基于Cortona3D的三维建模技术在水库气枪震源探测中的应用＊

林静茹 陈超贤 陈 利

（1.福建商学院，福建 福州 350015；2.福建省地震局，福建 福州 350015）

一、背景

为了用地震波进行远距离探测，地震勘探中通常使用大量的炸药作为激发源，炸药这种人工地震源经济上昂贵，不环保，每次激发重复性差。随着我国大规模城镇化的发展，使用炸药进行地震探测已经越来越不合时宜了。应用新的人工震源气枪震源激发的地震波探测地下结构和状态，能做到小当量激发，远距离也能探测到信号，将在能源勘探、减轻地震灾害和城市地球物理学研究方面具有重大的潜在应用[1]。气枪源于1963年由美国博尔特公司首次发明。工作原理是通过空气压缩机将压缩空气注入气枪，然后在水下瞬间释放压缩空气，激发地震波。气枪广泛应用于海洋地震勘探、气枪震源还有一些其他震源不具备的优点：绿色环保，在水中激发的气枪不会对水环境和水生生物造成严重影响。气枪源的重复性非常好，产生的地震波是高度可重复的地震信号，气枪可以在同一地点多次重复发射，对周围环境几乎没有破坏性影响。大型气枪激发能量大，地震波旋转转换效率高。激发地震波的能量主要集中在低频段。大型气枪激发的主频集中在5Hz左右，正好在现有地震台站的最佳观测频率范围内，而爆炸源的能量高频部分大多在50Hz以上，产生的地震波信号在地震台观测范围内不多。气枪源的信号接收效果比其他类似能源的信号接收效果更高，并且得到了近海或海陆地震勘探广泛的应用[2]。

福建省位于我国东南沿海地震带的北段。历史上曾多次遭受7级或以上地震的破坏。确定福建及其邻近海域的地壳和上地幔结构以及沿海断裂带的构造信息，对于进一步提高闽台地区地震构造活动的认识水平，提高控制地震灾害风险的能力具有重要意义[3]。在中国地震局和福建省政府的大力支持下，福建省地震局在2013—2015年成开展了“福建及台湾海峡深部结构探测”的高分辨率二维探测，提出了“福建及台湾海峡三维地壳结构陆海联合探测实验（2016—2018）”的规划方案，并在2016年和2017年成功实施了第一、二期探测工作，获得了丰富的观测数据，取得了非常有意义的成果。根据规划方案2018年福建省地震局继续开展第三期探测工作。陆地水库使用移动式气枪震源系统联合海域的船载式气枪震源系统，海陆联合布设观测系统的方式进行观测。近五年来，福建省地震局利用移动式人工震源，在台湾海峡、尤溪街面水库、永定棉花滩水库、武平石黄峰水库、南靖南一水库、清流安砂水库、南安山美水库进行了激发，在理论和实验方面取得了一定的成果[4]。

为确保陆域工作顺利开展，并加强指挥部对水库气枪震源实时位置、形态等信息的监控，在2016年的陆海联测实验中，指挥部技术人员研发了水库气枪平台GPS跟踪显示系统，但目前的移动式气枪震源系统的跟踪显示系统是二维平面的，不能满足对气枪震源平台高程方向位置变化的跟踪及整个浮台三维可视化的实时仿真需求。

虚拟现实开发平台Cortona3D组件是一套功能强大的交互式三维可视化仿真工具。Cortona3D软件广泛用于民用航空产品的生产，目前被许多大型国际公司和机构使用。Cortona3D可以直接利用CAD数据和其他3D数据资源，根据不同的需求处理这些数据，最终输出交互式3D可视化模型。使用Cortona3D创建的3D模型具有易于交互修改的优点，可以用生动的3D动画模拟实际工作过程，提高用户的设计效率。基于Cortona3D实现水库气枪震源平台的三维模型的建模，并结合三维动画技术升级开发原有浮台跟踪可视化系统，为水库气枪震源平台的位置精度控制提供实时、三维和智能化的监测管理，为福建及台湾海峡海陆联测实验中人工震源的精度控制提供新的方法。

二、系统开发过程

1.三维模型的建立

浮台的三维建模是系统开发的重点与难点。为确保浮台的模型尺寸与真实的浮台完全一致，根据现场浮台的尺寸及震防中心提供的技术资料对浮台的零件进行了拆分及测量，分析震源平台各个部件之间的装配关系，并进行模型的简化，确定合适比例导入3D MAX软件，并删除各种细部模块，调整模型的颜色、光照度以及透明度，调整模型的角度，进行渲染优化，最终导出扩展名为wrl格式的文件。

2.三维模型的导入

VrmlPad工具具有演示、交互和修改模型的功能，使用VrmlPad工具导入wrl格式的模型，建立震源平台虚拟仿真系统。依托vrmlpad编辑各模块之间的关系，将震源平台的模块挑选出来，标记每个模块的名字与部件对应，并放在同一个模块文件中。同时，为震源平台的运动分解设计动画。为场景变换不同的视角以便于更直观地观察震源平台的运动过程（如图1）。

3.系统数据流的设计

驱动三维模型的实时GPS高频数据采样率的设定考虑主要根据高频GPS接收机实时数据流的协议及带宽限制，目前高频GPS实时数据流的采样率主要为10Hz，气枪震源激发地震波的主要频带大概在6hz及10hz，根据陆地人工爆破的高频GPS数据处理经验及数据分析滤波的需要，此次实验主要以10HZ的实时高频GPS数据流为作为模型驱动的输入数据流。实时高频GPS数据处理方法主要是通过rtk软件对高频GPS实时数据进行处理，软件基于双差模式进行处理，处理得到的结果是浮台上两台接收机相对于岸上固定台站的位移变化（如图2），因此数据处理时需要选取一个稳定可靠的地测站作为参考站，一般以水库周边的临时架设的基准站作为参考站进行数据处理。高频GPS数据实时处理结果漂移比较大，需要对数据进行滤波去噪，否则三维模型的运动幅度会比较大，出现导致运动轨迹失真的情况。本次滤波器主要根据尤溪街面水库高频GPS信号的主要频率设计一个实时滤波器（0.5～2hz），对原始波形进行滤波。

4.三维位移数据的查看及存储

本模块主要由两部分组成，一个是查看模块，主要由单台模式，多台模式，单台回看，多台回看功能模块组成。可以实时显示及从数据库里调用回看福建省内单个GPS台站的高频GPS三分量位移，方便用户对台站的位置以及波形等信息进行观察和分析。一个是数据清理伺服器，实现数据流的配置及清理的功能，对各台站的IP、端口、数据频率及存储时长进行配置，方便用户对新增台站的配置以及其他具体信息的更改。

5.三维位移实时监控技术架构

浮台位移数据的实时解算需要将浮台对角点的两台GPS接收机数据接入网络实时传回解算服务器上，通过高频GPS位移实时解算软件对浮台的数据进行实时解算并显示实时位移，震源平台分量位移数据的实时获取需要将浮台四个角点上的GPS接收机原始数据接入网络实时传回指挥部解算服务器上，通过高频GPS位移实时解算软件对浮台的数据进行实时解算并驱动浮台三维模型，实现模型的实时仿真运转，技术架构（如图3）。

为了实现对气枪震源激发浮台运动的实时三维监控，需要布设5台高频GPS接收机，其中4台布设于浮台四个角，以监测其浮台的平动和转动，另外1台布设于近岸作为实时差分处理的参考站（图2）。同时，6台高频GPS接收机的观测资料都通过网络实时传输到厦门总指挥部通过高频GNSS软件对高频GNSS实时数据流进行实时单厉元解算，实现对浮台三维模型的驱动。

通过无人机拍摄浮台运动与GPS实时三维浮台运动轨迹视频对比，我们可以验证三维模拟浮台运动的正确性及可行性（如图4）。

6.浮台三维系统应用

通过统计每次气枪激发后浮台漂移然后回到平衡位置与初始激发前位置的偏差，我们可以得到浮台位移控制的精度即震源精度。经统计，三维浮台位移精度在1m内可达到95%。在对浮台进行实时三维监测的同时，为了验证高频GPS位移的精度，对气枪激发时瞬间的三分量位移信号与强震仪的仿真位移进行了对比处理，高频GPS在水平向与强震仪的仿真位移吻合得比较好，最大幅度约为1m，垂直向的位移由于高频GPS的噪声比较大，对比精度稍微差一些，再次验证了高频GPS对瞬间位移的记录能力和精度[5]。通过对布设于浮台上四台高频GPS接收机数据的实时处理以及对浮台的三维实时监测认为：利用高频GPS实时处理技术能够实现对浮台精确三维运动轨迹的实时监测，确保震源激发位置的一致性；实时处理的高频GPS位移记录及其精度是稳定和可靠的（如图5）。

结语

基于Cortorna3D组件技术实现了浮台三维运动轨迹的实时仿真显示，实现了GPS数据的波形显示及数据存储，通过本软件可以实现对水库气枪震源三维运动的精度进行监测，精度可以达到1米以内，为水库气枪震源的控制提供了新的手段和有力保障。