林靜茹 陳超賢 陳 利

（1.福建商學(xué)院，福建 福州 350015；2.福建省地震局，福建 福州 350015）

一、背景

為了用地震波進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，地震勘探中通常使用大量的炸藥作為激發(fā)源，炸藥這種人工地震源經(jīng)濟(jì)上昂貴，不環(huán)保，每次激發(fā)重復(fù)性差。隨著我國大規(guī)模城鎮(zhèn)化的發(fā)展，使用炸藥進(jìn)行地震探測已經(jīng)越來越不合時(shí)宜了。應(yīng)用新的人工震源氣槍震源激發(fā)的地震波探測地下結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，能做到小當(dāng)量激發(fā)，遠(yuǎn)距離也能探測到信號，將在能源勘探、減輕地震災(zāi)害和城市地球物理學(xué)研究方面具有重大的潛在應(yīng)用[1]。氣槍源于1963年由美國博爾特公司首次發(fā)明。工作原理是通過空氣壓縮機(jī)將壓縮空氣注入氣槍，然后在水下瞬間釋放壓縮空氣，激發(fā)地震波。氣槍廣泛應(yīng)用于海洋地震勘探、氣槍震源還有一些其他震源不具備的優(yōu)點(diǎn)：綠色環(huán)保，在水中激發(fā)的氣槍不會(huì)對水環(huán)境和水生生物造成嚴(yán)重影響。氣槍源的重復(fù)性非常好，產(chǎn)生的地震波是高度可重復(fù)的地震信號，氣槍可以在同一地點(diǎn)多次重復(fù)發(fā)射，對周圍環(huán)境幾乎沒有破壞性影響。大型氣槍激發(fā)能量大，地震波旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率高。激發(fā)地震波的能量主要集中在低頻段。大型氣槍激發(fā)的主頻集中在5Hz左右，正好在現(xiàn)有地震臺(tái)站的最佳觀測頻率范圍內(nèi)，而爆炸源的能量高頻部分大多在50Hz以上，產(chǎn)生的地震波信號在地震臺(tái)觀測范圍內(nèi)不多。氣槍源的信號接收效果比其他類似能源的信號接收效果更高，并且得到了近?；蚝ｊ懙卣鹂碧綇V泛的應(yīng)用[2]。

福建省位于我國東南沿海地震帶的北段。歷史上曾多次遭受7級或以上地震的破壞。確定福建及其鄰近海域的地殼和上地幔結(jié)構(gòu)以及沿海斷裂帶的構(gòu)造信息，對于進(jìn)一步提高閩臺(tái)地區(qū)地震構(gòu)造活動(dòng)的認(rèn)識水平，提高控制地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力具有重要意義[3]。在中國地震局和福建省政府的大力支持下，福建省地震局在2013—2015年成開展了“福建及臺(tái)灣海峽深部結(jié)構(gòu)探測”的高分辨率二維探測，提出了“福建及臺(tái)灣海峽三維地殼結(jié)構(gòu)陸海聯(lián)合探測實(shí)驗(yàn)（2016—2018）”的規(guī)劃方案，并在2016年和2017年成功實(shí)施了第一、二期探測工作，獲得了豐富的觀測數(shù)據(jù)，取得了非常有意義的成果。根據(jù)規(guī)劃方案2018年福建省地震局繼續(xù)開展第三期探測工作。陸地水庫使用移動(dòng)式氣槍震源系統(tǒng)聯(lián)合海域的船載式氣槍震源系統(tǒng)，海陸聯(lián)合布設(shè)觀測系統(tǒng)的方式進(jìn)行觀測。近五年來，福建省地震局利用移動(dòng)式人工震源，在臺(tái)灣海峽、尤溪街面水庫、永定棉花灘水庫、武平石黃峰水庫、南靖南一水庫、清流安砂水庫、南安山美水庫進(jìn)行了激發(fā)，在理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了一定的成果[4]。

為確保陸域工作順利開展，并加強(qiáng)指揮部對水庫氣槍震源實(shí)時(shí)位置、形態(tài)等信息的監(jiān)控，在2016年的陸海聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中，指揮部技術(shù)人員研發(fā)了水庫氣槍平臺(tái)GPS跟蹤顯示系統(tǒng)，但目前的移動(dòng)式氣槍震源系統(tǒng)的跟蹤顯示系統(tǒng)是二維平面的，不能滿足對氣槍震源平臺(tái)高程方向位置變化的跟蹤及整個(gè)浮臺(tái)三維可視化的實(shí)時(shí)仿真需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)Cortona3D組件是一套功能強(qiáng)大的交互式三維可視化仿真工具。Cortona3D軟件廣泛用于民用航空產(chǎn)品的生產(chǎn)，目前被許多大型國際公司和機(jī)構(gòu)使用。Cortona3D可以直接利用CAD數(shù)據(jù)和其他3D數(shù)據(jù)資源，根據(jù)不同的需求處理這些數(shù)據(jù)，最終輸出交互式3D可視化模型。使用Cortona3D創(chuàng)建的3D模型具有易于交互修改的優(yōu)點(diǎn)，可以用生動(dòng)的3D動(dòng)畫模擬實(shí)際工作過程，提高用戶的設(shè)計(jì)效率?；贑ortona3D實(shí)現(xiàn)水庫氣槍震源平臺(tái)的三維模型的建模，并結(jié)合三維動(dòng)畫技術(shù)升級開發(fā)原有浮臺(tái)跟蹤可視化系統(tǒng)，為水庫氣槍震源平臺(tái)的位置精度控制提供實(shí)時(shí)、三維和智能化的監(jiān)測管理，為福建及臺(tái)灣海峽海陸聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中人工震源的精度控制提供新的方法。

二、系統(tǒng)開發(fā)過程

1.三維模型的建立

浮臺(tái)的三維建模是系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為確保浮臺(tái)的模型尺寸與真實(shí)的浮臺(tái)完全一致，根據(jù)現(xiàn)場浮臺(tái)的尺寸及震防中心提供的技術(shù)資料對浮臺(tái)的零件進(jìn)行了拆分及測量，分析震源平臺(tái)各個(gè)部件之間的裝配關(guān)系，并進(jìn)行模型的簡化，確定合適比例導(dǎo)入3D MAX軟件，并刪除各種細(xì)部模塊，調(diào)整模型的顏色、光照度以及透明度，調(diào)整模型的角度，進(jìn)行渲染優(yōu)化，最終導(dǎo)出擴(kuò)展名為wrl格式的文件。

2.三維模型的導(dǎo)入

VrmlPad工具具有演示、交互和修改模型的功能，使用VrmlPad工具導(dǎo)入wrl格式的模型，建立震源平臺(tái)虛擬仿真系統(tǒng)。依托vrmlpad編輯各模塊之間的關(guān)系，將震源平臺(tái)的模塊挑選出來，標(biāo)記每個(gè)模塊的名字與部件對應(yīng)，并放在同一個(gè)模塊文件中。同時(shí)，為震源平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分解設(shè)計(jì)動(dòng)畫。為場景變換不同的視角以便于更直觀地觀察震源平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程（如圖1）。

3.系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)三維模型的實(shí)時(shí)GPS高頻數(shù)據(jù)采樣率的設(shè)定考慮主要根據(jù)高頻GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的協(xié)議及帶寬限制，目前高頻GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的采樣率主要為10Hz，氣槍震源激發(fā)地震波的主要頻帶大概在6hz及10hz，根據(jù)陸地人工爆破的高頻GPS數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析濾波的需要，此次實(shí)驗(yàn)主要以10HZ的實(shí)時(shí)高頻GPS數(shù)據(jù)流為作為模型驅(qū)動(dòng)的輸入數(shù)據(jù)流。實(shí)時(shí)高頻GPS數(shù)據(jù)處理方法主要是通過rtk軟件對高頻GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軟件基于雙差模式進(jìn)行處理，處理得到的結(jié)果是浮臺(tái)上兩臺(tái)接收機(jī)相對于岸上固定臺(tái)站的位移變化（如圖2），因此數(shù)據(jù)處理時(shí)需要選取一個(gè)穩(wěn)定可靠的地測站作為參考站，一般以水庫周邊的臨時(shí)架設(shè)的基準(zhǔn)站作為參考站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。高頻GPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理結(jié)果漂移比較大，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪，否則三維模型的運(yùn)動(dòng)幅度會(huì)比較大，出現(xiàn)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡失真的情況。本次濾波器主要根據(jù)尤溪街面水庫高頻GPS信號的主要頻率設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)濾波器（0.5～2hz），對原始波形進(jìn)行濾波。

4.三維位移數(shù)據(jù)的查看及存儲(chǔ)

本模塊主要由兩部分組成，一個(gè)是查看模塊，主要由單臺(tái)模式，多臺(tái)模式，單臺(tái)回看，多臺(tái)回看功能模塊組成。可以實(shí)時(shí)顯示及從數(shù)據(jù)庫里調(diào)用回看福建省內(nèi)單個(gè)GPS臺(tái)站的高頻GPS三分量位移，方便用戶對臺(tái)站的位置以及波形等信息進(jìn)行觀察和分析。一個(gè)是數(shù)據(jù)清理伺服器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的配置及清理的功能，對各臺(tái)站的IP、端口、數(shù)據(jù)頻率及存儲(chǔ)時(shí)長進(jìn)行配置，方便用戶對新增臺(tái)站的配置以及其他具體信息的更改。

5.三維位移實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)架構(gòu)

浮臺(tái)位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解算需要將浮臺(tái)對角點(diǎn)的兩臺(tái)GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回解算服務(wù)器上，通過高頻GPS位移實(shí)時(shí)解算軟件對浮臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算并顯示實(shí)時(shí)位移，震源平臺(tái)分量位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取需要將浮臺(tái)四個(gè)角點(diǎn)上的GPS接收機(jī)原始數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回指揮部解算服務(wù)器上，通過高頻GPS位移實(shí)時(shí)解算軟件對浮臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算并驅(qū)動(dòng)浮臺(tái)三維模型，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)轉(zhuǎn)，技術(shù)架構(gòu)（如圖3）。

為了實(shí)現(xiàn)對氣槍震源激發(fā)浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)三維監(jiān)控，需要布設(shè)5臺(tái)高頻GPS接收機(jī)，其中4臺(tái)布設(shè)于浮臺(tái)四個(gè)角，以監(jiān)測其浮臺(tái)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，另外1臺(tái)布設(shè)于近岸作為實(shí)時(shí)差分處理的參考站（圖2）。同時(shí)，6臺(tái)高頻GPS接收機(jī)的觀測資料都通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綇B門總指揮部通過高頻GNSS軟件對高頻GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)單厲元解算，實(shí)現(xiàn)對浮臺(tái)三維模型的驅(qū)動(dòng)。

通過無人機(jī)拍攝浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)與GPS實(shí)時(shí)三維浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡視頻對比，我們可以驗(yàn)證三維模擬浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)的正確性及可行性（如圖4）。

6.浮臺(tái)三維系統(tǒng)應(yīng)用

通過統(tǒng)計(jì)每次氣槍激發(fā)后浮臺(tái)漂移然后回到平衡位置與初始激發(fā)前位置的偏差，我們可以得到浮臺(tái)位移控制的精度即震源精度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三維浮臺(tái)位移精度在1m內(nèi)可達(dá)到95%。在對浮臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維監(jiān)測的同時(shí)，為了驗(yàn)證高頻GPS位移的精度，對氣槍激發(fā)時(shí)瞬間的三分量位移信號與強(qiáng)震儀的仿真位移進(jìn)行了對比處理，高頻GPS在水平向與強(qiáng)震儀的仿真位移吻合得比較好，最大幅度約為1m，垂直向的位移由于高頻GPS的噪聲比較大，對比精度稍微差一些，再次驗(yàn)證了高頻GPS對瞬間位移的記錄能力和精度[5]。通過對布設(shè)于浮臺(tái)上四臺(tái)高頻GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理以及對浮臺(tái)的三維實(shí)時(shí)監(jiān)測認(rèn)為：利用高頻GPS實(shí)時(shí)處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對浮臺(tái)精確三維運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保震源激發(fā)位置的一致性；實(shí)時(shí)處理的高頻GPS位移記錄及其精度是穩(wěn)定和可靠的（如圖5）。

結(jié)語

基于Cortorna3D組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了浮臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)仿真顯示，實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)的波形顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過本軟件可以實(shí)現(xiàn)對水庫氣槍震源三維運(yùn)動(dòng)的精度進(jìn)行監(jiān)測，精度可以達(dá)到1米以內(nèi)，為水庫氣槍震源的控制提供了新的手段和有力保障。