EQCCT: A Production-Ready Earthquake Detection and Phase-Picking Method Using the Compact Convolutional Transformer

计算机科学 稳健性(进化) 卷积神经网络 变压器 模式识别(心理学) 深度学习 人工智能 数据挖掘 算法 生物化学 化学 物理 量子力学 电压 基因
作者
Omar M. Saad,Yunfeng Chen,Daniel Siervo,Fangxue Zhang,Alexandros Savvaidis,G. Huang,Nadine Igonin,Sergey Fomel,Yangkang Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:61: 1-15 被引量:7
标识
DOI:10.1109/tgrs.2023.3319440
摘要

We propose to implement a compact convolutional transformer (CCT) for picking the earthquake phase arrivals (EQCCT). The proposed method consists of two branches, with each of them responsible for picking the arrival times of the P- or S-wave phases. We use the STEAD dataset to train and validate the proposed EQCCT algorithm. We split the STEAD dataset into 85% for training, 5% for validation, and 10% for testing To facilitate the training process, we implement several data augmentation strategies to the training set by adding Gaussian noise, randomly shifting the waveforms, adding a second earthquake to the input window, and dropping one or two channels from the seismogram in the STEAD dataset. As a result, the EQCCT model outperforms both EQTransformer and PhaseNet, the two most popular deep-learning-based phase-picking methods. Considering the true positive criterion as the picked phases arriving within 0.5 s of the reference times, the EQCCT achieves the lowest mean absolute error (MAE) compared to the EQTransformer and PhaseNet methods for the STEAD, Japanese, Instance and Texas datasets. Our EQCCT network also demonstrates superior performance in other metrics such as precision, recall, and F1 score. We apply the pre-trained model to three independent datasets (not included in the training set), i.e., the Japanese, Texas, and Instance datasets, and achieve higher picking accuracy than the EQTransformer and the PhaseNet in terms of various statistical metrics, demonstrating a stronger robustness and generalization ability of the EQCCT. The real-time application of EQCCT in the Texas Seismological Network (TexNet) further demonstrates its production-ready performance in terms of detection and phase-picking accuracy.

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