Enhanced computational approaches for data-driven characterization of earthquake ground motion and rapid earthquake impact assessment
Fortgeschrittene Berechnungsansätze für die datengestützte Charakterisierung von Erdbeben-Bodenbewegungen und die schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen
- Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity ofRapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets.…
- Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiertDas rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen.…
Author details: | Henning LilienkampORCiD |
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URN: | urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631954 |
DOI: | https://doi.org/10.25932/publishup-63195 |
Reviewer(s): | Fabrice CottonORCiDGND, Gregory BerozaORCiD, Paul Martin MaiORCiDGND |
Supervisor(s): | Fabrice Cotton, Giuseppe Caire |
Publication type: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Publication year: | 2024 |
Publishing institution: | Universität Potsdam |
Granting institution: | Universität Potsdam |
Date of final exam: | 2024/03/11 |
Release date: | 2024/04/18 |
Tag: | Bodenbewegungsmodellierung; Deep Learning; Geophysik; Seismologie; maschinelles Lernen; schnelle Einschätzung von Erdbebenauswirkungen; seismische Gefährdung deep learning; geophysics; ground motion modeling; machine learning; rapid earthquake impact assessment; seismic hazard; seismology |
Number of pages: | x, 145 |
Organizational units: | Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften |
DDC classification: | 5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften |
MSC classification: | 86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05] / 86-02 Research exposition (monographs, survey articles) |
License (German): | Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz |