基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻變換的上海地區(qū)地震與爆破識別

邵永謙，王國成，彭 釗，于海英*，王 鵬，王成睿

（1.上海市地震局,上海 200062；2.上海佘山地球物理國家野外觀測研究站,上海 200062；3.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430077；4.天津市地震局,天津 300201）

0 引言

上海地區(qū)的地震活動相對較弱，區(qū)域內(nèi)發(fā)生的天然地震以微震為主，且積累的歷史地震數(shù)據(jù)有限。隨著城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)活動日益增長，城市建設(shè)帶來的干擾不斷增強(qiáng)，給上海及鄰近地區(qū)的地震活動性自動監(jiān)測、大地震后余震自動識別和震情跟蹤、預(yù)警自動快速產(chǎn)出、地形和斷層構(gòu)造特征研究工作帶來了挑戰(zhàn)。

此外，防震減災(zāi)領(lǐng)域引入人工智能技術(shù)后，在增強(qiáng)地震學(xué)大數(shù)據(jù)分析方面顯示出強(qiáng)大的適用性，極大地提高了防震減災(zāi)工作的準(zhǔn)確性和效率。2019年召開的美國地震學(xué)會年會中，專門設(shè)立了“地震學(xué)中的機(jī)器學(xué)習(xí)”專題，并在“全球地震監(jiān)測和地震研究的新領(lǐng)域”、“下一代的地震檢測識別”、“陸?？斩囝I(lǐng)域的火山觀測”等專題中涉及人工智能技術(shù)的應(yīng)用。這些均表明，人工智能技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始引領(lǐng)防震減災(zāi)科技發(fā)展的最前沿[1]。

對記錄到的原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘、分析是解決上述問題，以及在保證識別精度的前提下降低人工智能模型復(fù)雜度的基石。目前對天然地震和爆破事件的判別一般依賴于一些相對主觀、經(jīng)驗(yàn)性的特征，常見的判斷依據(jù)有：① 天然地震P 波振幅一般小于S 波，爆破則可能反之；② 爆破的P 波垂直向初動方向一般向上，而天然地震則不一定；③ 爆破由于震源通常較淺，一般容易發(fā)育面波，而近震面波則不如爆破的強(qiáng)；④ 爆破的頻譜相對比較單一，天然地震的頻譜則相對豐富[2]。但對于小地震和小爆破，則往往不容易進(jìn)行判別。隗永剛等[3]針對天然地震和爆破事件的波形功率譜存在差異的情況，將其作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和測試樣本來使用；蔡杏輝等[4]利用小波能量比判據(jù)結(jié)合使用P/S 震相振幅比，對天然地震與爆破事件進(jìn)行識別；姚彥吉等[5]將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻變換與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻變換能有效表達(dá)信號特征的特點(diǎn)，降低機(jī)器學(xué)習(xí)所需樣本數(shù)量，實(shí)現(xiàn)地震事件的自動識別。本文以上海地區(qū)記錄到的天然地震和“4·20”上海中環(huán)中心爆破、“4·26”浦東爆破為例進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻變換，并對得到的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果可為上海地區(qū)天然地震與爆破事件的判定和識別提供新的依據(jù)，并為上海及鄰近地區(qū)的地震活動性自動監(jiān)測、大地震后余震自動識別和震情跟蹤、預(yù)警自動快速產(chǎn)出、地形和斷層構(gòu)造特征等研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻變換理論

1.1 NTFT 定義

1.2 NTFT 典型表達(dá)

1.3 NTFT 時(shí)頻分析應(yīng)用基礎(chǔ)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2020年4月20日和4月26日在上海市行政區(qū)內(nèi)發(fā)生的2 次爆破事件。其中2020年4月20日凌晨進(jìn)行的上海中環(huán)中心爆破工程，主要對位于上海市中心人口稠密區(qū)域的四棟超高建筑，在同一時(shí)間段進(jìn)行定向爆破拆除，爆破總面積約16 萬m2[13]。2020年4月26日20 時(shí)進(jìn)行的浦東爆破工程，主要對軌道交通18 號線建設(shè)工程沿線承重墻進(jìn)行爆破拆除作業(yè)。

上海市地震監(jiān)測中心獲知爆破工程相關(guān)信息后，迅速進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，積極聯(lián)系爆破工程承擔(dān)單位上海消防工程公司，了解爆破區(qū)域爆點(diǎn)分布、爆破順序等詳細(xì)信息。同時(shí)，考慮到現(xiàn)有臺網(wǎng)布局情況，分別在2 次爆破工程周圍10 km 范圍內(nèi)還布設(shè)了由6 個流動測震臺站組成的流動觀測臺網(wǎng)（圖1～2），流動測震臺所使用的儀器參數(shù)詳見表1。

表1 流動測震臺所使用儀器參數(shù)

圖1 上海中環(huán)中心爆破及監(jiān)測臺站分布圖

此外，上海地區(qū)天然地震以小微震為主，故選取具有代表性的發(fā)生在浦東、嘉定、徐匯、奉賢的4 個地震（圖3，表2），進(jìn)行分析和比對。

表2 選取的天然地震相關(guān)參數(shù)列表

圖3 選取的上海地區(qū)天然地震分布圖

2.2 數(shù)據(jù)的NTFT 分析

對選取的上海中環(huán)中心爆破及浦東爆破數(shù)據(jù)不經(jīng)過濾波預(yù)處理，直接進(jìn)行小波變換和NTFT 變換。其中，小波變換的小波基選擇ComplexMorlet 小波，該小波是一種單頻復(fù)正弦調(diào)制高斯波，在時(shí)頻兩域均具有良好的分辨率，在地震資料分析領(lǐng)域較為常用。對比小波變換與NTFT 變換后數(shù)據(jù)時(shí)頻特征可看出，經(jīng)過NTFT 變換后的數(shù)據(jù)相對于小波變換，時(shí)頻域的分辨率有顯著的提升，可更為清晰地展示出地震信號和背景噪聲的信號特征，進(jìn)而有效提升信號的識別準(zhǔn)確率。爆破時(shí)序數(shù)據(jù)與經(jīng)過小波變換和NTFT 變換后時(shí)頻圖對比如圖4～5所示。

除爆破外，也對所選上海地區(qū)天然地震數(shù)據(jù)，不經(jīng)過濾波等預(yù)處理手段，直接進(jìn)行NTFT 變換。圖6 為天然地震所選臺站垂直向時(shí)序數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜對比。

圖2 浦東爆破及監(jiān)測臺站分布圖

從圖4～5 中可以看出，由于上海中環(huán)中心爆破當(dāng)量比浦東爆破大許多，因此時(shí)序記錄上中環(huán)中心爆破較浦東爆破波形更為清晰，但在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中均可清晰識別出爆破信號所在位置。并且NTFT變換可使得天然地震、爆破信號和背景噪聲在不同頻段顯示，在一定程度上，能對不明顯的地震波形甚至被噪聲淹沒的地震信號進(jìn)行有效識別。上海地區(qū)爆破記錄數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜存在以下共同特征。

1）弱背景噪聲信號

在記錄到的信號中，地脈動信號是常見的一種地震波背景干擾，0.003～1.0 Hz 頻段的地脈動主要來源于海浪運(yùn)動與海底固體地球界面的耦合作用[9]。在沒有地震或爆破事件發(fā)生的時(shí)候，該頻段的信號就會成為地震計(jì)記錄到的主要信號組成部分，并且該信號的能量主要集中在0.05～0.5 Hz 附近，表現(xiàn)為10 s 左右時(shí)20～40 Hz 頻段的信號。分析可知，在由時(shí)序信號轉(zhuǎn)換過來的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中，爆破信號主要呈現(xiàn)出高能量、小范圍的沖激形式的特點(diǎn)，與弱背景噪聲所呈現(xiàn)的低能量、隨時(shí)間呈條帶狀分布有著明顯的不同。

2）固定頻段信號

除了常見的弱背景噪聲外，自然環(huán)境、人為因素以及地震計(jì)等也會產(chǎn)生噪聲信號[14-17]。上海地區(qū)爆破標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中此類信號頻率分布在10～20 Hz之間，能量較為固定，無明顯變化，且在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中也明顯呈條帶狀分布。與弱背景噪聲相同，固定頻段信號的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜特征和爆破信號相比差異明顯。

3）與波形特征相似信號

除弱背景噪聲及固定頻段噪聲外，還存在頻段與爆破信號同處于20～40 Hz、頻率特征也極為相似的信號。單純從頻率特征來看，不容易對兩者進(jìn)行區(qū)分但結(jié)合三分向標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜頻率、能量分布特征則可以發(fā)現(xiàn)，雖然與波形特征相似信號頻率分布與特征和爆破信號極為相似，但爆破信號的能量分布主要集中在20～40 Hz 頻段內(nèi)，且爆破事件發(fā)生時(shí)間段內(nèi)三分向標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中表現(xiàn)出的特征一致性較好，而與波形特征相似信號不存在這種現(xiàn)象，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中可以清晰地看到這種差別。

2.3 天然地震與爆破識別分析

一般認(rèn)為，天然地震的震源是非對稱剪切源，震源深度比人工爆破深，臺站記錄到的天然地震波形成分較豐富，頻帶范圍更寬；而人工爆破源是瞬間膨脹源，多發(fā)生在地表，信號頻帶范圍較窄；天然地震能量信號多集中在低頻段，而人工爆破能量多集中在高頻段。人工爆破信號的一個特點(diǎn)是距離爆破源較近時(shí)波的高頻成分豐富，但在遠(yuǎn)距離傳播路徑中高頻成分衰減很快[10]。

通過對比圖6 與圖4、圖5 可以看出，上海地區(qū)的天然地震與爆破事件的頻率均主要分布在20～40 Hz 范圍內(nèi)，似乎與前人“天然地震頻帶范圍更寬，爆破信號頻帶范圍較窄”的研究結(jié)論有所不同。結(jié)合上海臺網(wǎng)密度較大，行政區(qū)范圍相較其他省份較小，所選天然地震與爆破事件記錄震中距均小于15 km，因此地震事件記錄較完整，以及NTFT 時(shí)頻譜相較小波變換時(shí)頻譜分辨率更高，能更好展現(xiàn)信號的特征，這兩點(diǎn)可以很好地解釋這一現(xiàn)象。

圖4 上海中環(huán)中心爆破時(shí)序數(shù)據(jù)與經(jīng)過NTFT 變換后時(shí)頻圖對比

圖5 浦東爆破時(shí)序數(shù)據(jù)與經(jīng)過NTFT 變換后時(shí)頻圖對比

圖6 上海地區(qū)天然地震垂直向時(shí)序數(shù)據(jù)與經(jīng)過NTFT 變換后時(shí)頻圖對比

上海地區(qū)天然地震能量信號多集中在20 Hz 附近，爆破事件能量信號則大致集中在30～40 Hz 之間。值得注意的是，浦東爆破個別臺記錄的時(shí)頻譜顯示出能量信號集中在20 Hz 左右，與天然地震的能量信號分布相似。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是該爆破為地鐵隧道內(nèi)進(jìn)行的小藥量爆破作業(yè)（裝藥量為90 kg 多），且記錄臺站為布設(shè)的地面流動測震臺，震中距近（約為2 km）。

此外，天然地震因?yàn)樵趥鞑ヂ窂街懈哳l成分衰減的較慢，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中能量分布呈現(xiàn)“多峰”特征；而爆破事件因?yàn)樵趥鞑ヂ窂街懈哳l成分衰減很快的特性，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中表現(xiàn)出相對“少峰”，主要呈現(xiàn)出高能量、小范圍的沖激形式的特點(diǎn)。

3 總結(jié)

1）上海地區(qū)的地震活動相對較弱，區(qū)域內(nèi)發(fā)生的天然地震以微震為主，且隨著城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)活動日益增長，城市建設(shè)帶來的干擾不斷增強(qiáng)導(dǎo)致背景噪聲水平較大。本文對相同數(shù)據(jù)進(jìn)行小波基為ComplexMorlet 的小波變換以及NTFT 變換，通過對時(shí)頻譜進(jìn)行對比可看出，經(jīng)過NTFT 變換后的數(shù)據(jù)相對于小波變換，時(shí)頻域的分辨率有顯著的提升，可更為清晰地展示出地震信號和背景噪聲的信號特征。

2）NTFT 變換可使得時(shí)序記錄數(shù)據(jù)中天然地震、爆破信號、弱背景噪聲信號及固定頻段信號在時(shí)頻圖中以不同頻段顯示，在一定程度上能對不明顯的地震波形，甚至被噪聲淹沒的地震信號進(jìn)行有效識別。

3）上海地區(qū)天然地震與爆破事件的頻率均主要分布在20～40 Hz 范圍內(nèi)，頻帶范圍差異不大；天然地震能量信號多集中在20 Hz 附近，而爆破事件能量信號則大致集中在30～40 Hz 之間；天然地震在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中能量分布呈現(xiàn)“多峰”特征，而爆破事件在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻譜中表現(xiàn)出相對“少峰”，主要呈現(xiàn)出高能量、小范圍的沖激形式的特點(diǎn)。

4）后期工作將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上通過上述時(shí)頻分析方法外，結(jié)合波形震相特征、P 波與S 波振幅比等時(shí)域判據(jù)，進(jìn)一步綜合判定上海地區(qū)天然地震或爆破事件類型。

致謝感謝中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院柳林濤研究員研究團(tuán)隊(duì)提供NTFT 算法及理論指導(dǎo)。