SEED格式体包含控制头段(ASCII 格式)和时间序列(二进制),其中,控制头段包含关于卷、台站、通道和数据的辅助信息,时间序列(二进制)包含原始数据以及嵌入的与特定通道和时间有关的辅助信息。

控制头段共4种:卷索引控制头段,包含关于数据的时间、逻辑记录长度、该逻辑卷的格式版本以及对台站控制头段和时间片控制头段的索引信息(朱文林等,1994a,b); 缩略语字典控制头段,包含用在其它控制头段中的缩略语的定义; 台站控制头段,提供有关台站和它的所有通道的信息; 时间片控制头段,标识随后的时间序列所处的时间段。

数据记录紧接着控制头段,用于存储数据的部分。每个记录长度为512字节,若干个记录组成一个数据记录。miniSEED格式记录中,3个方向的数据一起存储,不同方向的记录交替存放,某一方向可连续使用几个记录,数据结构如图1所示。

图1 单个512字节数据记录的数据结构
Fig.1 Data structure of a single 512-byte data record

每个记录中又分为8帧,每帧64字节。记录的第一帧,前48个字节称为固定头段区,统一存放固定头段信息,其中,前20个字节采用ASCII,后面的28个字节采用二进制存储。固定头段区从数据记录的第一个字节开始,前6个字节为序号,第七个字节是一个ASCII字符“D”,表示其为一数据记录,第八个字节为ASCII字符空格。接下来的12个字节包含该记录的台站、位置及通道标识符信息。头段的二进制部分的内容为:记录起始时间、样本数目、采样率因子、采样率乘数、后面的子块数目、数据开始偏移量、第一个子块偏移量等信息。

第一帧中固定头段区后的16个字节,采用二进制存储,用于存储子块,一般可存放2个子块,如果子块数目较多,可采用可变头段(万永革等,1995)的方式进行存放。固定头段的后16个字节根据实际进行子块存放,如有2个子块,则16个字节全部使用; 如果只有1个子块,则其余字节为空闲; 如果不接任何子块,则后续16个字节均为空闲。固定头段的内容如表1所示。

SEED格式记录是对miniSEED记录的重新整理,3个方向独立,并以4 096字节为一记录,实际记录中是将同一方向连续8个512字节的记录串起来,形成一个SEED记录,数据结构见图2。

地震记录的两个连续样本之间的差值一般比较小,只有在大地震时,其差值才可能大于8位二进制数所能表示的最大值,对这种极少发生的情况,可以使用一个2字节或4字节数值来表示样本差值。Steim1压缩算法就是一种编码方式,它确定样本差值采用的字节数,对于99%以上的地震记录,样本差值只用1个字节存储。因此,Steim1压缩方式节约了存储,压缩比可达3.5:1。Steim1压缩方式的存储格式为:前向积分常数、反向积分常数、两者之间的全部差值,反向积分常数可对差值进行校核。

512字节的数据记录中,第一帧存放固定头段信息,后7帧存放地震波形数据,每帧均为64字节。存放数据的每一帧的前4个字节,存有16个2位广义字节编码C_i(i取值0～15),每个C_i对应4个字节,C_i值确定对应4个字节的存储的差值数量。

C_i=00(二进制):对应的4个字节存放特殊值,如非数据信息、广义字节编码、前向积分常数、反向积分常数。

C_i=01(二进制):对应的4个字节存放4个1字节差值。

C_i=10(二进制):对应的4个字节存放2个2字节差值。

C_i=11(二进制):对应的4个字节存放1个4字节差值。

C₀对应于每一帧的前4个字节,总是存放编码位,其值等于00(二进制)。紧接固定头段后的第一个数据帧中,C₀=C₁=C₂=00(二进制); C₁对应的4个字节存放前向积分常数,C₂对应的4个字节存放反向积分常数。

地震波形记录的Steim1压缩数据格式见图3,W₀对应广义字节编码,X₀对应前向积分常数,X_n对应反向积分常数,D₀～D₃为样本差值。

图3 Steim1地震数据压缩格式图
Fig.3 Compression format diagram of the Steim1 seismic data

随着对地震波形数据研究的深入,发现连续样本差值可以用小于1个字节来表示,最小的差值可以用4个字位表示,出现了Steim2算法。

Steim2算法是将每个C_i对应的4个字节(32位)的差值存储进行改进,取高端2字位用于压缩算法的进一步解码。这2个字位称为“dnib”,即“细解码”广义字节。用后30个字位存储样本差值,进一步提高了存储效率。

C_i=00(二进制):同 Steim1,存放特殊值,如非数据信息、广义字节编码、前向积分常数、反向积分常数。

C_i=01(二进制):同 Steim1,存放4个1字节差值。

C_i=10(二进制):依据“细解码”dnib的值确定存储差值的个数和位数。

dnib=01(二进制):存放1个30字位样本差值。

dnib=10(二进制):存放2个15字位样本差值。

dnib=11(二进制):存放3个10字位样本差值。

C_i=11(二进制):依据“细解码”dnib的值确定存储差值的个数和位数。

dnib=00(二进制):存放5个6字位样本差值。

dnib=01(二进制):存放6个5字位样本差值。

dnib=10(二进制):存放7个4字位样本差值。

如果连续7个差值都介于-8～7,那么就将7个差值放在一个4字节中,使用32个字位中的28个字位。样本差值为-16～-8或7～15时用5个字位表示; 样本差值为-32～-16或15～31时用

图4 Steim2地震数据压缩格式图
Fig.4 Compression format diagram of the Steim2 seismic data

6个字位表示; 样本差值在-128～-32或31～127时,用8个字位(即1个字节)表示; 样本差值在-512～-128或127～511时,用10个字位表示; 样本差值在-16 384～-512或511～16 383时,用15个字位表示; 样本差值在-2²⁹～-2¹⁴或2¹⁴-1 ～2²⁹-1时,用30个字位表示。

地震波形记录的Steim2压缩数据格式见图4,W₀对应广义字节编码,X₀对应前向积分常数,X_n对应反向积分常数,D₀～D₆为样本差值。

计算机存储数据时,存在不同的字节序。通常的字节序有LE(Little endian)和BE(Big endian)两种。LE字节序是将低序字节存储在起始地址; BE字节序是将高序字节存储在起始地址。每个字节中的字位存储顺序,即字位序只有固定一种方式,类似BE字节序,即高序字位存储在起始地址。SEED格式的数据存储采用LE字节序,具体见图5。常用软件系统的读取命令,均采用从低地址到高地址的读取顺序,见图6。数据解压时,字位存储和读取的顺序相反,是数据解压的关键所在。

图5 SEED格式中存储的字节序和字位序
Fig.5 Endian and word order stored in SEED format

图6 软件读取命令的字节序和字位序
Fig.6 Endian and word order of software reading commands

在了解地震压缩数据的压缩方式和字节存储方式后,可利用能够读取二进制的系统编制软件进行数据读取。完全可以直接读取和应用数据,如进行数据处理、调用、转换、显示等。读取软件编制时,重点是循环的设置,对于SEED格式需设置5层循环嵌套,涉及台站方向、记录编号、miniSEED记录编号、数据帧、帧内字节; 对于miniSEED格式,则仅需2层循环嵌套即可。对于SEED格式的循环嵌套见图7。

本文利用MATLAB系统,编制了数据读取软件。软件可直接读取地震压缩数据,免去转换,直接进行各种应用,同时也可转换为其它数据格式。图8即是软件读取SEED数据并绘制的地震记录图。

图7 SEED格式数据读取循环框图
Fig.7 Cycle diagram of SEED format data reading

图8 景谷台记录的墨江5.9级地震UD向(a)、NS向(b)和EW向(c)波形
Fig.8 Waveforms of the Mojiang M5.9 earthquake in UD(a),NS(b)and EW(c)directions recorded at the Jinggu station