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  地震地磁观测与研究  2019, Vol. 40 Issue (1): 123-127  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.01.018
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引用本文  

安全, 张建中, 雪峰, 等. 基于ArcGIS的呼和浩特-乌兰察布地区测震台站布局优化[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(1): 123-127. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.01.018.
An Quan, Zhang Jianzhong, Xue Feng, et al. Optimization layout study of seismic network in the Hohhot-Ulanqab region based on ArcGIS[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(1): 123-127. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.01.018.

基金项目

内蒙古自治区地震局局长基金(项目编号:2018JC02)

通讯作者

张建中(1963-), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事地震监测工作

作者简介

安全(1988-), 男, 工程师, 主要从事地震观测仪器维护工作

文章历史

本文收到日期:2018-07-17
基于ArcGIS的呼和浩特-乌兰察布地区测震台站布局优化
安全 , 张建中 , 雪峰 , 苏日亚     
中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局
摘要:选取内蒙古测震台网呼和浩特-乌兰察布地区8个固定台站及呼和浩特附近地区野外观测项目建设的31个流动台站,计算各台站地震监测能力,分析加密区监测能力变化,针对监测能力较弱区域,利用ArcGIS的空间分析功能,实现新建台站选址的点位确定,提出未来合理布局方案。
关键词噪声值    量规函数    ArcGIS    合理布局    
Optimization layout study of seismic network in the Hohhot-Ulanqab region based on ArcGIS
An Quan , Zhang Jianzhong , Xue Feng , Su Riya     
Earthquake Agency of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China
Abstract: In this study, the earthquake monitor capability of 8 immobile stations in the Hohhot-Ulanqab region and 31 mobile stations from the project "field observation of the region in the vicinity of Hohhot" is analyzed. The data from those stations are inspected and then analyzed in terms of the variations of detectability of the secure regions. For the areas with weak detectability, using the spatial analysis ability of ArcGIS, the points of new stations are determined and the future reasonable layout scheme is proposed.
Key words: noise value    the gauge function    ArcGIS    reasonable layout    
0 引言

地震监测是地震预报和地震应急救援工作的基础,科学合理地规划布设地震监测台网是地震监测工作的首要问题。国外将空间信息技术应用于空间选址的研究开展较早,伴随着空间信息技术的发展,国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG)、全球地震台网(GSN)、美国地球物理联合会(AGU)、日本东京大学地震学研究所(ERI)和德国地球科学研究中心(GFZ)等国际著名研究机构和大学,相继开展地理信息系统在地震监测领域的基础和应用研究,涉及地震传播数学模型、空间分布分析模型以及趋势预测、地震灾害预报、预警等(周公威等,2005)。相对于发达国家,国内将GIS应用于地震行业的研究相对迟缓,如:曹彦波等(2007)采用基于GIS的空间分析技术,对测震台网选址进行了研究;梁艳等(2017)通过分析山西地震台网勘选完成的1 101个预警台站布局,计算地震台站平均台间距,根据预警盲区半径与台间距关系式得到了盲区半径。目前,较多省地震局已将GIS应用于地震应急和预报,但根据各台网地震监测能力,利用GIS空间分析技术进行测震台网选址尚不普遍。

地震台网的监测能力是指,台网能准确测定地震震中位置、发震时刻和震级等基本参数,并满足一定精度要求下的控制面积。地震监测能力是衡量台网质量的重要指标,是台网进一步优化布局的基础。地震台网监测能力与所囊括台站的地震记录能力、台站密度及台网布局等有关;而台站的地震记录能力针对单台而言,其结果主要取决于台基噪声水平、台基岩性、观测系统的动态范围、频带等,与震中距有关。因此,合理的台网布局优化可以使地震台网监测能力最大化。通常,基于近震震级公式,使用量规函数反推单台控制距离来估算台网的监测能力;刘芳等(2013)采用“完整性震级范围”(EMR)方法,研究内蒙古测震台网最小完整性震级Mc的时空分布特征,客观反映了该台网台站数量由少到多,地震监测能力由弱到强逐步完整的发展过程;韩晓明等(2015)利用MAXC、GFT、R/S检验等方法,对河套地震带Mc值在时间域和空间域进行扫描计算,对比分析多方法计算结果,分析1970年以来地震台网监测能力的时空变化。

针对内蒙古测震台网呼和浩特—乌兰察布地区,目前尚无人采用具体方法提出未来台站的合理布局。为此,采用量规函数反推单台控制距离计算该区地震监测能力,利用Matlab编程实现量规函数计算,得到各台站对不同震级地震的控制距离,使用ArcGIS绘制地震监测能力图,基于ArcGIS空间分析方法,结合相关数据,针对监测能力不足地区进行台网台站的布局优化。

1 研究思路

选取内蒙古测震台网呼和浩特—乌兰察布地区8个固定台站及呼和浩特附近地区野外观测项目建设的31个流动台站,计算各台站地震监测能力,分析加密区监测能力变化,针对监测能力较弱区域,利用ArcGIS的空间分析功能,实现新建台站选址的点位确定,提出未来合理布局方案。

(1) 计算台基背景噪声。搜集所选39个地震台站要素(包括台基类型、仪器类型等参数),计算每个台站2个水平分向的噪声值。实测地脉动速度值计算公式为

${v_i} = \frac{{N \times D}}{S} = \frac{{N \times U}}{{R \times K \times S}}$ (1)

式中,vi为某点实测地脉动速度值(单位:m/s);N为实际记录背景噪声值(单位:counts);D为数采转换因子(单位:V/count),且$D = \frac{U}{{R \times K}}$U为输入峰值电压(单位:V);K为数据采集器实际工作增益;R为仪器分辨率(单位:counts);S为地震计工作灵敏度(单位:V·s/m)。

RMS值为脉动噪声均方根值,可以衡量台基背景噪声水平,计算公式为

${\rm{RMS}} = \sqrt {\frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{\left({{v_i} - v} \right)}^2}} }}{n}} $ (2)

其中$v = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^n {{v_i}} $,为实测地脉动某时段平均速度值(单位:m/s)。

(2) 计算地震监测能力。采用Matlab计算修改的量规函数,反推单台控制距离,计算地震监测能力,得到每个台站对不同震级地震的监控范围。

$R\left(\mathit{\Delta } \right) = {M_{\rm{L}}} - \lg \left({\frac{{{v_{{\rm{NS}}}} \times {T_{{\rm{NS}}}} \times {V_{{\rm{EW}}}} \times {T_{{\rm{NS}}}}}}{{2 \times 2 \times {\rm{ \mathsf{ π} }}}}} \right) - {S_{\rm{L}}}\left(\mathit{\Delta } \right)$ (3)

式中,ML为近震震级,R(Δ)为起算函数,S(Δ)为台站校正值,vNS为NS向地动噪声速度,TNS为NS向最大速度周期,vEW为EW向地动噪声速度,TNS为EW向最大速度周期。由于台站校正值一般较小,文中S(Δ)近似取为零。

可利用Matlab,编程实现地震监测能力,具体步骤如下:①输入台站信息,包括经度、纬度、高程、2个水平向噪声均值;②设定扫描震级上下限、扫描区域起始经纬度、震级扫描间隔、经纬度扫描步长、信噪比、最少台站数、震级类型、频率、最大空隙角等;③依据输入的台站信息及计算参数,代入式(3)计算量规函数;④对所要计算的空间范围按一定经纬度间隔,将空间划分为若干格网点,若该点有4个以上台站共同控制,则台网对该点具有监测能力,所得最小震级即为该点的监测能力;⑤将Matlab计算得到的EXCEL文件,导入ArcGIS,采用最邻近插值方法,实现地震监测能力图的绘制及对比分析。

(3) 提高地震监测能力。利用ArcGIS的邻域分析工具,对呼和浩特—乌兰察布地区39个台站生成泰森多边形,讨论台站布局。泰森多边形的特性是:每个多边形内仅含一个离散点数据,多边形内的点到相应离散点的距离最近,位于多边形边上的点到其两边离散点的距离相等。将台站泰森多边形图与监测能力图进行叠加分析,在监测能力较弱区域,选取泰森多边形的交点作为新台址,补充这些点位可以有效降低周边区域的台间距,从而提高呼和浩特—乌兰察布地区的监测能力。

2 监测能力分析

根据以上研究思路,选取2018年5月1日(00时—23时)呼和浩特—乌兰察布地区8个固定台站与呼和浩特附近地区野外观测项目31个流动台站24小时观测数据,计算台基背景噪声值,绘制8个固定台站及所选39个台站地震监测能力图,见图 1图 2。根据ArcGIS生成的泰森多边形,假设在四子王旗、商都县、察哈尔右翼后旗东北部地区布设3个点位,得到共计42个台站的地震监测能力图,见图 3

图 1 8个固定台站监测能力 Fig.1 The picture of earthquake monitor capability of 8 immobile stations
图 2 增加流动台后39个台站监测能力 Fig.2 The picture of earthquake monitor capability after 39 stations added
图 3 新增3个点位后42个台站监测能力 Fig.3 The picture of earthquake monitor capability of 42 stations with 3 new stations

图 1可知,采用呼和浩特—乌兰察布地区8个固定台站数据计算的地震监测能力结果,与之前采用PMC等方法计算的内蒙古地震监测能力基本一致,其中:呼和浩特及周边地区地震监测能力在0.5—1.0级,呼和浩特—乌兰察布其他地区地震监测能力基本在1.0—1.5级。

图 2可见,增加31个流动台站数据后,呼和浩特—乌兰察布地区地震监测能力显著提升,呼和浩特和集宁市区监测能力达0.5级以下,除四子王旗、察哈尔右翼后旗东北部、兴和东南部以外,呼和浩特—乌兰察布其他地区监测能力达0.5—1.0级。

对比图 1图 2可知,仅采用8个固定地震台站数据,受地震台站布局稀疏、空间分布不均匀等因素影响,除呼和浩特市区外,呼和浩特—乌兰察布其他地区地震监测能力较为有限,尤其是兴和县省界——晋冀蒙交界地区,地震监测能力较低,尚不足3级,是内蒙古测震台网地震编目常无本地区小震记录的主要原因;增加31个流动台站数据后,该地区整体监测能力大幅度提升(平均提高0.5—1级),尤其是晋冀蒙边界附近地区,地震监测能力有明显提高。

图 3可知,针对该区四子王旗、商都县、察哈尔右翼后旗东北部台站布局相对稀疏、地震监测能力较弱的现状,利用ArcGIS的空间分析功能,在上述地区合理布设3个假设点位,地震监测能力1.0级区域明显扩大,且部分地区可监测震级由1.0降低至0.5,可见上述地区地震监测能力得到大幅提升,可以更好地为该地区地震速报、编目及地震学研究、地震应急服务。

3 结束语

本文利用ArcGIS的空间分析功能评估呼和浩特—乌兰察布地区地震监测能力,发现将GIS方法引入测震台网监测能力分析工作效果显著,避免了由传统人为经验和直觉进行选址分析带来的不确定性,而且可以在建设最少台站的基础上达到地震监测能力最大化,可以在节省大量人力、物力和财力的基础上,有效提高地震台网监测能力,为今后将ArcGIS技术应用于地震台网台站的可视化监控、运维等工作打好基础。

参考文献
曹彦波, 李永强, 曹刻, 等. 基于GIS空间分析技术的测震台网选址研究[J]. 地震研究, 2007, 30(3): 285-290. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2007.03.014
韩晓明, 刘芳, 张帆, 等. 多方法联合评估河套地震带的台网监测能力[J]. 地震, 2015, 35(4): 64-75.
梁艳, 吕芳, 李丽. 山西地震台网地震预警时间及盲区半径分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(4): 65-69. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2017.04.011
刘芳, 蒋长胜, 张帆, 等. 基于EMR方法的内蒙古测震台网监测能力[J]. 中国地质大学学报(地球科学), 2013, 38(6): 1356-1362.
周公威, 张伯明, 吴忠良, 等. 中国数字地震台网的现状和近期发展[J]. 地震学报, 2005, 7(1): 109-116. DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.2005.01.013