实时地球物理学使用 Linux
无论是寻找黄金或石油，还是评估场地的地质灾害，地球物理学都是一项高风险的业务。地球物理勘探涉及通过使用地震仪、重力仪和磁力仪等仪器在地表进行测量，从而更多地了解地球内部。在西南研究院，我们的地质学家和地球物理学家团队在全球范围内工作，使用地球物理技术评估火山灾害（图 1）。
我们发现 Linux 提供了一个强大、低成本的系统，用于实时可视化和处理磁力仪数据。这种实时数据处理/可视化系统的应用使我们能够创建更好的地球物理地图，用于火山灾害评估。这项技术说明了 Linux 应用程序在各种地球物理勘测中的潜力。
我们的磁测绘系统由三个组件组成：移动仪器平台、GPS 基站和实时可视化 (R-T-V) 基站（图 2）。
常规仪器平台包括一人携带的铯蒸气磁力仪和另一人携带的 GPS 和遥测设备（图 3），但也可能有其他选择。我们通过将这些仪器固定在山地自行车上并在勘测区域内骑行，制作了磁异常图（图 4）。目前，我们计划将仪器安装在无人机 (UAV) 上，以在低空进行勘测飞行（图 5）。勘测设计的这种灵活性成为可能，因为所有数据处理、数据存储和数据监控任务都可以在 R-T-V 基站处理。
地球磁场中的异常是由地球地表下岩石磁性变化产生的。磁法勘测是绘制地表下火山岩的特别好的方法，因为这些岩石具有很强的磁性。创建磁异常图有助于定位在地表地质中看不到的埋藏火山和火山侵入体（图 6）。因此，精确的磁测绘是确定区域火山历史的关键步骤，作为火山灾害分析的一部分。
一种称为磁力仪的地球物理仪器用于收集生成磁异常图所需的数据。磁力仪测量地球磁场强度的小变化。地球物理勘测队将磁力仪运送到研究区域，同时不断进行磁测量。在我们的勘测中，勘测队还携带全球定位系统 (GPS) 来跟踪这些测量位置。磁数据和 GPS 数据通过无线电遥测到基站，在该基站中，运行在 Linux 操作系统下的软件用于可视化收集到的磁数据。该基站还监控磁力仪的位置，然后处理和存储这些数据。通过实时可视化，勘测队可以快速了解正在绘制的磁异常。使用这些信息，勘测团队可以将时间和精力集中在绘制揭示地下地质重要细节的区域。因此，磁测量的实时可视化可以极大地促进地球物理学中固有的搜索和发现过程。
铯蒸气磁力仪非常灵敏，能够测量地球磁场强度百万分之一的变化。这种磁力仪可以以非常高的速率进行采样，1Hz 到 50Hz。如此高的数据收集速率很有用，因为我们将磁力仪与实时动态差分 GPS 连接，该 GPS 能够每秒确定移动仪器平台的位置，精度在几厘米以内。这种高精度是通过使用固定 GPS 基站向移动勘测队携带的 GPS 无线电遥测位置校正来实现的（图 7）。当磁力仪的数据收集设施存储来自两种仪器的数据时，磁读数与 GPS 位置读数交错。
简单性和可靠性是 R-T-V 基站的重要元素。从物理上讲，基站由一个 9600 波特、2 瓦的无线电调制解调器组成，通过串行端口连接到一台运行 Linux 的、配备 24MB RAM 的 166MHz 笔记本电脑。计算机和无线电都由 12 伏电池供电。无线电需要天线以提供视线通信，有时通过中继器增强，与移动勘测队的无线电通信。R-T-V 基站程序等待串行端口的数据，并选择仅由磁力仪和发射机无线电适当标记的数据字符串进行可视化和处理。未标记或无法识别的传输将被丢弃。
编程了许多事件，以便在数据到达 R-T-V 基站时发生
GPS 射频数据传输与相应的磁力仪射频数据传输相关联。此步骤涉及 GPS 数据的插值，以计算磁力仪传感器的确切位置。
实际的现场传输被记录到一个文件中，并且可以通过笔记本电脑显示器上的“聊天”（文本）窗口查看。
使用国际地磁参考场校正消除磁读数的区域效应，并且这些值显示在可缩放的条形图上，显示磁值随时间的变化。
勘测队的位置从纬度和经度转换而来，并使用通用横轴墨卡托 (UTM) 地图投影在可缩放的二维地图上绘制为 x-y 坐标。这些应用的数据校正简化了勘测队的数据解释和地图生成任务。
最后，转换后的数据被保存到磁盘。
XForms，一个基于 Xlib 的图形用户界面 (GUI) 工具包，用于 X 窗口系统，被选为可视化的 GUI 构建器。使用 XForms 的条形图对象和二维绘图对象促进了程序的快速开发。WYSIWYG（所见即所得）交互式表单设计器使得可视化构建显示器的每个布局成为可能（图 8 和 9）。定时回调例程指定何时检查串行端口的数据。鼠标事件在串行端口读取之间处理。这允许同时进行屏幕更新和 GUI 控制，用户不会感觉到明显的延迟。在勘测期间，磁力仪的磁读数失败通过停止更新条形图显示来指示，无效的 GPS 位置通过二维位置地图上的颜色变化来指示。
R-T-V 基站的使用减轻了地球物理勘测中经常伴随的许多困难。在使用 R-T-V 基站之前，我们的勘测依赖于从磁力仪下载保存的磁-GPS 数据，以便稍后进行后处理和地图生成。后处理在从野外回家后最多需要一个月的时间，才能实现磁图并评估收集数据的质量。有时，最有趣的磁异常就在勘测区域几米之外，但在后处理几周后才能知道这一点。在沙漠和其他荒凉环境中使用电池和多条电缆连接时，设备和电源故障仍然令人沮丧。实时监控允许整个团队快速诊断问题，而不仅仅是 struggle 完成勘测的一两个团队成员。如果勘测员对设备经验不足、勘测条件崎岖或设备恰好安装在 UAV 或自行车上，这一点尤其重要。例如，一个常见的问题是从 GPS 基站丢失差分校正传输。当发生这种情况时，移动 GPS 接收器无法计算准确的位置，并且未精确定位的磁读数是无用的。这种情况通常对勘测队的移动部分不明显。在 R-T-V 基站，我们专门监控差分 GPS 质量，并在出现问题时立即提醒移动团队。
在实践中，我们的 Linux 系统能够流畅地读取射频传输，处理数据并将其馈送到显示器，并以无缝流程写入数据文件。甚至可以在实时处理正在进行时切换到另一个虚拟桌面并执行各种编辑或文件管理任务。切换回实时显示同样流畅。我们对 R-T-V 系统的性能非常满意。它的许多成功可归因于 Linux 操作系统的稳定性。未来的增强功能包括同时可视化多个勘测、在位置地图上添加颜色编码的符号以指示磁值、加载以前的勘测信息、对数据执行实时磁漂移校正以及处理来自其他地球物理仪器的传输。
Laura Connor 目前正在圣安东尼奥的德克萨斯大学攻读计算机科学硕士学位。Laura 的合作愿望和 Chuck 对创新的兴趣激发了 R-T-V 基站的开发。合作之所以成功，是因为他们渴望走在前沿，并且渴望让事情成功。
Chuck Connor 是西南研究院的高级研究科学家，他在伊利诺伊大学厄巴纳分校获得地质学学士学位，并在新罕布什尔州达特茅斯学院获得硕士和博士学位。可以通过电子邮件 cconnor@swri.edu 与他联系。
