基于時(shí)間序列相似性匹配算法的地震預(yù)測研究

1、基于時(shí)間序列相似性匹配算法的地震預(yù)測研究論文摘要：把匹配抽象時(shí)間序列相似性的方法引入到地震預(yù)報(bào)的應(yīng)用中，結(jié)合大量地震歷史源數(shù)據(jù)，地震領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和相關(guān)成果根底上，提出了一種簡化的抽象時(shí)間序列匹配模型。該模型在對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理篩選的根底上在進(jìn)行時(shí)間相似性匹配，增加了橫向和縱向多方位地區(qū)和多方位時(shí)間段的匹配，不同時(shí)間差和閾值的匹配，并通過大量實(shí)驗(yàn)對該模型進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證，同時(shí)對我國地震頻繁地區(qū)近幾十年的地震歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了相似性匹配實(shí)驗(yàn)分析，取得了可信度較高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所給時(shí)間序列相似性匹配控制策略的有效性、實(shí)用性以及算法的優(yōu)越性。論文關(guān)鍵詞：時(shí)間序列,序列匹配,地震預(yù)測,算法

2、,地震相關(guān)地區(qū)0引言時(shí)間序列(Timeseries)泛指那些隨時(shí)間或空間有序變化的數(shù)據(jù)集合，這些數(shù)據(jù)記錄集合往往采用等時(shí)間或空間間隔進(jìn)行度量。如何有效的管理和利用海量數(shù)據(jù)序列，有效的發(fā)現(xiàn)和理解這些數(shù)據(jù)序列背后隱含的規(guī)律和知識(shí)，已受到越來越多數(shù)據(jù)挖掘研究者廣泛關(guān)注。在其相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)中，時(shí)間序列的相似性查詢是分析時(shí)間序列變化規(guī)律的一種重要方法。對于時(shí)間序列的分類、預(yù)測及知識(shí)發(fā)現(xiàn)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。比方在我們熟悉的股票，期貨，具有相似性銷售的產(chǎn)品，恒星的光譜曲線中相似性度量都具有不可替代的作用。地震序列是一維時(shí)間序列，卻蘊(yùn)藏著動(dòng)態(tài)演化的中其它變量的痕跡和信息，因此對地震序列的研究具有重要意義

3、。時(shí)間序列相似度序列匹配是在時(shí)間，震級(jí)數(shù)據(jù)庫中找出與給定時(shí)間，震級(jí)序列模型相似的序列，對相似性度量的建立求解過程，是數(shù)據(jù)挖掘中一類重要問題，具體表現(xiàn)在大量數(shù)據(jù)中具有時(shí)間和另一性質(zhì)的二維相關(guān)性。在地震預(yù)報(bào)科學(xué)中，經(jīng)過大量的研究和積累，專家們發(fā)現(xiàn)在一定的區(qū)域中地震活動(dòng)具有同步漲落的現(xiàn)在。也就是說在一定的區(qū)域范圍中的兩個(gè)地區(qū)，特定震級(jí)以上的有明顯震感的地震相伴發(fā)生的現(xiàn)象稱為地震的相關(guān)現(xiàn)象，也稱地震的區(qū)域相關(guān)性。地震的相關(guān)性反映了地球的自轉(zhuǎn)，向心力相似，地質(zhì)構(gòu)造的相似，板塊運(yùn)動(dòng)等對地震發(fā)生的規(guī)律性的影響。所以尋找地震相關(guān)區(qū)域，進(jìn)而預(yù)報(bào)相關(guān)的地震，是人們最常用的預(yù)報(bào)地震的方法之一。鑒于傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，

4、預(yù)報(bào)不精確等特點(diǎn)。本文把數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入地震預(yù)報(bào)科學(xué)中，通過不同地區(qū)地震數(shù)目的不同，首先進(jìn)行粗相似匹配，即對原始地震數(shù)據(jù)中相差一定地震數(shù)目條數(shù)以下的地震區(qū)域?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為粗相似格式，其次對粗相似區(qū)域中的數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)化為時(shí)間序列，對粗相似的區(qū)域進(jìn)行時(shí)間相似度匹配來發(fā)現(xiàn)地震相關(guān)區(qū)域，從而進(jìn)行地震預(yù)報(bào)。本文首先結(jié)合地震領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，定義了序列的相似度量模型，提出了一種基于相似度序列匹配的算法，利用相關(guān)的地震相似度全面的對時(shí)間，經(jīng)緯度和震級(jí)等地震相關(guān)信息進(jìn)行處理，從而快速，全面的找出地震的相關(guān)區(qū)域。1地震相關(guān)地區(qū)的序列相似性定義及度量模型地震相關(guān)地區(qū)相似度匹配研究可以分為以下幾個(gè)局部：相似性的定義，度量模型

5、的建立和相似度匹配算法的實(shí)現(xiàn)。相似性定義和度量模型一般根據(jù)不同的需求進(jìn)行定義，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一些抽象的數(shù)學(xué)模型來解決問題。傳統(tǒng)的相似性定義是根據(jù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的上升或下降的趨勢和需解決的問題相結(jié)合來定義。比擬典型的有ARMA(autoregressionmovingaverage)模型，采用的是隨機(jī)時(shí)間序列分析技術(shù)；DFT(discretefouriertransform)模型，采用的是把時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為空間中的點(diǎn)，對這些點(diǎn)進(jìn)行分析處理。這些模型中都用了歐幾里德距離作為序列間的相似性評價(jià)函數(shù)，也就是當(dāng)兩個(gè)序列間的歐氏距離小于一定的閾值時(shí)，就認(rèn)為此序列相似。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于序列長度不一，采樣率不同，

6、數(shù)據(jù)多少相差較大等問題，使得歐氏距離很難直接用于解決問題。由于地震數(shù)據(jù)記錄的每一次地震發(fā)生的時(shí)間，經(jīng)度，緯度，震級(jí)以及地震事件序列等。其具非線性特點(diǎn)，傳統(tǒng)的時(shí)間序列相似性度量模型和匹配很難使用于地震數(shù)據(jù)。對此，本文根據(jù)地震相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為一定震級(jí)，一定時(shí)間，一定空間范圍內(nèi)的地震事件序列集。構(gòu)成不同的地震時(shí)間序列。下面給出地震序列及相似性定義及地震序列相似性的模型。定義1地震事件把預(yù)處理過的地震數(shù)據(jù)目錄中的每一條地震記錄定義為一次事件。按照不同的空間屬性劃分為不同的地震事件集。在地震事件集上t時(shí)刻發(fā)生的地震事件記為F(t)。定義2地震事件序列在一定的區(qū)域中發(fā)生在一定

7、的時(shí)間范圍H內(nèi)的地震事件集Ft=F(t)|tH在時(shí)間軸上的一個(gè)排列。定義3地震序列對預(yù)處理過的地震數(shù)據(jù)目錄里的地震數(shù)據(jù)提取其時(shí)間和震級(jí)，抽象為地震序列。定義4完整地震序列在某些地震區(qū)域中，對于地震序列S,在沒有發(fā)生地震事件的時(shí)間上用空元素給予填充的地震序列。定義5地震相似性設(shè)x，y分別是兩個(gè)地震序列，用函數(shù)(x,y)，(x,y)來表示其相似性。令(x,y)=1，假設(shè)|x(t)-y(t)|M；(x,y)=0,假設(shè)|x(t)-y(t)|M；x(t)，y(t)表示x，y的時(shí)間點(diǎn)，x(t)-y(t)表示其時(shí)間差。令(x,y)=1，假設(shè)|x(m)-y(m)|M；(x,y)=0，假設(shè)|x(m)-y(m)|

8、M；x(m)，y(m)表示x，y的震級(jí)數(shù)，x(m)-y(m)表示震級(jí)差。M為年份誤差的閾值，M;為震級(jí)誤差的閾值。M越小時(shí)間相差越小，M越小震級(jí)相差越小。所以x，y可以對應(yīng)不同的時(shí)間點(diǎn)，M和M為用戶給定。定義6地震序列相似性模型設(shè)X和Y為兩個(gè)不同的地震序列，那么X和Y的序列相似性可以用這兩個(gè)序列中對應(yīng)每一組數(shù)據(jù)的相似進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記為相似性加權(quán)累計(jì)和來度量。兩個(gè)地震序列的相似性度量模型定義為 2由于地震目錄數(shù)據(jù)的條數(shù)是相當(dāng)?shù)拇?，在存?chǔ)過程中難免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，例如數(shù)據(jù)日期不符合現(xiàn)實(shí)生活中的日期，所以要將類似于這樣的無效數(shù)據(jù)去掉，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，有利于數(shù)據(jù)挖掘的質(zhì)量。 時(shí)間 日期 經(jīng)度

9、緯度 震級(jí) 區(qū)域 19650126 023000 102.9 29.1 3 78 19650420 060000 102.65 29 3.4 78 19710324 215416 98.1 35.5 6.5 67 19710325 202150 79.42 41.42 3.3 21 19710523 040330 92.3 32.5 6.7 55 2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析地震的時(shí)間序列相似性是指在一定時(shí)間空間范圍內(nèi)，兩個(gè)地區(qū)發(fā)生的地震在時(shí)間，震級(jí)方面具有相似性。比方某區(qū)域A在1995，1997，1999，2003，2004有一定震級(jí)以上的地震，而在區(qū)域B在1997，1999，2001，2005，20

10、06也發(fā)生了地震，那么A和B兩個(gè)區(qū)域在時(shí)間序列相似度上具有很大的相似性，本文針對這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行粗相似的根底上分別從不同的時(shí)間差，時(shí)空差，粗細(xì)力度差等方面進(jìn)行相似性序列分布分析。本實(shí)驗(yàn)采用4.5級(jí)以上的地震序列，時(shí)間跨度為1987-2007年范圍內(nèi)，對全國的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域有著相似性，結(jié)果如表2所示。 區(qū)域 時(shí)間范圍 經(jīng)度范圍 緯度范圍 地震條數(shù) 年份相似 震級(jí)相似 72 1985-2005 100-105 25-30 260 41 36 61 1985-2005 95-100 25-30 160 36 23 40 1985-2005 85-90 30-35

11、240 12 14 19 1985-2005 75-80 35-40 280 12 11 62 1985-2005 95-100 30-35 120 11 10 59 1985-2005 95-100 15-25 96 10 10 由表2可以看出四川和臺(tái)灣地區(qū)以及藏南和臺(tái)灣地區(qū)的相似度最高，本文針對這兩組區(qū)域時(shí)間差在30天以內(nèi)的地震相關(guān)工程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)四川和臺(tái)灣地區(qū)有41次地震具有相關(guān)性，藏南和臺(tái)灣地區(qū)有36次相匹配的地震工程，而且地 震震級(jí)相似性也很高，具有相同的趨勢和震匹配性。圖1給出四川地區(qū)經(jīng)度100-105，緯度25-30和臺(tái)灣地區(qū)經(jīng)度120-125，緯度20-25相關(guān)地震的M-T圖

12、。圖2給出了藏南地區(qū)經(jīng)度95-100，緯度25-30和臺(tái)灣地區(qū)經(jīng)度100-105，緯度25-30相關(guān)地震的M-T圖。實(shí)驗(yàn)2：固定時(shí)間差為1年的粗粒度相似性分析在實(shí)驗(yàn)1的根底上，我們把實(shí)驗(yàn)的時(shí)間閾值由30天放大到1年，局部震級(jí)有所調(diào)整的情況下由于四川臺(tái)灣地區(qū)數(shù)據(jù)較多，震級(jí)提高到5級(jí)以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)多了一些區(qū)域具有相似性，其中相似度提高最明顯的是四川和臺(tái)灣地區(qū)以及藏中和四川-云南交界地區(qū)。圖3表示了四川-云南交界地區(qū)經(jīng)度90-100， 緯度25-30和藏中地區(qū)經(jīng)度85-90，緯度30-35的M-T圖，相匹配的地震條數(shù)由16次增加到23次。圖4表示了四川地區(qū)經(jīng)度100-105，緯度25-30和臺(tái)灣地區(qū)經(jīng)度120-125，緯度20-25的M-T圖，相匹配的工程由28上升到41。實(shí)驗(yàn)3：固定時(shí)間差為10天的細(xì)粒度相似性分析在實(shí)驗(yàn)1和2的根底上，針對四川臺(tái)灣地區(qū)和四川云南，藏中兩組地區(qū)將時(shí)間閾值縮小到10天，震級(jí)閾值縮小到5級(jí)，進(jìn)行相似度更為精確的相似匹配。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖