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基于多台站高频GPS的地震预警优化算法研究

张文浩 尹玲 胡文博

张文浩, 尹玲, 胡文博. 基于多台站高频GPS的地震预警优化算法研究[J]. 全球定位系统, 2022, 47(3): 56-64. doi: 10.12265/j.gnss.2021120205
引用本文: 张文浩, 尹玲, 胡文博. 基于多台站高频GPS的地震预警优化算法研究[J]. 全球定位系统, 2022, 47(3): 56-64. doi: 10.12265/j.gnss.2021120205
ZHANG Wenhao, YIN Ling, HU Wenbo. Optimization algorithm of earthquake early warning based on multi-station high frequency GPS[J]. GNSS World of China, 2022, 47(3): 56-64. doi: 10.12265/j.gnss.2021120205
Citation: ZHANG Wenhao, YIN Ling, HU Wenbo. Optimization algorithm of earthquake early warning based on multi-station high frequency GPS[J]. GNSS World of China, 2022, 47(3): 56-64. doi: 10.12265/j.gnss.2021120205

基于多台站高频GPS的地震预警优化算法研究

doi: 10.12265/j.gnss.2021120205
基金项目: 中国地震局地质研究所博士后项目“基于深度学习的震级综合快速判定研究”;国家自然科学基金委员会青年基金(61802251)
详细信息
    作者简介:

    张文浩:(1996—),男,硕士,研究方向为深度学习和时间序列分析

    尹玲:(1986—),女,博士,讲师,研究方向为时间序列分析与预测和模型驱动式软件开发

    胡文博:(1984—),男,博士,研究方向为深度学习

    通信作者:

    尹玲 E-mail: lyin@sues.edu.cn

  • 中图分类号: P228.49

Optimization algorithm of earthquake early warning based on multi-station high frequency GPS

  • 摘要: 随着精密定位技术的发展,高频GPS已能够精确记录地表位移数据,研究高频GPS能为地震预警工作做出一定补充. 针对目前地震预警中单站预警误报率高的问题引入深度学习技术,利用长短期记忆网络(LSTM)联合周边区域台站对单台站进行预警以达到减少误报的目的. 首先通过对新西兰南部地区1 Hz高频GPS数据进行解算得到多个台站无震时间序列,再利用该数据训练网络得到融合区域特征的高精度模型. 该模型可以对无震时间序列进行预测并动态制定阈值区间,当实际观测值超出置信区间则判定异常. 通过与传统短时窗平均/长时窗平均算法(STA/LTA)及未融合区域特征的单站模型进行对比,结果表明:融合区域特征的单站模型可有效减少误报,在多个台站的无震长序列上较传统方法表现优异,具有一定的应用价值.

     

  • 图  1  LSTM单元结构图

    图  2  LSTM时间序列预测框架

    图  3  LSTM模型计算流程图

    图  4  LSTM网络模型Loss值变化曲线

    图  5  YALD台站预测图

    图  6  MRBL台站预测图

    图  7  MRBL台站地震检出

    图  8  WITH台站地震检出

    图  9  WEST台站地震检出

    图  10  引入区域信息模型无震序列误报检测

    图  11  STA/LTA检出结果

    图  12  未引入区域信息模型无震序列误报检测

    表  1  高频GPS台站信息表

    台站经度/(°)纬度/(°)震中距/km
    MRBL172.7752–42.6618 24.665
    WITH173.9843–41.5606149.984
    WEST171.8062–41.7447150.339
    下载: 导出CSV

    表  2  不同batch size对结果的影响

    batch size0.0001精度迭代次数单次迭代时间消耗/s
    161190~93
    321323~25
    1282010~12
    下载: 导出CSV

    表  3  不同方法检测所用时间及误报数

    方法台站误报数所用时间/ms
    MRBLWITHWESTHANMKAIKLKTA
    本文模型
    (引入区域特征)
    00100031.71
    单台站模型
    (未引入区域特征)
    12221123.59
    STA/LTA945544 0.73
    下载: 导出CSV

    表  4  网络架构及参数表

    方法GPS台站 网络架构优化算法依赖时间/sbatch sizeRMSE
    本文模型
    (引入区域特征)
    MRBL
    WITH
    WEST
    LSTM : 128
    Dropout : 0.2
    Dense : 1
    Linear Activation
    Adam30640.002 989
    0.003 018
    0.003 056
    单台站模型
    (未引入区域特征)
    MRBL
    WITH
    WEST
    LSTM : 64
    Dropout : 0.5
    LSTM : 32
    Dropout : 0.5
    Dense : 1
    Linear Activation
    Adam301280.003 258
    0.003 345
    0.003 261
    下载: 导出CSV
  • [1] 张红才, 金星, 李军, 等. 地震预警震级计算方法研究综述[J]. 地球物理学进展, 2012, 27(2): 464-474. DOI: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.02.009
    [2] 单新建, 尹昊, 刘晓东, 等. 高频GNSS实时地震学与地震预警研究现状[J]. 地球物理学报, 2019, 62(8): 3043-3052. DOI: 10.6038/cjg2019M0076
    [3] SATRIANO G, WU Y M, ZOLLO A, et al. Earthquake early warning: concepts, methods and physical grounds[J]. Soil dynamics and earthquake engineering, 2011, 31(2): 106-118. DOI: 10.1016/j.soildyn.2010.07.007
    [4] NAKAMURA Y. On the urgent earthquake detection and alarm system (UrEDAS)[C]//The 9th World Conference On Earthquake Engineering, 1988.
    [5] HORIUCHI S, NEGISHI H, ABE K, et al. An automatic processing system for broadcasting earthquake alarms[J]. Bulletin of the seismological society of America, 2005, 95(2): 708-718. DOI: 10.1785/0120030133
    [6] WU Y M, KANAMORI H. Experiment on an onsite early warning method for the Taiwan early warning system[J]. Bulletin of the seismological society of America, 2005, 95(1): 347-353. DOI: 10.1785/0120040097
    [7] 殷海涛, 刘希强, 甘卫军. 实时高频GPS在地震学中的应用研究[J]. 地震研究, 2013, 36(3): 330-336.
    [8] 尹昊, 单新建, 张迎峰, 等. 高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用[J]. 地球物理学报, 2018, 61(5): 1806-1816. DOI: 10.6038/cjg2018L0527
    [9] TONG C, KENNETT B. Automatic seismic event recognition and later phase identification for broadband seismograms[J]. Bulletin of the seismological society of America, 1996, 86(6): 1896-1909. DOI: 10.1785/BSSA0860061896
    [10] ZHANG H J, THURBER C, ROWE C A. Automatic P-wave arrival detection and picking with multiscale wavelet analysis for single-component recordings[J]. Bulletin of the seismological society of America, 2003, 93(5): 1904-1912. DOI: 10.1785/0120020241
    [11] 赵岳, KTAKANO K, 赵英萍,等. 一种识别宽频带震相的人工智能网络方法[J]. 世界地震译丛, 2001(4): 55-67.
    [12] 于子叶, 储日升, 盛敏汉. 深度神经网络拾取地震P和S波到时[J]. 地球物理学报, 2018, 61(12): 4873-4886. DOI: 10.6038/cjg2018L0725
    [13] 赵明, 陈石, DAVE YUEN. 基于深度学习卷积神经网络的地震波形自动分类与识别[J]. 地球物理学报, 2019, 62(1): 374-382. DOI: 10.6038/cjg2019M0151
    [14] SAK H, SENIOR A, BEAUFAYS F. Long short-term memory recurrent neural network architectures for large scale acoustic modeling[J]. Computer science, 2014. DOI: 10.48550/arXiv.1402.1128
    [15] 赵桂儒, 杨天青, 徐平, 等. 小区域GPS形变监测网GAMIT数据处理结果与IGS站选取的关系探讨[J]. 地震地磁观测与研究, 2006, 27(5): 103-106. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2006.05.019
    [16] GRAVES A. Supervised sequence labelling with recurrent neural networks[J]. Studies in computational intelligence, 2012(385). DOI: 10.1007/978-3-642-24797-2
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-02
  • 网络出版日期:  2022-06-08

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