DE4101169A1 - Messverfahren zur komprimierten grafischen darstellung von digital registrierten seismologischen daten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren gemäß der Gattung des Anspruchs 1.

Bei der Aufzeichnung und Auswertung von Erderschütterungen unterscheidet man in der Seismologie Experimente, bei de­ nen die Erschütterungen künstlich mit Hilfe von Explosio­ nen ausgelöst werden und Messungen, die der Erfassung von Erdbeben und ähnlichen Phänomenen dienen. Während bei der ersten Art der Messung der Zeitpunkt, wann das zu messende Signal auftritt, genau bekannt ist, ist man bei der letz­ teren Art der Messung darauf angewiesen, auf das Eintreten des Signals zu einem unbestimmten Zeitpunkt zu warten. Aufgrund der langen Zeiträume, die dabei abzuwarten sind, bis ein Ereignis eintrifft, werden seismologische Daten häufig nicht-kontinuierlich aufgezeichnet. Üblicherweise besitzt die Aufzeichnungsapparatur einen Vorlaufspeicher, in dem jeweils ein gewisser Zeitbereich, der typisch eini­ ge Sekunden beträgt, zwischengespeichert wird. Beim Errei­ chen eines bestimmten Kriteriums, z. B. beim Überschreiten einer vorgegebenen Amplitudenschwelle, wird eine Aufzeich­ nung ausgelöst, wobei der im Vorlaufspeicher enthaltene Signalanteil ebenfalls mitaufgezeichnet wird. Die Daten werden entweder lokal auf ein rechnerkompaktibels Medium - Band, Diskette - geschrieben oder per Datenfernübertragung an einen Zentralrechner übermittelt. Im Normalfall werden dabei zur seismischen Überwachung eines Gebietes mehre­ re Stationen eingesetzt. Der Datenbestand umfaßt typi­ scherweise relativ lange Zeiträume, in denen keine Daten vorhanden sind und somit auch nicht aufgezeichnet werden. Außerdem ist davon auszugehen, daß nicht jede Aufzeichnung auch tatsächlich ein interessierendes und auswertbares Signal enthält. Beispielsweise können Erderschütterungen auftreten, die nicht-seismischer Natur sind, beispielswei­ se wenn ein Kraftfahrzeug dicht am Sensor vorbeifährt. Auch elektrische Störungen, ausgelöst durch Gewitter, kön­ nen das Vorhandensein eines seismischen Signals vortäuschen. Diese nicht-seismischen Erschütterungen lösen Datenauszeichnungen aus, die später bei der eigentlichen Auswertung der aufgezeichneten Daten im Rahmen einer Da­ tensichtung festgestellt bzw. eliminiert werden müssen. Um die Sichtung des äußerst umfangreichen Datenbestandes zu erleichtern, wird bei bekannten Aufzeichnungsverfahren ei­ ne sogenannte Ereignisliste erstellt, wobei jeweils Anfangs- und Endzeit jeder getriggerten Aufzeichnung ver­ merkt werden. Für die Grobsichtung können dann zunächst nur die Daten dieser Ereignisliste in einen Rechner über­ tragen und ausgwertet werden.

Anhand der Ereignisliste ist es zwar möglich, die Zeit­ punkte der Triggerungen festzustellen. Allerdings erhält man außer der Dauer der Aufzeichnung keine weitere Infor­ mation über die Natur der aufgezeichneten Daten. Will man eine Entscheidung über die Brauchbarkeit der Daten treffen, so bleibt nur die zeitaufwendige grafische Dar­ stellung der Wellenformen am Bildschirm. Da die zu sich­ tenden Datenbestände oft sehr groß sind, wird für diese Art der Sichtung unverhältnismäßig viel Zeit verbraucht. Im Falle von Nachbebenregistrierungen umfaßt ein Datenbestand, der einen Zeitraum von nur wenigen Tagen abdeckt, oft über 100 Megabytes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zur komprimierten grafischen Darstellung von digital regi­ strierten seismologischen Daten zu schaffen, bei dem durch Abspeicherung von Kenngrößen, die Datenblöcken zugeordnet sind, eine wesentliche Erleichterung der Grobsichtung der Daten möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erhält man bei einem Meßverfah­ ren der eingangs genannten Gattung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Aus den vielen Einzeldaten, die in­ nerhalb des Zeitraums eines Datenblocks abgespeichert werden, wird erfindungsgemäß wenigstens eine Kenngröße abgeleitet, die beispielsweise der innerhalb eines Daten­ blocks gemessenen maximalen Amplitude entspricht. Die Kenngröße kann jedoch auch der Energiesumme entsprechen, die aus sämtlichen Daten eines Datenblocks abgeleitet wird. Als Kenngröße kann auch eine Kennzahl festgehalten werden, die die Form von Einhüllenden der gemessenen Daten kennzeichnet. Aus der allgemeinen Signalverarbeitungs- Literatur ist es bekannt, die Form von Einhüllenden unter­ schiedlich zu klassifizieren, wobei die verschiedenen standardisierten Kurvenformen unterschiedlich benannt sind. Hingewiesen wird hierzu auf die Veröffentlichung von Kanasewich, E.R.: Time Sequence Analysis in Geophysics, University of Alberta Press, 1981.

Durch die Zuordnung charakteristischer Kenngrößen zu Datenblöcken, wird eine erhebliche Komprimierung der ge­ samten Dateninformation erreicht. Die Kenngrößen werden vorzugsweise in einem separaten Speicher abgelegt, von wo sie zur weiteren Auswertung und zur komprimierten grafi­ schen Darstellung vom Rechner abgefragt werden können. Un­ tersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, daß be­ reits das Abspeichern der Maximalamplitude von Daten­ blöcken, die jeweils beispielsweise 500 Einzelereignisse in Form von Daten enthalten, sehr aussagefähige komprimierte grafische Darstellungen ermöglichen. Noch aussagekräftiger sind jedoch Kenngrößen, die den Energieinhalt bzw. den Summenwert sämtlicher in einem Datenblock enthaltenen Da­ ten angeben. Durch die Verwendung solcher Kenngrößen redu­ ziert sich die zu verarbeitende Datenmenge und damit auch die Verarbeitungszeit etwa um den Faktor 100. Bei der Grobsichtung eines großen Datenbestands, wo zunächst auf einem Bildschirm größere Zeiträume dargestellt werden, bringt dieses Meßverfahren bei drastisch vermindertem Zeitaufwand eine gleichwertige Darstellung wie die Dar­ stellung der vollständigen Wellenformen.

Messungen haben ergeben, daß eine Komprimierung von 400 bis 600 Abtastwerten eines Datenblocks auf eine einzige Kenngröße möglich ist. Je nach Anwendungsfall kann auch eine davon deutlich abweichende Anzahl von Abtastwerten in einem Datenblock enthalten sein.

Zur Erzeugung eines Monitorschriebs können beispielsweise weniger als 100 Abtastwerte, vorzugsweise 50 Abtastwerte, zur Ermittlung einer Kenngröße herangezogen werden. Bei der Simulation eines solchen Monitorschriebs in digitalen Netzwerken wird die Anzahl der Abtastwerte deutlich klei­ ner gewählt als bei der Auswertung abgespeicherter Daten. Der Monitorschrieb wird traditionell in der Seismologie zu Überwachungszwecken im ungetriggerten Dauerschrieb ausgeführt. Dabei wird mit geringer Zeit- und Amplituden­ auflösung auf einer Papierwalze eine spiralförmig verlau­ fende Endlosspur gezeichnet. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Papierwalze und der Vorschub des Schreiberschlittens sind dabei so eingestellt, daß ein Papierstreifen in der Regel 24 h abdeckt. Durch einen solchen Monitorschrieb ist es vor allem möglich, einen raschen Überblick über die Er­ eignisse eines Tages zu erhalten. Speziell im Zusammenhang mit seismologischen Netzwerken dient der Monitorschrieb auch dazu, zu überprüfen, ob alle Ereignisse, die auf dem Schrieb zu erkennen sind, vom netzwerk-weiten Trigger auch erfaßt wurden. Um in einem herkömmlichen digital arbeiten­ den Netzwerk einen solchen Monitorschrieb erzeugen zu können, müßten zwei Voraussetzungen erfüllt sein: Ein Digital-Analog-Wandler müßte vorhanden sein, und die nicht-getriggerten Daten müßten kontinuierlich übertragen bzw. aufgezeichnet werden. Beide Voraussetzungen sind in herkömmlichen digital arbeitenden Netzwerken normalerweise jedoch nicht erfüllt. Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist somit auch eine Simulation eines Monitor-Schriebs in digitalen Netzwerken auf einfache Weise möglich.

Je nach Anwendungsfall und Anforderungen für die gewünsch­ te Grobsichtung und spätere Auswertung können pro Daten­ block aus N Abtastwerten mehrere Kenngrößen ermittelt und abgespeichert werden. Dadurch kann beispielsweise mittels einer Kenngröße eine erste Grobsichtung durchgeführt werden, wobei weitere Kenngrößen zur näheren Untersuchung im Rahmen der Grobsichtung an interessierenden Zeitab­ schnitten zusätzlich herangezogen werden können.

Ein Datenblock umfaßt vorzugsweise eine Zeitspanne von ei­ nigen Sekunden, so daß Zeitabschnitten von einigen Sekun­ den wenigstens jeweils eine Kenngröße zugeordnet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßaufbau zur Durchführung eines erfindungs­ gemäßen Meßverfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzip des erfindungsgemäßen Meßverfahrens,

Fig. 3 ein Funktionsdiagramm zur Berechnung einer Kenn­ zahl für die Charakterisierung der Einhüllenden der Daten eines Datenblocks,

Fig. 4 sechs unterschiedliche Standardfunktionen zur Be­ schreibung der Form der Einhüllenden der Daten eines Datenblocks,

Fig. 5 eine Übersichtsdarstellung von getriggerten Seis­ mogrammen in herkömmlicher Darstellung (Stand der Technik),

Fig. 6 eine Darstellung der gleichen Meßdaten wie in Fig. 5, jedoch dargestellt mit Hilfe von separat gespei­ cherten Maximalamplituden-Informationen als erfindungsge­ mäße Kenngrößen,

Fig. 7 eine Darstellung der Einhüllenden mit Hilfe der Maximalamplituden-Information gemäß Fig. 6 bei stark ver­ feinerter seitlicher Auflösung,

Fig. 8 eine vollständige Wellenform-Darstellung des Da­ tensatzes von Fig. 7 und

Fig. 9 eine Simulation eines analogen Monitor-Schriebes mit Hilfe von N Daten pro Datensatz, wobei N = 50 gewählt worden ist.

Der in Fig. 1 stark vereinfachte prinzipielle Aufbau ei­ ner Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens besteht aus einer Rechen- und Speicherein­ heit 1, einem Drucker 2, einem Sichtgerät 3 und mehreren Sensoren, von denen lediglich ein Sensor 4 hier darge­ stellt ist. An mehreren entfernten Meßorten können weitere Sensoren und Meßeinrichtungen angeordnet sein, die unter­ einander zwecks Datenaustausch miteinander verbunden sind.

Die zentrale Rechen- und Speichereinheit 1 beinhaltet ein Band-Aufzeichnungsgerät 5 und wenigstens einen digitalen Speicher 6 mit wahlfreiem Zugriff, der als Lese­ schreibspeicher ausgebildet ist. Der Speicher 6 kann in unterschiedliche Speicherabschnitte unterteilt sein, je­ doch besteht auch die Möglichkeit, für separat zu verar­ beitende Daten einen separaten Kenngrößenspeicher 7 vorzusehen.

Anhand von Fig. 2 wird nun zunächst das Prinzip des er­ findungsgemäßen Meßverfahrens erläutert.

Bereits bei der Datenerfassung wird der Datenstrom, der von den Sensoren zum Zentralrechner übertragen wird, in einzelne Blöcke aufgeteilt, die jeweils N Abtastwerte umfassen. Pro Datenblock werden nur einige Kenngrößen errechnet, die zur groben Visualisierung der in den jewei­ ligen Block enthaltenen Wellenform ausreichend sind. Diese Kenngrößen werden von den "Rohdaten" separiert und stehen zur unabhängigen Speicherung, Übertragung und Weiterverar­ beitung zur Verfügung. Durch die Möglichkeit des unabhän­ gigen Zugriffs auf die Kenngrößendaten im Kenngrößenspei­ cher 7 kann in der Phase der Grobsichtung auf einen Zu­ griff auf die vollständigen Wellenformdaten ganz verzich­ tet werden.

Die Wahl von N beeinflußt die Effizienz des Verfahrens. Wird N zu groß gewählt, so deckt ein Kenngrößenwert einen zu großen Zeitbereich ab, wodurch eine hinreichend gute Annäherung an den tatsächlichen Signalverlauf nicht mehr möglich ist. Wird N zu klein gewählt, ergibt sich ein zu geringer Kompressionsfaktor, so daß der Rechenaufwand zur Erzeugung der Kenngrößen nicht mehr gerechtfertigt ist. Im Fall der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wurde pro Da­ tenblock eine Anzahl von N = 500 Abtastwerten gewählt.

Bei der Berechnung der Kenngrößen muß berücksichtigt werden, daß mit ihrer Hilfe eine möglichst gute qualitati­ ve Annäherung an die in einem Datenblock enthaltene Wel­ lenform ermöglicht wird. Es kommt dabei jedoch nicht dar­ auf an, eine Datenkompression in der Weise durchzuführen, daß eine verlustfreie Wiedergewinnung der Originaldaten aus dem komprimierten Datenbestand möglich sein sollte. Vielmehr müssen die Kenngrößen bzw. die Datenkompression so gewählt werden, daß eine schnelle Grobsichtung anhand der Kenngrößen möglich ist, wobei die Berechnung der Kenngrößen mit einem möglichst geringen Rechenaufwand durchgeführt werden sollte.

Bereits mit einer einzigen Kenngröße pro Datenblock, näm­ lich mit der Maximalamplitude als Kenngröße, läßt sich ei­ ne ausreichende Annäherung an die Wellenform erreichen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Funktionseinheit 10 wird pro Datenblock eine Anzahl von N Abtastwerten erzeugt, die sämtliche als Rohdaten im Speicher 6 (Fig. 1) oder auf das Magnetband 5 abgespeichert werden. Aus den N Abtast­ werten wird in einer Funktionseinheit 11 als Kenngröße beispielsweise die Maximalamplitude ABSMAX aus jeweils N Abtastwerten ermittelt. Die Maximalamplitude ABSMAX wird dann einem separaten Speicher 7 (Fig. 1) zugeführt, um von dort für die Grobsichtung weiterverarbeitet werden zu können.

Fig. 3 gibt das Verfahren zur Erzeugung einer Kennzahl als Kenngröße an, mit der die Form der Einhüllenden der in einem Datenblock auftretenden Abtastwerte klassifiziert wird. Zunächst wird der Rohdatensatz X(i) gleichgerichtet, so daß die Beträge der Einzeldaten mit Y(i) bezeichnet wer­ den können. Mittels Tiefpaßfilterung erhält man dann die Funktion der Hüllkurve H(i) für jeden Abtastwert von i= 1 bis N. Für die Bildung der Einhüllenden liegt C im Be­ reich 0,2 bis 0,3. Aus der im Funktionsblock 12 in der Zeichnung angegebenen Gleichung läßt sich nun der Koeffi­ zient K(m) berechnen wobei M Musterfunktionen vorgegeben sind, wobei als Kennzahl das m gewählt wird, dessen Koef­ fizient K(m) den kleinsten Wert hat.

Einige Beispiele von Musterfunktionen sind in Fig. 4 angegeben.

Die Berechnung einer Kennzahl für die Charakterisierung der Einhüllenden hat den Vorteil, daß bei der Grob- Visualisierung eine wesentlich bessere Annäherung an den tatsächlichen Verlauf der Hüllkurve erreicht wird als bei der Methode unter Verwendung der Maximalamplitude. Es wird entsprechend der jeweiligen Kennzahl eine schematisierte Kurvenform, z. B. Rechteck, gleichwinkliges Dreieck, gezeichnet. In der Praxis reichen einige wenige charakte­ ristische Musterfunktionen aus, wobei zur Beschreibung der Form der Einhüllenden auf Namen von Fensterfunktionen zurückgegriffen wird, die aus der allgemeinen Signalverarbeitungs-Literatur bekannt sind. Hierzu wird nochmals auf die Abhandlung von Kanasewich hingewiesen. Die in Fig. 4 beispielhaft dargestellten Musterfunktionen stellt nur einen Ausschnitt der möglichen Musterfunktionen dar. Vorzugsweise werden zur Charakterisierung der Einhül­ lenden 15 bis 20 Musterfunktionen herangezogen.

In Bild 5 ist ein Übersichtsbild dargestellt, wie es sich typischerweise bei einer Nachbebenregistrierung ergibt. Dabei treten relativ viele Ereignisse innerhalb einer kur­ zen Zeitspanne auf. In Fig. 2 ist ein Zeitraum von ca. 1 1/2 h dargestellt, und zwar etwa 14.51 Uhr bis 16.20 Uhr. Das Schaubild zeigt die Daten von vier Erdbebensta­ tionen mit den Stationsnummern 010, 011, 012 und 013, die jeweils drei Kanäle ch0, ch1 und ch2 aufgezeichnet haben. Die Darstellung gemäß Fig. 5 wurde auf herkömmliche Weise erzeugt, d. h. es wurde jeweils die Wellenform des Seismo­ gramms gezeichnet.

Fig. 6 zeigt den gleichen Zeitraum, jedoch mit der erfin­ dungsgemäßen Darstellung der separat gespeicherten Maximalamplituden pro Datenblock. Es zeigt sich dabei, daß diese Art der Darstellung praktisch keinen Informati­ onsverlust gegenüber der herkömmlichen Darstellung gemäß Fig. 5 bedeutet.

Verfeinert man die zeitliche Auflösung, so wird die Kom­ primierung der Daten dadurch sichtbar, daß das Seismo­ gramm Lücken aufweist. In Fig. 7 ist eine stark verfei­ nerte zeitliche Auflösung zur Darstellung der Einhüllenden mit Hilfe der Maximalamplituden-Information angegeben. Es werden also hier die in Fig. 6 dargestellten Daten mit deutlich größerer Auflösung dargestellt. Das Zeitfenster beträgt nur noch ca. 10 Minuten.

In Fig. 8 ist eine Darstellung der vollständigen Wellen­ formen mit entsprechend verfeinerter zeitlicher Auflösung angegeben. Der Vergleich mit Fig. 7 zeigt, daß trotz der dort vorhandenen Lücken dennoch eine aussagekräftige Grob- Sichtung möglich ist.

In Fig. 9 ist ein sogenannter Monitorschrieb dargestellt, der traditionell in der Seismologie als ungetriggerter Dauerschrieb zu Überwachungszwecken aufgezeichnet wird. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Monitorschrieb, bei dem eine Anzahl von N = 50 Abtastwerten pro Datenblock zur Ermittlung der Ma­ ximalamplitude aus den jeweils N Abtastwerten verwendet worden ist. Die Werte der Maximalamplituden wurden separat abgespeichert. Durch die getrennte Abspeicherung ist es möglich, die Monitor-Daten in regelmäßigen Abständen ge­ sondert zu übertragen. Bei geeigneter Darstellung auf dem Rechner ist mit diesen Daten eine sehr gute Annäherung an das Erscheinungsbild eines analogen Monitorschriebs möglich. In Fig. 9 ist mit diesem erfindungsgemäßen Ver­ fahren ein Zeitraum von 10 Stunden auf einer einzigen Sei­ te aufgezeichnet.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können abgewandelt und auch verfeinert werden. Insbesondere können weitere Kenngrößen zur Charakterisierung der Daten ermittelt und aufgezeichnet werden. Weitere Kenngrößen, die zu einer noch besseren Annäherung führen können sind:

• - Die Energiesumme der in einem Datenblock enthaltenen Abtastwerte.
• - Der Index desjenigen Datenwertes innerhalb des Datenblocks, der die Maximalamplitude aufweist.

Claims (4)

1. Meßverfahren zur komprimierten grafischen Darstellung von digital registrierten seismologischen Daten, hervorge­ rufen durch natürliche oder künstlich erzeugte Erderschütterungen, bei dem die Amplitudenwerte von er­ schütterungsbedingten Ereignissen mittels eines Magnet­ bandspeichers oder eines anderen Speichermediums über ei­ nen großen Zeitraum aufgezeichnet werden, wobei die inner­ halb einzelner Zeitabschitte ermittelten Daten Datenblöcke bilden, dadurch gekennzeich­ net, daß aus innerhalb eines Datenblocks vorhandenen N Abtastwerten die Maximalamplitude (ABSMAX), die Energie­ summe oder eine sonstige datenblockspezifische Kenngröße abgeleitet wird, daß die Kenngrößen mehrerer aufeinander­ folgender Datenblöcke in einem Kenngrößenspeicher (7) ab­ gelegt werden und aus diesem zur komprimierten grafischen Darstellung ausgelesen und zur Anzeige gebracht werden.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur visuellen Darstellung mittels Drucker (2), Plotter oder dergleichen jeder Daten­ block die Daten zu N Abtastwerten (X(i)) enthält, wobei 400<N<600 gilt und vorzugsweise N = 500 ist.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Monitor­ schriebs N<100, vorzugsweise N = 50 ist.

4. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kenngrößen pro Datenblock aus N Abtastwerten ermittelt und gespeichert werden.