基于OpenCV的模擬地震記錄矢量化新思路

史鵬飛 張翔 韓定良

摘要

模擬地震記錄蘊含著寶貴的摘地震信息，但是隨著數字化觀測要地震時代的到來，由于觀測技術與手段的更新，模擬地震觀測技術被逐漸取代，但是，如何保存和管理紙質地震圖紙中重要地震信息以及使圖紙中的信息快速、準確地被計算機識別仍是研究的重點。本文總結了模擬地震記錄的數字化存儲與矢量化的研究概況，同時，鑒于OpenCV在計算機視覺與圖像處理領域取得的巨大成功，有望利用其在模擬地震記錄矢量化方面實現新的突破，但需要進一步的應用研究。

【關鍵詞】OpenCV 模擬地震記錄 數字化存儲 矢量化

1引言

1875年世界上第一臺地震儀問世，1889年英國人米爾恩和尤因安置在德國波茨坦的現代地震儀記錄到了發生在日本的一次地震，獲得了人類歷史上第一張地震圖，到1974年，模擬記錄地震觀測已經歷時了100年。在模擬觀測的年代，地震波記錄在圖紙上，震相分析主要依靠分析員的經驗和地震走時表的對照來實現。同時期，美國率先建成了由10座數字化地震臺站組成的數字化地震臺網，開啟了數字化觀測地震的時代。我國數字化臺網自改革開放以來迅速發展，特別是“九五”數字化改造項目和“十五”數字地震觀測網絡項目以來，我國己形成一個覆蓋全國范圍的多學科、多測項的智能化前兆網絡觀測系統，在觀測技術方面已經有了一個質的飛躍。模擬觀測地震時期的觀測記錄手段已經完全被當今數字化觀測的技術所取代，我國全面數字化觀測地震的時代已經到來。但是，模擬地震記錄中蘊藏非常珍貴的地震信息，同時，紙質的地震記錄圖紙又容易被損壞，所以，將模擬地震記錄中的信息有效的保存，并且將地震信息數字化，這會對地震的科學研究做出巨大的貢獻。基于此，在查閱文獻的基礎上，本文將簡述對于模擬地震記錄的數字化存儲與矢量化的研究進展，同時對于OpenCV在模擬地震記錄矢量化的應用前景進行了展望。

2數字化存儲

隨著數字化地震觀測取代模擬地震監測，大量的地震圖紙被存放在倉庫中，由于環境的影響，它們遭受著各種自然現象的侵蝕。為了保存地震圖紙中的珍貴信息，一些專家與學者嘗試地震圖紙的數字化存儲。

成立于1933年的亞當二世地震臺，是哈佛大學建立的世界上最古老的地震臺之一，1972年之后，該臺的地震記錄都為數字化記錄，為了保存地震圖紙，2012年開始，哈佛大學投入大量的精力進行相關模擬地震記錄的電子存檔工作，該項計劃被命名為哈佛大學地震波形歸檔計劃；在我國，中國科學技術大學劉政凱等研發了一套地震圖紙數字化以及數據庫管理系統，其中的檔案管理系統實現了圖紙的預處理、入庫、圖紙查詢及圖紙壓縮等功能；朱少華等對于地震圖紙的數字化存儲的意義以及標準做了深入的研究；蔣宏毅等開發一套在地震圖紙模擬數字化中可以數據校驗的存儲系統保證了信息的正確性，并完成了河北省地震局259744張有震圖紙的數字化存儲工作。地震圖紙的數字化存儲，杜絕了圖紙霉變、損壞等自然現象造成的損失，有利于查詢與長期保存，保存下來了寶貴的地震信息，這為今后研究技術手段越來越豐富的地震研究工作提供了大量的珍貴數據信息。

3矢量化

地震圖紙的數字化存儲，只是解決了有效地震信息保存的問題，不幸的是，在如今這個大數據的時代，即使地震圖紙中保存有大量的有價值的地震信息，其仍然不能被計算機快速、準確地處理，歷史價值不能被完全實現。為了解決這一問題，國內外許多學者都在模擬地震記錄矢量化上進行了探索。

早期，國外科研人員使用AutoCAD對簡單無交叉柵格波形初步矢量化；開發基于神經網絡和貝塞爾擬合算法的矢量化模型軟件等；在柵格地震記錄中的波形曲線跟蹤方向，國外的專家對于算法的設計與改進也進行了一下有意義的研究，并研發了相關的軟件，但總體上還處于初步探索階段，所研發的算法與軟件還不能很好地大范圍實用。

國內王海波等（2006）提出了地應力記錄數字化處理的技術思路，分析了地應力記錄

圖紙，建立相應的數學模型，采用VB語言開發了地應力數字化軟件。董星宏等（2009）利用二值化、字符識別、曲線跟蹤等圖像處理方法，較好地利用程序實現了地磁記錄圖紙的數字化識別。中科院地理所的徐濤等（2014）通過對模擬地震柵格影像的分析，研究相應的數字化算法的誤差分析模型，研發了一套人工交互的模擬地震記錄矢量化系統。以上研究所采用的經典的曲線跟蹤算法多針對特定規格、波形較為簡單、尺寸較小的柵格影像。對于實際應用處理較為復雜、文件較大的地震圖紙還有一定的難度。同時，吳紹春、張君、王煒、劉宏濤等人也試圖將人工智能等算法引入地震數據分析中，對在模擬記錄的矢量化中使用相關人工智能算法有一定的借鑒意義。

從以上國內外研究現狀可見，專家、學者們就模擬地震記錄矢量化研究意義達成了共識。但是由于地震圖紙的清晰程度、波形的復雜程度、圖紙的大小等條件的不同對模擬地震記錄自動化為高精度數字信息造成了相當大的困難，因此有必要結合計算機圖像處理領域進行模擬地震記錄矢量化的研究工作。

4 OpenCV在圖像處理領域的優勢

OpenCV的全稱為OpenSourceComputerVisionLibrary。OpenCV于1999年由Intel建立，現由WillowGarage提供技術支持。其特點在于移植性和通用性高。開源、跨平臺、兼多個操作系統，是一個輕量級而且高效的軟件架構，由一系列C函數和少量C++類構成，同時提供了多種編程語言的接口，大大增強了其通用性，計算機智能視覺鄰域的通用算法以及圖像的高性能分析得以實現。OpenCV為了能夠處理圖像的復雜分析，包含了豐富的圖像處理函數，對于圖像以及矩陣具有強大的的運算能力，同時為了加快運算的速度包含了高級數學算法：比如，差分方程的求解、傅立葉分析等；針對于處理圖像，也包含了特殊的各種各樣的圖像處理操作以及目標物體的跟蹤、攝像機的校準、三維的重建等等各種高級的視覺函數以便于在視覺技術分析中運用。因此在圖像處理領域中，基于OpenCV的科研成果已經十分豐富了，無論是在交通道路中的車輛檢測、還是在人臉識別，甚至火災的自動識別，OpenCV都表現出了高效性與準確性，在獲取視頻圖像中工業零部件的圖像并進行矢量化的應用中也獲得了成功。以上成果足以說明，將OpenCV應用于模擬地震圖紙的矢量化具有可行性。

5結論與展望

地震是一個世界性難題，人類科學觀測地震的時間還很有限，采集到的有效的地震信息又十分匱乏，因此每一條地震信息對于地震研究工作者都是寶貴的財富。模擬地震記錄中就保存著十分重要的地震信息。本文主要對模擬地震記錄的研究進展進行了概括，主要分為兩部分：數字化存儲與矢量化。數字化存儲主要是為了保存地震圖紙中的有效地震信息，但是，雖然其將信息保存了下來，但是這些信息卻不能完全的為計算機所分析利用，為此，科研人員探索出地震模擬記錄矢量化的道路。由于，地震圖紙狀況的復雜性，模擬地震記錄矢量化的工作難度還相當大，鑒于OpenCV在圖像處理中優勢，本文將其引入矢量化的算法實現中，但還需要進一步的實踐研究。如過能將模擬地震記錄中珍貴的信息提取出來與大數據時代下的數據挖掘相結合，無論對于地震數據的推廣應用，還是利用它進行科學研究，都是一次非常有益的嘗試。

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