国外地震监测及记录工作始于19世纪晚期，国内地震记录始于20世纪30~40年代，最初均采用模拟图纸记录方式，地震波形主要记录在图纸或胶片上。随着数字技术的发展，20世纪70年代地震记录开始进入数字化时代^[1]。由于最初的记录形式、图纸及胶片的保存手段有限，历史资料面临损坏问题，因此中国地震局开展了模拟地震资料抢救项目^[2]，通过扫描方式将纸质记录资料转化为数字化图纸。王立夫^[1]、肖锦玉等^[3]、陈光等^[4]开发出一系列相关软件，旨在解决模拟图纸中波形自动化提取、图像自动拼接、弧形校正、倾斜校正、波形跟踪等问题。

国外历史地震波形数字化工作始于20世纪80年代，文献[5-7]提出多种波形数字化方法，旨在解决波形跟踪、波形失真、倾斜失真等问题。Taylor等^[8]研发出3套半自动化软件SeisDig、Teseo、Digiseis，其中SeisDig软件应用范围较广^[9]，中国地震局地球物理研究所根据中国模拟地震记录对软件进行重新编译。但在实际应用中发现，国外仪器记录系统和技术规格并不完全适用于我国实际情况，因此中国地震局地球物理研究所联合其他单位合作开发出HSD软件。该软件针对我国历史地震资料的实际情况和技术规格，提供多种人工和自动化相结合的数字化方式，数字化波形结果可保存为标准的SAC文件格式。

河北省地震局目前存有259 000张电子版有震图纸^[10]。为了更好地发挥历史地震数据的作用，本文利用HSD软件，选取部分波形质量较高的图纸进行数字化提取工作，生成SAC格式波形数据，并利用各省测震台网目前应用较多的MSDP分析软件对其时间、振幅、震级偏差进行校验，分析并汇总整个数字化、校验过程中遇到的问题，为河北台网大批量模拟地震图纸数字化提供参考资料。

1 数据选取

部分历史图纸记录的地震波形清晰度较低，为取得较好的数字化效果，本文对大量地震图纸进行筛选，从中挑选出质量较高、震相清晰、可有效提取地震波形的图纸共计7张，涉及到KUC、SXT、SHC、YIX、ZJK等5个台站。根据图纸选择对应的9个地震目录，具体见表 1。

2 图纸波形数字化提取

为了较为直观地展示图纸波形的提取过程，本文以表 1中KUC台地震波形图纸为例，详细介绍波形数字化过程。

2.1 波形预提取

HSD软件有3种波形提取方法：人工描线法、人工描点法、自动提取+人工描点相结合法。在实际工作中，为加快工作速度并保证提取效果，一般采用自动提取+人工描点相结合方法。自动预提取前首先需要选取颜色阈值(图 1中红色圆圈内色块)，用于区分地震波形与背景噪声及底板，差异越大，提取过程越顺利。但在具体操作过程中发现，图纸均由同一支记录笔所绘，记录到的地震波形与背景噪声夹杂在一起，颜色上很难完全区分开，因此提取效果不理想(图 1)。经过多次实验，本文最终选择利用Photoshop软件手动描绘每幅图中需提取的地震波形，在确保高度还原原始波形的基础上，加大地震波形与背景噪声的区别(图 2)，提高后续波形提取效率。需要注意的是，由于图纸波形记录笔笔触具有一定宽度，在部分拐点处容易重合，因此波形描绘时选择的笔触要比原波形细，且必须沿波形中心线位置描绘，这样既能在后续波形提取时保证波形还原度，又能提高波形分辨率。

2.2 弧形校正

历史地震记录采用滚筒记录仪，由于摆笔长度有限，摆笔在摆动过程中的移动轨迹为弧线(图 3)，因此同一道地震波波形的弧形失真相同，而不同幅度的波形所展现的弧形失真程度则有所差异。波形幅度越大，弧线就越完整，弧形失真也就越明显。因此为得到正确的地震波形，需对存在弧形失真的波形进行弧形校正，即将图 3中B点校正至A点。

根据文献[11]研究结果可得坐标转换公式：

$ x_{\mathrm{A}}=\overline{\mathrm{OE}}-\overline{\mathrm{DE}}=x_{\mathrm{B}}-\left(R-\sqrt{R^2-y_{\mathrm{B}}^2}\right) $

(1)

$ \begin{aligned} y_{\mathrm{A}} & =y_{\mathrm{B}}+\overline{\mathrm{AC}}=y_{\mathrm{B}}+\left(R-\sqrt{R^2-y_{\mathrm{B}}^2}\right) * \tan \alpha \\ & =y_{\mathrm{B}}+\left(R-\sqrt{R^2-y_{\mathrm{B}}^2}\right) * \frac{y_{\mathrm{B}}}{\sqrt{R^2-y_{\mathrm{B}}^2}} \end{aligned} $

(2)

式中，OE=x_B=Δt*V，Δt为记录笔由O点滑动至B点所用时间，V为走纸速度；R为DD-1仪器记录笔长度；α为波形记录时记录笔转动角度，与地震振幅大小有关。

本文仪器类型均为DD-1型，通过查询资料可知，DD-1型地震仪笔长为15 cm，走纸速度V=2 mm/s。量取图纸的分钟像素点与走纸速度相乘得到式(1)中OE值，最后根据式(1)、(2)进行弧形校正，结果见图 4。

2.3 波形终提取

波形终提取前软件会显示最终提取波形与原始波形的吻合效果(图 5)，图中黑色波形为描绘后的原始波形，绿色波形为终提取波形，红色横线为波形提取的水平中心线，红色竖线为波形提取的起始点。由图可知，终提取波形(绿色)与原图纸波形(黑色)一致性较好，提取精度较高。终提取前应首先确定图纸是否存在钟差，对钟差进行校正后再标记时间。比如KUC台波形，图纸中记录的上下纸钟差均为-2.6 s，因此在标记时间时需将图纸记录时间减去2.6 s才能得到真实的波形时间。最后将提取的地震波形保存为SAC格式，同时输入台站代码、通道、放大倍数等仪器相关参数以及分钟物理长度与分钟像素等图纸相关参数，最终提取得到的完整SAC波形如图 6所示。

3 提取结果分析

历史图纸波形数字化的最终目的是使其能够适用于目前的数字化软件，以便进行多方位分析，例如多台联合定位、波形分析、反演、精定位以及借助历史地震波形进一步研究发震构造等。波形数字化的正确性决定着上述研究的准确性，因此需要对提取的波形与原图纸波形的相关记录进行对比分析，在基本参数(时间与振幅)正确的基础上，进一步研究波形在软件中的定位结果。考虑到目前地震系统使用最为普遍的地震定位软件为MSDP，因此以下参数对比与定位分析均在MSDP软件中进行。

3.1 震相到时偏差

本文主要探讨数字波形与实际图纸波形的差异，为了较为客观地进行比较分析，以震相到时为参考对象，按照图纸所标注的通道、位置及数字进行对比(未将钟差、标注位置正确性考虑在内)。

本文共提取到9个地震波形，对应原图纸记录共有Pg、Sg、Pn 3种震相和19个震相到时。对比结果表明，震相到时的最大偏差值为0.94 s，最小偏差值为0 s，其中Pg、Sg、Pn震相到时平均绝对偏差分别为0.42 s、0.18 s、0.35 s，3种震相的总体平均绝对偏差为0.31 s，精度相对较高。

存在到时偏差的具体原因如下：

1) 图纸倾斜。由表 2可知，Pg震相偏差总体大于Sg震相，查看地震图纸发现，图纸一般呈梯形，即上窄下宽，且图纸数字化过程中通常基于东西向基线进行校准，Pg震相基本均标注在最下方。本文所用图纸中Sg震相多标注在中间，因此出现Pg震相到时偏差大于Sg震相的现象。

2) 软件提取偏差。为最大限度地还原原始波形，波形描绘过程中使用的笔触小于原始波形宽度，导致波形时间出现偏差。在波形终提取前，需给定波形的起始位置并标注起始时间，终提取到的波形时间轴取决于起始时间和所量取的分钟像素。以上操作过程均为人工测量，量取精度难免会受到影响，导致提取波形的时间与图纸时间存在差异。但最终结果表明，本次提取波形的时间还原度相对较高。

3.2 振幅偏差

由于原图纸并未标注所量取振幅的具体位置，相关纸质记录仅有最大振幅幅值，因此数字化波形的3通道振幅按照最大原则量取，由此得到27个通道幅值。与原记录对比可知，最大偏差值为-0.21 μm，最小偏差值为0 μm，SMN、SME、SMZ三通道幅值与原幅值平均绝对偏差分别为0.03 μm、0.02 μm、0.05 μm，总体平均绝对偏差为0.04 μm，偏差较小。存在偏差的原因主要为数字化过程中波形描绘和弧形校正等操作无法完全还原原始波形，且数字化后振幅量取时存在人为误差。但对比结果表明，9个地震3通道振幅大小比值分别为0.98、0.96、1.10，与原振幅值基本相当，数字化波形幅值改变不大，波形还原度较高。

3.3 震级偏差分析

由于本次数字化波形均为单台地震，而单台地震的定位精度较差，无对比意义，因此仅对比震级结果。

为得到更为准确的对比结果，将软件定位得到的震级与原图纸记录的单台震级进行对比。最终校验结果显示，9个地震中震级偏差最小为0，最大为±0.2，平均绝对偏差为0.08，基本符合要求。由此说明，本文所提取的数字化波形能较好地应用于当前数字化软件中，为历史波形的数字化保存和再应用提供可靠的参考基础。

4 结语

本文利用Photoshop、HSD软件，通过波形重绘、自动预提取、弧形校正、波形终提取等操作，共提取到9个地震事件27道SAC地震波形，并利用软件进行时间、振幅及震级偏差校验，结果如下：

1) 震相到时最大偏差值为0.94 s，最小偏差值为0 s，其中Pg、Sg、Pn震相到时平均绝对偏差分别为0.42 s、0.18 s、0.35 s，3种震相的总体平均绝对偏差为0.31 s，精度相对较高；

2) 9个地震3通道振幅大小比值分别为0.98、0.96、1.10，与原振幅值基本相当，数字化波形幅值改变不大，波形还原度较高。

由于本文数字化波形均为单台地震，定位效果较差，因此未进行深入研究。后续可根据地震目录以及震相报告确定同一地震中不同记录的台站，利用多台定位获取较好的定位结果，并且可以从更多角度分析数字化后的波形，进一步探讨数字化波形的可应用程度。在资料收集过程中发现，目前所整理的资料存在震相报告不全、地震目录与图纸不完全对应等情况，这也是未来数字化校验的难点。通过整理图纸对应的纸质记录发现，在振幅校验过程中，部分台站受震级影响会改变放大倍数，但未在图纸上进行标识，这会导致数字化后振幅不匹配，因此做好资料收集工作是保证数字化正确的前提条件。

以上研究表明，与原图纸波形和纸质记录相比，数字化后的波形还原度较高、基本参数偏差较小，可应用于数字化软件中。但受限于客观条件，图纸波形的记录质量、数字化具体过程、历史资料的收集整理也存在一定难度，后续仍需加强相关研究，为图纸波形批量数字化工作提供研究基础。

致谢: 感谢中国地震局地球物理研究所提供HSD软件。