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M_c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M_c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，v_i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，M_L为近震震级，R(Δ)为起算函数，S(Δ)为台站校正值，v_NS为NS向地动噪声速度，T_NS为NS向最大速度周期，v_EW为EW向地动噪声速度，T_NS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。

由图 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。

由图 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。

由图 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。