【摘要】：人類(lèi)歷史上發(fā)生過(guò)多次破壞性地震,給人類(lèi)的生命、生產(chǎn)、生活造成了巨大損失,同時(shí)這些地震信息也是人類(lèi)認(rèn)識(shí)、研究、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)地震的寶貴歷史資料。模擬地震監(jiān)測(cè)的過(guò)程持續(xù)了70多年,涵蓋了我國(guó)大陸地區(qū)破壞性地震極其活躍的一段重要時(shí)期,是地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)的一段重要?dú)v史,其形成的模擬地震記錄是地球物理背景場(chǎng)分析、研究和預(yù)報(bào)地震的基礎(chǔ)性資料;同時(shí)國(guó)際上現(xiàn)存的多種地震目錄,包含了大量的地震能量輻射和震源機(jī)制解信息,蘊(yùn)含著豐富的地震時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系,這些關(guān)聯(lián)關(guān)系大多是事先未知的、隱含的、具有潛在價(jià)值的,期待著人們采用新方法、新技術(shù)去發(fā)掘其中隱含的重要規(guī)律,預(yù)測(cè)未來(lái)地震的發(fā)展趨勢(shì)�；谶@些歷史地震資料,研發(fā)相應(yīng)的數(shù)字圖像矢量化及數(shù)據(jù)挖掘算法,深入開(kāi)展有震數(shù)據(jù)的提取與分析,對(duì)地震監(jiān)測(cè)、研究、預(yù)報(bào)具有重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。采用單一的數(shù)字圖像處理算法來(lái)矢量化模擬地震記錄存在一定的局限性和片面性,需要基于大數(shù)據(jù)技術(shù),整合多種數(shù)字圖像處理及數(shù)據(jù)挖掘算法,研發(fā)一整套帶有分布式特點(diǎn)、抗噪性和魯棒性較強(qiáng)的矢量化算法和軟件。紙質(zhì)地震記錄柵格后含有大量的噪聲,結(jié)合多種數(shù)字圖像處理算法能夠有效去掉這些背景噪聲,提取出有用的波形;采用人工智能算法能夠快速、有效定位有震波形;基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)矢量化軟件,單位時(shí)間內(nèi)圖紙吞吐量更大,處理速度更快。本文以1991年承德地震臺(tái)產(chǎn)生的500余張模擬地震記錄圖紙為例,在充分研究國(guó)內(nèi)外各種圖紙矢量化技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了基于視景場(chǎng)分析的有震波形提取算法;基于改進(jìn)的K-Means算法設(shè)計(jì)了有震波形智能反演模型;設(shè)計(jì)了一整套模擬地震記錄矢量化技術(shù)方案,并使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)了相關(guān)的軟件。現(xiàn)階段針對(duì)地震目錄的數(shù)據(jù)挖掘研究,仍然偏重于地震參數(shù)之間的物理關(guān)系,忽視主、余震之間統(tǒng)計(jì)學(xué)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系,不符合大數(shù)據(jù)的技術(shù)特點(diǎn);相關(guān)的余震預(yù)測(cè)研究采用的地震目錄種類(lèi)、數(shù)量相對(duì)較少,時(shí)空范圍較小,樣本代表性不高,停留在局部數(shù)據(jù)的仿真階段,缺少系統(tǒng)的算法體系和成型的軟件系統(tǒng)。本文基于改進(jìn)的最小二乘法和分塊的支持向量機(jī)回歸算法建立主震震級(jí)、視應(yīng)力、地震矩、震源深度等參數(shù),與最大余震震級(jí)、時(shí)間、空間之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型;使用C#語(yǔ)言研發(fā)了一套基于地震目錄的全球最大余震預(yù)測(cè)軟件。具體研究成果如下:1、系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外各種模擬地震記錄矢量化與地震目錄數(shù)據(jù)挖掘方法,比較了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn),探討了該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。使用高精度工業(yè)掃描儀逐張掃描模擬地震記錄圖紙,對(duì)獲得的柵格化圖像采用人工、自動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行初步整理、分類(lèi)、標(biāo)注�；诿绹�(guó)國(guó)家地震信息中心(NEIC)發(fā)布的寬頻帶能量輻射地震目錄和哈佛大學(xué)發(fā)布的矩心矩張量(CMT)地震目錄,對(duì)1977年1月1日到2013年5月31日全球范圍內(nèi)發(fā)生的震級(jí)在5到9級(jí)之間的共46587個(gè)地震的數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)清洗和整理。2、設(shè)計(jì)了包含文件格式轉(zhuǎn)化、灰度化、二值化、人工擦除等可選算法的預(yù)處理模型,實(shí)現(xiàn)了柵格文件格式的統(tǒng)一(PNG格式)和初步去噪;設(shè)計(jì)了一套基于直線(xiàn)權(quán)值算法的平滑波形跟蹤算法,用于平滑波形剔除,實(shí)現(xiàn)了深度去噪;第一次提出了基視景場(chǎng)分析的地震波形跟蹤算法,實(shí)現(xiàn)地震記錄復(fù)雜波的矢量化,準(zhǔn)確性和魯棒性大為提高。3、基于線(xiàn)性數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)了波形記錄拼接模型,實(shí)現(xiàn)了波形曲線(xiàn)和時(shí)間的拼接;同時(shí)基于改進(jìn)的線(xiàn)性擬合算法和K-Means算法設(shè)計(jì)了地震波形反演模型,實(shí)現(xiàn)了有震波形的自動(dòng)定量提取和展示。4、基于Mongo數(shù)據(jù)庫(kù)搭建了模擬地震記錄及其矢量化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分發(fā)平臺(tái)模型,為地震科學(xué)工作者共享模擬地震記錄提供了新方法、新技術(shù)。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套模擬地震記錄矢量化軟件系統(tǒng),處理了承德臺(tái)10G左右的模擬地震記錄柵格影像,并分析了處理結(jié)果。5、對(duì)地震目錄中各種地震參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析;設(shè)計(jì)了主震類(lèi)型判斷,主、余震序列劃分等數(shù)學(xué)模型;基于分塊的SVR算法設(shè)計(jì)了一套主、余震關(guān)聯(lián)關(guān)系動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)模型;給出了基于交叉驗(yàn)證的余震預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度估計(jì)模型;編寫(xiě)了基于地震目錄的全球最大余震預(yù)測(cè)軟件,準(zhǔn)實(shí)時(shí)開(kāi)展了余震預(yù)測(cè)研究,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示軟件模型有較好的魯棒性,實(shí)用和推廣價(jià)值較大。
【圖文】：

圖 1.1 典型的 NS 方向模擬地震記錄由于模擬地震波形記錄數(shù)量大、種類(lèi)多，圖紙保存質(zhì)量參差不齊，，高精度數(shù)字化的難度、工作量均較大，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行此項(xiàng)研究的相對(duì)較少，目前國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者或機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一些有益工作。亞當(dāng)二世地震臺(tái)（Adam Dziewonski Observatory）位于美國(guó)橡樹(shù)嶺 (OakRidge, MA)，從屬于哈佛大學(xué)。它是全美最古老的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)之一，成立于 1933年。1972 后該臺(tái)站獲取的所有地震監(jiān)測(cè)記錄都是數(shù)字形式，并通過(guò) IRIS 在線(xiàn)發(fā)布。但是，早期的地震波形記錄沒(méi)有數(shù)字化（特指矢量化）甚至系統(tǒng)的歸檔。從2012 年開(kāi)始，哈佛大學(xué)投入了大量的人力、物力，開(kāi)展了相關(guān)模擬地震記錄電子存檔工作，該項(xiàng)工作被命名為哈佛大學(xué)地震波形歸檔計(jì)劃（HRV seismogramArchival Project）[1]。但遺憾的是該項(xiàng)計(jì)劃只是對(duì)模擬地震記錄圖紙做保護(hù)性的清洗，并拍成數(shù)字照片（柵格化），然后以數(shù)字圖像的形式存放并對(duì)外發(fā)布。這

模擬地震記錄存儲(chǔ)內(nèi)容包括：1、波形曲線(xiàn)，由地震記錄儀在紙張上繪制的地震波動(dòng)曲線(xiàn)，如圖2.1。2、記錄備注，將模擬地震記錄的上下紙時(shí)間、儀器型號(hào)、放大系數(shù)、對(duì)鐘時(shí)間、登記者姓名等內(nèi)容登記在圖紙的頭部，如圖 2.2。模擬地震波形記錄的數(shù)字化存儲(chǔ)就是將地震記錄保存為柵格影像，并將其矢量化的點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)到txt文檔中，兩者都以GridFs（大文件）形式存儲(chǔ)在Mongo數(shù)據(jù)庫(kù)中；將記錄（圖紙）頭部信息保存為二維表格，以關(guān)系表形式存儲(chǔ)在Mongo數(shù)據(jù)庫(kù)中；要求關(guān)系表中的一條記錄和一套（3個(gè)柵格影像，及3個(gè)矢量化文本文件，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)方向）地震波形一一對(duì)應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P315.73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2570975