1 觀測數據質量管理

2005 年，二測中心引入ISO 國際質量管理體系，數據質量管理和風險防控均符合ISO9001 的要求。測量過程嚴格按照《跨斷層測量規范》和《DI2002 測距儀距離測量技術規定》的要求，觀測成果均為優良。質量管理辦公室負責數據收集、整理、加工、保存及信息化等工作。所有觀測資料均實行“小組自查、隊級檢查、中心級檢查”三級檢查、二級驗收制度，確保對資料進行200%的檢查。

3.2 數據庫數據質量約束

數據庫數據質量約束條件如下：①大地形變流動觀測數據在入庫時依賴數據庫本身的字段校驗機制，嚴格按照標準格式入庫，避免數據出現類型錯誤、超限等錯誤；②關系型數據庫技術對數據存儲，有范式要求。形變數據庫在數據庫性能方面，嚴格按照第三范式3NF 原則設計，即每個非關鍵字段都獨立于其他非關鍵字段，并依賴于關鍵字，通俗地講，滿足第三范式的同一信息不能有2 種以上的表示；③對相關關系數據建立嚴格的約束和索引，確保數據的準確性、一致性。因此，形變數據庫在數據滿負荷的時候，亦能達到整體效果最優。

4 數據價值

流動形變觀測數據形成的中國大陸三維地殼運動背景速度場圖像等產品，可為地球物理場基礎研究、強震長期危險地點預測提供依據（王雙緒，1992；王慶良等，2008；秦姍蘭等，2012；郝明等，2020；張希等，2020）。區域精密水準、流動GNSS、跨斷層形變、流動重力等觀測成果為年度地震危險區判定提供數據依據。綜合利用三維地殼運動、地震活動性、活斷層地質調查等資料，提高了強震長期危險性和地震災害風險性的科學認識，促進了上述活動斷裂帶地震監測能力的提升。將形變場與地震的研究進一步深入為應力應變場動態變化與地震關系的研究，盡可能從應力應變場動態演化與地震孕育發生的物理機理研究出發，提高強震中短期危險區判定的科學性和準確性。

5 結論

大地形變流動觀測數據庫將流動形變數據結構化、規范化存儲，有利于數據的提取、應用、管理。數據庫集合了區域精密水準、流動跨斷層場地、流動GNSS、流動重力等觀測手段的作業數據，包含觀測數據、成果數據和觀測背景技術資料。該數據集覆蓋時空范圍為：1970 年至今，川滇地區、陜西地區、甘肅蘭天武—河西走廊地區、寧夏西海固地區、青藏高原地區和新疆地區等全國主要地震區。形變數據庫管理的數據符合ISO9001 質量管理和風險防控要求。綜合利用大地形變流動觀測數據，從應力應變場動態演化與地震孕育發生的物理機理研究出發，將提高強震中短期危險區判定的科學性和準確性。

感謝中國地震局第二監測中心地震監測研究院從流動形變觀測伊始幾十年的辛苦工作，感謝地殼運動與災害風險研究所對形變孕震機理研究的不懈付出，感謝科技監測處、質量管理辦公室對數據質量的嚴格把關，感謝中國地震局第一監測中心等單位對數據觀測、處理和管理提供的經驗與建議。