Raspberry Shake - 用 Raspberry Pi 與 Python 偵測地震和監控地球活動

這是我們在 PyCon Taiwan 2025 的分享，主要介紹 Raspberry Shake 地震盒子專案 。
https://tw.pycon.org/2025/zh-hant/conference/talk/331

Raspberry Shake 是一個開源的科學專案，一般使用者可以隨插即用，或是給學校與科學人士做二次開發。

本次分享會說明：
* 震動量測介紹
* 什麼是 Raspberry Shake?
* 測量地震所需硬體
* Raspberry Shake 快速入門
* rsudp(Raspberry Shake UDP) 和 Python
* 未來專案方向

歡迎大家一起成為 shaker~

Transcript

1. Raspberry Shake - 用 Raspberry Pi 與 Python 偵測地震和監控地球活動 台灣樹莓派 <sosorry@piepie.com.tw> 2025/09/07 @PyCon Taiwan 2025
2. 姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享 CC (Creative Commons) 姓名標示 — 你必須給予 適當表彰、提供指向本授權 條款的連結，以及 指出（本作品的原始版本）是否已 被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以 任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。 非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使 用。 相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本 素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來 散布你的貢獻物。
3. 3 • Raspberry Pi 官方經銷商 • 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 關於我們
4. https://www.chinatimes.com/realtimenews/20200921001844-260402 1999 年 921 大地震 / 新莊博士的家
5. 2016 年美濃地震 / 台南維冠大樓倒塌 https://www.chinatimes.com/realtimenews/20211021003998-260410?chdtv
6. 台灣身處地震帶 https://zh-tw.facebook.com/CWBSC.TW/photos/a.661913573822084/5234667966546599/
7. • 地震的能量會透過地震波向外傳播出去 • 實體波分為 P 波和 S 波 • P 波介質振動方向與震波傳播方向平行 ( 速度快 ) • S 波介質振動方向與震波傳播方向垂直 ( 傷害大 ) 什麼是地震波？ https://www.ncree.org/safehome/ncr01/pc4_3.htm
8. • 114 年 8 月 27 日 21:11 中央氣象署地震中心發布地震報告 https://scweb.cwa.gov.tw/zh-tw/earthquake/details/2025082721110060119
9. • Geophone( 地震儀 / 地震檢波器 ) 是一種將地面 運動轉換為電壓的感測器 • 每次的電壓變化量視為一個 count, 數值和地面運 動量成比例 如何量測地震波 ? https://reurl.cc/rYkLzZ
10. • 震源 (hypocenter): 地震能量大量釋放處 • 震央 (epicenter): 震源在地表的投影點 震央和震源 https://scweb.cwa.gov.tw/en-us/Guidance/FAQdetail/179
11. • 需要多個站台 , 個別計算 P 波和 S 波的時間差 如何定位震央 ? https://www.mtu.edu/geo/community/seismology/learn/earthquake-epicenter/
12. • 初始震央位置為估計值 , 經過多次回合計算最佳解 • 實務上會由定位程式 ( 如 SeisComP) 和地球模型 ( 如 IASP91) 完成 再利用三角測量估計震央 / 震源位置 https://www.mtu.edu/geo/community/seismology/learn/earthquake-epicenter/
13. • 地震規模是描述地震大小的尺度 , 表示釋放的能量 • 常用震級 : 芮氏規模 ( 對數尺度 ) 如何計算地震規模 ? https://reurl.cc/gYl09V
14. • 震度 (Intensity) 是地面上所感受到的振動程度 • 地震儀的 raw 數值經儀器響應後轉為物理量 ( 速度 / 加速度 ) 如何計算地震震度 ( 級數 )? https://eew.earthquake.tw/?act=eew_detail&identifier=1140922
15. • 地震觀測網 https://gdms.cwa.gov.tw/network.php
16. 2023 年基泰大直 https://udn.com/news/story/123732/7432783
17. • 地球運動以某種方式影響著我們所有人 , 更嚴重的 運動越來越頻繁地出現在新聞中 • 這些運動不再僅限於天坑、山崩和地震等「自然」 運動。隨著採石場爆炸、核爆試驗、深井廢水注入 和水力壓裂 , 人為因素變得越來越明顯 • 我們需要「識震、堵震、阻震」 我們也想觀測看不見的振動
18. • 溫濕度 /PM2.5 等感測器資訊蒐集中心 PiM25 空氣盒子
19. • 可長時間測量溫濕度 , 風速 , 風向 , 雨量等氣象資訊 WeatherPi 微型氣象站
20. • SM-24 地震檢波感測器 , 可量測垂直的振動變化 • 2ms/24-bit 取樣 , 適合頻率 10Hz-240Hz 的應用 SM-24 Geophone https://core-electronics.com.au/guides/geophone-raspberry-pi/
21. 讀取 SM-24 資料 https://core-electronics.com.au/guides/geophone-raspberry-pi/
22. ShakePi 地震盒子
23. ShakePi 地震盒子 Geophone SM-24 PoE HAT Raspberry Pi 4 10 通道 32 位高精密 ADC 特製防水盒
24. 可視覺化垂直運動
25. 中央氣象署地震觀測站
26. 百萬等級測站 Geophone 地震儀
27. 高精度地震儀可量測低能量震波 Geophone 地震儀
28. • 偵測 10Hz 以上頻段的地震儀只能觀測局發地震 (Local earthquake) • 遠震 (Teleseism) 和 P/S 波 , 表面波等通常會在 0.1Hz~10Hz 之間 • 專業測站需使用高精度的寬頻地震儀 SM-24 硬體限制
30. • 2009 年在巴拿馬註冊 OSOP 公司 • 2016 年 Kickstarter 發起 Personal Seismograph 專案 • 2020 年成立 Raspberry Shake 公司 Raspberry Shake 歷史 https://www.kickstarter.com/projects/angelrodriguez/raspberry-shake-your-personal-seismograph
31. • 使用 Raspberry Pi 2 加 4.5 Hz Geophone 搭配 24-bits Digitizer, 可量測 50 英里內 2 級以上地震 Raspberry Shake 個人地震儀 和 USD$5 萬的 Nanometric Trillium Compact 比較有 99.9% 相似度 Nanometric Trillium Compact Raspberry Shake
32. • 即時監控 • 早期警報 • 教育 / 科普 • 整合 IoT • 長時間紀錄地震活動 Raspberry Shake 用途
33. • RS3D 使用三組 PS-4.5B(4.5Hz) Geophone • 可偵測三軸 N/E/Z 的 S 波和其他地震運動 • 毫秒級精度 , 每秒 100 次取樣率 • 搭配 Raspberry Pi 3 • 室內型為壓克力殼 • 室外型為防水盒 RS3D | 垂直與橫向運動地震儀 https://shop.raspberryshake.org/product/turnkey-iot-home-earth-monitor-rs-3d/
34. • 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/
35. David Braben Eben Upton Robert Mullins Alan Mycroft Pete Lomas Jack Lang Liz
36. • Raspberrypi.org 基金會所設計開發 • 公開的 datasheet & 線路圖 & 原始碼 • 以低價硬體 & 自由軟體刺激電腦科學教育 Raspberry Pi 是 ... https://community.element14.com/products/raspberry-pi/w/documents/27523
37. Raspberry Pi Family https://community.element14.com/products/raspberry-pi/w/documents/27523 最早量產 最多人使用
38. 累計銷售已經超過 5700 萬台 http://goo.gl/gRCNrf 2024/03
39. Raspberry Shake RS1D 流程圖 https://manual.raspberryshake.org/specifications.html
40. • {'EHZ', 1580372810.003, 16235, 16274, 16295, 16262, 16228, 16211, 16300, 16372, 16379, 16292, 16264, 16344, 16349, 16273, 16231, 16288, 16373, 16404, 16311, 16228, 16224, 16319, 16383, 16311, 16221} 讀取地震原始資料 (100Hz@0.25s) 感測器類型 / 方向 timestamp( 毫秒 ) ADC count
41. • SeedLink • 德國 GFZ 開發的即時資料傳輸協定 , 以 TCP 埠號 18000 傳送 miniSEED 格式波形資料 • 預設每 2 秒一筆 , 資料 512 Block, 適合即時監控 • FDSN • 全球性組織 , 定義以 HTTP 傳輸 miniSEED 格式 • 適合整段時間窗的資料下載 , 常用在事後比對 / 重播 和分析 常用地震資料傳輸方式
42. • 使用 ObsPy SeedLink Client 解開 miniSEED ObsPy 即時顯示地震資料
43. STA/LTA 找觸發 +AIC 定位 P 波
44. • Raspberry Shake User Datagram Protocol • 監測和視覺化地震資料的開源軟體 • # 需先安裝虛擬環境 • Miniconda3=32-bits/Miniforge3=64-bits • $ git clone https://github.com/raspishake/rsudp • $ cd rsudp • $ chmod +x unix-install-rsudp.sh • $ ./unix-install-rsudp.sh rsudp https://raspberryshake.org/rsudp-2-0-is-here/
45. rsudp 架構 https://raspishake.github.io/rsudp/theory.html
46. • (base)$ rs-client 單一通道原始值 (raw count)
47. 對每軸按時間 / 日繪圖 (helicorder) https://www.minimachines.net/actu/raspberry-shake-42782
48. 48 修改 rsudp_settings.json 改變設定 { • "settings": { "port": 8888, "station": "RD070", }, "plot": { "enabled": true, "spectrogram": false, "channels": ["EHZ"], "filter_waveform": false, "filter_spectrogram": false, "deconvolve": false, } }
49. • "filter_waveform": true, 單一通道原始值帶通濾波
50. • "filter_waveform": true, • "filter_spectrogram": true, 使用頻譜圖對照時序圖帶通濾波
51. 51 如果想計算地震規模需轉成物理量
52. RGI-HP20DX 地震儀響應曲線 https://manual.raspberryshake.org/metadata.html#metadata 振幅響應 相位響應
53. 地震儀自噪聲分析圖 (Self-Noise Plot) https://manual.raspberryshake.org/metadata.html#metadata 功率譜密度 訊號週期 NHNM NLNM
54. 三軸去響應 ( 響應匹配 ) 帶通濾波
55. • 修改 rsud/client.py • 403 # start additional modules here! • 404 ######################### • 405 print("# start additional modules here!") • 406 from rsudp.my_picker import MyPicker • 407 my_picker = MyPicker(q) • 408 my_picker.start() • 409 print("") • 410 ######################### • 在 rsudp 增加功能
56. • class MyPicker(threading.Thread): • def _ensure_trace(self, item): • s = item.decode("ascii") • epoch_str = rest[:k].strip() • • def _process_trace(self, tr: Trace): • nsta = max(1, int(self.sta_sec * fs)) • nlta = max(nsta+1, int(self.lta_sec * fs)) • aic = moving_average(aic, max(1, int(0.1 * fs))) • • def run(self): • while True: • self._process_trace(tr) 建立 my_picker.py 計算 AIC
57. • 視覺化 Raspberry Shake 地震資訊並推送到 App ShakeNet https://shakenet.raspberryshake.org/
58. • 一眼看清全球地震資訊 StationView https://stationview.raspberryshake.org/
59. • 可查看所有站台 / 所有通道 / 所有資料 DataView https://dataview.raspberryshake.org/#/AM/RD070/00/EHZ
60. Raspberry Shake FDSN https://raspberryshake.org/legacy-data/
61. 所有 Raspberry Shake 設定
62. 中央氣象署地震測報中心 / 早期地震預警系統 https://reurl.cc/bmxR2M
63. EEWS 功能方塊圖 https://reurl.cc/bmxR2M
64. 不同類型的震動 https://shop.raspberryshake.org/how-it-works/
65. Raspberry Shake 產品線 https://manual.raspberryshake.org/specifications.html
66. 應用案例一 : 大樓健康檢測 https://www.youtube.com/watch?v=4V-ERYbqKl4
67. 應用案例二 : 橋梁結構健康監測 https://reurl.cc/4N8gLL
68. 延伸專案 / 地震測報中心 LoRa 研究案
69. • 中央氣象署地震測報中心 , 提供實體技術諮詢 • Raspberry Shake, 提供完整線上手冊 感謝
70. 70 Let’s Get Shaking Thanks
71. • 第一個使用 Pi 偵測地震和「看不見的」運動的專案 Raspberry Shake https://www.kickstarter.com/projects/1158786437/raspberry-shake-4d-detect-earthquakes-and-invisibl
72. • 淺層地震 (<40km) 可用 P/S 波到時差迭代定位 • 需要將 raw 轉為訊號特徵增加準確度 • 多個站台需根據發震時間 / 經度 / 緯度 / 深度計算 如何定位震源 ?