滁州前兆監(jiān)測(cè)小臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

陳錫晶　陳德興　陳昊　陳麗麗　張波

摘 要：目前，滁州市地震前兆監(jiān)測(cè)區(qū)域網(wǎng)共包括6個(gè)體應(yīng)變前兆臺(tái)、1個(gè)地傾斜前兆臺(tái)、2個(gè)電磁波前兆臺(tái)和1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心組成。結(jié)合當(dāng)前滁州地震工作的迫切需要，針對(duì)前兆數(shù)據(jù)的特性，采用新的研究方法和手段對(duì)地震前兆數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行探究，以期能夠更加清晰地認(rèn)知地震災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：滁州;前兆監(jiān)測(cè);數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

1 緒論

地震以其突然性、強(qiáng)烈性特點(diǎn)成為了遠(yuǎn)超旱災(zāi)、水災(zāi)、疫情的最大自然災(zāi)害之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)以來(lái)，地震災(zāi)害造成超過(guò)120萬(wàn)人死亡。近些年來(lái)，汶川、玉樹(shù)地震給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極為嚴(yán)重的影響。然而前兆數(shù)據(jù)分析手段不多，分析預(yù)報(bào)成功率不高是目前地震前兆數(shù)據(jù)分析處理的頑疾和難題。

2 研究基礎(chǔ)、研究方案及技術(shù)路線

2.1 研究基礎(chǔ)

隨著“十二五”建設(shè)的開(kāi)展，滁州市在原有基礎(chǔ)上增加了5處鉆孔觀測(cè)，其中滁州、嘉山、來(lái)安、全椒、鳳陽(yáng)、定遠(yuǎn)為體應(yīng)變觀測(cè)，天長(zhǎng)為地傾斜觀測(cè)。2011年11月，滁州市地震臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)項(xiàng)目建成投入使用，到2014年12月，明光市地震前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)的建成投入使用，標(biāo)志著全市地震前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)站全部建成。2016年，在鉆孔體應(yīng)變區(qū)域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，成立了滁州市地震監(jiān)測(cè)中心，構(gòu)建了完善的地震前兆監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。滁州市是全省最早實(shí)現(xiàn)前兆觀測(cè)做到了一縣一臺(tái)，前兆觀測(cè)特別是鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)已形成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，協(xié)同效應(yīng)明顯。各地震前兆臺(tái)站經(jīng)過(guò)多年的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和觀測(cè)，積累了大量的觀測(cè)資料，為開(kāi)展地震前兆數(shù)據(jù)異常分析提供了重要研究基礎(chǔ)。

2.2 研究方案及技術(shù)路線

以滁州地震局現(xiàn)有前兆觀測(cè)手段為研究基礎(chǔ)，利用多分辨率異常識(shí)別算法準(zhǔn)確識(shí)別包含在前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中的各類異常，并建立Hadoop平臺(tái)下的基于局部特征匹配算法發(fā)現(xiàn)海量前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中的各種異常模式，從而構(gòu)建針對(duì)地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中異常模式的準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)性的預(yù)警平臺(tái)。

基于上述研究?jī)?nèi)容，研究路線如圖所示：

針對(duì)技術(shù)路線，從滁州地震局目前已經(jīng)建有的前兆觀測(cè)手段出發(fā)，研究地震前兆異常數(shù)據(jù)的異常模式識(shí)別技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立地震預(yù)警平臺(tái)，主要包括以下三個(gè)方面：

2.2.1 多分辨率下地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)異常模式識(shí)別研究

針對(duì)現(xiàn)有地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾性因素多、空缺多、數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等因素等問(wèn)題，利用小波分析的方法，綜合數(shù)據(jù)的幅值和局部頻率信息，研究自動(dòng)識(shí)別前兆觀測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)異常模式的方法。具體而言，嘗試綜合不同尺度下的幅值和頻率指標(biāo)特征，借鑒歐氏空間中的鄰域搜索方法來(lái)識(shí)別異常模式。通過(guò)在模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)上的實(shí)驗(yàn)，提供對(duì)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)異常模式識(shí)別的準(zhǔn)確率。

2.2.2 基于局部特征匹配的地震前兆異常識(shí)別研究

針對(duì)現(xiàn)有地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)異常模塊識(shí)別方法中存在的計(jì)算復(fù)雜度高，效率較低的問(wèn)題，借鑒相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，利用經(jīng)典的SURF算法來(lái)提供前兆異常模式識(shí)別的效率，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）針對(duì)歷史數(shù)據(jù)，建立地震前兆數(shù)據(jù)的模板庫(kù);

（2）將地震臺(tái)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與歷史震例的模板地震前兆數(shù)據(jù)逐一匹配比對(duì)，以期發(fā)現(xiàn)前兆數(shù)據(jù)的異常變化;

（3）由于海量地震前兆數(shù)據(jù)的存在，研究建立Hadoop平臺(tái)下大規(guī)模海量數(shù)據(jù)異常模式識(shí)別方法，驗(yàn)證算法的有效性和適應(yīng)性。

2.2.3 地震預(yù)警平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述理論研究基礎(chǔ)上，研發(fā)基于地震前兆異常的預(yù)警平臺(tái)，在單點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，采用短信或微信方式及時(shí)向地震主管部門報(bào)告，以減少地震造成的損失，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。該平臺(tái)主要功能包括：

（1）滁州市所轄個(gè)臺(tái)站地震前兆數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形化處理;

（2）24小時(shí)不間斷地對(duì)前兆異常模式識(shí)別;

（3）當(dāng)多臺(tái)站同時(shí)出現(xiàn)異常，及時(shí)向相關(guān)部門發(fā)布消息，做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

3 結(jié)論與思考

地震前兆數(shù)據(jù)異常模式識(shí)別技術(shù)是地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的重要組成部分。然而，高采樣率的地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在著大量的噪聲和干擾性因素;對(duì)于同一地震事件相關(guān)的多臺(tái)觀測(cè)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在幅度的差異及偏移等情況。如何有效排除噪聲和干擾，在觀測(cè)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地識(shí)別各種異常模式，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究服務(wù)，是一項(xiàng)非常有意義的工作。

要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

（1）由于受到儀器自身原因和外界環(huán)境的干擾，地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在著大量噪聲，從而影響了異常模式識(shí)別的準(zhǔn)確性。如何排除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲影響，準(zhǔn)確根據(jù)前兆異常進(jìn)行地震前兆事件的判斷是要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一;

（2）地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)異常模式識(shí)別分析對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，如何能夠支持多種類型、不同地理區(qū)域、不同時(shí)間粒度的海量地震前兆數(shù)據(jù)的異常模式識(shí)別要求，是建立的預(yù)警平臺(tái)要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳紹春.地震預(yù)報(bào)中的數(shù)據(jù)挖掘方法研究[D].上海：上海大學(xué)出版社，2009.

[2]商亮，李爽，王征，等.基于MATLAB的前兆數(shù)據(jù)異常分析系統(tǒng)的研制[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2016，32（1）：85-90.

[3]梅莉軍.基于大數(shù)據(jù)挖掘的地震前兆觀測(cè)研究[J].科技與創(chuàng)新，2016，15（8）：15-16.

基金項(xiàng)目：安徽省地震局科研合同制項(xiàng)目（201801）資助

作者簡(jiǎn)介：陳錫晶（1984-），男，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。