滁州前兆监测小台网数据分析与应用

陈锡晶　陈德兴　陈昊　陈丽丽　张波

摘 要：目前，滁州市地震前兆监测区域网共包括6个体应变前兆台、1个地倾斜前兆台、2个电磁波前兆台和1个数据处理中心组成。结合当前滁州地震工作的迫切需要，针对前兆数据的特性，采用新的研究方法和手段对地震前兆数据的内在规律进行探究，以期能够更加清晰地认知地震灾害。

关键词：滁州;前兆监测;数据分析与应用

1 绪论

地震以其突然性、强烈性特点成为了远超旱灾、水灾、疫情的最大自然灾害之一，据不完全统计，上世纪以来，地震灾害造成超过120万人死亡。近些年来，汶川、玉树地震给国家和人民的生命财产安全带来极为严重的影响。然而前兆数据分析手段不多，分析预报成功率不高是目前地震前兆数据分析处理的顽疾和难题。

2 研究基础、研究方案及技术路线

2.1 研究基础

随着“十二五”建设的开展，滁州市在原有基础上增加了5处钻孔观测，其中滁州、嘉山、来安、全椒、凤阳、定远为体应变观测，天长为地倾斜观测。2011年11月，滁州市地震台钻孔体应变观测项目建成投入使用，到2014年12月，明光市地震前兆监测台的建成投入使用，标志着全市地震前兆监测台站全部建成。2016年，在钻孔体应变区域网的基础上，成立了滁州市地震监测中心，构建了完善的地震前兆监测网络。滁州市是全省最早实现前兆观测做到了一县一台，前兆观测特别是钻孔体应变观测已形成网络优势，协同效应明显。各地震前兆台站经过多年的基础设施建设和观测，积累了大量的观测资料，为开展地震前兆数据异常分析提供了重要研究基础。

2.2 研究方案及技术路线

以滁州地震局现有前兆观测手段为研究基础，利用多分辨率异常识别算法准确识别包含在前兆观测数据中的各类异常，并建立Hadoop平台下的基于局部特征匹配算法发现海量前兆观测数据中的各种异常模式，从而构建针对地震前兆观测数据中异常模式的准确、高效、实时性的预警平台。

基于上述研究内容，研究路线如图所示：

针对技术路线，从滁州地震局目前已经建有的前兆观测手段出发，研究地震前兆异常数据的异常模式识别技术，并在此基础上建立地震预警平台，主要包括以下三个方面：

2.2.1 多分辨率下地震前兆观测数据异常模式识别研究

针对现有地震前兆观测数据干扰性因素多、空缺多、数据质量不稳定等因素等问题，利用小波分析的方法，综合数据的幅值和局部频率信息，研究自动识别前兆观测时间序列数据异常模式的方法。具体而言，尝试综合不同尺度下的幅值和频率指标特征，借鉴欧氏空间中的邻域搜索方法来识别异常模式。通过在模拟数据和实际观测数据上的实验，提供对前兆观测数据异常模式识别的准确率。

2.2.2 基于局部特征匹配的地震前兆异常识别研究

针对现有地震前兆观测数据异常模块识别方法中存在的计算复杂度高，效率较低的问题，借鉴相关领域的研究成果，利用经典的SURF算法来提供前兆异常模式识别的效率，主要从以下几个方面进行研究：

（1）针对历史数据，建立地震前兆数据的模板库;

（2）将地震台站实时监测数据与历史震例的模板地震前兆数据逐一匹配比对，以期发现前兆数据的异常变化;

（3）由于海量地震前兆数据的存在，研究建立Hadoop平台下大规模海量数据异常模式识别方法，验证算法的有效性和适应性。

2.2.3 地震预警平台的设计与实现

在上述理论研究基础上，研发基于地震前兆异常的预警平台，在单点或多点同时出现异常时，采用短信或微信方式及时向地震主管部门报告，以减少地震造成的损失，维护社会稳定。该平台主要功能包括：

（1）滁州市所辖个台站地震前兆数据实时图形化处理;

（2）24小时不间断地对前兆异常模式识别;

（3）当多台站同时出现异常，及时向相关部门发布消息，做好应急准备。

3 结论与思考

地震前兆数据异常模式识别技术是地震前兆观测数据分析系统的重要组成部分。然而，高采样率的地震前兆观测数据中存在着大量的噪声和干扰性因素;对于同一地震事件相关的多台观测仪器的观测数据之间存在幅度的差异及偏移等情况。如何有效排除噪声和干扰，在观测数据中准确地识别各种异常模式，为地震监测预报和科学研究服务，是一项非常有意义的工作。

要解决的关键技术主要包括：

（1）由于受到仪器自身原因和外界环境的干扰，地震前兆观测数据中存在着大量噪声，从而影响了异常模式识别的准确性。如何排除观测数据中的噪声影响，准确根据前兆异常进行地震前兆事件的判断是要解决的关键技术之一;

（2）地震前兆觀测数据异常模式识别分析对实时性的要求很高，如何能够支持多种类型、不同地理区域、不同时间粒度的海量地震前兆数据的异常模式识别要求，是建立的预警平台要解决的关键技术之一。

参考文献：

[1]吴绍春.地震预报中的数据挖掘方法研究[D].上海：上海大学出版社，2009.

[2]商亮，李爽，王征，等.基于MATLAB的前兆数据异常分析系统的研制[J].防灾减灾学报，2016，32（1）：85-90.

[3]梅莉军.基于大数据挖掘的地震前兆观测研究[J].科技与创新，2016，15（8）：15-16.

基金项目：安徽省地震局科研合同制项目（201801）资助

作者简介：陈锡晶（1984-），男，工程师，主要从事地震监测预报。