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记录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宝库。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。
哈佛大学地震学小组的石井教授和我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成时间序列数据，从而破解了以前无法获得的模拟数据。DigitSeis软件使用MATLAB®图像处理算法，以确定时间标记和纠正图像畸变，建立每个信号的时间和幅度。我们的团队使用DigitSeis数字化震动图从1930年代到1950年代归档在Harvard-Adam Dziewoń滑雪天文台(HRV)。随着我们将这种技术应用到不同风格的录音中，软件也在不断发展。到目前为止，大约有24个地震记录已经被数字化。
这项研究的一个结果将是一个更大、更完整的地震目录，这些地震发生在构造上比较安静的地区，比如美国东北部，那里的地震并不常见。通过使地球科学家能够研究数字时代之前发生的单个地震和地震事件，扩大的目录将为地震学趋势提供新的线索。
此外，使用DigitSeis数字化来自世界各地的其他站，尤其是在不完整的地震目录区记录，可能需要通过提高地震风险评估，从而保证建筑规范是基于准确的数据立即实际应用的。
哈佛 - 亚当·德齐沃斯基天文台收集于图1中1938模拟地震图。
扫描地震图并准备图像
数字化地震图是涉及手动和自动化的步骤的多步骤方法。第一步是清洁和扫描原始模拟地震图来创建一个高分辨率数字图像。的HRV集合中一个典型的地震图是大约36英寸14英寸，从而在几十兆的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去除数据中由于曝光、长期存储和扫描过程等因素造成的伪影(图2)。
图2.原始地震记录图像（左上），将其通过直方图校正增强，以产生具有改进的对比度（左下）的图像。对于每个图像的强度值的直方图显示在右侧。
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完成对比度增强后，用户可以裁剪图像、去除背景噪声、微调对比度设置和调整图像的方向。在这个阶段，用户还可以删除不需要的工件，例如手写的便条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)，用户可以选择要从数字化过程中排除的图像区域(图3)。
图3.顶部：显示与时针音符（17和18）迹线的地震记录的A部分。第一定时音符被选择（中），然后取出（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对象分为三类:
地震的痕迹。地震的痕迹记录地表移动是地震的主要特点。
时间偏移量。地震记录上的每条道每分钟被一个与主道偏移的时间标记中断一次。这些偏移帮助科学家确定地震记录的准确时间。
噪声。这类物品包括任何不应该数字化的物品，如未被人工清除的污渍和笔记。
DigitSeis使用MATLAB对象识别算法，分别在白色、绿色和红色中定位和突出痕迹、时间标记和噪声(图4)。此外，还提供了一种颜色友好的方案。
图4。一种地震记录，其中物体被划分为痕迹(白色)、时间标记(绿色)和噪声(红色)。
在这个阶段，DigitSeis还援引算法，我们在MATLAB开发的量化图像的水平和垂直失真。这种失真在数字化过程后校正以减少波形时序误差。
数字化地震记录的
数字化算法使用强度信息来计算单个数字值在地震记录的每个迹线的每一个点。DigitSeis然后显示结果。
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轨迹相互交叉，从而使用算法区分这两种信号变得困难。在这些情况下，DigitSeis支持手动分离信号。万博1manbetx
接下来，DigitSeis校正时间标记偏移，使用fminbnd（）从优化工具箱™到通过重新调整各时间标记与它的痕迹（图5）创建一个连续波形。
图5.数字化的结果重叠原图象上。注意，时间标记都与主跟踪已成功结合，以提供一个连续的时间序列。
进程的这一部分可以很容易地在具有多个核的处理器上并行执行。我们已经创建了一个版本的DigitSeis使用并行计算工具箱®在多核处理器上同时处理多个迹线。
数字化过程之后，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。
使用数字技术将HRV采集数字化
我们与HRV归档初始工作的重点是地震活动的日期。例如，数次大地震是通过1938年11月15日（图6）在记录从HRV 11月13日。这些包括在千岛区域的大小6.9地震（数1）中，在日本的大小7.0事件（编号2），后者（数3）的余震。
图6。1938年11月13日至15日的数字化地震图(左)和相关的声谱图(右)。声谱图中的数字虚线和箭头表示世界各地重大地震事件到达HRV的表面波。
在将地震记录数字化之后，我们使用得到的时间序列数据生成了一个频谱图。光谱图显示了在原始地震图上难以辨认的额外地震。光谱图还显示了独特的噪音水平(可能是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。
下一步
随着我们继续处理地震从HRV存档，我们正在学习更多有关数字化过程中哪些步骤可以通过提高自动化来简化。一旦我们数字化存档的显著一部分，我们计划提供结果无论是在哈佛地震Group网站或法团研究机构的地震（IRIS）数据库中。
我们已经使DigitSeis作为开放源码的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它们自己的地震记录档案。
致谢
下面的人已经参与测试DigitSeis和哈佛采集的数字化：博美石井，伊莎贝拉LorrainyAltoé，亚历山德拉Karamitrou，托马斯·李，刘乔治和维克多塞勒斯。我还要承认，这个项目是由美国地质调查局地震灾害计划奖号G14AP00016和G16AP00021支持。万博1manbetx
