第16号

国立防災科学披術セソター研究報告

1976年12月

550．34：681．3

電子計算機による強震記録の読み取り （第2報）
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国立防災科学技術セソター

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じめ1こ

南関東での大型地震発生の恐れが増大している現在，全国に約600台以上のSMAC型強震計が設置され，今後さらに増設される傾向にある．そしてその記録は，強震動の性質を調べるために，また構造物の耐震設計のための各種解析に用いるために，大量に数値化する必要がある．しかし現在開発されているSMACリーダは，人問の非常に大きな労力を必要とし，大量の読み取り，数値化には適さたい．また強震計そのものを電気式にするという試み＊第3研究部計測研究室
29

国立防災科学技術セソター研究報告第16号

1976年12月

もなされているが，まだ試作の段階であり，さらにデータ・レコーダを用いることなどから，かなり高価なものとなる．

以上の状況をすこしでも改善するために，われわれが昭和47年3月頃より研究に着手し，かなりの成果をあげたことを第1報（渡辺他，1974）で報告した．その時に今後の問題一点として，図形読坂装置の改良，曲線化の際のシミとカスレの処理，処理時問の短縮等をあげた．しかしその後，タブレット型図形入力装置などを使用した新しい処理法を開発した結果，その問題がほぼ改善されたので，その改良点を第2報として報告する．また第1報と重複する点もあるが，読み坂りの概略も合せて報告する．

2．読み取リ方法の概略と結呆

第1報で報告したように，われわれはドラム式の図形読取装置の試作品を製作した．今同の読み取りでは，その試作品を改良したものを使用した．

第1報でも述べたように，われわれの図形読取装置は，光学系の読み坂りヘヅドを移動しながら，回転ドラムに巻きつけた原図の濃淡を，アナログ信号として出力するものである．

そこでわれわれは，そのアナログ信号をAD変換器によりディジタル信号に変換し，電子計算機に入力する．

このようにディジタル化された信号は，単に原図上を同転方
準向，送り方向にスキャソした時の約0．1mmメッシュの濃度を

備

読み取り

記録

っなげること，それに伴う記録のノイズ的シミやカスレの措置，NO一升。．、クOK
データ量縮少座標変換・1刀弧修正
タイマーハルス検｛曲線

表わしているにすぎないから，この後に地震波を一連の波として化

処理時問の短縮など多くの処理を行なわなけれぼならない．

この処理の系列を図1に表わし，その概略の説明を次に述べ，各段階の詳しい説明と今同の図形読取装置についての説明は，3．

で述べることとする．なお全体の使用機器とその接続状況を図2に示す．

同転1ムラ修正．

水一平修止

時問軸修正
分割された記録の継ぎ

平滑化
零．点補正

（1）準

備

強震記録紙は，ほとんどがろう紙であり，これをそのまま図形
読坂装置に装着できないのでフィルム状にする．この時，図形読坂装置の大きさの制限から，一つの強震記録を何枚かのフィルムに分ける必要がある．この場合，つなげる時のために若千重ねておく．

図1読み取り手順
Fig．1

Digitizing

procedure（2）読み取リ・記録・チェック

フィルムを図形読取装置に装着し，濃度差を読み坂り，ディジ
タル化して，電子計算機の磁気テープに記録する．次に，正しく一30一電子計算機による強震記録の読み坂り（第2報）一諸星

磁気テープ

AD変換器

T−40

図形読取装置高速印画装置

磁気ディスクDA変換器

T−3400磁気テープ
図形入力装置

蓄積管型ディス

蓄積管型ディス

プレイ装置

プレイ装置

図2使用機器の接続図
Fig．2

Coniguration

of

the

systen1used

読まれているか，黒と白のバラソスはどうか，全体の位置関係はよいか，必要なものがすべて読み込まれているかなどをチェックするために，読み取ったものをファクシミリ方式の高速印画装置に出力する．もし不都合な点があれば，もう一度読み直す．

（3）データ量縮少

振幅の小さい強震記録には，後に示す図9のように地震波と地震波との問に，この後の処理に不必要な非常に大きな空問がある．これを処理容量の縮少と処理時問の短縮のために除去する．またわれわれのAD変換器はアナログ値を0〜4095（12ビット）のディジタル値に変換する．しかし強震記録の性質や，この後の処理を考慮すれぼ，このように細かくなくてもよい．そこでわれわれは，そのディジタル値を4段階（2ビット）にして使用することにした．

（4）座標変換・円弧修正フィルムを図形読坂装置に装着する時に，時問車山が水平でなく少し斜めになることがある．この修正のために座標変換をしなければならない．

また強震計は円弧書きのペソを使用しているので，円弧書きの修正をしなければならな
い．ただし地震波の振幅が小さい時は，読み坂りの精度から考えて，誤差の影響カミなくなる
ので円弧修正は行なわない．
（5）

タイマーパルス検出

時問軸修正に用いるために，記録紙上のタイマーパルスを検出する．われわれはタイマー
パルス上のシミやカスレを考慮し，バターソ・マッチソグ法を用いた．

一31一

国立防災科学技術セソター研究報告第1・号1・。。年、2月（6）曲線化（8）水平修正

1デ㌃㌫1ヱ1㌃1二11簑二己（9）時問軸修正（10）分割された記録のつなぎ（11）平滑化
必要があれぼ重みつき移動平均をとつて平滑化する．

（12）零点補正

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一・32＿

電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星

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図3
Fig．3

フィルム状の原図
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1976年12月

第16号

国立防災科学技術セソター研究報告電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星宕‡o亘①ヒ昌①︷倉ちq一ε圭房害喝岩尋ρ

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第16号

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一36一

電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星「
光学系送り方向

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スリット

光源⊥万

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スタート線

対物レンズ

走査方向

図7
Fig．7

図形読取装置の概略図
Schematic

diagramof士he丘gure

米

3．処理の詳細と考察

タイマ

E，V
。〜。

⊥一

ックスを改良した図形読取装置の試作品を開発し

22

．■rl−

すでに述べたように，われわれはトーシャファ■i1

図形読取装置

11rl︑（1）

inpu士device㎝UDl

た（大村，1971）．しかしこの試作品には，強震記録の読み坂りに対して次のような不都合な点が

フ亨；

ba

あった．
（i）

図8記録の分割

ドラムの回転ムラが大きい．

Fig．8

（ii）

読み坂りヘッドの送りムラが大きい．

（iii）

有効面が小さい（iV）

読み取ったデータの白と黒の電圧差が小さい．

（∀）

フィルムを装着する時に斜めになる．

Me士hodsourcefordividing亡he

i1r皿

そこでわれわれは，この欠点をほぼ解決した，新しい図形読取装置を製作した．その解決

法と結果を次に述べよう．（i）にっいては，内部クリスタル発振器による50サイクルの同期モータを使用することにより，1回転あたりの誤差を0．5m加／400皿皿以下にすることができ，（ii）については，バルスモータの使用により，全送りあたりの誤差をo．5mm／300

mm一以下にすることができた．（iii）については，350mm×260mmが378mm×300mmとなり，若干ではあるが大きくたった．（iV）については，光源にハロゲソ電球を使用し，また反射光の通路に0．1φ（直径0．1肌岨），0．2φ，0．4φの3段切変えのスリヅトと6段切

一37一

国立防災科学技術セソター研究報告

変えのフィルタ第16号

1976年12月（現在は光量のフィルタ）を設け，そしてアソプの調整を外部で行なえるよ

うにしたことなどから，かなりの電圧差が得られるようになった．（V）については，ドラム面に回転軸に平行な線を彫刻したことにより，ほぼ解決された．図7は図形読取装置の概略
図である．

（2）準

備

強震記録の原図は，金属石けんを表面に塗った紙でできていて，幅約230mm，長さ約1，800mm（約3分問の記録）のものである．（1）で述べたように，図形読坂装置の有効面は378m血×300m血であるから，記録を分割して読まなけれぼならない．そこで原因を分割して接写した原寸のフィルムにし，それを読み坂ることにした．フィルムを選んだのは作成する時の誤差，歪みの誤差などが少ないと思われたからである．

分割したフィルムをつたぐために第1報と同じく次のような準備をする．図8のような記録で最初のフィルムをa線までとすると，次のフィルムはb線からにする．つまりタイマー
パルスが少なくとも！つ重なるように，記録を分割するのである．

（3）読み取リ・記録・チェック

第1報の時は，図形読取装置を中型機TOSBAC−3400に接続した．しかしAD変換のような計算機を長時問占有する作業は，中型機の使用をできるだけさけなけれぼならない．

そこでわれわれは，読み取りをミニコソピュータのTOSBAC−40で行なえるように，
TOSBAC−40のハードウェァとソフトウェァの開発を行なった（福井他，1975）．その結果，ミニコソピュータでも中型機とほぼ同程度の読み取り・記録が行たえるように一なった．そこ

で今回は，図形読取装置をTOSBAC−40に接続して読み坂り，磁気テープに記録した．

読み取り精度は以下のようになる．図形読坂装置の回転速度は300rPmで1回転あたり200msである．またTOSBAC−40のAD変換速度は75μsである．これから回転方向の
サソプリソグ間隔は，401m岨（ドラムの円周）×75μs／200ms＝o．151mmとたる．また

送り方向は0．05mmx2＝0．1mm一である．これは図形読取装置を最小送り刻み0．05mm
で送り，われわれの磁気テープ装置のデータ転送速度が遅いということから，データを2回転に1回拾ったからである．よって0．15mm×0．1mmの面積が読み坂り点となる．これ
を一般的な強震記録にあてはめると，強震記録の線の太さが約0．3mmであることから，

線は2〜3点で表わされ，また時問軸方向は1秒が10mmであることから0．01秒が1点となる．

378皿mx300mmの全体を読み坂ったときの全データ量は2400フィートの磁気テープ
約1本分である．また処理時問は，送り方向に30cm読み取るとして，o．2。×2×300n1m／

0．1mm≡1200sとなり，20分かかる．
読み取ったものを，TOSBAC−40に接続されている蓄積管型ディスプレイ装置（以下メモ
リスコープと略す），またはファクシミリ方式の高速印画装置に出力してチェックする．メー38一

電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星

Co

スタート

16mm一一一一一一一一一一一
タイマー

EW

C王

＿＿＿＿＿＿一一一一一

C2

モリスコープは画面の必要な所の輝度を上げることにより，任意の図形を描くものである．そこで記録

39mm
一一一一一一一一一一一 C：弓を必要としないモニタ的なチェヅクの時に使用す

一一一一一一一一一一一一一る．高速印画装置は感光紙に光をあてることによC4り，任意の図形を表わすものである。そこで記録を

85mm

UD

一一一一一一一一一一一一

C5保存しておきたい時や，幾つものレベルで切ったも一一一一一一一一一一一

Coのを比較Lたい時などに使用する．

読み坂ったものを適当な大きさに拡大してチェッ

85皿m

SN

一一一一一一一一一一一

C7

クしたい時があるために，どちらの装置ともに適当

一一一一一一一一一一一C呂な倍率にして出力できるような，プログラムが用意されている．

120mm（4）データ量縮少

図9のようた振幅の小さい地震記録には後の処理
一一一一一一一一一一一C9で必要とLない非常に大きな空問がある・そこで今ドラムの線＿＿＿一＿＿＿＿＿＿．C1o

図g Da士a reduc士｛on method
データ量縮少Fig．9

回はデータ量を少なくし処理時問を短かくするために，それぞれC壱からC壱十。（づ＝0，2，4，6，8）の問のデータを取り除く．この時に後の処理を楽にする

ために，C喜、、とC也十，の問のデータ数を24の倍数にLておく（TOSBAC−3400の1語が24
ビヅトであることから）．今回の読み取りに使用した強震記録（最大加速度約50GAL）について，この処理を行なうとデータ量は約1／4になる．

AD変換したものは0〜4095のディジタル値（12ビット）であるが，これからの処理ではこのように細かくなくてもよい．そこでこれをある値で切って数を減らす・現在は初期入力として最大値と最小値を与え，その問を4等分して0〜3の値（2ビット）にしている・これは各々の線により白黒の境界が一様でないことなどから，1つの値で白黒を分割することが非常にむずかしいこと，またこの方法で以下の処理を行なった時の結果が良かったことなどによる．この処理によりデータ量は1／6になる．前の処理と合わせると，データ量は初めの1／24となるo

処理時問については，処理の内容により多少の違いかあるが，ほほテータ量と同程度短かくなる．

（5）座標変換・円弧修正
記録紙上の時間軸を図形読坂装置の送り軸と水平にするために，記録紙上のタイマー線を用いる．今回は次のように第1報と多少異なる方法を用いた．

メモリスコープにタイマー線の最初と最後の部分を二次元のドヅトパターソとして出力し，タブレヅト型図形入力装置上の点とメモリスコープ上の点を対応させることにより，図一39一

国立防災科学技術セソター研究報告第16号

1976年12月

補正幅

y

y
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1一一■■L一一■一一■■・■一ポー■一α／1・

図11記録紙上の円弧による修正

・i㌫1m砒・・1・…1・・・・…

㌧

士hesource丘1m

〃o

t

τ

図10座標変換
Fig．10Transforma七ion

図12数式による円弧修正
ofcoordina亡es

Fig．12

Arc

modiica士ion形入力装置の入カペソの動きをメモリスコープに軌跡とLて表わし，その軌跡を見ながら入カペソをタイマー線の所に移動させ，タイマー線の両端の2点の座標を入力する．

この後の座標変換と円弧修正の方法は，次に述べるように第1報と同じである．上記の方法により求めたものから記録紙の傾きを求め，座標回転の公式を使用して，二次元のデータのまま変換する．

この時に回転角θが非常に小さいことが予想できるので，COSθ＝1として演算を行なった．Lかし装着の際の傾きが小さいものや，地震波の振幅が小さいものは，後述する曲線化
後の水平修正を行たい，二次元的データを扱かう座標変換は行なわたい．図10で座標変換の方法を示す．

円弧修正は記録の最初に書かれている円弧（図11）を用いて修正する．すなわちこの円弧が直線になるように，二次元のパターソを動かすのである．しかし記録によっては，この円弧が書かれていないものがある．この場合は強震計の仕様から，円弧書きペソの長さ（7）と紙送りの速度（〃）を求め，次式により修正する．
θ＝SIN−1（ツ／7）τ＝プーグCOSθτ＝（7−7COSθ）／〃

すなわち図12におげるPを㌘だけズラしP1とするのである．しかしこれも地震記録の振幅の小さいものは，円弧書きの影響が少たいためこの処理を行たわない．
（6）

タイマーパルス検出

記録上のシミやカスレを考慮し，第1報とは異なりパターソマッチソグ法を使うことにし一40一

電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星た．しかしあまり複雑た計算を行なうことは，パターソの性質（パルス上のもの）から時問的に無駄である．そこでわれわれは，三値論理代数を簡略化した一方式により検出を行なった．すなわち，ある基本集合B（κ，ツ）＝｛0，1｝と記録上のあるパターソの集合片（κ，ツ）＝｛0，1｝の各々に対応する点について，排他的論理和①なる演算を行ない和〃（8）を求める．

W1 W1
ΣΣB（κ，ツ）①片（κ，ツ）＝〃（オ）
＝1サ＝1
次に1〕

をまについてずらしながら，〃（オ）が最大となる≠を探す．そして〃（τ）が最大となったチ（

τとする）をマッチした位置とするのである．しかしこの時にτがある予

想位置（τCとする）とかなりのズレがある時，㊥を論理積＊で置き換えた演算を行ない，ふたたびマッチソグを試みる．ただしこの演算を行なってもまだτCとのズレが大きい時は，検出不可能とLてτCを〃τとする．

チのずらし方であるが，TCを中心に前後にある値N3だけ動かす．この時，バルス線の傾きがある場合（座標変換を行なわなかった時）は，その傾きにそってずらす．次にB（κ，ツ）と
τ0の決定法であるが，B（κ，ツ）については，

図13排他的論理和と論理稜の真理値表
Fig．13

Tru士h

sum

tab1e

for

1記録中から人問が最良と判断したタイマーバ

exclusive1ogica1

and−1ogica1produc七

ルスを手検出して，それを適当たわく（1V1×！V2）で囲んだものとする．またτCについては，その時までに検出したタイマーパルスの位置の平均イソターバルを前の位置に加えたものとする．図13に①と＊の演算内容を示す・

われわれが①と＊の2つのアルゴリズムを用いた理由は次のとおりである．図13からもわかるように①の方は，0（白）を1（黒）と同じに扱かっている，つまりバックの白を重要視している．しかし最良のわくが決定できないことたどから，わくの決め方によってはパターソよりもバヅクの白の影響が大きくたってしまう．そこで①の演算後，結果が思わしくない時に，＊（バックの白の影響を消した）を用いて演算をやり直すことにしたのである．

今回の検出で用いた変数の具体的な値は，1V1＝20，1V2＝15，1V3＝10である．この値を用いた時，120個のパルス中118個を正しく検出した．図14にマッチソグの様子を表わした．
←一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一剖
τC一八8

τC＋八3

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図14
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タイマーパルス検出の際のマッチソグ方法
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国立防災科学技術セソター研究報告

（7）曲

線

第16号

1976年12月

化

地震波を一連の曲線としてつなぐのであるが，シミやカスレがなければ，各チャソネル間の同時性に注意さえすれば，ごく当り前の曲線の読み取りである．しかしシミやカスレがあるため，この操作は計算機の一番苦手な図形処理の分野にはいる．そこでわれわれはマソ・

マシソシステムを使用することにした．すなわち曲線化の方式をできるだけ簡単にし，複雑な処理の必要な個所は，人問の指示により処理を行たうようにした．この方式が今回の改良点の最大のものである1
実際の曲線化の処理を次の4つの段階に分け，順を追って説明しよう．
①曲線化の出発点の指示．②曲線化．③シミ，カスレの措置．④人問による曲線の修正．

①曲線化の出発点の指示
これは座標変換の傾きを求める時に使用した方法を用いて求める．すなわちメモリスコー
プに地震波の最初の部分を二次元のドヅトパターソとして出力し，次にメモリスコープに図形入力装置の入カペソの軌跡を出力したがら，地震波の出発点と思われる所を指示するのである（写真1）．

②

曲

線

化

チー1時とτ時の曲線の座標がわかっている時の，チ十1時の座標の求め方を述べよう．チー1
時，オ時，τ十1時の座標をそれぞれツ（ま一1），ツ（ま），ツ（チ十1）とする．またツ（チ）十｛ツ（ま）一ツ（チー1）｝を仮りのツ（オ十1）とし，これをγCとする．次にγ0の白黒を判定し黒であったな

らば，γ0を中心にツ方向にε。，・。の範囲の白黒を判定し黒から白になる境界を求め，その境界と境界の中点をツ（ま十1）とする．次にγ0が白の時は，同じくツ方向に・。，・。の範囲

で白黒を判定するのであるが，この時に（a）ε。方向，6。方向の両方に黒の部分がある（シミ），（b）ε。方向，ε。方向のどちらか一方に黒の部分がある，（C）・。方向，6。方向の両方に黒の部分がたい（カスレ），の3つの場合がある．

（a）の場合は，人問に分岐を指示し人問の指示
Photo1を求める（写真2）．（b）の場合は，黒の部分の中

写真1出発点の指示
Indica士ionof士hes亡ar亡ing

Poin七

点をツ（τ十1）とする．（c）の場合は，ヵスレを人問に指示し人問の指示を求める（写真3）．

しかしある回数（今回は2回）連続カスレが生じない時，すたわちカスレの直後に黒の部分がある時は，カスレの部分を比例配分により補問する．
ここで用いた・。，ε。はk．1＝ε一｛ツ（≠）一ツ（チー1）｝，1ε。1＝・十｛ツ（≠）一ツ（チー1）｝により決定す

一42一

電子計算機による強震記録の読み坂り（第2報）一諸星

写真2分
Photo2

Branch

写真3かすれた曲線

岐

Photo3poin七

B1url＝ed

curve

る．この時ξは初期入力値であり今回は6＝4を使った．ε。，6。を上記のようにしたのは，曲線の方向を白黒判定の時の重みとし，シミをできるだけ拾わないようにするためと，変曲点で実際の曲線を逃がさないようにするためである・③シミ，カスレの措置
シミに対する措置は，②で白黒の判定範囲をξ1，ε、とし，なるべくツミを拾わないようにしたことと，地震波の近くのものは分岐指示により人問がさけること，の2点である．
カスレに対する措置は，小さなカスレは補問し，大きなカスレは人間の指示によってつなぐということである．

これらの措置に，後述する人問による曲線の修正という処理を加えると，ほぽツミやカスレの影響を消すことができる．

④人問による曲線の修正
一度曲線化したものを，最初からメモリスコープに二次元メッシュ上の濃度を表わすドッ

トパターソと共に出力し（写真4），人問が修正の必要があると判断した所を拡大して他のメモリスコープに出力し（写真5），図形入力装置により修正する．修正法は図形入力装置

写真5修正個所の拡大図

写真4修正個所の指定
Photo4

Speciica七ionof

Photo5some

Enlargemen七〇f

lOCatiOn

modiied1ocations

一43一

a

modiied国立防災科学技術セソター研究報告第16号

1976年12月の入カペソの軌跡をメモリスコープに出力し，修正位置と修正曲線を求めるのである．修正箇所は1フィルムの記録で0〜2箇所程度である．

（8）

回転ムラ修正

第1報の時に問題点としてあげたものだが，今回の図形読坂装置は前述したように1回転あたりの最大ムラが0・5mmと非常に精度の良いものとなったことから，今回は回転ムラの修正は行なわなかった．なぜならば，この0．5m皿というのは，強震記録の読み取りの時の読み取り点数にすると約3点となる．すなわち回転スタートから一番遠い所（40cm）

で，3点しか誤差がないことになる．また強震記録は幅約23cmのものであることから，
地震波の中でスタートから一番離れているものでも20cm以内にある．つまり読み取り点にして1点位の回転ムラの影響しかでない所にある．それで修正を行たう必要がなくなったのである．

Lかし機械の精度が落ちムラが大きくなった時は，ドラム上に彫刻されている回転スター
ト線に平行な直線を利用して修正する．修正法は，その直線も地震波と同様に曲線化し，その曲線が直線になるようにずらす．その時にスタート位置からの距離による比例配分で地震波もずらすのである．

（9）他の処理（8）までの処理を行なったものに，水平修正，時間軸修正，記録のつなぎ，平滑化，零点補正，GAL修正などの処理を行なうのであるが，これらの処理は概要の説明で充分であり第1報と同じなので，詳細の説明は省略する．
（10）処理時間

フィルム1枚あたりの処理時問は次のようになる．読み取り（AD変換）に20分，記録チェ

ツクに15分，データ量縮少に15分，座標変換に15分，円弧修正に15分，タイマーパルス
検出に5分，曲線化に20分そして他の処理の合計として10分，すなわち合計115分かかる。
Lかしこの時問は，シミやカスレの多い悪い記録のものであり，フィルムによっては60分
位で処理できるものもある．

4．おわりに
強震記録の読み取りについて第1報で問題点として残していた部分を，新しい図形読取装
置，2台の蓄積管型ディスプレイ装置，タブレット型図形入力装置，液どを有効に使用し，ほぼ解決することができたので第2報として報告したのであるが，まだ処理時問の問題，
ディジタル化した記録そのものの問題など，今後改善すべき所が残されている．しかしわれ

われが初期の目標とした｛SMACリーダにおける人問の労力の軽減｝という線には，充分達することができたので，現状の装置を用いた読み坂りに関しての開発は，一応これまでとしておきたい．

一44一

電子計算機による強震記録の読み取り（第2報）一諸星

今後は，われわれが読み取ったディジタル値を使用して，スペクトル解析などを実際に行なって，その結果を報告Lたいと考えている．なおこの結果，われわれの読み取ったものが，このようた解析に対して不充分であるということになれぼ，読み取りに関しての開発を続げることは言うまでもないことである．

最後に強震記録のフィルムなどの資料を用意して下さった当セソター企画課資料調査室に深く感謝したい．

参

考

文

献

1）福井隆文・諸星敏一（1975）：オフライソデータ交換装置（TOSBAC−40）のシステム開発・国立防災科学技術セソター研究速報，第15号．
2）大村一夫（1971）：図形読取装置の試作および応用例．国立防災科学技術セソター研究報告，第7号，
23＿34．

3）渡辺一郎・勝山ヨシ子・尾崎容子・福井隆文（1974）：電子計算機による強震記録の読み取り．国立防災科学技術セソター研究報告，第9号，11−31．

（1976年6月11目原稿受理）

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