在20世纪70年代数字地震仪出现之前，科学家依靠模拟地震仪来测量地震波。数以百万计的这些老化的地震记录被保存在世界各地的天文台中，构成了一个巨大的有价值的科学信息的存储。然而，到目前为止，获取这些信息一直存在问题，因为现代分析技术是为数字地震仪开发的，需要离散的时间序列数据。
哈佛大学地震学研究小组的Miaki Ishii教授和我通过开发一种交互式软件工具，将模拟地震图图像转换为时间序列数据，释放了这些以前无法获取的模拟数据。DigitSeis软件使用MATLAB®图像处理算法，以识别时间标记和纠正图像畸变，以建立每个信号的时间和幅度。我们的团队正在使用DigitSeis对存档于哈佛-亚当Dziewoński天文台(HRV)的20世纪30年代到50年代的地震记录进行数字化。随着我们将这种技术应用到不同风格的录音中，软件还在继续开发。到目前为止，大约有24张地震记录已被数字化。
这项研究的一个结果将是在构造平静地区，如地震不常见的美国东北部，建立一个更大、更完整的地震目录。通过使地球科学家能够研究发生在数字时代之前的单个地震和地震事件，扩大的目录将对地震学趋势提供新的启示。
此外，通过改进地震风险评估，利用DigitSeis对世界各地其他台站的记录进行数字化，特别是在地震目录不完整的地区，可以立即得到实际应用，从而确保建筑规范是基于准确的数据。
图1所示。1938年哈佛-亚当Dziewoński天文台的模拟地震记录。
扫描地震记录和准备图像
地震记录的数字化是一个多步骤的过程，包括人工和自动步骤。第一步是清理和扫描原始模拟地震记录，以创建高分辨率的数字图像。HRV采集的典型地震记录约为14英寸× 36英寸，形成几十兆字节的JPG数字图像文件。
为了使大型图像文件更容易处理，DigitSeis将图像从24位彩色减少到8位灰度，从而在实现高效处理的同时提供足够的精度。然后，使用MATLAB开发的直方图校正算法，DigitSeis删除了数据中由于暴露、长期存储和扫描过程等因素产生的伪影(图2)。
图2。原始地震图图像(左上)，通过直方图校正增强生成对比度更高的图像(左下)。每个图像的强度值直方图显示在右边。
虽然我们的目标是实现尽可能多的自动化数字化，但用户可以在自动处理之前或之后修改图像和文件。例如，在DigitSeis执行对比度增强后，用户可以裁剪图像，去除背景噪声，微调对比度设置，并调整图像的方向。在这个阶段，用户还可以删除不需要的工件，如手写笔记或原始纸张上的污渍。使用DigitSeis中的“移除区域”工具，该工具基于图像处理工具箱™中的roipoly()函数，用户可以选择从数字化过程中排除的图像区域(图3)。
图3。上图:地震图的一部分，显示出时注(17和18)的痕迹。选择第一个计时音符(中间)，然后删除(底部)。
识别痕迹和时间标记
下一步是将预处理后的图像中的物体分类为三类:
地震的痕迹。地震道记录地面运动，是地震图的主要特征。
时间偏移量。地震图上的每个道每分钟被一个与主道偏移的时间标记中断一次。这些偏移量帮助科学家确定地震记录上事件的准确时间。
噪音。这类物品包括任何不应该被数字化的物品，比如没有被手动清除的污渍和笔记。
DigitSeis使用MATLAB对象识别算法定位并分别以白色、绿色和红色突出痕迹、时间标记和噪声(图4)。一个色盲友好方案也可用。
图4。一种地震记录，其中的物体被划分为道线(白色)、时间标记(绿色)和噪声(红色)。
在这个阶段，DigitSeis还调用了我们在MATLAB中开发的算法来量化图像的水平和垂直失真。这种失真在后期数字化过程中被纠正，以减少波形定时的不准确性。
数字化地震记录的
数字化算法使用强度信息为地震记录的每条轨迹中的每一点计算一个数字值。然后DigitSeis显示结果。
虽然数字化是自动化的，但偶尔也需要手工改进。例如，重大地震可能会导致痕迹彼此交叉，使得很难区分这两个信号的算法。对于这些情况，DigitSeis支持手动分离信号。金宝app
接下来，DigitSeis使用fminbnd ()从优化工具箱™创建一个连续的波形，通过重新对齐每个时间标记与其轨迹(图5)。
图5。数字化的结果覆盖在原始图像上。注意，时间标记已经成功地与主跟踪相结合，以提供一个连续的时间序列。
该过程的这一部分可以很容易地在多核处理器上并行执行。我们已经创建了一个使用并行计算工具箱的DigitSeis版本®在多核处理器上同时处理多条跟踪。
在数字化过程之后，DigitSeis将时间序列数据保存为. mat文件或地震分析代码(SAC)数据文件。
利用DigitSeis对HRV采集进行数字化
我们对HRV档案馆的初步工作主要集中在地震活动日期上。例如，1938年11月13日至11月15日HRV记录了几次大地震(图6)。其中包括千岛群岛地区的6.9级地震(第1级)，日本的7.0级地震(第2级)，以及后者的余震(第3级)。
图6。1938年11月13日至11月15日的数字化地震图(左)和相关的声谱图(右)。声谱图中有编号的虚线和箭头表示来自世界各地主要地震事件的表面波到达HRV。
在DigitSeis中对该地震图进行数字化处理后，我们使用得到的时间序列数据生成了一个声谱图。声谱图还显示了在原始地震图上很难识别的其他地震。声谱图还显示出独特的噪音水平(可能是由于11月14日该地区的风暴造成的)，峰值约为0.14和0.25赫兹。这些峰值的频率与2014年同一地点现代仪器记录的噪声频率一致。这一发现说明了旧的模拟地震图的另一个潜在用途:了解风暴活动是如何随时间变化的。
下一个步骤
随着我们继续处理HRV档案中的地震记录，我们正在了解通过改进自动化可以简化数字化过程中的哪些步骤。一旦我们将大部分档案数字化，我们计划将结果发布在哈佛地震研究组织网站或地震研究联合机构(IRIS)数据库上。
我们已经将DigitSeis作为开源MATLAB代码公开。其他天文台已经表示有兴趣使用该软件来数字化他们自己的地震记录档案。
致谢
以下人员曾参与测试DigitSeis并参与哈佛馆藏的数字化:Hiromi Ishii, Isabella Lorrainy Altoé， Alexandra Karamitrou, Thomas Lee, George Liu和Victor Salles。我也想承认这个项目得到了美国地质调查局地震灾害计划奖No.的支持。金宝appG14AP00016 G16AP00021。
