一种基于多源数据融合的地震风险预测方法及系统与流程

本发明属于地震监测预警，尤其涉及一种基于多源数据融合的地震风险预测方法及系统。

背景技术：

1、地震风险预测是减轻地震灾害损失的核心手段。随着空间对地观测、深井观测及地球物理场监测技术的发展，多源监测数据为地震前兆识别提供了丰富信息。基于多源数据融合的地震风险预测方法，能够综合利用形变、地震活动性、地下流体和地球物理场等多维度观测信息，较单一监测手段具有信息互补、空间覆盖广、物理约束强的优势，对提升区域地震风险研判能力、支撑政府精细化防灾减灾决策具有重要的现实意义和社会价值。

2、然而，现有技术在实际应用中仍存在明显不足：首先，多源监测数据往往孤立分析，缺乏以断层力学本构关系为核心的物理约束，前兆特征与应力状态的因果关联薄弱，导致异常识别可靠性低、虚报率高；其次，现有方法较少考虑监测网络空间稀疏性和地质结构非均质性对预测结果的影响，难以对预测结果进行空间自适应的置信度评估，造成高复杂度区域预测可信度不足；此外，传统预警策略通常采用统一阈值或单一维度分级，未充分耦合地震动衰减规律和承灾体易损性参数，无法支撑面向不同风险场景的差异化防灾决策。针对上述问题，本发明提出一种基于多源数据融合的地震风险预测方法及系统，通过引入力学约束因果推断、三级交叉修正、局部置信度权重及双维度决策矩阵等关键技术，实现了前兆识别可靠性提升、空间置信度自适应量化和预警策略差异化定制，为地震风险精准预测和防灾减灾精细化管理提供了新的技术途径。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种基于多源数据融合的地震风险预测方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明包括以下步骤：

4、获取多源监测数据和拓展数据，构建前兆监测网络，提取地震风险特征，以断层力学本构关系为物理约束对地震风险特征进行因果推断，确定前兆特征子集；

5、根据多源监测数据对前兆特征子集进行空间一致性、力学耦合及环境干扰的三级交叉修正，得到前兆修正数据；

6、根据监测网络配置数据计算监测数据稀疏度，根据地质构造背景数据计算地质结构复杂度，将监测数据稀疏度和地质结构复杂度进行空间耦合，确定局部置信度权重；

7、根据历史地震目录数据确定背景孕震活动水平，构建孕震环境场和前兆响应场，结合局部置信度权重对孕震环境场和前兆响应场进行差异化重组，确定孕震活动基准；

8、提取前兆修正数据中的动态异常信息作为修正因子，将局部置信度权重作为调制系数，对孕震活动基准进行非线性概率调制，得到格点发震危险概率；

9、对格点发震危险概率进行临界性分级，结合地震动衰减规律参数和承灾体易损性参数，得到地震风险预测结果，确定差异化预警策略；

10、所述监测数据包括空间形变监测数据、地震活动性监测数据、地下流体监测数据、地球物理场监测数据；

11、所述拓展数据包括历史地震目录数据、监测网络配置数据、地震动衰减规律参数、地质构造背景数据、承灾体易损性参数、环境干扰数据。

12、进一步的，所述确定前兆特征子集的方法，包括：

13、获取监测数据和拓展数据，提取活动断层分段，确定各断层分段的综合活动性；

14、根据断层分段的综合活动性和构造关键部位位置，布设实体监测节点与虚拟前兆节点；所述虚拟前兆节点为实体点覆盖盲区中根据地质构造连续性和物理场梯度外推构建的等效观测点；所述虚拟前兆节点的历史背景基准由空间邻域内实体监测节点的历史观测数据经物理场梯度插值确定；所述虚拟前兆节点的当前观测值由空间邻域内实体监测节点的当前观测数据经物理场梯度外推确定；

15、确定各节点的断层空间关系，构建前兆监测网络；所述断层空间关系表征节点的断层分段归属和与断层的相对空间位置；

16、根据各实体监测节点的历史观测数据确定历史背景基准，计算观测偏离量，并引入距断层距离指数衰减和观测深度对数增强，得到地震风险特征值；所述地震风险特征包括形变场特征、地震活动性场特征、地下流体场特征、地球物理场特征；

17、确定应力状态参量和各特征的因果关联参数，以断层力学本构关系为物理约束，对地震风险特征进行因果推断，筛选得到前兆特征候选集；

18、对前兆特征候选集进行物理一致性检验，确定前兆特征子集；所述前兆特征子集表征与断层应力状态具有力学因果关联且跨物理场自洽的孕震异常响应信息集合。

19、进一步的，所述得到前兆修正数据的方法，包括：

20、设定空间影响域，提取前兆特征子集中的各节点作为检索中心，检索同类前兆特征得到邻域同类特征集；所述同类前兆特征为属于同一物理场类型的前兆特征；

21、提取同一断层分段内的异类前兆特征得到同域异类特征集；所述异类前兆特征为属于不同物理场类型的前兆特征；

22、计算邻域同类特征集的方向一致性比率，并根据预设阈值和各节点的断层空间关系，判定各特征的异常性质并分别修正；所述异常性质包括区域群体异常、局部构造异常和非构造干扰异常；

23、根据岩石破裂力学响应链条，对同域异类特征集进行力学耦合检验，划分力学响应类别并分别修正；所述岩石破裂力学响应链条表征断层在应力加载直至失稳破裂过程中不同物理场响应按照力学耦合规律出现的方向序列关系，包括挤压应力状态下跨断层位移速率减速、面应变压缩增强、地电阻率下降、地下水位上升的方向序列；所述力学响应类别包括力学协同特征和力学异向特征；

24、根据各物理场类型对环境因子的固有敏感性筛选环境敏感特征；

25、提取环境干扰数据，构建环境响应模型，分离环境敏感特征的环境驱动分量，得到残余异常分量；所述环境响应模型表征前兆特征观测值与环境干扰数据之间的响应函数关系；

26、综合异常性质修正结果、力学耦合修正结果和环境干扰剥离结果，得到前兆修正数据。

27、进一步的，所述确定局部置信度权重的方法，包括：

28、根据监测网络配置数据计算有效监测能力指数；所述有效监测能力指数为各格点有效监测范围内等效节点数；

29、根据断层分段综合活动性等级确定区域理想布网密度，计算监测数据稀疏度；

30、获取地质构造背景数据，计算构造非均质指数；所述构造非均质指数反映监测目标区域内地质介质物理属性的空间差异程度；

31、根据构造非均质指数确定地质结构复杂度；所述地质结构复杂度根据构造非均质指数分为三级；

32、以监测数据稀疏度为供给项、地质结构复杂度为损耗项构建二维耦合调制函数，计算局部置信度权重并映射为局部置信度权重等级；所述局部置信度权重与监测数据稀疏度正相关，与地质结构复杂度负相关。

33、进一步的，所述确定孕震活动基准的方法，包括：

34、提取各断层分段的地震活动性参数；所述地震活动性参数包括历史地震频次、震级分布参数和累积矩释放率；

35、根据断层分段综合活动性等级对地震活动性参数进行背景修正，确定背景孕震活动水平；所述背景孕震活动水平表征各断层分段在长期应力背景下的发震强度基准；

36、根据背景孕震活动水平和各格点的断层分段归属进行映射，构建孕震环境场；所述孕震环境场表征各格点在长期孕震背景下的静态发震危险水平；

37、提取前兆修正数据中的动态异常信息，结合各节点的断层空间关系进行映射，构建前兆响应场；所述前兆响应场表征各格点在短期前兆扰动下的动态发震危险增量；

38、根据各格点的局部置信度权重等级，对孕震环境场和前兆响应场进行差异化重组，确定孕震活动基准。

39、进一步的，所述得到格点发震危险概率的方法，包括：

40、提取前兆修正数据中各前兆特征修正后的特征值，计算动态异常综合指数；所述动态异常综合指数为各前兆特征修正后特征值经均方根聚合得到的格点无量纲异常强度；

41、根据各格点的局部置信度权重等级确定修正通道开放系数；所述修正通道开放系数与局部置信度权重等级正相关；

42、根据动态异常综合指数和修正通道开放系数对孕震活动基准进行非线性概率调制；所述非线性概率调制以孕震活动基准为基底项，以动态异常综合指数与修正通道开放系数的耦合项为增量驱动项；

43、以概率上限约束值与孕震活动基准的差值为上限边界，根据孕震活动基准值对格点发震危险概率进行概率调制，得到格点发震危险概率；所述概率上限约束值不低于所述孕震活动基准值。

44、进一步的，所述得到地震风险预测结果的方法，包括：

45、对所述格点发震危险概率进行时间演化分析，计算危险概率增长速率和累积危险指数；

46、根据所述危险概率增长速率和累积危险指数进行临界性分级；所述临界性分级包括低临界、中临界、高临界和极高临界四级；

47、提取地震动衰减规律参数；所述地震动衰减规律参数包括地震动峰值加速度衰减系数和频谱衰减系数；

48、根据格点发震危险概率和地震动衰减规律参数，预测各格点的地震动强度；所述地震动强度包括地震动峰值加速度和特征周期；

49、提取承灾体易损性参数；所述承灾体易损性参数包括建筑结构抗震能力、人口暴露密度和生命线工程脆弱性；

50、根据地震动强度和承灾体易损性参数，计算承灾体损失率；所述承灾体损失率根据对数正态易损性曲线计算；所述对数正态易损性曲线的中值参数根据建筑结构抗震能力确定，离散系数根据建筑结构类型确定；

51、综合临界性分级和承灾体损失率，构建双维度决策矩阵；所述双维度决策矩阵以临界性分级为横轴、承灾体损失率为纵轴；

52、根据双维度决策矩阵确定差异化预警策略，输出地震风险预测结果。

53、第二方面，一种基于多源数据融合的地震风险预测系统，包括：

54、因果推断模块：用于获取多源监测数据和拓展数据，构建前兆监测网络，以断层力学本构关系为物理约束对地震风险特征进行因果推断，确定前兆特征子集；

55、前兆修正模块：用于根据多源监测数据对前兆特征子集进行空间一致性、力学耦合及环境干扰的三级交叉修正，得到前兆修正数据；

56、置信度评估模块：用于根据监测网络配置数据计算监测数据稀疏度，根据地质构造背景数据计算地质结构复杂度，将二者空间耦合确定局部置信度权重；

57、孕震基准模块：用于根据历史地震目录数据确定背景孕震活动水平，构建孕震环境场和前兆响应场，结合局部置信度权重非线性重组确定孕震活动基准；

58、危险概率模块：用于提取前兆修正数据中的动态异常信息作为修正因子，将局部置信度权重作为调制系数，对孕震活动基准进行调制，得到格点发震危险概率；

59、预警策略模块：用于对格点发震危险概率进行临界性分级，结合地震动衰减规律参数和承灾体易损性参数，得到地震风险预测结果并确定差异化预警策略。

60、本发明的有益效果是：

61、本发明是一种基于多源数据融合的地震风险预测方法及系统，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

62、本发明通过以断层力学本构关系为物理约束的因果推断，以及空间一致性、力学耦合和环境干扰的三级交叉修正，有效提升了多源前兆特征识别的可靠性和物理一致性，降低了非构造干扰导致的虚报风险；

63、本发明通过监测数据稀疏度与地质结构复杂度的空间耦合，建立局部置信度权重体系，实现了预测结果在空间维度上的自适应置信度量化，增强了复杂地质区域预测结果的科学性和可信度；

64、本发明通过孕震环境场与前兆响应场的差异化重组及非线性概率调制，结合临界性分级与承灾体易损性参数的双维度决策矩阵，实现了面向不同风险场景的差异化预警策略，显著提升了地震风险预测对防灾减灾决策的支撑效能。