一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法技术

本发明专利技术地震监测领域，为一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，包括：读取卫星的磁场数据，并根据标志位选取有效数据；根据地磁指数选取地磁活动较平静的静磁轨道；通过差分和离散小波变换对静磁轨道的磁场三分量数据进行预处理，去除幅值大和变化缓慢的静磁场部分，得到磁场数据的变化情况；利用主成分分析对预处理后的磁场三分量数据进行降维处理，去除冗余信息的同时保留信号中主要的特征；对降维后的磁场数据进行连续小波变换，通过小波系数定义轨道能量强度，并利用其进行异常轨道提取。本发明专利技术弥补了单独使用其中某一分量不能充分使用数据有用信息和其异常提取结果不能全面反映地震前兆对磁场数据影响的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法
本专利技术地震监测领域，具体地来讲为一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法。
技术介绍
地震前兆指地震发生前出现的异常现象，其中包括震源及附近物质发生的地磁、地电、重力等地球物理异常。其观测方法可以包括地面观测和卫星观测两种类型，从全球范围来看地面观测台站分布较为稀疏，而卫星观测弥补了地面观测观测范围有限，且需要铺设大量台站的不足。同时岩石圈-大气层-电离层耦合机制的提出，表明地震前兆产生的异常可以通过岩石圈、大气层传播至电离层，并对其产生影响。因此，利用卫星数据提取地震前兆异常是可行的。磁场在地震孕育的过程中会发生异常变化，卫星测量的磁场数据包括标量总场和三分量矢量数据，矢量数据反映了不同方向磁场的变化情况，包含了更多可以反映地震前的异常情况的信息。CN106021710A公开了一种基于大气电离层参数的震前卫星轨道异常识别方法，包括原始电离参数的野值剔除及标准化处理；在不同地震震级下，使用不同阈值划分概率密度函数，建立震前卫星异常轨道识别模型；使用综合评价方法得到面向多参数的轨道识别模型等内容。针对大气层电离参数数据量巨大、信息维度高等特点，给出了一种地震前兆卫星轨道异常的识别方法,可用于卫星轨道异常检测和地震前兆识别。CN107356969A公开了一种基于卫星热红外数据及GIS的地震前兆分析方法，采用热红外数据加GIS的方式进行地震预报分析，能提高准确率，同时用于分析的数据来源较广，具有较好的研究效果。拓展了地震前兆的研究方向，利用GIS方式可将所有对地震发生可能产生影响的量化因素全都纳入空间运算当中，不仅仅局限于地质系数以及地质构造的分析。MehdiAkhoondzadeh等利用中值与四分位法分析了2016年4月16日的厄瓜多尔地震，对2015年11月1日至2016年4月30日的Swarm卫星群Alpha星的磁场三分量数据分别进行处理，提取出了相应的前兆异常。AngeloDeSantis等分析了2015年4月25日的尼泊尔地震，对地震前后一个月内的东向磁场分量异常按天进行累计，并通过S曲线进行拟合发现存在异常个数快速增加的现象，并将加速度最大处作为前兆异常天。上述技术分别对磁场三分量数据单独进行处理或仅使用其中一个分量进行处理研究，使用的数据中存在较多冗余信息或者使用的数据不全面，未能充分高效的利用三分量数据中含有的有用信息进行地震前兆异常的提取，其异常结果仅由某一分量的数据得到，未能充分全面的反映地震前兆对磁场的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，通过主成分分析方法对磁场三分量数据进行降维处理，减少冗余数据并保留三分量数据的主要特征，将更多有用信息转换到降维数据中，并通过连续小波变换得到其时频域能量分布，进一步定义并求取轨道能量强度，有效提取降维数据中的异常轨道，排除非震影响因素后，得到地震前兆异常。本专利技术可以充分利用磁场三分量数据中的有用信息，全面的反映地震前兆对磁场数据的影响，弥补了上述技术单独使用其中某一分量不能充分使用数据有用信息和其异常提取结果不能全面反映地震前兆对磁场数据影响的不足。本专利技术是这样实现的，一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，该方法包括：a、读取卫星的磁场数据，并根据标志位选取有效数据；b、根据地磁指数选取地磁活动较平静的静磁轨道；c、通过差分和离散小波变换对静磁轨道的磁场三分量数据进行预处理，去除幅值大和变化缓慢的静磁场部分，得到磁场数据的变化情况；d、利用主成分分析对预处理后的磁场三分量数据进行降维处理，去除冗余信息的同时保留信号中主要的特征；e、对降维后的磁场数据进行连续小波变换，通过小波系数定义轨道能量强度，并利用其进行异常轨道提取；f、排除非地震因素影响导致的异常；g、输出地震前兆异常的提取结果。进一步地，步骤a包括：读取卫星观测结果中的磁场数据的磁场三分量Bx、By和Bz，并根据数据的标志位去除无效数据。进一步地，步骤b根据地磁指数选取静磁轨道包括：通过地磁指数ap和Dst去除受地磁活动干扰较大的轨道，静磁轨道满足的条件为：当前时刻ap＜12，|Dst|≤20；前23个小时ap≤32，|Dst|≤30。进一步地，步骤c包括先对选取的磁场三分量数据按轨道分别进行一阶差分处理得到磁场变化量，再分别对差分处理后数据进行离散小波变换，去除其中的低频成分。进一步地，离散小波变换获取每层高频成分和低频成分的公式为：其中，j为分解层数，L表示低频成分，H表示高频成分，g为低通滤波器，h为高通滤波器，dB为磁场差分数据，每条轨道磁场三分量差分数据与低频成分的残差为预处理结果。进一步地，步骤d，所述的利用主成分分析卫星磁场数据降维处理包括：将预处理后每条轨道的磁场三分量数据按照时间序列表示为：Xi＝[xi(1),xi(2)...,xi(m)]，i＝1,2,...,n其中m为轨道长度，n为数据维度，得到矩阵Y的表达式为：计算矩阵Y的协方差矩阵CY(n×n)的元素γuv，计算公式为：其中，xiu和xiv分别为矩阵Y中的第i行u列元素和第i行v列元素；和分别是第u列和第v列元素的均值；计算协方差矩阵的特征值和特征向量：CY＝RΛRT其中，Λ(n×n)为从大到小排列的特征值对角矩阵，R(1×n)为对应特征值的特征向量，将特征值表示为λ1,λ2,...,λn(λ1＞λ2＞...＞λn)；利用矩阵R将矩阵Y的原始数据进行线性投影得到主成分Φ，Φ＝R·Y＝[Φ1,Φ2,...,Φn]T其中，Φ1,Φ2,...,Φn为第1至第个n主成分(1×m)，前k个主成分的贡献率由其对应特征值计算：选取使贡献率达到60％以上的前k个主成分代表磁场数据的主要特征，并作为降维处理的结果。进一步地，步骤e对降维后的磁场数据进行连续小波变换，通过小波系数定义轨道能量强度，并利用其进行异常轨道提取包括：通过连续小波变换将信号由时域变换到时频域；在时频域计算信号每一时刻的能量强度；使用滑动矩形窗对数据进行平均化，以确保异常持续一定的时间，排除突变性异常；利用该条轨道上的最大平均能量强度反映其异常变化情况。进一步地，还包括：计算所有轨道能量强度的均值μZ和标准差σZ，并设阈值为ThZ＝μZ+kk×σZ，当轨道的能量强度大于设置的阈值时，该轨道被认为是异常轨道。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，通过差分得到磁场变化量，利用离散小波变换去除周期性的幅值大的静磁场变化趋势得到磁场变化情况；利用主成分分析对三分量磁场数据进行降维处理，提取三分量数据的主要特征，将更多有用信息保留在降维数据中；最后对数据进行连续小波变换得到其时频域能量分布，进一步定义并求取轨道能量强度，突出信号的异常变化，能够得到很好的异常提取效果，并保证提取异常的持续时间，排除突变性异常。本专利技术通过该过程能够充分利用磁场三分量中包含的信息，有效的提取出具有持续时间的地震前兆异常变化。附图说明图1为基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法流程图；图2为厄瓜多尔地震震中、影响区域和研究区域示意图；图3为卫星磁场三分量数据原始曲线，其中A为Bx分量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，其特征在于，该方法包括：a、读取卫星的磁场数据，并根据标志位选取有效数据；b、根据地磁指数选取地磁活动较平静的静磁轨道；c、通过差分和离散小波变换对静磁轨道的磁场三分量数据进行预处理，去除幅值大和变化缓慢的静磁场部分，得到磁场数据的变化情况；d、利用主成分分析对预处理后的磁场三分量数据进行降维处理，去除冗余信息的同时保留信号中主要的特征；e、对降维后的磁场数据进行连续小波变换，通过小波系数定义轨道能量强度，并利用其进行异常轨道提取；f、排除非地震因素影响导致的异常；g、输出地震前兆异常的提取结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波变换的卫星磁场数据地震前兆异常提取方法，其特征在于，该方法包括：a、读取卫星的磁场数据，并根据标志位选取有效数据；b、根据地磁指数选取地磁活动较平静的静磁轨道；c、通过差分和离散小波变换对静磁轨道的磁场三分量数据进行预处理，去除幅值大和变化缓慢的静磁场部分，得到磁场数据的变化情况；d、利用主成分分析对预处理后的磁场三分量数据进行降维处理，去除冗余信息的同时保留信号中主要的特征；e、对降维后的磁场数据进行连续小波变换，通过小波系数定义轨道能量强度，并利用其进行异常轨道提取；f、排除非地震因素影响导致的异常；g、输出地震前兆异常的提取结果。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a包括：读取卫星观测结果中的磁场数据的磁场三分量Bx、By和Bz，并根据数据的标志位去除无效数据。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b根据地磁指数选取静磁轨道包括：通过地磁指数ap和Dst去除受地磁活动干扰较大的轨道，静磁轨道满足的条件为：当前时刻ap＜12，|Dst|≤20；前23个小时ap≤32，|Dst|≤30。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c包括先对选取的磁场三分量数据按轨道分别进行一阶差分处理得到磁场变化量，再分别对差分处理后数据进行离散小波变换，去除其中的低频成分。5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，离散小波变换获取每层高频成分和低频成分的公式为：其中，j为分解层数，L表示低频成分，H表示高频成分，g为低通滤波器，h为高通滤波器，dB为磁场差分数据，每条轨道磁场三分量差分数据与低频成分的残差为预处理结果。6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱凯光，樊蒙璇，李凯艳，池成全，于紫凝，贺小丹，孙慧慧，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22