一种基于强震动PGV的震级快速估算方法、系统及终端

本发明属于信息技术服务，尤其涉及一种基于强震动pgv的震级快速估算方法、系统及终端。

背景技术：

1、地震预警(earthquake early warning，eew)是地震发生后，快速地获取地震的震中、震级以及发震时刻，在监测到速度快、破坏性小的纵波之后，在速度慢、破坏性大的横波和长周期表面波到达之前向公众发出警告。而震级估算作为eew算法研究的主要任务之一，是进行早期预警、震后灾害评估以及应急响应的基础。

2、高频全球卫星导航系统(high-rate global navigation satellite system，hr-gnss)能够获取高精度的地表形变信号，且具有记录量程不饱和优势，在大震震级快速估算研究中具有重要意义。其中，最常用的方法是基于gnss地面峰值信息的震级估算方法。然而，由于gnss采样率低，仪器噪声大，震级偏低时其获得的形变信号往往淹没在观测噪声之中，且目前gnss台站分布较为稀疏，影响了震级估算的精度与时效性。

3、强震动观测手段相比于gnss手段，具有采样率高、噪声低、台站分布密集等优势。当前，常用的强震动震级估算的方法中，利用p波到时信息确定震级时效性较高，被广泛应用于地震预警系统。但是该方法获得的震级会受到饱和效应的影响而造成大震被低估。矩震级估计方法与震源的破裂特征关联密切，具有明确的物理意义，但是确定该震级需要断层破裂的范围以及断层面的滑动分布，而在地震发生时该信息无法精确获取，所以一般用于事后震级计算。因此，有必要研究强震动记录在大震快速震级估算中的应用方法。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、(1)gnss采样率低，仪器噪声大，震级偏低时其获得的形变信号往往淹没在观测噪声之中，且目前gnss台站分布较为稀疏，影响了震级估算的精度与时效性；

6、(2)矩震级估计需要地震的断层破裂的范围以及断层面的滑动分布，在地震发生时该信息无法精确获取，所以一般用于事后震级计算。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于强震动pgv的震级快速估算方法、系统及终端。

2、本发明是这样实现的，一种基于强震动pgv的震级快速估算方法，基于强震动pgv的震级快速估算方法包括：构建了全球范围内23次震级处于6.0至9.0之间的地震事件的强震动加速度数据集，并将加速度记录的时程方向、记录量纲与文件格式进行了统一处理，利用高通滤波方法对加速度记录进行预处理，积分获取速度后提取三维pgv，进而构建了强震动pgv震级模型。

3、进一步，基于强震动pgv的震级快速估算方法包括以下步骤：

4、步骤一，构建强震动加速度数据集，对强震动加速度记录的时程方向、记录量纲与文件格式进行统一处理；

5、步骤二，数据预处理，为了获取更为准确的强震动pgv，对全部加速度记录进行了数据预处理；

6、步骤三，积分获取速度时程，提取三维pgv，构建强震动pgv震级模型；

7、步骤五，对模型进行评估；

8、步骤六，对模型进行验证；选取了未参与建模的地震事件进行实验验证，计算mpgv。

9、进一步，所述步骤一对强震动加速度记录的时程方向、记录量纲与文件格式进行统一处理；每站数据划分东西(ew)、南北(ns)和竖直(ud)3个方向，单位统一为cm/s2，转化为专用于数字地震波形数据交换的sac(seismic analysis code)文件格式。

10、进一步，所述步骤二中，为了获取更为准确的强震动pgv，对全部加速度记录进行了数据预处理；首先通过去除各事件发震前5s加速度记录的平均值进行简单的零偏校正；然后使用截止频率为0.02hz的高通滤波进行了基线偏差校正。

11、进一步，所述步骤三中提取三维pgv，构建强震动pgv震级模型公式如下所示：

12、log10(pgvsm)＝a+b*mw+c*mw*log10(d)；

13、式中，pgvsm为高通滤波后的强震动速度时程中提取的每个台站的三维pgv，表达式为：

14、

15、由于每个事件可用的台站数目有明显的差异，为了防止有更多pgv的事件主导系数回归，使用每个事件全部pgv的l2范数的倒数进行加权，如下所示：

16、

17、式中，wk为权函数，‖pgvk‖2为每个事件全部pgv的l2范数；加权方案可以平衡每个事件的pgv在回归分析中的贡献度。

18、进一步，所述步骤四应用权重进行加权最小二乘回归，以估计系数a、b和c；得到准确的回归系数后，可得到基于强震动pgv的震级估算公式：

19、

20、式中，mpgv为强震动pgv震级。

21、进一步，所述步骤五为了评估所构建的强震动pgv震级模型的精度，统计pgv观测值与回归得到的pgv预测值的十进对数差值，称为pgv残差，化简得到以下表达式：

22、

23、式中，δ为pgv残差，obs为pgv观测值，pred为pgv预测值。

24、进一步，所述步骤六选取了未参与建模的地震事件进行实验验证，计算mpgv；以美国地质调查局发布的矩震级mw为参考值，验证了震级模型的可靠性。

25、本发明的另一目的在于提供一种应用所述的基于强震动pgv的震级快速估算方法的基于强震动pgv的震级快速估算系统，基于强震动pgv的震级快速估算系统包括：

26、数据采集与处理模块：收集强震动加速度记录数据，并对数据进行预处理，包括时程方向、记录量纲与文件格式的统一处理；将数据划分为东西(ew)、南北(ns)和竖直(ud)3个方向，单位统一为cm/s2，并转化为sac文件格式；

27、数据预处理模块：对全部加速度记录进行数据预处理，包括零偏校正和基线偏差校正；首先去除各事件发震前5s加速度记录的平均值进行零偏校正，然后使用截止频率为0.02hz的高通滤波进行基线偏差校正；

28、速度时程与pgv提取模块：对预处理后的加速度记录进行积分，获取速度时程；提取三维pgv，并构建强震动pgv震级模型；

29、震级模型构建模块：根据加权最小二乘回归方法，拟合回归系数，构建基于强震动pgv的震级估算模型；

30、模型评估模块：统计pgv观测值与回归得到的pgv预测值的十进对数差值，称为pgv残差；评估所构建的强震动pgv震级模型的精度；

31、模型验证模块：选取未参与建模的地震事件进行实验验证，计算mpgv；以美国地质调查局发布的矩震级mw为参考值，验证震级模型的可靠性；

32、结果展示与存储模块：将震级估算结果以图表、文字形式展示给用户，并将数据和结果存储在数据库中，以便进行后续的数据分析和模型优化。

33、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的基于强震动pgv的震级快速估算系统。

34、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

35、第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

36、(1)本发明利用强震动pgv实现快速估算地震震级的方法，可解决传统利用强震动位移估算震级的方法获得的震级会受到饱和效应的影响而造成大震被低估的问题。

37、(2)本发明利用强震动pgv实现快速估算地震震级的方法，利用一次积分得到的速度时程，避免了二次积分到位移时程误差累积造成基线偏差较大，基线偏差校正后峰值位移信息偏低，从而导致震级被低估的问题。

38、(3)本发明利用强震动pgv实现快速估算地震震级的方法，能够对强震动记录进行实时解算，从而实现基于强震动观测手段的大震震级实时快速估算。

39、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

40、本发明利用基线偏差校正后的强震动速度时程，提取三维pgv，构建强震动pgv震级模型，实现了基于强震动观测手段的大震震级实时快速估算，且不受饱和效应的影响，为地震快速预警与震后应急响应提供技术支撑。