第十章 数据处理与异常识别方法

表示观测值y对于另一组观测值（x1,x2,…）的相关性，模型将y分 解为两部分，一部分表示因变量（x）的变化引起的wenku.baidu.com动，它表示 某些已知因素对y的贡献；另一部分是残差，是由一些不确定的因 素或测量误差产生的。
逐步回归
（二）相关分析与回归分析方法及其应用
应用
1）作出散点图，观察变量间的趋势。如果是多个变量， 则还应当作出散点图矩阵、重叠散点图和三维散点图。
1.观察计算机屏幕上显示观测值，是否出现缺数、 突跳和阶跃. 分析突跳\阶跃原因，可舍弃观测偶然 事件引起的突跳。 2. 缺数断点，采用插值方法（线性插值法 、抛物线 插值法 、多元线性回归拟合外推插值法 ）补值。
二、原始数据日常处理
日常计算 基本图件绘制
（一）日常计算 1. 各类均值计算 （1）日均值计算 （2）5日均值计算 （3）月均值计算 （4）年均值计算 （5）水位的气压校正及其均值计算
用日观测值判定短临异常和临震异常效果好
1. 动态曲线分析法
多日均值、月均值突出了趋势性变化，可反映流体动态变化 规律和地震的趋势异常。
1. 动态曲线分析法
图2 2008年5月12日四川汶川8.0级地震部分地下流体月均值异常变化曲线图（范雪芳等，2009）
2. 方差分析法
x x ns
3. 差 分 法（梯度法或速率法）
（三）滤波分析及其应用
双道维纳滤波
（四）调和分析及其应用
原理
（五）周期分析及其应用
周期分析方法
（五）周期分析及其应用
周期分析方法
（五）周期分析及其应用
周期分析方法
（五）周期分析及其应用
数据处理专用软件： 陆远忠，李胜乐，邓志辉，等.2002.基于 GIS地震分析预报系统 张少泉，蒋骏，黄辅琼，等.数据处理方法 周克昌等.地震分析预报应用软件。
（二）地下流体异常判别的方法 1. 经验判定——主要用于某些不具备定量指标的
6. 从属函数法
甘肃清水水氡月均值（a）从属函 数（b）曲线图
图1 四川江油10井水位中期异常变化曲线图（范雪芳等，2009）
甘肃武都泉水氡异常变化曲线图（杨兴悦等，2007年7月）
五、地下流体震兆异常的调查与落实
异常调查与落实的思路和方法 异常判别 干扰异常的排除
（一）异常调查与落实的思路和方法
移而变化，而且可以用时间平均代替总体平均。 非平稳随机序列
（二）预备知识 序列的统计特性
（1）均值
算术平均值 加权平均值
（2）标准差（方差）
（一）预备知识 观测资料的预处理
线性插值
抛物线插值 拉格朗日插值 多元线性回归拟合插值
（二）相关分析与回归分析方法及其应用
相关分析
（二）相关分析与回归分析方法及其应用
相关分析与回归分析实例
（二）相关分析与回归分析方法及其应用
怀来断层气二氧化碳的年动态与地温的相关 关系显著，其年变化基本受地温的影响。其 一元线性回归分析方程：
y=2.446+0.101x
北京某温泉水氡y同气温（x1）、管路中水 温（x2）、井中水温（x3）之间关系。 Y=-60.9-0.015x1+1.545x2+0.00323x3
临震异常分析
地震平静时观测值作为正常动态,计算其均值和均方差,取2倍 均方差内的观测值为正常动态值,超过2倍均方差的观测值为异 常变化值。 近直线型动态：以地震平静时段算术平均值为基线。 年变形态明显：将主要影响因素排除后，以其平均值为基值， 用观测误差（或均方差）作为异常界限判断异常。
1. 动态曲线分析法
2. 定量评价
根据相对标准差评价可靠性（5日均值相对标 准差σ越小,其可靠性越强） 正常动态清楚的可靠性高。正常动态的基准曲 线。 虚假异常多少反映其可靠性。如多次出现无震 异常，这些异常经分析又与构造活动无关，则 资料可靠性差。
（二）观测资料预处理
地下流体观测的原始数据类别
测项
水位 水温 水（气）氡 水（气）汞 气体 离子
低通滤波——频率低于设顶频率的信号能够通 过，而其它信号被过滤掉。
（三）滤波分析及其应用
平滑滤波使趋势变化显著而细节部分被滤掉了。维纳滤波抑制了 高频信息，突出了长周期信息，而对短周期信息有放大作用。高 通滤波把高频信息保留，构成平稳序列，带通滤波突出了位于中 间频段的信息，高频信息和长周期低频部分被滤掉；低通滤波的 效果类似于平滑滤波，滤波后的序列除了保留长周期成分，还保 留了部分短周期成分。
相关分析是研究两个或两个以上随机变量间的关系，并 描述它们之间的相关程度。相关分析有线性相关和非线 性相关，线性相关是最简单的相关关系。
（二）相关分析与回归分析方法及其应用
回归分析
回归分析是一种处理两个或两个以上变量间依存关系的统 计方法，并用于说明变量间依存变化程度的定量关系。
一元回归
多元回归
j i
计算自适应阈值 D(i) T (i 1) (i s 1, s 2, , n)
判定短临异常 x j MV (i 1) D(i)
用30个观测值作滑动平均（滤去周期小于30天的短期成 分），求出滑动平均值序列作为基线，用下一个观测值 与其基线相比较，看是否大于2倍或3倍均方差。
5. 剩余曲线法
各级分析预报部门日常分析的基本图件，图件内容根据井孔 的具体情况进行取舍
2．水化日常分析绘制的基本图表
（1）水化各测项的月报表 （2）水化各测项的年报表 （3）水氡及辅助测项(水温、室温、鼓泡时水温、流量)日值曲 线图
（4）气体测项如：CO2，He、H2、Ar、O2、N2、CH4等日值 曲线
（5）离子组分如K+、Na+、Ca2+、HCO3-、Cl-、S042-、SiO2、 F-、Hg等日值曲线图
第十二章
地下流体观测数据处理与异 常识别方法
地震地下流体的资料处理工作内容：
□地下流体观测资料质量的评价(可靠性与精确度) □地下流体观测资料处理(日常计算、基本图件的绘制、 日常监测数据处理软件系统)； □主要干扰因素的识别与排除,提取与地震孕育、发生 过程有关的信息。（数学方法）
授课内容
地下流体观测资料的评价及预处理 原始观测数据的日常处理 数据处理基本方法 地下流体异常识别方法 地下流体震兆异常的调查与落实 地下流体前兆异常的规律与特征
滑动滤波 ——光滑曲线，消除高频波动，保留较 长周期的变化部分，属低通数字滤波器。 等权平滑滤波
（三）滤波分析及其应用 不等权平滑滤波
（三）滤波分析及其应用
最佳数字滤波
高通滤波——只有频率高于设定频率的信号能 通过，其它频率的信号被过滤掉。
带通滤波——与设定频率一致的信号保留下来， 而其它信号被过滤掉。
具有与差分法相似的滤波功能，能突出观测数据中 短周期的异常变化成分。常采用五点平均剩余曲线法。
剩余曲线就是原始曲线与滤波曲线间剩余变化，是 短临异常提取方法。
当滑点数增加时，频带会逐渐加宽，低频成分也能 通过，在平均点较少时，只有短周期成分能通过，随着 平均点数的增加，低频成分也逐渐保留下来。
5. 剩余曲线法
观测条件：观测井结构、井口装置、井水自流状态、 仪器工作环境、台站工作环境。
观测工作：水化学样品的采集、观测基准点、仪器 与设备（老化、故障、更新等）、操作与规范、标 定与检查。
其它偶然因素。
（一）异常调查与落实的思路和方法
首先检查观测室的测试条件是否变化，测试仪器是否稳定，仪 器有无正常标定，标定值有无变化，测试程序是否按规范进行， 测试人员有无变动，其计数水平如何，有无人为干扰；
主要用于短周期异常识别。该法压制长周期,突出 教短周期变化的线性滤波方法,可用于提取观测数据序 列中的高频变化的异常信息。
一阶差分算术值 Yi Yi1 Yi
差分绝对值 Yi Yi1 Yi
l
差分绝对值类加序列 Ysi Yik1 k 1
差分异常频次累加序列
l
Nsi Nik 1
k 1
2. 重要参数计算
（1）重力固体潮理论值的计算 （2）体应变固体潮理论值的计算 （3）井水位气压系数Bp （4）地下水位预报地震所需的有关参数
（二）基本图件绘制
1. 水位日常分析绘制的基本图表
（1）水位、气压、降雨量日报表 （2）水位、气压月报表 （3）水位、气压日均值年报表 （4）水位、气压、经气压订正后水位、固体潮理论值逐时值图 （5）水位、气压、经气压订正后的水位、降雨量日均值图 （6）水位五日均值、月均值、年均值图 （7） 校正气压后的水位五日均值、月均值、年均值图 （8）水位日均值、校正气压后的水位日均值及其一阶差分图 （9）水位气压系数，固体潮系数、相关系数变化图 （10）含水层力学参数月变化图 （11）井孔分布及异常井点图
台站（定点） 时值，分钟值
分钟值 日值 日值 日值 日值
观测方式 流动（定时） 日值 多日值
日值、多日值、旬值、月值 日值、多日值、旬值、月值 日值、多日值、旬值、月值、年值
日值、多日值、旬值
观测技术（台站） 模拟观测 数字观测 时值 分钟值 日 值 分钟值 日 值 时值 日 值 时值 日 值 时值（氢、氦） 日值
（三）滤波分析及其应用
滤波分析的原理
在所观测的数据中，通常包含两部分内容，一是需要 的信息，称之为信号，二是不需要的信息，称之为干扰或 噪声。使用数字计算的方法来增强信号，压低干扰。
别尔采夫滤波（多点滑动平均法） 单道维纳滤波（基于最小二乘法） 多道维纳滤波 最佳滤波（最佳频率滤波）
（三）滤波分析及其应用
（6）各种测项的五日均值曲线图 （7）各种测项的旬均值曲线图 （8）各种测项的月均值曲线图 （9）各种测项的年均值曲线图
三、数据处理基本方法
预备知识 相关分析与回归分析方法及其应用 滤波分析及其应用 调和分析方法及其应用 周期分析方法及其应用
（一）预备知识 时间序列
平稳随机时间序列 序列的期望（均值、方差、相关等）不随时间的推
一、评价及预处理
观测资料可靠性评价
数据获取过程复杂，可靠性受多种因素制约。利用 资料进行预报须评价观测资料可靠性。
观测资料预处理
（一）观测资料可靠性评价
1. 定性评价
观测点环境条件（自然环境与观测室条件）决 定其对地震应力应变反映灵敏程度。
井口结构及采水—引水装置对观测资料影响很 大。
观测仪器的稳定性和观测精度
2）考察数据的分布，进行必要的预处理。 3）选择合适的回归方程进行回归分析 对于影响因素单一观测量的可采用一元回归，即先分析它
们之间的相关性，如果相关，是何种关系，线性还是非线 性，是非线性的哪一种，相关关系确定以后，再选择相应 的回归方程进行回归。 如果影响因素为两个或两个以上，采用多元逐步回归方法。
为了进行科学的地震分析预报，当出现与正常变 化形态不同的异常变化时，必须对异常进行调查 和研究，其主要内容包括异常的真实性、异常的 起因与异常的性质三方面的工作。
（一）异常调查与落实的思路和方法
自然环境类：降雨、气压、气温、水温、观测室温 度、江河水、水渠、水库、泥石流与滑坡。
人类活动类：地下开采、地下水回灌、农田灌溉、 油田生产、矿井疏干、矿山爆破与矿井坍塌、机械 振动。
1 Ni 0
Yi K Yi K
3. 差 分 法（梯度法或速率法）
4. 自适应阈值法 滑动均值异常法，用来判别短临异常。
计算滑动平均值
MV
(i
s
1)
1 s
s 1 i
x j (i
ji
1,2,3
,n
s
1)
计算滑动均方差 (i s 1)
1 s1i
s 1
[xi MV(i s 1)]
四、地下流体异常识别方法
动态曲线分析法 差分法 自适应阈值法 剩余曲线法 从属函数法
1. 动态曲线分析法
动态曲线类型 多年动态曲线 年动态曲线 月动态曲线 日动态曲线
用于绘图的常用数据 年均值或月均值 月均值或日均值 日均值或整点值 整点值或分钟值
曲线的主要用途 中期或中断期异常分析 中断期或短期异常分析 短期或短临异常分析
水点周围环境有无变化，所观测的含水层有无新的开采、抽水 和注水现象；
井（泉）口采水装置有无变更，取水条件有无变化，是否按规 范定时、定人采取水样；
同一观测点的其它测项有无变化；
同一地区其它地震监测手段有无异常，异常出现时间是否有呼 应关系；
异常分布的空间范围如何，是否存在局部环境条件的干扰。