基于Cortona3D的三維建模技術(shù)在水庫氣槍震源探測中的應(yīng)用＊

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

為了用地震波進行遠距離探測，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，使用炸藥進行地震探測已經(jīng)越來越不合時宜了。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)，能做到小當量激發(fā)，遠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：綠色環(huán)保，在水中激發(fā)的氣槍不會對水環(huán)境和水生生物造成嚴重影響。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，對于進一步提高閩臺地區(qū)地震構(gòu)造活動的認識水平，提高控制地震災(zāi)害風(fēng)險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“福建及臺灣海峽三維地殼結(jié)構(gòu)陸海聯(lián)合探測實驗（2016—2018）”的規(guī)劃方案，并在2016年和2017年成功實施了第一、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)的方式進行觀測。近五年來，福建省地震局利用移動式人工震源，在臺灣海峽、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、南安山美水庫進行了激發(fā)，在理論和實驗方面取得了一定的成果[4]。

為確保陸域工作順利開展，并加強指揮部對水庫氣槍震源實時位置、形態(tài)等信息的監(jiān)控，在2016年的陸海聯(lián)測實驗中，指揮部技術(shù)人員研發(fā)了水庫氣槍平臺GPS跟蹤顯示系統(tǒng)，但目前的移動式氣槍震源系統(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高程方向位置變化的跟蹤及整個浮臺三維可視化的實時仿真需求。

虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺Cortona3D組件是一套功能強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，可以用生動的3D動畫模擬實際工作過程，提高用戶的設(shè)計效率?；贑ortona3D實現(xiàn)水庫氣槍震源平臺的三維模型的建模，并結(jié)合三維動畫技術(shù)升級開發(fā)原有浮臺跟蹤可視化系統(tǒng)，為水庫氣槍震源平臺的位置精度控制提供實時、三維和智能化的監(jiān)測管理，為福建及臺灣海峽海陸聯(lián)測實驗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

浮臺的三維建模是系統(tǒng)開發(fā)的重點與難點。為確保浮臺的模型尺寸與真實的浮臺完全一致，根據(jù)現(xiàn)場浮臺的尺寸及震防中心提供的技術(shù)資料對浮臺的零件進行了拆分及測量，分析震源平臺各個部件之間的裝配關(guān)系，并進行模型的簡化，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，進行渲染優(yōu)化，最終導(dǎo)出擴展名為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，將震源平臺的模塊挑選出來，標記每個模塊的名字與部件對應(yīng)，并放在同一個模塊文件中。同時，為震源平臺的運動分解設(shè)計動畫。為場景變換不同的視角以便于更直觀地觀察震源平臺的運動過程（如圖1）。

3.系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的設(shè)計

驅(qū)動三維模型的實時GPS高頻數(shù)據(jù)采樣率的設(shè)定考慮主要根據(jù)高頻GPS接收機實時數(shù)據(jù)流的協(xié)議及帶寬限制，目前高頻GPS實時數(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)驗及數(shù)據(jù)分析濾波的需要，此次實驗主要以10HZ的實時高頻GPS數(shù)據(jù)流為作為模型驅(qū)動的輸入數(shù)據(jù)流。實時高頻GPS數(shù)據(jù)處理方法主要是通過rtk軟件對高頻GPS實時數(shù)據(jù)進行處理，軟件基于雙差模式進行處理，處理得到的結(jié)果是浮臺上兩臺接收機相對于岸上固定臺站的位移變化（如圖2），因此數(shù)據(jù)處理時需要選取一個穩(wěn)定可靠的地測站作為參考站，一般以水庫周邊的臨時架設(shè)的基準站作為參考站進行數(shù)據(jù)處理。高頻GPS數(shù)據(jù)實時處理結(jié)果漂移比較大，需要對數(shù)據(jù)進行濾波去噪，否則三維模型的運動幅度會比較大，出現(xiàn)導(dǎo)致運動軌跡失真的情況。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)計一個實時濾波器（0.5～2hz），對原始波形進行濾波。

4.三維位移數(shù)據(jù)的查看及存儲

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

5.三維位移實時監(jiān)控技術(shù)架構(gòu)

浮臺位移數(shù)據(jù)的實時解算需要將浮臺對角點的兩臺GPS接收機數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)實時傳回解算服務(wù)器上，通過高頻GPS位移實時解算軟件對浮臺的數(shù)據(jù)進行實時解算并顯示實時位移，震源平臺分量位移數(shù)據(jù)的實時獲取需要將浮臺四個角點上的GPS接收機原始數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)實時傳回指揮部解算服務(wù)器上，通過高頻GPS位移實時解算軟件對浮臺的數(shù)據(jù)進行實時解算并驅(qū)動浮臺三維模型，實現(xiàn)模型的實時仿真運轉(zhuǎn)，技術(shù)架構(gòu)（如圖3）。

為了實現(xiàn)對氣槍震源激發(fā)浮臺運動的實時三維監(jiān)控，需要布設(shè)5臺高頻GPS接收機，其中4臺布設(shè)于浮臺四個角，以監(jiān)測其浮臺的平動和轉(zhuǎn)動，另外1臺布設(shè)于近岸作為實時差分處理的參考站（圖2）。同時，6臺高頻GPS接收機的觀測資料都通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)綇B門總指揮部通過高頻GNSS軟件對高頻GNSS實時數(shù)據(jù)流進行實時單厲元解算，實現(xiàn)對浮臺三維模型的驅(qū)動。

通過無人機拍攝浮臺運動與GPS實時三維浮臺運動軌跡視頻對比，我們可以驗證三維模擬浮臺運動的正確性及可行性（如圖4）。

6.浮臺三維系統(tǒng)應(yīng)用

通過統(tǒng)計每次氣槍激發(fā)后浮臺漂移然后回到平衡位置與初始激發(fā)前位置的偏差，我們可以得到浮臺位移控制的精度即震源精度。經(jīng)統(tǒng)計，三維浮臺位移精度在1m內(nèi)可達到95%。在對浮臺進行實時三維監(jiān)測的同時，為了驗證高頻GPS位移的精度，對氣槍激發(fā)時瞬間的三分量位移信號與強震儀的仿真位移進行了對比處理，高頻GPS在水平向與強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)于浮臺上四臺高頻GPS接收機數(shù)據(jù)的實時處理以及對浮臺的三維實時監(jiān)測認為：利用高頻GPS實時處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對浮臺精確三維運動軌跡的實時監(jiān)測，確保震源激發(fā)位置的一致性；實時處理的高頻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)實現(xiàn)了浮臺三維運動軌跡的實時仿真顯示，實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)的波形顯示及數(shù)據(jù)存儲，通過本軟件可以實現(xiàn)對水庫氣槍震源三維運動的精度進行監(jiān)測，精度可以達到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。