基于卫星定位的地层空穴搜寻系统和方法技术领域
本发明涉及地震监测技术领域，具体涉及一种基于卫星定位的地层空穴搜寻系统
和方法。
背景技术
众所周知，地震是海洋扩张、造山运动、板块漂移所造成的，是地壳内部物质运动
的表现形式，是地层空穴湮灭引发岩浆喷发地下爆炸的能量释放。地震的形成与地质结构
中地层空穴的存在有着极大的关联性。
研究表明，在地质断裂带、板块缝合线和海底转换断层等处，由于板块漂移和地幔
柱的作用，板块岩石圈内部岩层与俯冲带(消亡带及贝尼奥夫带，和达—贝尼奥夫带等)发
生相撞，俯冲带反方向运动深潜入板块的莫霍面及软流层以下，在这一运动过程中，使板块
间的康拉德面和莫霍面之间产生了裂缝即空穴，称为地层空穴。
从耗散结构论来分析，地层空穴既无能量交换又无物质交换，是一个远离平衡态
的孤立系统。与此相反的是，软流层以下的岩浆所在的上地幔，处于正高压，与下地幔存在
能量交换和物质交换，是一个开放系统。只要地层空穴在地壳的原始基岩及软流层中找到
一丝缝隙，就会“击穿”软流层，引发地层空穴的爆炸，即地层空穴的湮灭，岩浆喷发，造成山
根动摇，山崩地裂，继而房屋倒塌，河流壅堵等地震灾害。
在古地质纪年中，古微板块的拼合几经反复，才形成现有的格局。另外，在历次造
山运动中，又形成地质断裂带、褶皱带及地质折冲带。微板块产生的微量位移是地层空穴的
标志。
由此可见，微板块之间相对位移所产生的地层空穴是地震的成因，若能够对区域
内所存在的地层空穴进行搜寻和定位，进而对其进行监控，能够在一定程度上减少地震所
带来的损失。
发明内容
本发明提供一种基于卫星定位的地层空穴搜寻系统和方法，其能够对地层空穴进
行搜寻和定位。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于卫星定位的地层空穴搜寻系统，包括监控中心站和至少一个微位移量地标
站；每个微位移量地标站安装在地表上；每个微位移量地标站内设有地标器；该地标器主要
由卫星导航接收模块、主控器、地标存储器和地标通信模块组成；卫星导航接收模块的输出
端与主控器的输入端连接；坐标存储器与主控器相连；主控器的输出端连接地标通信模块；
所有微位移量地标站规律地分布在所监控区域内，每个微位移量地标站的位置固定；监控
中心站包括监控通信模块、监控计算机和显示器；监控通信模块与地标通信模块连接；监控
通信模块的输出端连接监控计算机的输入端；监控计算机的输出端连接显示器。
上述方案中，所有微位移量地标站在监控区域内呈矩阵式分布。
上述方案中，微位移量地标站在监控区域内的分布与地球的经纬度相关。
上述方案中，微位移量地标站还进一步包括铁塔、太阳能光伏电池、避雷针和地下
避雷井；铁塔固定安装在地表上，避雷针安装在铁塔的顶端，地下避雷井安装在铁塔的下
方；太阳能光伏电池安装在铁塔上，且朝向太阳方向；地标器安装在铁塔上，且地标器与太
阳能光伏电池相连。
上述方案中，卫星导航接收模块为GPS卫星导航接收模块、GLONASS卫星导航接收
模块、北斗卫星导航接收模块和/或伽利略导航接收模块。
上述系统所实现的基于卫星定位的地层空穴搜寻方法，包括如下步骤：
步骤1、地标存储器的内部存储有微位移量地标站在安装时的原始坐标(x0，y0)；
步骤2、微位移量地标站的卫星导航接收模块接收卫星信号，并进行定位解算后获
得微位移量地标站的当前坐标(x1，y1)；
步骤3、微位移量地标站的主控器根据位移公式，计算当前坐标(x1，y1)相对于原始
坐标(x0，y0)的坐标偏移值z，即
步骤4、微位移量地标站的主控器将当前坐标(x1，y1)与原始坐标(x0，y0)进行比较
后，得出坐标偏移象限，即
当x1≥x0，且y1＞y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅰ象限；
当x1＜x0，且y1≥y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅱ象限；
当x1≤x0，且y1＜y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅲ象限；
当x1＞x0，且y1≤y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅳ象限；
步骤5、微位移量地标站的地标通信模块将该微位移量地标站的坐标偏移值和坐
标偏移象限送至监控中心站的监控通信模块；
步骤6、监控中心站计算机将所有微位移量地标站的坐标偏移值和坐标偏移象限
送入监控中心站的显示器进行同屏显示；
步骤7、监控中心站的计算机根据微位移量地标站的坐标偏移值和坐标偏移象限
判断地层空穴的存在；即：
当2个相邻的微位移量地标站出现相对象限偏移，且这2个相邻的微位移量地标站
的坐标偏移值z均大于等于预定的坐标偏移门限时，则认定为这2个相邻的微位移量地标站
之间的区域为微板块的交界面且存在地层空穴。
上述步骤6中，当设定的时间周期为1个月时，其坐标偏移门限为4cm～5mm。
上述步骤6中，当设定的时间周期为1年时，其坐标偏移门限为5cm～6cm。
上述方法还进一步包括如下步骤：步骤8、微位移量地标站的主控器计算该微位移
量地标站的高度偏移值，并通过微位移量地标站的地标通信模块和监控中心站的监控通信
模块后送入监控中心站，监控中心站的计算机将高度偏移值与预定的高度偏移门限进行比
较，当高度偏移值超过的高度偏移门限时，监控中心站的显示器进行高度显示。
与现有技术相比，本发明利用全球卫星导航定位系统来监测地层空穴导致的地表
微位移量地标站的微位移，并通过计算机对所有微位移量地标站进行群显示，从而据此判
断地层空穴的存在。
附图说明
图1为基于卫星定位的地层空穴搜寻系统的原理框图。
图2为地标器的原理框图。
图3为微位移量地标站的示意图。
图4为地层空穴的示意图。
图5为地层空穴在监控中心的显示示意图。
具体实施方式
地球板块理论指出，微板块之间，俯冲带直插软流程岩浆，引起岩浆湍流，带动地
壳的地层一部分反向的运动，继而引发地层内部出现裂缝，造成康拉德面和莫霍面之间出
现地层空穴，地层之间位置的改变带动地表位置的改变，而引发地表出现反方向微位移的
现象。基于以上原理，搜寻并判识这种微位移现象，以此来确定地层空穴的位置，需要设计
一种基于卫星定位的地层空穴搜寻系统，该系统包括监控中心站和至少一个微位移量地标
站，每个微位移量地标站均与监控中心站连接。如图1所示。
每个微位移量地标站安装在地表上。每个微位移量地标站内设有地标器。该地标
器如图2所示，主要由卫星导航接收模块、主控器、地标存储器和地标通信模块组成。卫星导
航接收模块的输出端与主控器的输入端连接。坐标存储器与主控器相连。主控器的输出端
连接地标通信模块。地标存储器内存储有微位移量地标站的原始坐标。卫星导航接收模块
主要完成微位移量地标站的当前坐标的定位解算。主控器用于实现当前坐标相对于原始坐
标的偏移量。地标通信模块用于将微位移量地标站的偏移结果送至监控中心站，其可以是
基于以太网的通信模块、也可以是基于移动运营商的通信模块。
微位移量地标站可以仅由固定在地表上的地标器组成，也可以由地标器及其外部
的构件所组成。由于微位移量地标站为单纯的接收设备，微位移量地标站应避免与大型发
送设备(如无线中继设备)建在一起，避免干扰。微位移量地标站可以建在山丘、山峰、或屋
顶等没有遮挡处。为了能够防止雷击损坏，在本发明中，微位移量地标站还进一步包括铁
塔、太阳能光伏电池、避雷针和地下避雷井。参见图3。铁塔固定安装在地表上，其高度大约
为3-4米。避雷针安装在铁塔的顶端，由铜棒或扁铜引线构成。地下避雷井安装在铁塔的下
方，并深埋在地下，通过放置铁屑、工业盐、铜制过渡带与避雷针引线连接。太阳能光伏电池
安装在铁塔上，且朝向正南方向，太阳能光伏电池带有锂电池。地标器安装在铁塔上，且地
标器与太阳能光伏电池相连。这样不仅可以对地标器进行保护，防止其受到人为或自然环
境的干扰；而且可以通过太阳能进行长时间供电。卫星导航接收模块可以选择任一类型或
几种类型的卫星进行定位解算。对于目前来说，可以根据BDS(北斗)卫星、GPS卫星、GLONASS
卫星和/或伽利略卫星进行定位解算。在本发明优选实施例中，卫星导航接收模块同时采用
GPS卫星、GLONASS卫星、北斗卫星及欧盟伽利略这4种类型的卫星进行混合精确定位，依次
来提高微位移量地标站的定位精度。
为了能够对监控区域进行有效监测，所有微位移量地标站应呈一定规律分布在所
监控区域内。每个微位移量地标站所处的地表位置固定，其仅会跟随地表的移动发生坐标
偏移。由于测绘地图或军用地图多为东西横向与南北纵向分布，因此在本发明中，所有微位
移量地标站在监控区域内呈矩阵式分布，且微位移量地标站在监控区域内的分布以地球的
经纬度为划分。也就是说，在每个经度内均匀分布一定数量的微位移量地标站，并在每个纬
度内均匀分布一定数量的微位移量地标站。
监控中心站包括监控通信模块、监控计算机和显示器。监控通信模块与地标通信
模块连接，以实现接收各个微位移量地标站所返回的坐标偏移象限数据。监控通信模块的
输出端连接监控计算机的输入端，监控计算机的输出端连接显示器。监控计算机对所有微
位移量地标站返回的数据进行简单处理后，通过显示器显示出来。微位移量地标站的计算
和显示过程是一个偏移量的积分过程，需要通过每天计算巡回搜索和观察记录，经年累月，
微位移量地标站的变化和显示就会显现出来，逐步掌握地层空穴的生成特点和规律。
由于大地域范围内地表微位移量地标站的位置改变，能够在一定程度上反应地层
空穴的存在，因此微位移量地标站需要以量的概念提出，即微位移量地标站的群显变化直
接表示在分界面上存在地层空穴；即当某些微位移量地标站的批量出现一种坐标偏移象
限，而某些微位移量地标站的批量出现另一种相对的坐标偏移象限时，则代表在此分界面
上存在地层空穴。通过大范围的监测，可以尽可能地监测到地质活动带附近地表位移情况。
如北半球所处地理位置，决定所有山川湖泊相对北极而言都是右旋的，俯冲带运动的出现，
使得地表上的山川湖泊的漂移方向变化，即出现左旋。微位移量地标站出现左旋，则表明欧
亚大陆大板块的运动受到迟滞，地层内部出现裂缝，应引起重视。
上述地层空穴搜寻系统所实现的基于卫星定位的地层空穴搜寻方法，包括如下步
骤：
步骤1、地标存储器的内部存储有微位移量地标站在安装时的原始坐标(x0，y0)。
步骤2、微位移量地标站的卫星导航接收模块接收卫星信号，并进行定位解算后获
得微位移量地标站的当前坐标(x1，y1)。
步骤3、微位移量地标站的主控器根据位移公式，计算当前坐标(x1，y1)相对于原始
坐标(x0，y0)的坐标偏移值z，即
步骤4、微位移量地标站的主控器将当前坐标(x1，y1)与原始坐标(x0，y0)进行比较
后，得出坐标偏移象限，即
当x1≥x0，且y1＞y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅰ象限；
当x1＜x0，且y1≥y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅱ象限；
当x1≤x0，且y1＜y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅲ象限；
当x1＞x0，且y1≤y0时，则微位移量地标站偏移至第Ⅳ象限；
步骤5、微位移量地标站的地标通信模块将该微位移量地标站的坐标偏移值和坐
标偏移象限送至监控中心站的监控通信模块。
步骤6、监控中心站计算机将所有微位移量地标站的坐标偏移值和坐标偏移象限
送入监控中心站的显示器进行同屏显示；
步骤7、监控中心站的计算机根据微位移量地标站的坐标偏移值和坐标偏移象限
判断地层空穴的存在；即：
当2个相邻的微位移量地标站出现相对象限偏移，且这2个相邻的微位移量地标站
的坐标偏移值z均大于等于预定的坐标偏移门限时，则认定为这2个相邻的微位移量地标站
之间的区域为微板块的交界面且存在地层空穴。
在本发明优选实施例中，当设定的时间周期为1个月时，其坐标偏移门限为5mm。当
设定的时间周期为1年时，其坐标偏移门限为6cm。
由于俯冲带撕开莫霍面到康拉德面之间的距离是相等的，出现的缝隙是相同的，
因此微位移量的交界面也会出现各种曲线状态。为此，地层两侧组成共轭函数，即当一个微
位移量地标站的坐标偏移至第Ⅰ象限而另一个微位移量地标站的坐标偏移至第Ⅲ象限时，
认定这2个微位移量地标站出现相对象限偏移；或当一个微位移量地标站的坐标偏移至第
Ⅱ象限而另一个微位移量地标站的坐标偏移至第Ⅳ象限时，认定这2个微位移量地标站出
现相对象限偏移。
由于地质地貌的多样性，地层空穴也是具有多样性的，因此监控中心站的显示器
上的微位移量地标站所对对应的地层空穴会呈现I字型、U字型或C字型等分布。
如图4所示，当俯冲带往下运动深插上地幔的岩浆时，引起岩浆形成湍流，导致微
板块①产生逆向运动，导致在图5的交界面两侧的微位移量地标站位移发生集群式地相反
漂移方向的显示。在莫霍面(M面)和康拉德面(C面)已经拉裂了成米的距离，而克拉通地表
的山川、森林、土壤所具有的粘滞性弹性，只有数厘米的微动。只有通过微位移的显示来预
测地壳变换带来的灾难。
为了保证定位精度，所述坐标和计算均为毫米级精度，即坐标和计算均显示到小
数点后6位的微米级。
整个系统可以利用大数据、云计算和互联网技术，使设置在各处的微位移量地标
站形成为一张“地网”，能够显微知著、明察秋毫、使得任何地层的异动都在监测与掌控之
中，达到提前预见地震动态的目的。
步骤8、微位移量地标站的主控器计算该微位移量地标站的高度偏移值，并通过微
位移量地标站的地标通信模块和监控中心站的监控通信模块后送入监控中心站，监控中心
站的计算机将高度偏移值与预定的高度偏移门限进行比较，当高度偏移值超过的高度偏移
门限(如△h＝±5mm)时，监控中心站的显示器进行高度显示。