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        HSDL:一種利用混合淺層和深度學習技術改進自動地震目錄的新方法

        《Computers & Geosciences》:HSDL: A novel and practical method to refine automatic earthquake catalog using hybrid shallow and deep learning

        【字體: 時間:2026年03月02日 來源:Computers & Geosciences 4.4

        編輯推薦:

          地震監測中假警報問題,提出混合淺層與深度學習(HSDL)方法,結合深度學習相位檢測器(EQCCT)與XGBoost分類器,通過物理特征(P/S picks數量、概率均值、S/P比等)實現高精度分類(200數據集100%準確,1500數據集F1>0.99)。

          
        Daniel Siervo
        德克薩斯大學奧斯汀分校經濟地質學系,University Station,Box X,奧斯汀,TX 78713-8924,美國

        摘要

        大多數地震檢測工作流程都基于優化的短期平均值/長期平均值(STA/LTA)比率,尤其是在站點分布稀疏且速度模型不準確的地區。隨著震級閾值的降低,以便進行更全面的地震分析,地震監測中每天都會出現更多的誤報。在這里,我們提出了一種高保真度的方法,稱為混合淺層和深度學習(HSDL),用于自動將優化后的STA/LTA工作流程檢測到的潛在地震分類為真陽性或假陽性。為了便于分類,我們利用了一種先進的深度學習相位選擇器——地震緊湊卷積變換器(EQCCT),它提供了多種分類特征。這些特征包括P波和S波檢測的數量、P波和S波概率的平均值、最小值、最大值和標準差,以及S波和P波檢測數量比。在一個包含200個真實地震和200個虛假地震波形的中等規模數據集上,隨機森林和XGBoost方法的準確率均達到了100%。在包含1500個事件的大型數據集上,隨機森林和XGBoost方法的精確度仍達到1.0,召回率超過0.99,F1分數超過0.99,其中XGBoost的準確率略高。我們還分析了特征的重要性,發現最大S波概率和S波和P波檢測數量比在分類中起著最關鍵的作用。所提出的方法提供了一種高效且有效的方法,利用優化的STA/LTA方法和現有的工具(如基于深度學習的相位選擇器和XGBoost)來微調自動地震目錄。

        引言

        地震監測對于檢測地震活動至關重要,從而減少潛在的地震相關自然災害(Hutton等人,2010年;Earle等人,2011年)。實時地震監測使得地震預警系統能夠在遠距離發生破壞性地震后立即發出警報,并在幾秒鐘內提供關鍵的信息(震源、震中位置、震級)。總體而言,地震監測有助于科學家更好地理解地震成核機制和板塊構造的趨勢。此外,地震監測還支持地震活躍地區的準備、減緩和應對破壞性震動危害,例如加利福尼亞沿海、日本、阿拉斯加和地中海地區。然而,精確的地震監測依賴于準確檢測關鍵地震相位(例如P波和S波),以便進行可靠的后續處理,包括關聯、定位、重新定位和地震活動的因果分析(Zhang等人,2019年)。
        短期平均值/長期平均值比率(STA/LTA)方法(Allen,1978年)長期以來一直是從三分量地震圖中檢測P波和S波到達時間的行業標準。為了應對噪聲問題和選擇權衡參數(例如檢測閾值)的不確定性,已經出現了多種STA/LTA的變體,包括優化的STA/LTA方法(Lomax等人,2012年;Zhang等人,2018年)。利用機器學習技術來輔助到達時間檢測也已經被研究了一段時間。Murat和Rudman(1992年)開發了最早的神經網絡相位選擇器之一,設計了一些基于物理的特征輸入神經網絡。這些特征包括:(1)半個周期的峰值幅度;(2)半個周期前后較長窗口(例如0.3秒)內的RMS幅度比;(3)附近跡線中較短窗口(例如0.06秒)內的RMS幅度;以及兩個連續半個周期的峰值幅度比。Zhao和Takano(1999年)針對寬帶地震數據提出了類似的方法,結合了較低的誤報率和較高的短期準確性。許多深度學習方法致力于提高地震監測性能。其中,PhasNet(Zhu和Beroza,2019年)是一種基于卷積神經網絡(CNN)的方法,SCALODEEP(Saad等人,2021年)是一種以P波為導向的CNN方法,EQTransformer(Mousavi等人,2020年)是一種基于變換器架構的方法,而EQCCT(Saad等人,2023年)是最新的基于緊湊卷積變換器(CCT)的方法。最近,Cui等人(2025年)提出了一種基于多尺度通道注意力機制的地震檢測和選擇多任務框架。所有這些方法在寬帶三分量地震波形數據上都取得了成功且高度泛化的性能。
        由于德克薩斯州西部的石油和天然氣生產,自21世紀初以來,該地區的地震活動就一直受到研究(Frohlich等人,2016年;Frohlich等人,2020年)。近年來,地震活動顯著增加,促使通過德克薩斯地震網絡(TexNet)(Savvaidis等人,2019年;Chen等人,2024a)進行了綜合的數據分析和管理工作。雖然先進的深度學習相位選擇器EQCCT已在德克薩斯州西部特拉華盆地部署用于近實時監測(Chen等人,2024b),但其在德克薩斯州其他地區以及世界各地的應用仍然有限,尤其是在站點分布稀疏和速度模型不太準確的地區。在這些情況下,當站點覆蓋范圍稀疏且EQCCT性能不高時,我們仍然主要依賴優化的STA/LTA方法(Lomax等人,2012年)來部署地震監測系統。然而,當震級閾值較低時(例如<< 1.5 Ml),STA/LTA方法會產生大量誤報。在這里,我們提出了一種高度可靠的方法,通過開發混合淺層和深度學習(HSDL)方法來減少誤報,該方法結合了深度學習的EQCCT和淺層學習的XGBoost方法(Chen和Guestrin,2016年)。我們首先提取一些與物理相關的特征和基于EQCCT的特征,然后應用XGBoost方法進行二分類。結果表明,在中等規模的數據集上,準確率可以接近100%。XGBoost和隨機森林方法的比較顯示,在此類分類問題中,XGBoost的表現略好。本文的主要貢獻是HSDL框架的開發。結合淺層和深度學習可以更有效地解決復雜的實際問題。淺層學習方法,如決策樹、XGBoost或線性模型,在結構化或小型數據集上提供了可解釋性、效率和強大的性能。另一方面,深度學習擅長捕捉復雜的非線性關系,并從大型和非結構化數據中自動提取層次化特征。將兩者結合起來,可以創建既強大又可解釋的模型——提高泛化能力,增強訓練穩定性,并彌合數據驅動的洞察力和領域知識之間的差距。

        數據集和研究區域

        本文的分析集中在米德蘭地區(見圖1),在該地區,使用自動STA/LTA檢測方法觀察到了較高的誤報率。在圖1中,我們展示了德克薩斯州整個州的一個重點區域(見插圖)。事件和站點分別用圓圈和三角形表示。研究區域米德蘭盆地的地震活動強度較低,站點分布也比德克薩斯州西部(米德蘭盆地以西)更為稀疏。

        問題陳述

        像STA/LTA這樣的自動相位選擇器已知會產生較高的誤報率。這些虛假的檢測可能會導致自動地震目錄中創建虛假的地震事件。在地震活動頻繁或站點覆蓋密集的地區,自動檢測系統可能會生成大量的事件,但由于分析師能力有限,其中許多事件未被審查。結果,相位較少或信號模糊的事件往往未被分析,在某些情況下,還會產生錯誤的

        訓練/測試數據1

        首先,我們在一個包含200個真實地震和200個虛假地震的小型訓練數據集上應用了所提出的方法。我們將400個地震數據分為280個用于訓練,120個用于測試。
        為了探索上述特征之間的相關性,我們在圖3中繪制了相關性熱圖,顯示了數據集中變量之間的成對相關性。很明顯,p_ns_n顯示出最強的相關性,表明它們可能是可互換的。我們還將

        主要特征分析

        鑒于所有八個特征對準確分類的潛在貢獻,可以應用主成分分析(PCA)來進一步提高分類性能。在PCA方法中,八個特征被簡化為兩個沒有已知物理意義的特征,然后用于兩特征二分類,就像我們在前兩個測試中所做的那樣。PCA方法可以通過去除特征觀測值中的噪聲來進一步提高性能。圖15,圖16

        結論

        我們開發了一種實用的方法來減少日常地震監測框架中的誤報,稱為混合淺層和深度學習(HSDL)方法。該方法需要使用深度學習EQCCT選擇器獲得的概率值計算一些基于物理的特征。一旦計算出特征,就可以使用淺層學習方法(如XGBoost)自動且穩健地實施所提出的方法。XGBoost優于同類方法

        CRediT作者貢獻聲明

        Daniel Siervo:撰寫——原始草稿,驗證,軟件,方法論,概念化。Yangkang Chen:撰寫——審閱與編輯,撰寫——原始草稿,驗證,監督,軟件,正式分析,概念化。

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有記錄到利益沖突。

        致謝

        作者感謝Alexandros Savvaidis、Dino Huang、Chao Li和Camilo Munoz在項目初期的討論。數據集和所有可復制的腳本可在https://github.com/chenyk1990/hsdl(最后訪問時間2024年10月)獲取。作者感謝德克薩斯地震網絡和地震研究(TexNet)以及德克薩斯州的支持,該機構在德克薩斯大學奧斯汀分校的獎項#201503664下提供了對此出版物的支持。
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