振兴几十年的模拟震动图通过图像分析和数字化

出现之前的数字地震仪在1970年代,科学家依靠模拟地震仪测量地震波。数以百万计的世界各地的这些老化的震动图存档在天文台,构成一个巨大的存储有价值的科学信息。然而,直到现在,访问这些信息是有问题的,因为现代分析技术是使用数字地震仪和需要离散时间序列数据。

Miaki Ishii教授和我在哈佛大学地震学组解锁这个前所未有的模拟数据通过开发一个交互式软件工具,模拟震动图的图像转换为时间序列数据。DigitSeis软件使用MATLAB^®图像处理算法来识别标志和正确的图像扭曲建立每个信号的时间和振幅。我们的团队使用DigitSeis数字化震动图从1930年代到1950年代归档在Harvard-Adam Dziewoński天文台(HRV)。软件继续开发这项技术应用到不同风格的录音。到目前为止,大约两打震动图数字化。

这项研究的结果将是更大、更完整的地震目录在地质构造上安静的地区,比如美国东北部地震是罕见的。通过使地球科学家研究单个地震和地震发生在数字时代之前,扩展目录将揭示地震趋势。

此外,使用DigitSeis数字化记录从其他站在世界各地,特别是在地区和不完整的地震目录,可能立即实际应用通过改善地震风险评估,从而确保建筑规范是基于准确的数据。

扫描震动图和图片做准备

数字化地震记录是一个多步过程涉及两个手动和自动的步骤。第一步是清洁和扫描原始模拟地震记录来创建一个高分辨率的数字图像。HRV收集典型的地震记录是14英寸的36英寸,导致一个JPG图像文件在几十兆字节。

大图像文件容易使用,DigitSeis减少了从24位颜色8位灰度图像,使足够的精度,使有效的处理。使用直方图修正算法在MATLAB开发,DigitSeis数据中去除工件接触等因素的出现,长期储存,和扫描过程(图2)。

而我们的目标是尽可能自动化数字化,用户可以修改图像和文件之前或之后的自动处理。例如,DigitSeis执行对比度增强后,用户可以作物图像,消除背景噪音,调整对比度设置和调整图像的方向。在这个阶段,用户还可以删除不需要的工件,如手写笔记或污渍从原来的纸。DigitSeis地区使用“删除”工具,基于roipoly()函数在图像处理工具箱™用户可以选择一个图像区域从数字化过程排除(图3)。

识别和时间标志着痕迹

下一步是进行分类预处理图像中的对象分为三个类别:

地震的痕迹。地震地面运动记录痕迹,地震记录的主要特点。

时间偏移量。在地震记录每个跟踪中断一次一分钟的时间标记,抵消主要跟踪。这些补偿帮助科学家确定事件记录在地震记录的准确时间。

噪音。这个类别包含任何对象,不应该数字化,如污渍和指出,没有手动删除。

DigitSeis使用MATLAB对象识别算法来定位,然后突出痕迹,时间标记,和噪声在白色,绿色和红色分别(图4)。colorblind-friendly方案也是可用的。

在这个阶段,DigitSeis也调用MATLAB开发的算法,我们量化图像的水平和垂直变形。这种畸变纠正之后在数字化过程中减少波形时间不准确。

数字化地震记录的

使用强度信息的数字化算法来计算一个数字值在每个跟踪每一个点的地震记录。DigitSeis然后显示结果。

虽然数字化自动、手动在偶尔需要细化。例如,巨大的地震会引起互相交叉的痕迹,很难区分这两个算法的信号。在这些情况下,DigitSeis支持手动信号的分离。金宝app

接下来,DigitSeis纠正马克补偿时,使用fminbnd ()从优化工具箱™创建一个连续波形通过调整每个时间标记的跟踪(图5)。

这部分的过程可以很容易地与多核处理器并行执行。我们已经创建了一个版本的DigitSeis使用并行计算工具箱^®在多核处理器同时处理多个痕迹。

数字化过程后,向.MAT DigitSeis节省时间序列数据文件或地震分析代码(SAC)数据文件。

使用DigitSeis数字化HRV集合

我们最初与HRV存档关注地震活跃日期。例如,几个大地震记录HRV从11月13日到11月15日,1938(图6)。这些包括在千岛群岛地区6.9级地震(1号),在日本7.0级事件(2号),后者的余震(3号)。

DigitSeis在数字化地震记录中,我们使用生成的时间序列数据生成一个谱图。谱图显示额外的地震几乎看不出的原始地震记录。谱图同时显示独特的噪音水平(可能由于风暴在该地区在11月14日)与峰值约为0.14和0.25赫兹。这些山峰的频率是一致的与噪声的现代仪器记录的2014年在同一地点。这个发现说明了另一个潜在的使用旧的模拟震动图:了解风暴活动随时间发生了变化。

下一个步骤

当我们继续处理震动图的HRV存档,我们正在学习更多关于哪些步骤在数字化过程中可以通过改进简化自动化。一旦我们有了数字化档案馆的很大一部分,我们计划提供结果在哈佛地震学集团网站上或在注册为地震学研究机构(IRIS)数据库。

我们已经取得DigitSeis公开可用的开源MATLAB代码。其他天文台已经表示有兴趣使用软件自己数字化地震记录档案。

确认

下面的人参与测试DigitSeis和数字化的哈佛集合:Hiromi Ishii,伊莎贝拉Lorrainy Altoe,亚历山德拉Karamitrou, Thomas Lee,乔治·刘,维克多萨勒斯。我还想承认,这个项目是由美国地质调查局的地震风险项目奖。金宝appG14AP00016 G16AP00021。