史鵬飛 張翔 韓定良

摘要

模擬地震記錄蘊(yùn)含著寶貴的摘地震信息，但是隨著數(shù)字化觀測(cè)要地震時(shí)代的到來(lái)，由于觀測(cè)技術(shù)與手段的更新，模擬地震觀測(cè)技術(shù)被逐漸取代，但是，如何保存和管理紙質(zhì)地震圖紙中重要地震信息以及使圖紙中的信息快速、準(zhǔn)確地被計(jì)算機(jī)識(shí)別仍是研究的重點(diǎn)。本文總結(jié)了模擬地震記錄的數(shù)字化存儲(chǔ)與矢量化的研究概況，同時(shí)，鑒于OpenCV在計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理領(lǐng)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(shí)現(xiàn)新的突破，但需要進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】OpenCV 模擬地震記錄 數(shù)字化存儲(chǔ) 矢量化

1引言

1875年世界上第一臺(tái)地震儀問(wèn)世，1889年英國(guó)人米爾恩和尤因安置在德國(guó)波茨坦的現(xiàn)代地震儀記錄到了發(fā)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(cè)已經(jīng)歷時(shí)了100年。在模擬觀測(cè)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(jīng)驗(yàn)和地震走時(shí)表的對(duì)照來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)期，美國(guó)率先建成了由10座數(shù)字化地震臺(tái)站組成的數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)，開啟了數(shù)字化觀測(cè)地震的時(shí)代。我國(guó)數(shù)字化臺(tái)網(wǎng)自改革開放以來(lái)迅速發(fā)展，特別是“九五”數(shù)字化改造項(xiàng)目和“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目以來(lái)，我國(guó)己形成一個(gè)覆蓋全國(guó)范圍的多學(xué)科、多測(cè)項(xiàng)的智能化前兆網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)系統(tǒng)，在觀測(cè)技術(shù)方面已經(jīng)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。模擬觀測(cè)地震時(shí)期的觀測(cè)記錄手段已經(jīng)完全被當(dāng)今數(shù)字化觀測(cè)的技術(shù)所取代，我國(guó)全面數(shù)字化觀測(cè)地震的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。但是，模擬地震記錄中蘊(yùn)藏非常珍貴的地震信息，同時(shí)，紙質(zhì)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(shù)字化，這會(huì)對(duì)地震的科學(xué)研究做出巨大的貢獻(xiàn)?；诖耍诓殚單墨I(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文將簡(jiǎn)述對(duì)于模擬地震記錄的數(shù)字化存儲(chǔ)與矢量化的研究進(jìn)展，同時(shí)對(duì)于OpenCV在模擬地震記錄矢量化的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2數(shù)字化存儲(chǔ)

隨著數(shù)字化地震觀測(cè)取代模擬地震監(jiān)測(cè)，大量的地震圖紙被存放在倉(cāng)庫(kù)中，由于環(huán)境的影響，它們?cè)馐苤鞣N自然現(xiàn)象的侵蝕。為了保存地震圖紙中的珍貴信息，一些專家與學(xué)者嘗試地震圖紙的數(shù)字化存儲(chǔ)。

成立于1933年的亞當(dāng)二世地震臺(tái)，是哈佛大學(xué)建立的世界上最古老的地震臺(tái)之一，1972年之后，該臺(tái)的地震記錄都為數(shù)字化記錄，為了保存地震圖紙，2012年開始，哈佛大學(xué)投入大量的精力進(jìn)行相關(guān)模擬地震記錄的電子存檔工作，該項(xiàng)計(jì)劃被命名為哈佛大學(xué)地震波形歸檔計(jì)劃；在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉政凱等研發(fā)了一套地震圖紙數(shù)字化以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，其中的檔案管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖紙的預(yù)處理、入庫(kù)、圖紙查詢及圖紙壓縮等功能；朱少華等對(duì)于地震圖紙的數(shù)字化存儲(chǔ)的意義以及標(biāo)準(zhǔn)做了深入的研究；蔣宏毅等開發(fā)一套在地震圖紙模擬數(shù)字化中可以數(shù)據(jù)校驗(yàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)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(shù)字化存儲(chǔ)工作。地震圖紙的數(shù)字化存儲(chǔ)，杜絕了圖紙霉變、損壞等自然現(xiàn)象造成的損失，有利于查詢與長(zhǎng)期保存，保存下來(lái)了寶貴的地震信息，這為今后研究技術(shù)手段越來(lái)越豐富的地震研究工作提供了大量的珍貴數(shù)據(jù)信息。

3矢量化

地震圖紙的數(shù)字化存儲(chǔ)，只是解決了有效地震信息保存的問(wèn)題，不幸的是，在如今這個(gè)大數(shù)據(jù)的時(shí)代，即使地震圖紙中保存有大量的有價(jià)值的地震信息，其仍然不能被計(jì)算機(jī)快速、準(zhǔn)確地處理，歷史價(jià)值不能被完全實(shí)現(xiàn)。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在模擬地震記錄矢量化上進(jìn)行了探索。

早期，國(guó)外科研人員使用AutoCAD對(duì)簡(jiǎn)單無(wú)交叉柵格波形初步矢量化；開發(fā)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guó)外的專家對(duì)于算法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)也進(jìn)行了一下有意義的研究，并研發(fā)了相關(guān)的軟件，但總體上還處于初步探索階段，所研發(fā)的算法與軟件還不能很好地大范圍實(shí)用。

國(guó)內(nèi)王海波等（2006）提出了地應(yīng)力記錄數(shù)字化處理的技術(shù)思路，分析了地應(yīng)力記錄

圖紙，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用VB語(yǔ)言開發(fā)了地應(yīng)力數(shù)字化軟件。董星宏等（2009）利用二值化、字符識(shí)別、曲線跟蹤等圖像處理方法，較好地利用程序?qū)崿F(xiàn)了地磁記錄圖紙的數(shù)字化識(shí)別。中科院地理所的徐濤等（2014）通過(guò)對(duì)模擬地震柵格影像的分析，研究相應(yīng)的數(shù)字化算法的誤差分析模型，研發(fā)了一套人工交互的模擬地震記錄矢量化系統(tǒng)。以上研究所采用的經(jīng)典的曲線跟蹤算法多針對(duì)特定規(guī)格、波形較為簡(jiǎn)單、尺寸較小的柵格影像。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用處理較為復(fù)雜、文件較大的地震圖紙還有一定的難度。同時(shí)，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(shù)據(jù)分析中，對(duì)在模擬記錄的矢量化中使用相關(guān)人工智能算法有一定的借鑒意義。

從以上國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可見，專家、學(xué)者們就模擬地震記錄矢量化研究意義達(dá)成了共識(shí)。但是由于地震圖紙的清晰程度、波形的復(fù)雜程度、圖紙的大小等條件的不同對(duì)模擬地震記錄自動(dòng)化為高精度數(shù)字信息造成了相當(dāng)大的困難，因此有必要結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域進(jìn)行模擬地震記錄矢量化的研究工作。

4 OpenCV在圖像處理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

OpenCV的全稱為OpenSourceComputerVisionLibrary。OpenCV于1999年由Intel建立，現(xiàn)由WillowGarage提供技術(shù)支持。其特點(diǎn)在于移植性和通用性高。開源、跨平臺(tái)、兼多個(gè)操作系統(tǒng)，是一個(gè)輕量級(jí)而且高效的軟件架構(gòu)，由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時(shí)提供了多種編程語(yǔ)言的接口，大大增強(qiáng)了其通用性，計(jì)算機(jī)智能視覺(jué)鄰域的通用算法以及圖像的高性能分析得以實(shí)現(xiàn)。OpenCV為了能夠處理圖像的復(fù)雜分析，包含了豐富的圖像處理函數(shù)，對(duì)于圖像以及矩陣具有強(qiáng)大的的運(yùn)算能力，同時(shí)為了加快運(yùn)算的速度包含了高級(jí)數(shù)學(xué)算法：比如，差分方程的求解、傅立葉分析等；針對(duì)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(biāo)物體的跟蹤、攝像機(jī)的校準(zhǔn)、三維的重建等等各種高級(jí)的視覺(jué)函數(shù)以便于在視覺(jué)技術(shù)分析中運(yùn)用。因此在圖像處理領(lǐng)域中，基于OpenCV的科研成果已經(jīng)十分豐富了，無(wú)論是在交通道路中的車輛檢測(cè)、還是在人臉識(shí)別，甚至火災(zāi)的自動(dòng)識(shí)別，OpenCV都表現(xiàn)出了高效性與準(zhǔn)確性，在獲取視頻圖像中工業(yè)零部件的圖像并進(jìn)行矢量化的應(yīng)用中也獲得了成功。以上成果足以說(shuō)明，將OpenCV應(yīng)用于模擬地震圖紙的矢量化具有可行性。

5結(jié)論與展望

地震是一個(gè)世界性難題，人類科學(xué)觀測(cè)地震的時(shí)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(duì)于地震研究工作者都是寶貴的財(cái)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(duì)模擬地震記錄的研究進(jìn)展進(jìn)行了概括，主要分為兩部分：數(shù)字化存儲(chǔ)與矢量化。數(shù)字化存儲(chǔ)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(lái)，但是這些信息卻不能完全的為計(jì)算機(jī)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(fù)雜性，模擬地震記錄矢量化的工作難度還相當(dāng)大，鑒于OpenCV在圖像處理中優(yōu)勢(shì)，本文將其引入矢量化的算法實(shí)現(xiàn)中，但還需要進(jìn)一步的實(shí)踐研究。如過(guò)能將模擬地震記錄中珍貴的信息提取出來(lái)與大數(shù)據(jù)時(shí)代下的數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合，無(wú)論對(duì)于地震數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用，還是利用它進(jìn)行科學(xué)研究，都是一次非常有益的嘗試。

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