吉林大学学报(地球科学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (6): 2153-2163.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20250194

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

基于机器学习的微动HVSR数据干扰信号压制方法

韩复兴1,刘水源1,高正辉1,韩江涛1,张涛2, 3,尚浩2, 3   

  1. 1.深部探测与成像全国重点实验室/吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026
    2.山东省地质调查院,济南250014
    3.中国地质学会北方岩溶城市地下空间精细探测与开发利用创新基地,济南250014
  • 出版日期:2025-11-26 发布日期:2025-12-30
  • 通讯作者: 高正辉(1991—),男,副教授,硕士生导师,主要从事城市地球物理、地震数据处理、偏移成像及正反演研究,E-mail: gaozh2020@jlu.edu.cn
  • 作者简介:韩复兴(1981—),男,教授,博士生导师,主要从事地震波传播与成像、计算地球物理方面的学习与研究,E-mail: hanfx@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2023YFC3707901,2023YFC2906704-5);国家自然科学基金项目(42074150,42304128);福田区地面坍塌综合监测和预警系统建设项目(FTCG2023000209)

A Transient Interference Suppression for Microtremor HVSR Data Based on Machine Learning

Han Fuxing1, Liu Shuiyuan1, Gao Zhenghui1, Han Jiangtao1, Zhang Tao2, 3, Shang Hao2, 3   

  1. 1. State Key Laboratory of Deep Earth Exploration and Imaging/ College of GeoExploration Science and Technology,Jilin 
    University,Changchun 130026,China
    2. Shandong Institute of Geological Survey,Jinan 250014,China
    3. Geological Society of China Innovation Base for Precise Exploration and Development of Underground Space in Northern Karst 
    Cities,Jinan 250014,China

  • Online:2025-11-26 Published:2025-12-30
  • Supported by:
    Supported by the National Key Research and Development Program of China (2023YFC3707901, 2023YFC2906704-5), the National Natural Science Foundation of China (42074150, 42304128) and Futian District Integrated Ground Collapse Monitoring and Early Warning System Construction Project (FTCG2023000209)

摘要: 微动HVSR(horizontal-to-vertical spectral ratio)法是一种高效、非侵入式的地球物理探测手段,广泛用于城市地质调查与工程勘探。然而,行人、车辆等瞬态干扰会导致HVSR曲线畸变。现有瞬态干扰剔除方法存在局限:STA/LTA(short-term-average over long-term-average)法易误判且调参复杂,手动剔除法效率低,频域窗剔除法仅关注峰值频率信息。为此,本文提出一种基于机器学习的微动HVSR数据干扰信号压制方法。首先通过提取曲线形态特征训练曲线剔除模型,用于剔除HVSR数据中显著偏离平均趋势的离群HVSR曲线;随后提取峰值特征训练峰值识别模型,用于识别曲线中的有效共振峰值;最后结合DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)聚类算法对识别出的有效峰值进行聚类与二次剔除,去除频率和振幅异常的峰值所在曲线。曲线剔除模型和峰值识别模在测试集上的F1分数分别为0.967和0.985,均表现出优异的分类性能。实际算例结果表明,本文方法在异常曲线剔除方面相较于STA/LTA法和频域窗剔除法具有更高的稳定性与准确性,处理后的曲线频谱分布更加集中,标准差曲线更加收敛,峰值更加清晰稳定。本文方法在实现高效自动处理的同时,剔除效果与手动剔除法高度一致。


关键词: 微动HVSR法, 机器学习, 瞬态干扰, 剔除, 地球物理

Abstract:  The microtremor horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR) method is an efficient and non-invasive geophysical technique widely used in urban geological surveys and engineering investigations. However, transient interferences caused by pedestrians and vehicles can distort the shapes of HVSR curves. Existing transient interference elimination methods have limitations: the STA/LTA (short-term-average over long-term-average) method is prone to misjudgment and requires complex parameter tuning; The manual rejection method is inefficient; And the frequency-window based rejection algorithm considers only peak-frequency information. To address these issues, this study proposes a machine-learning-based interference suppression method for microtremor HVSR data. First, curve-shape features are extracted to train a curve-rejection model for identifying and removing HVSR curves that significantly deviate from the mean trend. Then, peak-related features are extracted to train a peak-identification model for recognizing valid resonance peaks within the  curves. Finally, a density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) algorithm is applied to cluster and further eliminate curves containing peaks with abnormal frequencies or amplitudes. The curve-rejection and peak-identification models achieve F1 scores of 0.967 and 0.985 on the test set, respectively, demonstrating excellent classification performance. Case studies show that the proposed method exhibits higher stability and accuracy in eliminating abnormal curves than the STA/LTA and frequency-window based rejection methods. The processed HVSR curves display more concentrated spectral distributions, more convergent standard-deviation curves, and clearer, more stable peaks. Moreover, the proposed method achieves efficient automatic processing while maintaining strong consistency with manual rejection results.


Key words: microtremor HVSR method, machine learning, transient interference, rejection, geophysics

中图分类号: 

  • P631.4
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