基于时间LightGBM模型的地震震级时序预测方法及验证
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作者:
作者单位:

1.兰州理工大学 计算机与通信学院, 甘肃 兰州 730050 ;2.32738部队, 河南 郑州 450000 ; 3.陕西省地震局, 陕西 西安 710061

作者简介:

魏从信(1984-),男,博士,副教授,主要从事大数据和人工智能方法和应用的研究。E-mail:weicx12@163.com。

通讯作者:

中图分类号:

P315

基金项目:

国家自然科学基金项目(42161056);陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2023-JC-QN-0330);甘肃省自然科学基金会(20JR10RA501)


Time-series prediction method for earthquake magnitude based on a temporal LightGBM model and its validation
Author:
Affiliation:

1.School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , Gansu, China ;2.Unit 32738, Zhengzhou 450000 , Henan, China ;3.Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710061 , Shaanxi, China

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    摘要:

    震级预测是地震预测中重要且困难的研究内容之一。可通过预测震级大小,可提高震后救援效率和降低地震灾害损失。文章通过对历史地震目录数据(时间范围:1900—2024年,空间范围:5°~50° N、55°~150° E,震级范围: M 5及以上)进行预处理和特征参数筛选,构建基于轻量级梯度提升机(LightGBM)的震级预测模型;然后对长短记忆神经网络(LSTM)、随机森林(RF)、图卷积网络(GCN)+门控循环单元(GRU)组合时序图卷积网络模型(T-GCN)、支持向量回归(SVR)和LightGBM等五种模型的试验结果对比分析。结果表明,LightGBM方法能够很好地拟合地震震级的变化趋势,其均方根误差(RMSE)值和平均绝对误差值(MAE)分别为0.101和0.100,均小于其他四种模型,决定系数值(R2)为0.707,均高于其他模型结果误差明显优于其他四种。该方法模型为应用地震震级特征进行地震预测提供了较好的思路。

    Abstract:

    Magnitude prediction remains one of the most critical yet challenging aspects of earthquake forecasting. Accurate magnitude prediction can enhance rescue efficiency and mitigate the impact of seismic disasters. This study develops a light gradient boosting machine (LightGBM)-based prediction model by analyzing historical earthquake catalogs spanning 1900—2024, covering spatial coordinates of 5°—50°N, 55°—150°E, and magnitudes ≥ M 5.0. Through rigorous data preprocessing and feature parameter selection, the model was optimized for temporal magnitude prediction. Comparative analyses were conducted against four benchmark methods: long short-term memory, random forest, temporal graph convolutional network, which combines graph convolutional network and gated recurrent unit, and support vector regression. Experimentalresults demonstrate that the LightGBM model outperforms all alternatives in capturing magnitude time-series trends of historical earthquakes, achieving a root mean square error of 0.101, a mean absolute error of 0.100, and a coefficient of determination (R2) of 0.707, all superior to the other four models. Conclusively, the LightGBM method effectively captures recent trends in earthquake magnitude, thus providing a promising approach for the prediction of earthquake magnitude characteristics.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

魏从信,强娅雄,牛璐,等.基于时间LightGBM模型的地震震级时序预测方法及验证[J].地震工程学报,2025,47(4):937-949. DOI:10.20000/j.1000-0844.20240925001

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  • 收稿日期:2024-09-25
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  • 在线发布日期: 2025-05-30
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