一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法。本發(fā)明根據(jù)時(shí)空窗口k鄰近關(guān)系，識別時(shí)空共享鄰近地震事件，進(jìn)而依據(jù)時(shí)空共享鄰近關(guān)系，估計(jì)時(shí)空共享密度，最后依據(jù)時(shí)空共享鄰近關(guān)系將高密度地震事件聚集成簇。優(yōu)點(diǎn)如下：不需要用戶設(shè)定地震事件時(shí)空聚集模式的數(shù)目與形態(tài)，同時(shí)可以提取不同密度的地震事件時(shí)空聚集模式，可以從空間和時(shí)間耦合的視角發(fā)現(xiàn)地震事件的動態(tài)演變規(guī)律，將地震事件的時(shí)空聚集模式可視化表達(dá)。
【專利說明】一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域，涉及一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地震事件是影響人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生命財(cái)產(chǎn)安全地一種主要自然災(zāi)害。依據(jù)地震事件地觀測資料對地震爆發(fā)的規(guī)律與機(jī)理進(jìn)行分析與監(jiān)測是降低地震災(zāi)害影響的一種重要途徑。目前，隨著觀測手段的提升，已經(jīng)積累了大量的地震事件監(jiān)測數(shù)據(jù)，地震事件觀測的精度與時(shí)效性大大提高。地震事件時(shí)空聚集模式提取是地震事件分析中一個重要內(nèi)容，已經(jīng)成為研究地震事件發(fā)展、演化規(guī)律的一個重要手段。
[0003]現(xiàn)有的地震事件聚集模式提取方法大致可以分為三類:(1)基于時(shí)空距離的方法；(2)時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)方法；以及(3)基于時(shí)空密度的方法?；跁r(shí)空距離的方法首先定義時(shí)空實(shí)體間的時(shí)空距離表達(dá)(如臨界距離、k階最鄰近距離及時(shí)空耦合距離)，進(jìn)而采用假設(shè)檢驗(yàn)或傳統(tǒng)的聚類方法挖掘時(shí)空聚集模式。時(shí)空耦合距離法常用于地震爆發(fā)聚集性探測，難以推廣到其它領(lǐng)域。根據(jù)臨界距離與k階最鄰近距離定義的時(shí)空距離常用于檢驗(yàn)時(shí)空實(shí)體的聚集性，而難以獲得準(zhǔn)確的時(shí)空簇。時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)法首先需要假設(shè)數(shù)據(jù)的概率分布，進(jìn)而采用一定的掃描窗口(即由空間距離定義半徑、時(shí)間間隔定義高度的圓柱體)，以每個時(shí)空實(shí)體為中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，確定時(shí)空聚集模式。時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)的方法在疾病爆發(fā)熱點(diǎn)分析領(lǐng)域進(jìn)行了成功的應(yīng)用。然而，時(shí)空掃描統(tǒng)計(jì)的方法同樣無法準(zhǔn)確地描述時(shí)空聚集模式的范圍、大小和位置信息，且掃描窗口的大小難以自動適應(yīng)時(shí)空實(shí)體分布密度的變化?；跁r(shí)空密度的方法是在DBSCAN算法基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)展，其核心在于時(shí)空鄰近域的定義。主要方法包括:在空間鄰近的基礎(chǔ)上，引入時(shí)間半徑的概念，定義了圓柱形的時(shí)空鄰近域；借助Delaunay三角網(wǎng)與時(shí)空統(tǒng)計(jì)方法定義不規(guī)則的時(shí)空鄰近域。此外，若假定數(shù)據(jù)的先驗(yàn)分布(如均勻泊松分布)，可以將時(shí)空事件數(shù)據(jù)分解為特征與噪聲兩部分，進(jìn)而借助密度相連的思想聚集成簇?；诿芏鹊姆椒梢栽敿?xì)描述時(shí)空簇的位置、形狀及尺寸信息。然而，基于時(shí)空密度的方法不可避免地繼承了傳統(tǒng)的基于密度方法的局限，即全局性的閾值設(shè)置難以識別不同密度的簇，且對于鄰近的簇很難區(qū)分。綜上分析，目前尚缺乏一種能夠有效識別不同密度、不同形態(tài)地震事件時(shí)空聚集模式提取的高效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，主要解決目前缺乏一種能夠有效識別不同密度、不同形態(tài)地震事件時(shí)空聚集模式提取的高效方法。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是包括以下步驟:
[0006]步驟1:針對每個時(shí)空實(shí)體搜索其時(shí)空k鄰居；
[0007]步驟2:通過時(shí)空k鄰居，針對每個實(shí)體搜索時(shí)空共享近鄰，并計(jì)算其時(shí)空共享近鄰密度；
[0008]步驟3:選取一個未標(biāo)記的時(shí)空核，搜索所有時(shí)空可達(dá)與時(shí)空相連實(shí)體標(biāo)記為同一個時(shí)空簇；
[0009]步驟4:將所有能夠標(biāo)記的時(shí)空核標(biāo)記，將所有未加入任何時(shí)空簇的時(shí)空實(shí)體標(biāo)記為噪聲。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)還在于步驟I具首先確定地震時(shí)空事件的時(shí)空窗口 k鄰居，針對每個時(shí)空實(shí)體搜索其時(shí)空k鄰居:STi (Li, ti)表示一個地震時(shí)空事件，其中Li表示空間位置，\表示時(shí)間點(diǎn)，對于給定的時(shí)間窗口 AT，任一地震時(shí)空事件STi (Lpti)的時(shí)空k鄰居為一系列滿足下列兩個條件的地震時(shí)空事件集合(STi+1(Li+1，ti+1),STi+2(Li+2, ti+2)，…，STi+k(Li+k，ti+k))，記為 STNk(STi),
[0011]①I ti+k-ti I ≤ ΔΤ；
[0012]②Dwd (STi, STi+1) ≤ Dwd (STi, STi+2≤ U Dwd≤STi, STi+k)，其中 Dwd 表示歐氏空間距離。
[0013]步驟2中時(shí)空共享近鄰密度的計(jì)算方法為時(shí)空共享密度計(jì)算的具體方法為，首先定義時(shí)空直接可達(dá):給定任一地震時(shí)空事件STi, STj e STN(STi),若Nsnn (STi, STj) >KT (Κτ為一個大于O的整數(shù))，則稱時(shí)空直接可達(dá)，記為5η O 5Τ,,時(shí)空共享近鄰密度:一個地震時(shí)空事件STi的時(shí)空共享近鄰密度定義為STN(STi)中所有滿足與STi時(shí)空直接可達(dá)關(guān)系的地震時(shí)空事件數(shù)目，記為STD (STi)，時(shí)空共享密度計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)是在Matlab軟件中編程實(shí)現(xiàn)。
[0014]步驟3中首先定義共享時(shí)空鄰居:給定任一時(shí)空事件STi,所有與其滿足時(shí)空直接可達(dá)的時(shí)空實(shí)體構(gòu)成STi的共享時(shí) 空鄰居，記為RSTN(STi)，定義時(shí)空核:對于任一時(shí)空事件STi,若其滿足STD(STi)≤MinPts (MinPts為一個大于O的正整數(shù)，STD(STi)表示時(shí)空共享近鄰密度，則稱STi為一個時(shí)空核，定義時(shí)空可達(dá):對于一組時(shí)空實(shí)體ST1, ST2,…，STi,…，STn,且STn為一個時(shí)空核，若滿足S7;? ^sri，則稱ST1與STn時(shí)空可達(dá)，記為STn — ST1,定義時(shí)空相連:若時(shí)空實(shí)體STi與STj對于另一時(shí)空實(shí)體STk，同時(shí)滿足STi — STk, STj — STk,則稱STi與SI^時(shí)空相連，記為STi~SIr定義邊界時(shí)空實(shí)體:對于一個非時(shí)空核實(shí)體STi,若其共享時(shí)空鄰居內(nèi)存在至少一個時(shí)空核，則稱之為邊界時(shí)空實(shí)體，最好計(jì)算時(shí)空簇:對于時(shí)空數(shù)據(jù)集STD，時(shí)空簇STC可以描述為滿足如下兩個條件的非空時(shí)空實(shí)體集合:
【權(quán)利要求】
1.一種基于共享密度的地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征在于，包括: 步驟1:針對每個時(shí)空實(shí)體搜索其時(shí)空k鄰居； 步驟2:通過時(shí)空k鄰居，針對每個實(shí)體搜索時(shí)空共享近鄰，并計(jì)算其時(shí)空共享近鄰密度； 步驟3:選取一個未標(biāo)記的時(shí)空核，搜索所有時(shí)空可達(dá)與時(shí)空相連實(shí)體標(biāo)記為同一個時(shí)空簇； 步驟4:將所有能夠標(biāo)記的時(shí)空核標(biāo)記，將所有未加入任何時(shí)空簇的時(shí)空實(shí)體標(biāo)記為噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共享密度地地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征是:所述步驟I具首先確定地震時(shí)空事件的時(shí)空窗口 k鄰居，針對每個時(shí)空實(shí)體搜索其時(shí)空k鄰居-STi(Lpti)表示一個地震時(shí)空事件,其中Li表示空間位置表示時(shí)間點(diǎn),對于給定的時(shí)間窗口 AT，任一地震時(shí)空事件STi (Lpti)的時(shí)空k鄰居為一系列滿足下列兩個條件的地震時(shí)空事件集合(STi+1 (Li+1, ti+1),STi+2(Li+2, ti+2)，…，STi+k(Li+k，ti+k))，記為 STNk(STi)，
① I ti+k-ti I ≤ΔΤ;
(I)Dwd(STi, STi+1) ( Dwd(STi, STi+2) U Dwd(STi, STi+k)，其中 Dwd表示歐氏空間距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共享密度地地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征是:所述步驟2中時(shí)空共享近鄰密度的計(jì)算方法為時(shí)空共享密度計(jì)算的具體方法為，首先定義時(shí)空直接可達(dá):給定任一地震時(shí)空事件STi, STj e STN(STi),若Nsnn (STi, STj) >KT (Κτ為一個大于O的整數(shù)),則稱時(shí)空直接可達(dá),記為ST； ^ 時(shí)空共享近鄰密度:一個地震時(shí)空事件STi的時(shí)空共享近鄰密度定義為STN(STi)中所有滿足與STi時(shí)空直接可達(dá)關(guān)系的地震時(shí)空事件數(shù)目，記為STD (STi)，時(shí)空共享密度計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)是在Matlab軟件中編程實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共享密度地地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征是:所述步驟3中首先定義共享時(shí)空鄰居:給定任一時(shí)空事件STi,所有與其滿足時(shí)空直接可達(dá)的時(shí)空實(shí)體構(gòu)成STi的共享時(shí)空鄰居，記為RSTN(STi)，定義時(shí)空核:對于任一時(shí)空事件STi,若其滿足STD (STi)≤MinPtsCMinPts為一個大于O的正整數(shù)，STD (STi)表示時(shí)空共享近鄰密度，則稱STi為一個時(shí)空核，定義時(shí)空可達(dá):對于一組時(shí)空實(shí)體ST1, ST2,…，STi,…，STn,且STn為一個時(shí)空核,若滿足57: ^ST1,則稱ST1與STn時(shí)空可達(dá)，記為STn — ST1,定義時(shí)空相連:若時(shí)空實(shí)體STi與STj對于另一時(shí)空實(shí)體STk，同時(shí)滿足STi — STk, STj — STk,則稱STi與SI^時(shí)空相連，記為STi~SIr定義邊界時(shí)空實(shí)體:對于一個非時(shí)空核實(shí)體STi,若其共享時(shí)空鄰居內(nèi)存在至少一個時(shí)空核，則稱之為邊界時(shí)空實(shí)體，最好計(jì)算時(shí)空簇:對于時(shí)空數(shù)據(jù)集STD，時(shí)空簇STC可以描述為滿足如下兩個條件的非空時(shí)空實(shí)體集合: O^STiESTD, STi^STD: STrSTj ι 2)ySTi^STD, STi^STD: ST「STh
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于共享密度地地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征是:所述步驟4中，首先給定聚類參數(shù)AT、k、KT與MinPts,選取一個未標(biāo)記的時(shí)空核,搜索所有時(shí)空可達(dá)與時(shí)空相連實(shí)體標(biāo)記為同一個時(shí)空簇，并給予簇內(nèi)時(shí)空核相同標(biāo)記，直到所有時(shí)空核都被掃描且標(biāo)記后，聚類過程結(jié)束，未加入任何時(shí)空簇的時(shí)空事件標(biāo)記為噪聲，最后，生成的時(shí)空簇(或時(shí)空聚集模式)將在Matlab軟件中可視化展示給用戶，并輸出最終聚類結(jié)果文件。
6.根據(jù)權(quán) 利要求5所述的一種基于共享密度地地震事件時(shí)空聚集模式提取方法，其特征是:所述聚類參數(shù)k值為12~30 ；MinPts取值為0.45k~0.55k ；kT取值為0.5k。
【文檔編號】G01V1/30GK103869367SQ201410113795
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】鄧敏, 劉啟亮, 楊文濤, 唐建波, 劉慧敏, 石巖 申請人:中南大學(xué)