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  地震地磁观测与研究  2018, Vol. 39 Issue (4): 78-87  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.04.010
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引用本文  

杨选, 康英, 沈玉松, 等. 用爆破事件测试JOPENS-MSDP中4种定位算法的稳定性[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(4): 78-87. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.04.010.
Yang Xuan, Kang Ying, Shen Yusong, et al. Testing the stability of the four location algorithms in JOPENS-MSDP by explosion events[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2018, 39(4): 78-87. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.04.010.

基金项目

地震行业科研专项"全国统一编目系统及其相关体系研制"(项目编号:201308008)

作者简介

杨选(1978-), 男, 工程师, 主要从事地震观测研究工作。E-mail:27960687@qq.com

文章历史

本文收到日期:2018-01-22
用爆破事件测试JOPENS-MSDP中4种定位算法的稳定性
杨选 1,2,3, 康英 1,2,3, 沈玉松 1,2,3, 吕作勇 1,2,3     
1. 中国广州 510070 广东省地震局;
2. 中国广州 510070 中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室;
3. 中国广州 510070 广东省地震局预警与重大工程安全诊断重点实验室
摘要:用JOPENS-MSDP地震分析软件提供的Hyposat、Hyp2000、Locsat和单纯型定位算法,分析一次网内和一次网缘爆破试验事件,将测定结果与GPS实测爆破位置进行对比。结果表明:4种方法的测定结果,水平方向误差均达到1类要求,垂直方向误差较大;使用区域走时模型时,Hyposat定位方法测定的网内和网缘事件的水平误差均小于1 km,爆破时间存在0.5 s左右的误差。155万多组随机台站组合的定位结果,进一步证实:①Hyposat最稳定,具体表现为相同台站布局下,Hyposat定位结果水平向置信度最高;在同一置信区间内,相同精度要求下,Hyposat容许的最大空隙角上限最大;②Hyp2000最不稳定,在台站布局好时可信度较高,但随着台站布局变差其结果快速变得最不可靠;③Locsat和单纯型水平向介于二者之间,垂直向明显较差;④在90%的置信区间下,4种方法的定位结果达到1类、2类和3类精度要求的最大空隙角上限不相同。
关键词爆破    测试    JOPENS-MSDP    定位精度    稳定性    
Testing the stability of the four location algorithms in JOPENS-MSDP by explosion events
Yang Xuan1,2,3, Kang Ying1,2,3, Shen Yusong1,2,3, Lv Zuoyong1,2,3     
1. Guangdong Earthquake Agency, Guangzhou 510070, China;
2. Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology, China Earthquake Administration, Guangzhou 510070, China;
3. Key Laboratory of Guangdong province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects, Guangzhou 510070, China
Abstract: Based on the Hyposat, Hyp2000, Locsat and simple location algorithm provided by the seismic analysis software——JOPENS-MSDP, an intra seismic network explosion event and an explosion event near the boundary of seismic network are analyzed, and the results are compared with the positions measured by GPS. The test results show that the horizontal errors for the location results of the four methods can reached class 1 accuracy, but the vertical errors are much bigger. Using the regional travel time model, the horizontal errors of the internal and marginal network events located by the Hyposat are less than 1 km, and the original time errors of explosions are about 0.5 s. Through the analysis on location results of more than 155 million random station distribution, it can conclude that Hyposat is the most stable. The horizontal results of Hyposat with the same station distribution have the highest level of confidence. With the same confidence interval and precision requirement, Hyposat allows the maximum station gap, and the results of Hyp2000 are the most unstable. When the station distribution is good, the reliability of the Hyp2000 results is relatively high. However, when the station distribution becomes bad, the Hyp2000 results become unreliable. The horizontal errors of Locsat and simple are in middle, and the vertical errors are obviously worse. The tests also reveal that, under the confidence interval of 90%, if the results of the four methods can reach 1, 2, and 3 class of location accuracy, the maximum station gap for location is different.
Key words: artificial explosion    test    JOPENS-MSDP    earthquake location accuracy    stability    
0 引言

随着“十五”测震软件JOPENS在全国的推广应用, 各区域地震台网的地震分析处理能力有了明显提高,JOPENS—MSDP地震分析软件提供了多种地震定位方法,实际工作中该如何根据地震台站分布的实际情况选择合适的定位算法,从而使定位结果的精度更高或者更可信,一直困扰着地震研究者。多个地震台网的技术人员曾对同一地震几种算法的不同定位结果进行对比研究,如:陈贵美等(2009)认为,网内地震各种定位方法的差异不大,效果较好;张炳等(2012)分析认为,对于网内地震,Hyp2000程序稍优于单纯型定位方法;对于网缘及网外地震,单纯型定位方法优于Hyp2000程序;管勇等(2017)认为,随着空隙角增大,单纯型定位方法结果较差,其余3种方法差别不大。如果有事件发生的精确时刻和地点,将其与地震台网人机交互结果进行对比,可以估计出发震时刻和地理位置的绝对误差,从而检验测震台网所用定位软件的定位能力。王平等(2006)李桂华等(2006)分别使用陕西地震台网和云南地震台网资料检验过HYPO81、GEIGER-P、GENETIC和KM-n定位程序;吕作勇等(2014)黄文辉等(2017)也曾讨论过广东地震台网的定位精度。以上大部分研究是利用地震事件进行定位方法的对比, 或不区分地震定位方法的定位精度准则统计,实际工作中可以使用抽样概率方法,更合理地研究各种地震定位方法的不同特点。

本文利用广东地震台网记录的2个已知起爆时刻和爆破位置的人工爆破事件,使用JOPENS—MSDP提供的Hyposat、Hyp2000、Locsat和单纯型定位算法,进行分析处理2次爆破资料,检验4种定位方法的结果偏差,获取一些经验性认识,供大家参考。

1 爆破记录

在科技部国家科技支撑计划项目资助下,中国地震局地震预测研究所、中国地震局地球物理勘探中心与广东省地震局合作,在新丰江水库开展主动源深地震探测工作,于2009年12月31日及2010年1月1日,分别在广东省陆丰市陆河镇和清远市英德大华镇进行人工地震爆破激发,2次爆破均采用三孔同时起爆方式,每孔间距10 m,孔深50 m,25 m以下放600 kg的TNT,25 m以上填充砂石。

爆破前在现场使用手持GPS测量爆破点的经度、纬度和高程,爆破时使用起爆器记录爆破时刻,爆破后查阅广东地震台网实时记录资料发现,2次爆破记录均比较理想,爆破波形被距爆破点150 km内的所有地震台记录到,但S波不发育,台站分布见图 1。英德爆破处于网内,对爆破波形有42个台站记录,英德台(YND)距离最近,震中距34 km,普宁台(PUN)距离最远,震中距271 km,可以识别27个Pg震相和22个Pn震相;陆河爆破处于网缘,对爆破波形有37个台站记录,揭西台(JIX)距离最近,震中距31 km,肇庆台(ZHQ)距离最远,震中距312 km,可以识别出31个Pg震相和21个Pn震相。

图 1 爆破位置与接收台站分布 (a)广东英德爆破;(b)广东陆河爆破 Fig.1 Explosion location and the stations distribution
2 走时测定

在GPS同步时钟控制下,起爆器引爆电雷管的时间精度可以达0.001 s。地震台站端的GPS授时精度优于±1 μs,时间服务精度钟差不超过1 ms(中国地震局监测预报司,2003),广东地震台网在收集地震信号时采样频率为100 Hz,因此决定了使用JOPENS—MSDP软件分析每个台站记录时,到时误差不小于10 ms。总体来说,起爆时刻精度至少比记录系统时间精度高一个数量级,实测走时ti可以用地震台站记录到时减去起爆时刻获得。

各模型下的理论走时Ti可依据震中距查询J—B、IASPEI91、AK135和华南走时表获取。震中距(相当于炮点距)计算公式为式(1),式中λ1φ1λ2φ2分别为2点的纬度和经度。按照震相分类绘制各模型下的理论走时Ti与实测走时ti走时曲线,见图 2。由图 2可见,各模型下的理论走时Ti与实测走时ti之间存在明显差,可用式(2)计算RMS值定量表述。

$ \mathit{\Delta} {\rm{ = }}111.1949{\left\{ {{{\left({{\varphi _1}{\rm{ - }}{\varphi _2}} \right)}^2} + {{\left({{\lambda _1} - {\lambda _2}} \right)}^2}{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\left[ {\left({{\varphi _1}{\rm{ + }}{\varphi _2}} \right)/2} \right]} \right\}^{1/2}} $ (1)
$ {\rm{RMS = }}{\left[ {\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left({{t_i} - {T_i}} \right)}^2}} } \right]^{\frac{1}{2}}} $ (2)
图 2 2次爆破Pg和Pn震相实测走时及理论走时 (a) Pg走时;(b)Pn走时 Fig.2 Pg and Pn phase observational and theoretical for two explosion

计算得到各模型下RMS值为:J—B走时表为0.474 s,IASPEI91为0.393 s,AK135为0.333 s,华南走时表为0.234 s。RMS值越大,说明假设模型与真实模型偏差越大,显然,本区域使用华南走时表测定时模型误差较小,而使用J—B走时表测定时模型误差较大。

3 定位结果对比

Hyposat、Hyp2000与Locsat均采用传统的Geiger法,具体计算方法相同,即观测方程组降维后求解,不化为正规方程组,直接用奇异值分解最小二乘法方程组,实际计算中采用多种数据加权。3种定位方法的主要区别在于,所参与计算的资料权重设置与初始值确定。单纯型定位法利用数学的单纯型算法搜索残差最小位置即为震中,该方法在极值附近收敛比较慢,对初始值较敏感。几种定位方法各有长短,本次测试初始深度统一设置为1 km,均使用JOPENS—MSDP默认的参数设置对2次爆破事件进行定位,英德爆破事件的定位结果见表 1,陆河爆破事件的定位结果见表 2

表 1 JOPENS—MSDP中4种定位程序测定的英德爆破位置(网内) Tab.1 The location results of Yingde explosion by 4 methods in JOPENS-MSDP(Intra network)
表 2 JOPENS—MSDP中4种定位程序测定的陆河爆破位置(网缘) Tab.2 The location results of Luhe explosion by 4 methods in JOPENS-MSDP(margin network)

表 1表 2中的具体定位结果可以看出:无论使用区域走时表还是全球走时表,每种定位方法的定位结果与实际爆破相比,爆破时刻误差绝大多数在±1 s以内;水平误差未超过5 km,根据《地震编目规范》(DB/T 66—2016),达到1类精度要求;垂直误差较大,最小0 km最大18.5 km;定位方法提供的参考误差,水平向与实测偏差在同一数量级上,垂直向偏差较大不具备太大的参考价值。网内的英德爆破水平误差在0.7—2.3 km,网缘的陆河爆破水平误差0.3—3.5 km。对于同种定位算法,使用华南走时表(模型)水平误差最小,使用J—B走时表误差最大,特别是使用Hyposat方法进行定位时,在区域走时模型下测定水平误差小于1 km,爆破时刻误差在±0.5 s以内。

4 4种定位算法的稳定性

为了进一步比较4种定位方法在测定不同地震台站布局时结果的稳定性,选取台站分布较好的英德爆破,采用抽取不同台站组合模拟不同台站布局的方法,抽取155万多种台站组合,即从42个可使用台站中分别抽取3个台的11 480种组合、4个台的111 930组合、5个台的85 067种组合(随机)、6个台的52 458种组合(随机)、37个台的85 067种组合(随机)、38个台的111 930种组合、39个台的11 480种组合、40个台的861种组合、41个台的42种组合和42个台的1种组合,6—36个台随机抽取一百多万种组合。选择华南走时模型,分别对每种台站组合使用4种方法进行爆破定位,定位结果及台站布局见图 3,可见:水平误差随着使用台站数增多台站布局变好而减小。

图 3 随机抽取台站组合情况及定位结果偏差 Fig.3 Random station combination and deviation of location results

最大空隙角是描述台站布局好坏的重要参数之一,简单的台站布局分类以最大空隙角划分:小于180°为网内,180°附近为网缘,大于180°为网外。与此类似,按照最大空隙角,以15°为一档对抽取的台站组合进行分类,统计各类别抽取台站组合样本数及各类别中4种方法的定位结果满足指定精度的次数,两者相除得到满足指定精度的抽样概率,具体统计结果见表 3。相同台站布局下,满足指定精度的抽样概率反映对应定位结果的可信程度;不同台站布局下,满足指定精度和置信度的台站布局档数反映定位方法的适用范围,即稳定程度。爆破时刻误差概率、水平误差概率及垂直误差概率随最大空隙角的变化分别见图 4图 5图 6

表 3 JOPENS—MSDP中4种定位方法的抽样概率 Tab.3 The sampling probability of four location methods in JOPENS-MSDP
图 4 爆破时刻误差概率随最大空隙角变化 (a)爆破时刻误不超过1 s的概率;(b)爆破时刻误不超过5 s的概率 Fig.4 The variation diagram of the explosion time error probability with the maximum station gap
图 5 水平误差概率随最大空隙角变化 (a)水平误差不超过1 km的概率变化;(b)水平误差不超过5 km的概率变化;
(c)水平误差不超过15 km的概率变化;(d)水平误差不超过30 km的概率变化
Fig.5 The variation diagram of horizontal error probability with maximum station gap
图 6 垂直误差概率随最大空隙角变化 Fig.6 The variation diagram of the vertical error probability with the maximum station gap

图 4可见:以90%的抽样概率为衡量基准,爆破时刻的测量误差要求不超过1 s时,Hyposat、Hyp2000、Locsat和单纯型定位算法容许的最大空隙角上限分别为240°、105°、225°和210°;爆破时刻测量误差要求不超过5 s时,定位算法容许的最大空隙角上限分别为315°、240°、255°和255°。

图 5可见:以90%的抽样概率为衡量基准,水平误差要求不超过1 km时,4种方法均不理想,仅有Hyposat在最大空隙角小于90°时和Hyp2000在最大空隙角小于75°时抽样概率超过50%;水平误差要求不超过5 km时,4种定位算法容许的最大空隙角上限分别为225°、105°、210°和180°;水平误差要求不超过15 km时,4种定位算法容许的最大空隙角上限分别为285°、180°、240°和240°;水平误差要求不超过30 km时,4种定位算法容许的最大空隙角上限分别为315°、225°、240°和240°。

图 6可见:垂直误差要求不超过5 km时,仅Hyp2000在最大空隙角上限不超过105°时置信度高于90%;Hyposat大多稳定在50%—70%;其他2种方法多数在50%以下。值得注意的是,在最大空隙角较小,即台站布较好时Hyposat、Locsat和单纯型定位方法的置信度偏低,结合图 3可知最大空隙角减小,使用台站增多,也就是更多远台资料被使用,可能是因为Hyp2000和Hyposat对远台料资进行权重设置,而Locsat和单纯型并未做距离权重设置,所以出现该反常现象。

综合分析可知:Hyposat在各种情况下均较稳定;Hyp2000在台站布局较好时可信度较高,但台站布局变差其结果快速变得最不可靠,即稳定性较差;Locsat和单纯型水平向表现介于Hyposat和Hyp2000之间,垂直向明显较差。

5 结论

从上述2个爆破的定位结果可以看出,广东地震台网研发的地震常规分析软件JOPENS—MDSP提供的Hyposat、Hyp2000、Locsat和单纯型常规定位程序给出的定位结果之间差异不大。采用不同模型不同定位算法的定位结果与实测结果相比,最大水平误差为3.5 km,最小水平误差仅0.3 km,网内或网缘均能达到1类精度要求,垂直方向误差较大。通过分析155万多种随机抽取台站组合的定位结果,可以得到以下结论。

(1)Hyposat定位方法最稳定,具体现表为相同台站布局下Hyposat定位结果的水平向置信度最高,同一置信区间内,相同精度要求下Hyposat容许的最大空隙角上限最大;Hyp2000在台站布局好时可信度较高,但随着台站布局变差其结果快速变得最不可靠,即稳定性较差;Locsat和单纯型水平向介于两者之间,垂直向明显较差。

(2)在置信度不低于90%时,4种方法的定位结果达到1类、2类和3类精度要求的最大空隙角上限不相同。其中Hyposat最大空隙角上限分别不超过225°、285°和315°;Hyp2000最大空隙角上限分别不超过105°、180°和225°;Locsat最大空隙角上限分别不超过210°、240°和240°;单纯型最大空隙角上限分别不超过180°、240°和240°。

(3)综合考虑,Hyposat适用范围广, 稳定性好,Hyp2000的稳定性受最大空隙角的影响较大。最大空隙角小于105°时4种方法测定的发震时刻和水平方向的差别可以不考虑,但垂直向Hyp2000置信度较高,其次为Hyposat,单纯型可信度较低。

影响地震定位精度的因素较多,如台站与台站之间的距离(即台网分布密度);台网监控范围内介质的不均匀性及地壳的分层结构;震相识别及到时量取准确程度等。本次测试主要考虑近震台网(震中距小于300 km)中台站方位分对不同定位算法的影响,其他影响因素还值得进一步分析。

本项工作得到黄文辉研究员的指导与帮助,在此表示感谢。
参考文献
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