面向空间电离扰动数据的强震规律统计分析

发布时间：2020-09-21 13:53

　　地球每年约发生500多万次地震,其直接导致及引发的次生灾害对全世界带来了极大的生命和财产损失。强震前兆识别始终是一个全球性的技术难题。强震前后电离层等离子体(含离子和电子)产生不同程度的异常。研究空间电离扰动数据的异常检测可以实现强震规律的识别,甚至可以在强震前夕预测震中的大致方位。诸多电离数据集中,使用最为广泛的是涵盖全球2004年6月至2010年12月间法国卫星DEMETER电离数据集。从第四范式的视角分析研究全球强震规律,提出了卫星半轨电离参数非对称性α_3和稳定性α_4的定量描述,确定了更易获得强震规律的最佳分析域,并提出一种震中邻近轨道识别方法。大部分强震识别研究将特定监测点或监测区域作为研究对象。然而,考虑到强震发生的偶然性,监测区域内的异常数据量仅占总数据量极小的一部分。数据量间的不平衡容易造成模型训练时的欠拟合。论文提出了震中邻近轨道和非震轨道的概念,以卫星半轨作为研究对象,有效降低了数据量间的不平衡性。另外,大量统计分析表明,卫星半轨电离参数的轨迹与震级强度和震中所在纬度有关。基于偏度和峰度的定义,提出了卫星半轨电离参数非对称性α_3和稳定性α_4的定量描述。使用t location-scale分布拟合各卫星半轨的定量指标3α和4α,针对8类电离参数拟合过程中出现的两类异常,结合实际案例分析解释了其产生的原因。根据Gutenberg-Richter定理发现强震导致的异常指标位于概率密度函数的双侧尾部,使用动态时间规整(DTW)距离确定一系列阈值划分尾部,以确定不同震级强震对应3α和4α在概率密度函数中的位置。通过3组实验确定了强震下的最佳分析域(震级大小、电离参数选择和区域划分边界确定)。在此最佳分析域内的电离参数对全球强震具有最大的表达效果,从中较容易分析得到强震规律。基于实验得到的强震最佳分析域,提出了一种面向强震分类的震中邻近轨道识别方法。由于震中区域的边界部分很难被归类为异常或普通数据,草率的划分很可能降低分类识别的准确率。论文将这部分边界数据作为非标签样本,引入使用核结合的安全半监督支持向量机(S4VMs),提高了震中邻近轨道的识别准确率。此外,利用纠错输出编码(ECOC)策略将原始多分类问题转化为一系列二分类问题,进一步降低了分类成本。三组实验表明,本方法在震中邻近轨道的识别时可以达到接近80%的真阳率(TPR)和1.5%的假阳率(FPR)。值得一提的是,当未标签半轨训练数量为已标签半轨数量的两倍时,模型可达到最高识别率,约为80%。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P315.728
【部分图文】：

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1.3.3 研究技术路线论文站在数据分析的视角，将计算机算法理论同数理统计相结合，针对全球强震和空间电离遥测数据特点展开探索研究。下图1.1给出了论文的研究技术路线示意图。图 1.1 研究技术路线示意图如图1.1中虚线框所示，论文主要研究内容根据强震规律研究和强震识别研究两部分展开。实验研究使用的数据主要来源于法国DEMETER卫星和美国地质勘测局（United StatesGeological Survey ， USGS ）全球地震目录[40]。其中SDA为逐步判别分析法（StepwiseDiscriminantAnalysis）缩写。具体研究内容将在下文第二、三、四章详细介绍和说明，此处不再赘述。1.3.4 研究可行性分析从研究领域背景角度分析：仅从2010年至今（2016年11月），以地震地磁学、地震预测和DEMETER卫星作为检索关键词的SCI文献就超过150篇，其中2014年后的文献就占据了65篇，可见该领域发展之快，关注学者之多，受到重视程度之高，具有较高的研究价值和探索意义。这些文献也为本课题积累了坚实了研究基础和技术支持

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GEOM_LAT 地磁纬度（geomagnetic latitude） /GEOM_LONG 地磁经度（geomagnetic） /H_DENSITY H+密度 IAPHE_DENSITY He+密度 IAPO_DENSITY O+密度 IAPTi 离子温度（ions temperature） IAPNe 电子密度（electron density） ISLNi 离子密度（ions density） ISLTe 电子温度（electron temperature） ISLPLASMA_POTENTIAL 等离子体电位 ISLDEMETER 卫星绕地公转一周形成的完整圆形轨迹称为一整条轨道（如轨道 NO.2001）。其中卫星自南向北运动的部分称为升轨部分，即表 2.1 中 SORB=1（如 NO.2001_1，下文将以此形式表示升轨轨道），此时卫星所处当地时间（Local Time，LT）的黑夜；卫星自北向南运动的部分称为降轨部分，即表 2.1 中 SORB=0，此时卫星所处当地时间的白天。图 2.1 给出了一条完整轨道的示意图。

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南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文2.5 半轨电离参数的非对称性和稳定性确定论文基本研究对象——卫星轨道后，本节将引入两个新的概念：半轨电离参数的非对称性和稳定性，用以描述不同半轨，尤其是震中邻近轨道和非震轨道间的共性和差异。2.5.1 半轨电离参数的非对称性定义 2.3（半轨电离参数的非对称性）对于指定半轨，沿卫星移动方向可以得到一系列有序的电离参数。此数列数值关于地磁南北半球的不对称程度，称为电离参数的非对称性（asymmetry of ionospheric data）。为帮助理解定义 2.3，图 2.2 结合 DEMETER 卫星半轨 NO.20639_1 和 NO.21019_1，给出了半轨电离参数非对称性的示意图和其图像描述。

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