CN109991655A - 一种地震监测装置及地震监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震监测装置，通过在密闭的拾震器框架的密封腔内设置有高度相同、围成等边三角形的三个摄像装置，分别监测拍摄设置于等边三角形中心位置的标识件的运动轨迹，三个摄像装置与拾震器框架柔性连接，标识件与拾震器框架刚性连接，当有震动发生时，拾震器框架带动标识件震动，三个摄像装置由于惯性不动，三个摄像装置可以实时、准确地记录标识件的震动信息，也即地震的震动信息，再通过本发明地震监测方法的计算，可以快速、精确、实时和智能化的计算出地震波形图和数据以及地震的方位和强度。

Description

一种地震监测装置及地震监测方法

技术领域

本发明涉及地震监测技术领域，尤其涉及一种快速、精确、实时的地震监测装置及地震检测方法。

背景技术

中国东汉时期张衡发明的地动仪是世界最早时期发明的地震监测器件，地震的危害也是巨大，例如2008年的汶川大地震，对于四川乃至国家都造成了不可估量的损失，如何提高地震的监测和预测准确性和实时性，具有重要的意义。随着人工智能领域科学技术的发展，特别是图像处理领域的研究和技术的成熟，将图像处理应用到自然灾害的监测和预测领域，也将是一个重要的发展方向，其中在地震预测方面，如果利用图像处理和数据计算，更加快速、精确和实时的将地震发生时的波形数字化处理，配合其他仪器的综合处理，计算出地震的方位和强度，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、精确、实时的地震监测装置及地震检测方法。

本发明的技术方案是：

一种地震监测装置，包括，拾震器框架，所述拾震器框架密闭设置，内部设置有密封腔；所述密封腔内设置有三个摄像装置，所述三个摄像装置悬设于所述密封腔内，所述三个摄像装置焦距相等、位于同一水平面且所述三个摄像装置围成一等边三角形；所述密封腔内对应所述三个摄像装置围成的等边三角形的中心点位置设置有标识件，所述三个摄像装置记录所述标识件的运动轨迹；所述标识件与所述拾震器框架刚性连接，所述三个摄像装置与所述拾震器框架柔性结合，当地震发生时，所述拾震器框架震动，与所述拾震器框架柔性连接的所述三个摄像装置由于惯性而不动，与所述拾震器框架刚性连接的所述标识件震动，所述三个摄像装置记录所述标识件的运动轨迹，从而计算地震的方位和强度。

作为一种优选的技术方案，所述三个摄像装置通过柔性线悬设于所述拾震器框架的密封腔的顶部。

作为一种优选的技术方案，所述三个摄像装置包括摄像头及悬浮腔，所述悬浮腔内填充有密度小于所述密封腔内气体的气体，所述悬浮腔在所述密封腔内产生的浮力与所述摄像装置的重力相等。

作为一种进一步优选的技术方案，所述密封腔内的气体为空气，所述悬浮腔内填充有氢气和/或氦气。

作为一种优选的技术方案，所述三个摄像装置中的任意两个摄像装置之间通过连接件刚性连接。

作为一种优选的技术方案，所述标识件通过连接杆与所述密封腔刚性连接。

作为一种进一步优选的技术方案，所述连接杆为实心细管，所述标识件通过所述实心细管与所述密封腔的内壁连接。

作为一种优选的技术方案，所述标识件为彩色小球。

本发明还提供了一种应用以上地震监测装置的地震监测方法：包括以下步骤：

S1、建立三维坐标系：设所述三个摄像装置的焦点分别为M1、M2、M3，P是以三个焦点所组成的等边三角形的中心；以P为中心，PM1为Y坐标；经过P点且平行于M2M3边的一条直线为X坐标；经过P点且垂直于上述XY坐标平面的直线为Z坐标，此时，创建了以P为中心的XYZ三维坐标系；S2、震动发生时，所述拾震器框架带动所述标识件O震动，此时，步骤S1建立的XYZ三维坐标系不动；设所述三个摄像装置焦距相等都为d，D1、D2、D3为M1、M2、M3与P点连线与所述三个摄像装置所成像的垂直交点的坐标，设O1、O2、O3为所述标识件在三个所述摄像装置中成像图像上的像点的坐标点，则有O1M1、O2M2和O3M3三条直线必将交于一点O；L1、L2和L3是过所述三个摄像装置的焦点平行于成像图像的在XPY平面内的直线；S3、连接像点O3和O2，线段O3O2分别与直线L2和L3相交于A2和A3；O2和O3点坐标已知，L2和L3直线也是已知，因此可得到A2和A3的坐标；三角形O3A3M3的三个顶点坐标在XPY坐标内都是已知，因此可得到角∠OO3O2＝Q2的夹角度数，同理可得角∠OO3O2＝Q3的夹角度数，且三角形OO2O3的底边O2O3已知，且该底边相邻两角Q2和Q3也已知，因此可求出O在XPY平面内的坐标；S4、由步骤S3同理，可求出标识件在XPZ坐标系内的坐标；S5、由步骤S3、S4，可求出标识件在三维坐标系内的坐标(Ox，Oy，Oz)；S6、根据所得标识件的坐标，在三维坐标系内将标识件的震动轨迹进行重现，计算出标识件在垂直方向和水平方向上的波形数据，计算出地震发生的方位和强度，包括以下步骤：S6a、根据标识件的坐标，求出所述标识件的震动轨迹；S6b、通过数据拟合求出标识件的运动轨迹随时间的变化函数：P(T)＝P(X(T),Y(T),Z(T))；S6c、计算地震S波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(S波))＝P(S波)((X(T),Y(T))；S6d、计算地震P波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(P波))＝P(P波)((XY(T),Z(T))，此时，XY(T)为纵波两次波峰连线垂直于XPY平面内所产生的直线拟合函数表示；S6e、根据地震S波与P波计算地震的方位及强度。

作为一种优选的技术方案，通过所述三个摄像装置分别组合，重复步骤S3、S4，将得到的坐标数据求平均值，作为标识件的坐标信息。

本发明的一种地震监测装置，通过在密闭的拾震器框架的密封腔内设置有高度相同、围成等边三角形的三个摄像装置，分别监测拍摄设置于等边三角形中心位置的标识件的运动轨迹，三个摄像装置与拾震器框架柔性连接，标识件与拾震器框架刚性连接，当有震动发生时，拾震器框架带动标识件震动，三个摄像装置由于惯性不动，三个摄像装置可以实时、准确地记录标识件的震动信息，也即地震的震动信息，再通过本发明地震监测方法的计算，可以快速、精确、实时和智能化的计算出地震波形图和数据以及地震的方位和强度。

附图说明

图1为本发明一种地震监测装置具体实施方式的结构立体示意图；

图2为图1所示本发明一种地震监测装置中三个摄像装置及标识件O所在平面剖视图；

图3为图1所示本发明一种地震监测装置中摄像装置结构示意图；

图4为本发明一种地震监测方法建立的三维空间的水平切面坐标系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

如图1及图2所示为本发明的一种地震监测装置，包括拾震器框架1，拾震器框架1封闭设置，其内部设置有密封腔1a。密封腔1a内设置有三个摄像装置2，三个摄像装置2为完全相同的三个摄像装置，三个摄像装置2悬设于所述密封腔1a内，三个摄像装置2的焦距相等。如图2所示，三个摄像装置2位于同一水平面，也即三个摄像装置2在水平方向上平齐设置，三个摄像装置3围成一等边三角形。如图1及图2所示，密封腔1a内对应三个摄像装置2围成的等边三角形的中心点位置设置有标识件O。本发明的一种地震监测装置，三个摄像装置2拍摄记录标识件O的运动轨迹。本发明的一种地震监测监测装置，如图1及图2所示，标识件O与拾震器框架1刚性连接，三个摄像装置2与拾震器框架1柔性结合，当地震发生时，所述拾震器框架1震动，与所述拾震器框架1柔性连接的所述三个摄像装置2由于惯性而不动，与所述拾震器框架1刚性连接的所述标识件O震动，所述三个摄像装置记录所述标识件O的运动轨迹，从而计算地震的方位和强度。本发明内的“柔性结合”可以为摄像装置2通过柔性线材或其他柔性装置结合，也可以指的是三个摄像装置2与拾震器框架1不接触，只要能保证当拾震器框架1震动时，拾震器框架1的震动不会传递到三个摄像装置2即可。本发明的一种地震监测装置，通过柔性设置于密封腔1a内的三个摄像装置2，保持三个摄像装置2的位置不变，并且无论拾震器框架1如何晃动，摄像装置2由于惯性原理，仍旧不动。当发生地面震动时，拾震器框架1随地面震动，三个摄像装置2由于受到惯性作用，相对位置不变，此时标识件O在三个摄像装置3内的画面将会发生变化，从而记录出地震波在该处的水平方向和垂直方向上的数字化波形，并实时传输到地震监测局，用于对地震进行实时监测。

在实际应用中，三个摄像装置2可以通过柔性线悬设于拾震器框架1的密封腔1a的顶部。也可以如图3所示，包括摄像头2b及悬浮腔2a。悬浮腔2a内填充有密度小于密封腔1a内气体的气体，并且，悬浮腔2a在密封腔1a内产生的浮力等于摄像装置2的重力。此时，摄像装置2在密封腔1a内悬浮。若密封腔1a内的气体为空气，则悬浮腔2a内可以填充氢气和/或氦气，保证摄像装置悬浮。

为了保证三个摄像装置2之间的相对位置不变保证对标识件O运动监测的准确性，作为优选方案，如图1及图2所示，本实施例的一种地震监测装置的三个摄像装置2中的任意两个摄像装置之间通过连接件3刚性连接。连接件3可以为金属框架，也可以为其他硬性材料。

如图1及图2所示，本实施例的一种地震监测装置，标识件O与密封腔1a刚性连接是通过连接杆4实现的。作为优选方案，连接杆4为实心细管，标识件O通过连接杆4与密封腔1a的内腔连接。应当注意的是，本实施例的标识件O通过连接杆4与密封腔1a内腔的底壁连接，在实际应用中，标识件O也通过连接杆4与密封腔1a内腔的上壁或侧壁或多个内壁连接。均不影响本发明的优点体现。

在实际应用中，标识件O可以为彩色小球，如为了提高摄像装置2监测图像中标识件O的清晰度，标识件O可以为红色小球。

本发明还提出了一种应用上述地震监测装置的地震监测方法，包括如下步骤：

S1、建立三维坐标系：如图4所示，设所述三个摄像装置2的焦点分别为M1、M2、M3，P是以三个焦点所组成的等边三角形的中心；以P为中心，PM1为Y坐标；经过P点且平行于M2M3边的一条直线为X坐标；经过P点且垂直于上述XY坐标平面的直线为Z坐标，此时，创建了以P为中心的XYZ三维坐标系；

S2、震动发生时，所述拾震器框架1带动所述标识件O震动，此时，步骤S1建立的XYZ三维坐标系不动；设所述三个摄像装置2的焦距相等都为d，D1、D2、D3为M1、M2、M3与P点连线与所述三个摄像装置所成像的垂直交点的坐标，即所述三个摄像装置2的焦点M1、M2、M3与P点连线后，该连线与所述三个摄像装置2所成像的垂直交点的坐标，设O1、O2、O3为所述标识件O在三个所述摄像装置2中成像图像上的像点的坐标点，则有O1M1、O2M2和O3M3三条直线必将交于一点O；L1、L2和L3是过所述三个摄像装置的焦点平行于成像图像的在XPY平面内的直线；

S3、连接像点O3和O2，线段O3O2分别与直线L2和L3相交于A2和A3；O2和O3点坐标已知，L2和L3直线也是已知，因此可得到A2和A3的坐标；三角形O3A3M3的三个顶点坐标在XPY坐标内都是已知，因此可得到角∠OO3O2＝Q2的夹角度数，同理可得角∠OO3O2＝Q3的夹角度数，且三角形OO2O3的底边O2O3已知，且该底边相邻两角Q2和Q3也已知，因此可求出O在XPY平面内的坐标；

S4、由步骤S3同理，可求出标识件O在XPZ坐标系内的坐标；

S5、由步骤S3、S4，可求出标识件O在三维坐标系内的坐标(Ox，Oy，Oz)；

S6、根据所得标识件O的坐标，在三维坐标系内将标识件的震动轨迹进行浮现，计算出标识件O在垂直方向和水平方向上的波形数据，计算出地震发生的方位和强度，包括以下步骤：

S6a、根据标识件的坐标，求出所述标识件的震动轨迹；

S6b、通过数据拟合求出标识件的运动轨迹随时间的变化函数：P(T)＝P(X(T),Y(T),Z(T))；

S6c、计算地震S波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(S波))＝P(S波)((X(T),Y(T))；

S6d、计算地震P波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(P波))＝P(P波)((XY(T),Z(T))，此时，XY(T)为纵波两次波峰连线垂直于XPY平面内所产生的直线拟合函数表示；

S6e、根据地震S波与P波计算地震的方位及强度。计算出地震S波及P波后，可以根据地震S波、P波的特性对震源方位进行推测并计算地震强度，例如，1989年10月17日当洛马普瑞特地震袭击时，伯克利家中突然感到房屋摇动。10秒钟后摇动突然变的特别厉害，这表示S波已经到达。P波总是首先从震源来到，因为它们沿同一路径传播时比S波速度快。利用波的这一特性，可以计算出这个地震的震源在80多千米以外。并且，获取了波行轨迹数据，可获取更多有关地震波传播过程中的能量损耗分析，提高地震预测和分析的精确度。

作为优选方案，为了提高标识件O的坐标的准确性，所述步骤S5及S6之间还包括坐标校正步骤：通过所述三个摄像装置分别组合，重复步骤S3、S4，将得到的坐标数据求平均值，作为标识件O的坐标信息。

本专利提出一种三目摄像头监控的地震监测装置及方法，能够将地震发生时，地震摆动标识件O的3D摆动画面和数据记录下来，从而更加快速、精确、实时和智能化的计算出地震波形图和数据以及地震的方位和强度。

本发明的一种地震监测装置，通过在密闭的拾震器框架的密封腔内设置有高度相同、围成等边三角形的三个摄像装置，分别监测拍摄设置于等边三角形中心位置的标识件的运动轨迹，三个摄像装置与拾震器框架柔性连接，标识件与拾震器框架刚性连接，当有震动发生时，拾震器框架带动标识件震动，三个摄像装置由于惯性不动，三个摄像装置可以实时、准确地记录标识件的震动信息，也即地震的震动信息，再通过本发明地震监测方法的计算，可以快速、精确、实时和智能化的计算出地震波形图和数据以及地震的方位和强度。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种地震监测装置，其特征在于：包括，拾震器框架，所述拾震器框架密闭设置，内部设置有密封腔；所述密封腔内设置有三个摄像装置，所述三个摄像装置悬设于所述密封腔内，所述三个摄像装置焦距相等、位于同一水平面且所述三个摄像装置围成一等边三角形；所述密封腔内对应所述三个摄像装置围成的等边三角形的中心点位置设置有标识件，所述三个摄像装置记录所述标识件的运动轨迹；所述标识件与所述拾震器框架刚性连接，所述三个摄像装置与所述拾震器框架柔性结合，当地震发生时，所述拾震器框架震动，与所述拾震器框架柔性连接的所述三个摄像装置由于惯性而不动，与所述拾震器框架刚性连接的所述标识件震动，所述三个摄像装置记录所述标识件的运动轨迹，从而计算地震的方位和强度。

2.根据权利要求1所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述三个摄像装置通过柔性线悬设于所述拾震器框架的密封腔的顶部。

3.根据权利要求1所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述三个摄像装置包括摄像头及悬浮腔，所述悬浮腔内填充有密度小于所述密封腔内气体的气体，所述悬浮腔在所述密封腔内产生的浮力与所述摄像装置的重力相等。

4.根据权利要求3所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述密封腔内的气体为空气，所述悬浮腔内填充有氢气和/或氦气。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述三个摄像装置中的任意两个摄像装置之间通过连接件刚性连接。

6.根据权利要求1所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述标识件通过连接杆与所述密封腔刚性连接。

7.根据权利要求6所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述连接杆为实心细管，所述标识件通过所述实心细管与所述密封腔的内壁连接。

8.根据权利要求1所述的一种地震监测装置，其特征在于：所述标识件为彩色小球。

9.应用权利要求1至8任一权利要求所述的一种地震监测装置的一种地震监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、建立三维坐标系：设所述三个摄像装置的焦点分别为M1、M2、M3，P是以三个焦点所组成的等边三角形的中心；以P为中心，PM1为Y坐标；经过P点且平行于M2M3边的一条直线为X坐标；经过P点且垂直于上述XY坐标平面的直线为Z坐标，此时，创建了以P为中心的XYZ三维坐标系；

S2、震动发生时，所述拾震器框架带动所述标识件震动，此时，步骤S1建立的XYZ三维坐标系不动；设所述三个摄像装置焦距相等都为d，D1、D2、D3为M1、M2、M3与P点连线与所述三个摄像装置所成像的垂直交点的坐标，设O1、O2、O3为所述标识件在三个所述摄像装置中成像图像上的像点的坐标点，则有O1M1、O2M2和O3M3三条直线必将交于一点O；L1、L2和L3是过所述三个摄像装置的焦点平行于成像图像的在XPY平面内的直线；

S3、连接像点O3和O2，线段O3O2分别与直线L2和L3相交于A2和A3；O2和O3点坐标已知，L2和L3直线也是已知，因此可得到A2和A3的坐标；三角形O3A3M3的三个顶点坐标在XPY坐标内都是已知，因此可得到角∠OO3O2＝Q2的夹角度数，同理可得角∠OO3O2＝Q3的夹角度数，且三角形OO2O3的底边O2O3已知，且该底边相邻两角Q2和Q3也已知，因此可求出O在XPY平面内的坐标；

S4、由步骤S3同理，可求出标识件在XPZ坐标系内的坐标；

S5、由步骤S3、S4，可求出标识件在三维坐标系内的坐标(Ox，Oy，Oz)；

S6、根据所得标识件的坐标，在三维坐标系内将标识件的震动轨迹进行重现，计算出标识件在垂直方向和水平方向上的波形数据，计算出地震发生的方位和强度，包括以下步骤：

S6a、根据标识件的坐标，求出所述标识件的震动轨迹；

S6b、通过数据拟合求出标识件的运动轨迹随时间的变化函数：P(T)＝P(X(T),Y(T),Z(T))；

S6c、计算地震S波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(S波))＝P(S波)((X(T),Y(T))；

S6d、计算地震P波：对XPY平面内的数据进行拟合，即：P(T(P波))＝P(P波)((XY(T),Z(T))，此时，XY(T)为纵波两次波峰连线垂直于XPY平面内所产生的直线拟合函数表示；

S6e、根据地震S波与P波计算地震的方位及强度。

10.根据权利要求9所述的一种地震监测方法，其特征在于：所述步骤S5及S6之间还包括坐标校正步骤：通过所述三个摄像装置分别组合，重复步骤S3、S4，将得到的坐标数据求平均值，作为标识件的坐标信息。