[논문 리뷰] MyShake: Detecting and characterizing earthquakes with a global smartphone seismic network

Qingkai Kong, Sarina Patel외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 22.

Seismology and Earthquake Studies참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

MyShake는 스마트폰의 가속도계를 활용하여 시민 과학을 통해 전 세계 지진 네트워크를 구축하며, 지진을 탐지하고 특성화합니다. 두 해 동안 757건의 지진을 기록한 결과, 위치, 발생 시각, 깊이의 중앙 오차는 각각 2.7 km, 0.2 초, 0.1 km이며, 진도 추정치의 평균 오차는 0.0, 표준편차는 0.2로 나타나, 데이터가 부족한 지역에서 지진 모니터링 잠재력을 입증합니다.

ABSTRACT

MyShake harnesses private/personal smartphones to build a global seismic network. It uses the accelerometers embedded in all smartphones to record ground motions induced by earthquakes, returning recorded waveforms to a central repository for analysis and research. A demonstration of the power of citizen science, MyShake expanded to 6 continents within days of being launched, and has recorded 757 earthquakes in the first 2 years of operation. The data recorded by MyShake phones has the potential to be used in scientific applications, thereby complementing current seismic networks. In this paper: (1) we report the capabilities of smartphone sensors to detect earthquakes by analyzing the earthquake waveforms collected by MyShake. (2) We determine the maximum epicentral distance at which MyShake phones can detect earthquakes as a function of magnitude. (3) We then determine the capabilities of the MyShake network to estimate the location, origin time, depth and magnitude of earthquakes. In the case of earthquakes for which MyShake has provided 4 or more phases (21 events), either P- or S-wave signals, and has an azimuthal gap less than 180 degrees, the median location, origin time and depth errors are 2.7 km, 0.2 s, and 0.1 km respectively relative to USGS global catalog locations. Magnitudes are also estimated and have a mean error of 0.0 and standard deviation 0.2. These preliminary results suggest that MyShake could provide basic earthquake catalog information in regions that currently have no traditional networks. With an expanding MyShake network, we expect the event detection capabilities to improve and provide useful data on seismicity and hazards.

연구 동기 및 목표

• 스마트폰 가속도계가 지진 파형을 탐지하고 기록할 수 있는지 평가하는 것.
• MyShake가 지진을 탐지할 수 있는 최대 중심거리가 진도에 따라 어떻게 달라지는지 규명하는 것.
• 분산된 스마트폰에서 수집한 데이터를 활용해 지진의 위치, 발생 시각, 깊이, 진도를 추정할 수 있는 네트워크의 능력을 평가하는 것.
• 기존 지진 네트워크의 보완으로 글로벌 시민 기반 스마트폰 네트워크를 사용하는 것이 가능한지 입증하는 것.

제안 방법

• 스마트폰에 내장된 가속도계가 지진 동안 지반 운동을 기록하고 파형을 중앙 저장소로 전송한다.
• 시스템은 다수의 스마트폰에서 온 P-파 및 S-파 도착 시점을 처리하고 상관 분석하여 사건 파arameter를 결정한다.
• 사건 탐지 및 파형 도착 시점 추출은 스마트폰에서 수집된 데이터에 대해 자동화된 신호 처리 알고리즘을 사용하여 수행된다.
• 위치, 발생 시각, 깊이, 진도는 하이퍼볼릭 위치 결정 기법과 진폭 기반 진도 스케일링을 사용하여 추정된다.
• 네트워크 성능은 4개 이상의 파형 도착 시점과 180° 미만의 아즈마스 갭을 가진 사건을 기준으로 미국 지질조사국(USGS)의 전 세계 지진 카탈로그와 비교하여 검증된다.
• 위치, 시각, 깊이, 진도 추정의 정확도를 평가하기 위해 통계적 오차 지표가 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트폰 가속도계는 지진으로부터 기록된 지진 파형을 신뢰성 있게 탐지하고 기록할 수 있는가?
• RQ2 다양한 진도에 따라 MyShake가 지진을 탐지할 수 있는 최대 중심거리(지역 거리)는 얼마인가?
• RQ3 기존 네트워크와 비교해 MyShake 네트워크가 지진의 위치, 발생 시각, 깊이, 진도를 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ4 기존 지진 측정 장비가 없는 지역에서 MyShake는 얼마나 신뢰할 수 있는 지진 카탈로그 정보를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• MyShake는 운영 2년 만에 757건의 지진을 기록하여 시민 과학을 통한 빠른 글로벌 배포 잠재력을 입증했다.
• 4개 이상의 파형 도착 시점과 180° 미만의 아즈마스 갭을 가진 21건의 사건에 대해, 위치 오차의 중앙값은 USGS 카탈로그 위치 기준 2.7 km였다.
• 발생 시각 오차의 중앙값은 0.2 초였으며, 이는 사건 탐지 시 높은 정밀도의 시각 측정 능력을 보여준다.
• 깊이 오차의 중앙값은 0.1 km였으며, 정확한 깊이 추정 능력을 보여준다.
• 진도 추정치는 평균 오차가 0.0, 표준편차가 0.2였으며, 기준 값과 매우 일관된 것으로 나타났다.
• 결과적으로 MyShake는 전통적인 지진 네트워크가 없는 지역에서 신뢰할 수 있는 기본 지진 카탈로그 정보를 제공할 수 있음을 시사한다.