基于主成分方法分析2013年甘肃岷县漳县6.6级地震前地磁日变化异常

选用2013—2014年兰州台、 天水台、 寺滩台3个台站地磁垂直分量分钟值数据, 利用调和分析剔除1~4次地磁日变化谐波成分, 在此基础上对3个台站地磁Z分量数据进行主成分分析, 计算结果显示: 2013年7月22日岷县漳县6.6级地震前, 最小的第三主成分在2013年4月20日至6月10日出现明显的增强变化, 超出阈值, 异常持续50 d左右; 同时, 在信号的子空间中特征矢量的方向也出现同步的异常扰动, 震后恢复到原来的水平, 其他时段第三主成分未出现类似变化。 据此认为, 这些异常信号与2013年岷县漳县6.6级地震相关。 研究结果表明, PCA方法对地震电磁异常的提取是有效的。     

云南星云湖水质变化及其人文因素驱动力分析

星云湖目前存在水污染加重、富营养化进程加快、水体功能受损等问题.以星云湖为研究对象,根据星云湖2005-2015年的水质数据、社会经济统计数据和遥感影像图,运用目视解译、叠加分析、污染足迹模型及主成分分析法,分析了星云湖流域近10年以来水质变化趋势、入湖河流污染物污染足迹及其人文因素驱动力.结果表明:(1)水质数据趋势表明,从月变化看,3月份水质最好,9月份水质最差;从年变化看,2005-2015年间,2008年水质状况最好,2014年的水质状况最差,从2008-2014年水质持续变差,到2015年好转.(2)2015年有机物、氮和磷的污染足迹分别为583.26、705.88和494.11 km~2.污染足迹前4位的入湖河流依次为:大街河东西大河东河渔村河东西大河西河,占星云湖流域总污染足迹的66.21%.污染程度大的大街河、东西大河和渔村河周边土地利用类型为水田、旱地和村庄.(3)星云湖水质影响因素第1主成分(总人口、播种面积、农村人口、化肥使用量、农膜使用量、大牲畜存栏量)与农村生活和农业面源污染有关;第2主成分(人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值)与社会经济发展有关.因此,星云湖流域水质变化的人文因素驱动力为农村生活和农业面源污染类和社会经济发展类,其中第1主成分的贡献率是84.389%,农村生活和农业面源污染是水质变化的主要驱动力.     

基于跨断层测量的鲜水河断裂带现今活动特征及其与强震关系研究

利用鲜水河断裂带30多年的跨断层观测资料,基于断层三维运动模型,采用主成分分析法,综合研究了鲜水河断裂带现今运动学特征及其与周边几次强震的关系．研究结果表明:鲜水河断裂带在观测期内(1982—2015年)以左旋走滑运动为主,各段落的活动速率都不相同,其中炉霍段、道孚段的活动速率大于乾宁段,乾宁段趋于闭锁状态;断层活动参数时间序列曲线具有较明显的线性运动特征,但在个别时段内会出现偏离直线的加速或转折变化．此外,断层三维活动参数的主成分分析结果显示,断层水平走滑量和水平张压量的主成分和综合指标在2001年、2006年、2010年和2012年分别出现趋势性转折和破趋势的异常变化,断层垂直升降量第一主成分在2013年也出现了相对小幅转折变化,这些异常变化可能与2001年昆仑山口西M_S8.1、2008年汶川M_S8.0、2010年玉树M_S7.1和2013年芦山M_S7.0等地震有关,属于这几次大震的前兆、同震或震后效应．      

基于接收函数主成分分析法的地壳结构研究

远震接收函数方法是研究地壳结构的常用方法之一.在单个地震台站的接收函数分析中,既可以利用不同接收函数Ps转换震相以及地表多次反射震相的平均特征获得台站下方一维平均地壳结构信息,也可以基于Ps转换震相随背方位角的变化特征提取地壳结构的变化信息(如倾斜界面或各向异性).然而,由于噪声干扰,后一方面的研究往往存在困难.针对这一问题,文章引入信号处理中的主成分分析法,提出了基于单个地震台站接收函数数据矩阵的主成分分析方法.利用不同主成分互不相关且反映原始数据不同特征的性质,通过提取单个台站接收函数数据矩阵的不同主成分并分别进行重构,获得台站下方的地壳结构信息.理论模拟结果表明,径向接收函数的第一主成分包含数据主体信息,反映台站下方一维平均地壳结构特征;而其第二主成分以及切向接收函数第一主成分则反映台站下方地壳结构的变化特征.文章重点针对壳内存在倾斜界面结构的情况,进行了接收函数主成分提取和重构的理论模拟研究;并在此基础上,基于布设在四川盆地中部一宽频带流动地震台站s233的远震波形记录,开展了接收函数主成分分析的实际结构应用研究.文章研究结果显示,台站s233下方可能存在两个近平行的壳内倾斜界面.与前人测井、电法及人工源地震剖面结果对比表明,浅部倾斜界面可能代表了四川盆地前寒武纪结晶基底顶界面,深部界面可能指示上、下地壳的分界面,即康拉德界面.文章通过理论模拟和实际应用研究,验证了接收函数主成分分析方法在研究地壳结构中的有效性.     

利用独立成分分析检测2004年和2012年印度洋地震的重力变化

2004年12月苏门答腊发生M_W9.3地震,造成巨大的质量重新分布.利用GRACE卫星月重力场数据计算了研究区域地面1°×1°网格点上的重力变化时间序列,采用主成分分析和独立成分分析两种方法,提取了重力变化的空间与时间特征,结果显示震中两侧区域的重力变化呈两极分布,其中东侧重力下降,西侧重力增加.相较于传统的主成分分析方法,独立成分分析能更好地从原始信号中提取地震的信息,能分解出具有显著阶跃变化的独立成分.除了2004年的苏门答腊大地震外,独立成分分析还分解得到了2012年Andaman地震的特征,与该次地震的空间特征与时间序列基本一致.相较于适合定量分析的多项式拟合方法,独立成分分析更适合大范围区域的定性分析,建议将两种方法相结合,取长补短,从而为GRACE地震监测提供一种更为客观、有效的方法.     

基于主成分分析的多能谱CT图像分析方法研究

基于光子计数探测器的能谱CT,可以同时采集多个能谱通道的投影数据,并获得相应能量范围内物质的吸收特征,可以有效应用于物质识别与材料分解。主成分分析是一种很好的多元数据分析技术,可以用于处理多能谱CT数据。本文分别在投影域和图像域对能谱CT数据进行主成分分析,并对分析结果做出系统比较。为了减少噪声的影响,提高能谱CT图像的彩色表征性能,提出双域滤波与像素值平方相结合的方法,用于含噪声的主成分图像去噪,然后将所选取的主成分图像映射到RGB颜色通道。实验结果表明,无论是在投影域还是图像域进行主成分分析,都可以获取清晰的CT图像,识别出物质的不同成分。相较于在图像域的主成分分析方法,在投影域进行主成分分析能够保留物质的更多细节,获取更清晰的彩色CT图像。      

1900-2000年地球主磁场的本征模分析

利用1900-2000年国际参考地磁场模型（IGRF）,对地球主磁场的空间结构和长期变化进行了自然正交分量分析,得到了组成地磁场的主要成分（本征模）及其随时间的长期变化（SV）．第一本征模描述主磁场稳定结构的总体特征,其强度随时间单调减小;第二本征模主要描述印度洋和南大西洋地区正异常特征,其强度也随时间单调变化;第三本征模对应于加勒比地区正异常,其强度呈100a周期的变化,目前正处于下降阶段;第四本征模的主要特点是北美正异常和南亚负异常,其强度呈80a周期的变化;第五本征模对应尺度较小的局部磁异常,其强度的变化周期约60a;第六及其以后的本征模则对应空间尺度更小和时间变化更快的磁异常．分析表明,太平洋地区的磁场经历着缓慢的单调减小变化,其结构比较稳定,几乎完全包括在第一本征模中．但是,印度洋磁场结构较复杂,它是由空间结构不同和变化周期各异的多个本征模组成的．大西洋的北部、中部和南部分属不同本征模,它们有完全不同的时间变化特性．     

太湖流域(江苏省)水质污染空间特征

基于SPSS 20.0统计软件,对太湖流域(江苏省)9个三级生态功能分区和湖体28项水质指标数据分别进行处理,从原始监测数据中提取出5个主成分,计算其贡献率和主成分得分值,研究主要污染因子的组合,并对相应污染源进行分析.结果表明第一主成分主要体现了水体中氮、磷等导致富营养化的关键因子,而第二个主成分主要反映水体重金属水平,整个江苏省太湖流域污染情况空间分布略有不同,水环境质量也大体表现为北高南低、西高东低的趋势,湖体也存在对应的空间特征,反映了流域外源输入是导致湖体水质污染的主要原因之一,为太湖流域的环境监测及污染治理提供重要的信息和依据.     

基于主成分分析方法的海量地震数据属性降维优化

针对传统的地震数据属性降维优化方法所选取的地震数据属性特征贡献率低导致降维过程计算量大、CPU占用率高等问题,提出一种基于主成分分析的海量地震数据属性降维优化方法。首先根据地震样本特征建立地震数据特征矩阵,把矩阵中的特征进行聚类,运用降序法排列聚类结果,选取前几项数据作为地震数据属性特征选取结果,对其结果评估分类信息量;通过特征积分准则(FSC)修正分类信息量,获取海量地震数据属性特征节点;运用主成分分析方法对地震数据属性特征节点主成分添加标签,确定Fisher判别分析与PCA可变动选择不确定关系,建立半监督降维的全局最优化形式,运用特征值分解计算降维结果,克服海量地震数据属性降维过程中的过拟合问题,融合主成分分析算法与Fisher判别分析算法实现海量地震数据属性降维优化。实验结果证明,所提方法选取的属性特征精度及贡献率较高,降维过程中CPU占用率较低。     

主成分分析法和局部互相关追踪法在地震电磁信号提取与分析中的应用

将主成分分析法和局部互相关追踪法应用于地震电磁数据的处理分析,尝试从较强干扰背景中提取相对较弱的电磁异常信息。主成分分析方法能够将不同频段的原始信号由强到弱投影到不同的轴上,使不同的信号分离开来,从而在一定程度上解决在较强干扰背景中识别相对较弱信号的难题;局部互相关追踪法相对于经典互相关方法更适用于非平稳信号的处理,该方法基于不同极低频电磁观测台站对应磁场分量之间的空间互相关性对相关系数异常进行拾取,从而达到弱信号识别的目的。以云南省景谷县2015年11月14日4.6级地震为例,分别运用主成分分析法和局部互相关追踪法对震中附近的极低频观测台观测的电磁资料进行处理分析。首先,将主成分分析方法应用于台站磁场分量数据的处理,得到各主成分及其所占能量比随时间的变化,结果表明震前1周左右与地震相关的第2主成分所占能量比显著增加;其次,利用局部互相关追踪法对该震例进行处理分析并与主成分分析法处理的结果进行对比,结果显示SN及EW向磁场分量的局部互相关结果于地震前1周左右均出现相关系数异常,与主成分分析方法的处理结果基本一致,并探讨了这些异常可能与地震活动性之间存在的关系。虽然目前电磁异常现象的产生与地震之间的确切关系尚缺乏直接的证据与理论支持,但2种方法对电磁异常信号的有效提取将有助于加深对地震电磁现象的认知、理解与进一步研究。     

郯庐带(南段)现今垂直运动及与地震关系

基于郯庐地震带(南段)1992—2016年的跨断层水准资料,分析该地区垂直形变特征;利用主成分分析和时频分析提取数据中的主要构造性低频信息及其能量强度特征,探讨上述方法提取的"异常"信息与该地区ML4.0以上中强地震的对应关系。结果表明,主成分的时间曲线显示该地区在20世纪90年代后的垂直运动特征与长水准计算结果一致,北部地区的垂直活动性高于南部地区;时频分布中的较强能量集聚能够对应一年以内的ML4.5以上中强地震,可用于该地区中强以上地震的中长期—长期预测参考。     

基于新型主成分加权平均归一化法优选水下重力匹配导航适配区

本文开展了水下潜器重力匹配导航的匹配区适配性评价研究.第一,本文综合考虑了重力异常标准差、坡度标准差、粗糙度、重力异常差异熵、分形维数等重力场主要特征参数,联合主成分分析准则和加权平均原理,提出了新型主成分加权平均归一化法;第二,基于新型主成分加权平均归一化法,计算可评价重力异常基准图各区域匹配效果的总体特征参数指标,依据总体特征参数指标进行优良适配区、一般适配区和非适配区划分;第三,在相同条件下,在划分的优良适配区、一般适配区和非适配区内,分别进行重力匹配数值模拟验证比较,结果表明,优良适配区的重力匹配效果显著,匹配概率约为98%,匹配稳定性高,位置误差小于1个重力异常基准图格网.     

基于主成分分析的GRACE重力场模型等效水高

本文使用主成分分析在空间域提取GRACE重力场模型的等效水高,假设信号与噪声之间统计不相关,把由CSR、GFZ和JPL的GRACE重力场模型计算得到的等效水高值作为统计量,通过线性变换来分离信号和噪声.选择2007年3月份GRACE重力场模型作为实验,在直接分离没有取得预期结果后,对GRACE作半径为300km、400km和500km的高斯平滑,然后利用主成分分析得到了3个模式.结果显示,3种平滑半径下,主成分的第1模式的贡献率分别为79%、90%和93%.从主成分3个模式的统计结果以及等效水高图判断,第1模式对应于水文变化信号,其他2个模式为南北条带状噪声.由主成分的第1模式估算了CSR、GFZ和JPL的等效水高,与经验去相关方法进行了对比,结果较为一致.2010年12个月的结果显示,第1模式的贡献率不仅与平滑半径有关,而且与时间有关.     

利用COSMIC掩星资料研究对流层/下平流层大气比湿对ONI指数的响应

本文利用2006年6月至2014年6月COSMIC掩星观测的水汽廓线,分析了对流层/下平流层（TLS）比湿信号对ENSO的响应.在数据处理中,将COSMIC掩星水汽廓线计算得到的全球比湿数据内插为1000~30 hPa区间水平分辨率为5°×5°的三维格网,在各等压面上求取各格网点去除年/月际信号后的比湿月异常值.然后在对比湿月异常时间序列低通滤波的基础上,进行经验正交分解（EOF）得到比湿主成分,并对该主成分信号进行二项式平滑;接下来将平滑后的主成分信号与反映ENSO活动的ONI指数进行相关处理,得到各等压面主成分信号相对于ONI指数的相关系数及对应的时间延迟.论文分析了包括Niño-3.4的5个代表性区域的TLS比湿异常主成分信号,结果表明：在各区域,采用本文先低通滤波再EOF分解的处理方法获得的TLS比湿异常主成分信号与ONI指数均有很强相关性,对流层相关系数绝对值达0.8以上,低平流层高于0.7,在300~200 hPa的上对流层达到峰值;各等压面上比湿异常主成分信号相对于ONI指数的时间延迟不尽相同,在对流层中比湿异常主成分信号普遍滞后于ONI指数1~6个月;在各区域,比湿异常主成分与ONI指数相关系数绝对值达到最大的等压面都接近250 hPa,最大相关系数绝对值均达到0.9以上.进一步对全球250 hPa等压面比湿异常主成分与ONI指数相关性的分析表明：两者强相关的区域主要集中在热带;在这些强相关区域,比湿异常主成分相对于ONI主要表现为滞后,且相关系数越大,相应的时间延迟越短.     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

获取COSMIC掩星2级数据, 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值, 为2008年5月12日汶川M_S8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据. 同时应用主成分分析法研究最大电子密度, 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化. 研究结果发现, 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象, 且随高度不同存在一定差异, 主要集中在F₂层300—450 km. 主成分分析结果显示, 4月15日—29日19:00—24:00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加. 上述结果表明, 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究.      

顾及PM2.5浓度遥感生态指数模型的沧州市区生态环境质量动态监测分析

针对空气中颗粒物对城市生态环境存在影响,在遥感生态指数的基础上,加入反映颗粒物PM2.5浓度的差值指数(DI),采用主成分分析法耦合绿度、湿度、干度、热度和PM2.5浓度指标,构建新型遥感生态指数RSEInew.通过对比RSEI与RSEInew第一主成分贡献率和平均相关度,建立基于RSEInew模型的沧州市区生态评估模型,对该区域2000-2019年生态环境质量进行监测分析.结果表明:RSEInew第一主成分更好的集中了各指标的特征,比RSEI更能综合代表生态质量情况;绿度指标NDVI和湿度指标WET为正值,对生态环境质量起积极作用;干度指标NDBSI、热度指标LST和PM2.5浓度指标DI为负值,对生态环境质量起消极作用,研究区生态质量主要受绿度影响,其次是干度和PM2.5浓度,湿度影响最小;2000-2019年,沧州市区生态环境质量维持在一般水平,整体呈现下降趋势,降幅约8.3％,主要由于市区原有植被被建设用地代替,生态质量变好的区域主要分布在中部,说明积极推进中心城区裸露地块增绿等环境保护工作,改善了中心老城区的环境质量;依据多元线性回归模型预测,未来增加0.159单位的NDVI,减少0.391单位的NDBSI或0.413单位的DI,就会使沧州市区的生态环境质量提高0.1单位,说明增加绿地覆盖是改善沧州市区生态环境的最有效方式.     

中国近海海平面变化特征分析

用经验正交函数分析方法,对中国近海14年多的测高海平面同化格网资料进行分析,给出了黄海、东海和南海各海平面变化主要主成分的空间变化和时间变化特征.用标准Morlet小波变换方法分析了各海区主成分时间变化序列的时频特征.分析结果表明,各主成分的空间分布特征与当地的海洋环流或洋流特征相对应.时频分析结果显示,中国近海海平面变化的显著周期主要为年周期信号.其次,黄海和东海还显示准2个月的非稳态信号,东海和南海具有较显著的半年周期信号,东海半年周期信号的能量不稳定.此外,在南海及台湾东部海域,首次发现存在较为显著的准540天周期信号,其动力学机制目前尚不明确.坎门和西沙验潮站资料的时频特征分析也验证了该信号的存在.最后本文给出了中国近海海平面在1993~2007年间的平均上升速率和其区域分布特征.     

云贵高原湖泊水质现状及演变

利用2008年云贵高原13个湖泊丰水期的全面水质调查数据,系统分析云贵高原湖泊水质现状,通过与历史资料对比,揭示20年来的水质变化,并分析水质变化的原因.同时利用主成分分析将23个水质参数概括为6个主要成分,除程海外所有湖泊水质均与第一主成分密切相关.人类活动影响下的水体富营养化、有机污染以及农业面源污染等是除程海外湖泊污染的主要驱动因子,程海水质变化主要受水体的矿化度增加所驱动.另外,根据各主成分得分,本文也对13个湖泊水质进行了综合评价,并在评价的基础上就湖泊的保护和治理提出建议.     

基于GPS连续运行基准站的中国区域共模误差研究

共模误差是GPS台站位置时间序列中的主要误差源之一,分离和消除共模误差可以探测到原先淹没在噪音中的微弱信号。本文对中国260个卫星导航定位基准站2011～2018年的数据进行处理,获得了位置时间序列,采用主成分分析（PCA）方法对其扣除构造运动等形变信号后的残差序列进行区域共模误差分析。结果表明,PCA方法有效地提取了中国区域共模误差,经过滤波后时间序列的信噪比明显提高,第一主分量空间分布均一,第二主分量空间分布呈现明显的梯度变化,表明第二主分量不是少数台站的局部效应,是对第一主分量的补充和修正,中国区域的共模误差分析不能忽略二阶分量。对振幅调制的影响进行了对比分析,发现顾及振幅调制的共模误差不仅明显减弱了年周期的特征,还显著降低了闪烁噪声,表明由于参数过于简化而未被估计的“信号”会演变成共模误差,未被正确模型化的“信号”会影响区域滤波的准确性。     

主成分分析及地震活动参数的约简

选择从不同侧面反映地震活动时、空、强特征的地震频次N(MLge;3.0)、b值、eta;值、A(b)值、Mf值、Ac值、C值和D值8个参量进行主成分分析. 通过主成分分析方法可以得到反映地震活动时、空、强异常特征的综合指标W. 通常这8个参量之间具有一定的相关性,各参量在不同时段的变化各有所异,预报效果并不理想. 但是综合指标W在华北13次5.8级以上地震前出现明显的异常变化. 表明综合指标W可以较好地反映地震活动时、空、强异常特征. 本文还对主成分分析所得结论的有关问题进行了讨论.