通过图像分析和数字化使几十年的模拟地震图恢复活力

在20世纪70年代数字地震仪出现之前，科学家们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图被存档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仓库。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。

我和哈佛大学地震学小组的Miaki Ishii教授开发了一种交互式软件工具，可以将模拟地震图的图像转换为时间序列数据，从而解锁了这些以前无法访问的模拟数据。DigitSeis软件使用MATLAB^®图像处理算法识别时间标记和纠正图像失真，以建立每个信号的时间和振幅。我们的团队正在使用DigitSeis将上世纪30年代至50年代存档于哈佛-亚当·兹耶沃夫斯基天文台(HRV)的地震图数字化。随着我们将该技术应用到不同风格的录音中，该软件也在不断开发。到目前为止，大约有24张地震图被数字化。

这项研究的结果之一将是在构造平静的地区，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趋势提供新的认识。

此外，使用DigitSeis将来自世界各地的其他台站的记录数字化，特别是在地震目录不完整的地区，可以改善地震风险评估，从而确保建筑规范以准确的数据为基础，从而立即产生实际应用。

扫描地震图和准备图像

将地震记录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收集的典型地震记录约为14英寸乘36英寸，生成的JPG数字图像文件高达几十兆字节。

为了使大型图像文件更容易处理，DigitSeis将图像从24位的颜色减少到8位的灰度，这提供了足够的精度，同时支持高效的处理。然后，使用MATLAB开发的直方图校正算法，DigitSeis去除数据中由于曝光、长期存储和扫描过程等因素引起的伪影(图2)。

虽然我们的目标是尽可能地自动化数字化，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，删除背景噪声，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，如手写的笔记或原始纸张上的污渍。使用DigitSeis中的“删除区域”工具(该工具基于图像处理工具箱™中的roipoly()函数)，用户可以选择图像的一个区域以从数字化过程中排除(图3)。

识别痕迹和时间标记

下一步是将预处理图像中的对象分为三类:

地震的痕迹。地震痕迹记录地面运动，是地震记录的主要特征。

时间偏移量。地震记录上的每条轨迹每分钟被一个与主轨迹偏移的时间标记打断一次。这些偏移帮助科学家们确定地震记录上事件的准确时间。

噪音。这一类别包括不应该数字化的任何对象，例如没有手动删除的污渍和注释。

DigitSeis使用MATLAB对象识别算法来定位，然后分别高亮显示白色、绿色和红色中的痕迹、时间标记和噪声(图4)。此外，还可以使用色盲友好方案。

在这个阶段，DigitSeis还调用我们在MATLAB中开发的算法来量化图像的水平和垂直失真。这种失真稍后在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

数字化算法利用强度信息为地震记录的每条轨迹上的每个点计算单个数字值。然后DigitSeis显示结果。

虽然数字化是自动化的，但有时也需要手工改进。例如，大地震会导致信号轨迹交叉，使得用算法很难区分这两个信号。对于这些情况，DigitSeis支持手动分离信号。

接下来，DigitSeis使用fminbnd ()通过调整每个时间标记与其轨迹来创建连续波形(图5)。

这部分过程可以很容易地在多核处理器上并行执行。我们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个跟踪。

在数字化过程中，DigitSeis将时间序列数据保存到. mat文件或地震分析代码(SAC)数据文件中。

使用DigitSeis对HRV藏品进行数字化处理

我们与HRV档案的初步工作集中在地震活跃日期上。例如，从1938年11月13日到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)。

在DigitSeis中将地震图数字化后，我们使用得到的时间序列数据生成了一个谱图。谱图显示了在原始地震图上几乎无法辨别的额外地震。谱图还显示了独特的噪音水平(可能是由于11月14日该地区的风暴)，峰值约为0.14和0.25 Hz。这些峰值的频率与现代仪器在2014年同一地点记录的噪声峰值频率一致。这一发现说明了旧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

随着我们继续处理来自HRV档案的地震图，我们越来越了解数字化过程中的哪些步骤可以通过改进的自动化来简化。一旦我们将档案的重要部分数字化，我们计划将结果发布在哈佛地震学小组的网站上或在地震学联合研究机构(IRIS)的数据库中。

我们已经将DigitSeis作为开源的MATLAB代码公开。其他天文台已经表示有兴趣使用该软件将他们自己的地震记录档案数字化。

致谢

以下人员参与了DigitSeis的测试和哈佛馆藏的数字化工作:Hiromi Ishii, Isabella Lorrainy Altoé， Alexandra Karamitrou, Thomas Lee, George Liu和Victor Salles。我也要感谢这个项目得到了美国地质调查局地震灾害项目的资助。G14AP00016 G16AP00021。