Algoritmos avanzados de procesamiento de se˜nal basados en técnicas de Deep Learning para

253 Pages·2017·10.57 MB·Spanish

Programa de Doctorado en Tecnolog´ıas de la
Informacio´n y la Comunicacio´n
Algoritmos avanzados de procesamiento de sen˜al
basados en t´ecnicas de Deep Learning para descripci´on
y caracterizacio´n de sen˜ales sismo-volc´anicas
MEMORIA PRESENTADA POR
Manuel Marcelino Titos Luzo´n
Julio de 2018
DIRECTORES
Mar´ıa del Carmen Ben´ıtez Ortu´zar y Mar´ıa Luz Garc´ıa Mart´ınez
Departamento de Teor´ıa de la sen˜al,
Telema´tica y Comunicaciones
Editor: Universidad de Granada. Tesis Doctorales
Autor: Manuel Marcelino Titos Luzón
ISBN: 978-84-1306-030-9
URI: http://hdl.handle.net/10481/54078

La memoria titulada “Algoritmos avanzados de procesamiento de sen˜al
basados en t´ecnicas de Deep Learning para descripci´on y caracterizaci´on de
sen˜ales sismo-volc´anicas ”, que presenta D. Manuel Marcelino Titos Luzo´n
para optar al grado de doctor, ha sido realizada dentro del Programa Oficial
de Doctorado en “Tecnolog´ıas de la Informaci´on y la Comunicaci´on”, en
el Departamento de Teor´ıa de la Sen˜al, Telem´atica y Comunicaciones de la
Universidad de Granada bajo la direcci´on de los doctores Dn˜a. Mar´ıa del
Carmen Ben´ıtez Ortu´zar y Dn˜a. Mar´ıa Luz Garc´ıa Mart´ınez.
El doctorando y los directores de la tesis garantizamos, al firmar esta tesis
doctoral, que el trabajo ha sido realizado por el doctorando bajo la direcci´on
de los directores de la tesis, y hasta donde nuestro conocimiento alcanza, en
la realizaci´on del trabajo se han respetado los derechos de otros autores a ser
citados cuando se han utilizado sus resultados o publicaciones.
Granada, Julio de 2018
Los directores El doctorando
Fdo: Mar´ıa del Carmen Ben´ıtez Ortu´zar Fdo: Manuel Marcelino Titos Luz´on
Fdo: Mar´ıa Luz Garc´ıa Mart´ınez

Esta tesis doctoral ha sido desarrollada con la financiaci´on de una beca
predoctoral FPI (co´digo BES-2013-066730) adscrita al Ministerio de Ciencia,
Innovaci´on y Universidades. Tambi´en ha sido subvencionada por los proyec-
tos TEC-2012-31551 y TEC2015-68752 del Ministerio de Ciencia Innovacio´n
y Universidades.

Agradecimientos
EnlaesferadelrelojdepareddelmaestroP(cid:237)oBaroja,yac(cid:237)aunlemaestremecedor
que seæalaba el paso de las horas: Todas hieren, la œltima mata.
Muchas han sido las campanadas que han sonado en nuestro alma y nuestro co-
raz(cid:243)n. Las dos manillas de ese reloj que ignora la marcha atrÆs, y hoy, con un pie en
la mucha vida que hemos dejado atrÆs y el otro en la esperanza de la mucha que nos
quedaporvivir,escriboestasl(cid:237)neasparahablarconsentidodelhumor,ydiscurrircon
buena voluntad y ya veremos si tambiØn con suerte, de todas aquellas personas que
han hecho posible esta tesis doctoral.
En primer lugar y sabiendo que mis directoras Carmen y Luz no solo me permiten
el inciso, sino que me obligan a hacerlo, me gustar(cid:237)a dedicar esta tesis de manera muy
especial a mis abuelos Manuel y Mercedes, Marcelino y Estrella( que aunque hace
tiempo que la vida nos separ(cid:243), sØ que desde d(cid:243)nde estØis, hoy, sonreirØis). Vuestro
ejemplo diario, vuestra humildad, vuestra perseverancia, vuestra lucha y el sin (cid:28)n
de valores que desde niæo me habØis inculcado me han hecho llegar a d(cid:243)nde estoy.
Simplemente me queda deciros GRACIAS. Esta tesis es por y para vosotros/as.
EstatesistienetambiØnunadedicaci(cid:243)nespecialamispadresyhermanos.Vosotros
habØis sido protagonistas la etapa mÆs especial e importante de mi vida, con sus altos
y sus bajos. HabØis sufrido conmigo y por mi. A mis padre Manuel y Mercedes, por
losejemplosdeperseveranciayconstanciaqueloscaracterizanyquemehainculcado
siempre,porelvalormostradoparasaliradelanteyporsuamor.AmishermanosMar-
celino, Mercedes y M(cid:243)nica, por enseæarme cuÆnto valgo y estar presente aœn cuando
no lo he notado. Por vuestra fe en m(cid:237). GRACIAS. Esta es vuestra recompensa.
Con el mismo cariæo que a mi familia tengo que dedicar este trabajo a mi familia
acadØmica. Muy especialmente a mis Directoras Carmen Ben(cid:237)tez y Luz Garc(cid:237)a, por
darme la oportunidad de vivir la que considero la mejor etapa de mi vida, por in-
culcarme los valores de rigurosidad y concisi(cid:243)n que un trabajo cient(cid:237)(cid:28)co debe tener,
por vuestra enorme paciencia y dedicaci(cid:243)n, por el esfuerzo, y sobre todo, la con(cid:28)anza
que habØis depositado en m(cid:237) durante todos estos aæos. El camino no ha sido fÆcil y
vuestra ayuda ha sido fundamental para alcanzar este objetivo con los que considero,
excelentes resultados. GRACIAS.
Quisiera tambiØn agradecer el apoyo y la formaci(cid:243)n que durante todos estos aæos
he recibido del que personalmente considero mi tercer Director, Jesœs IbÆæez. Tus
clases magistrales sobre sismolog(cid:237)a volcÆnica y tus consejos no solo me han abierto las
puertas a este apasionante mundo, sino que me han dado la oportunidad de conocer
lo que signi(cid:28)ca una campaæa s(cid:237)smica y llegar hasta la AntÆrtida. GRACIAS.
Me gustar(cid:237)a agradecer muy especialmente al Departamento de Teor(cid:237)a de la seæal,
TelemÆtica y Comunicaciones (que siempre considerarØ mi casa) y al Instituto An-
daluz de Geof(cid:237)sica. Al primero por acogerme y brindarme la oportunidad de vivir la
etapa mÆs especial de vida. Ni uno sol@ de los investigadores que lo componen me-
recen el descrØdito que estos d(cid:237)as tiene la Universidad pœblica. Ejemplo de trabajo,
profesionalidad,dedicaci(cid:243)n,rigurosidad,disciplinayCIENCIAesloquedescribensus
siglas. `ngel de la Torre, JosØ Carlos, Isaac, Sonia, Pepe, Pedro, Gabriel, Juanma y
muyespecialmenteamipadrinoJuanjoymÆsqueunamigo`ngelBueno,GRACIAS.
Gracias por vuestros consejos, vuestra dedicaci(cid:243)n, vuestra humildad. Gracias. Al se-
gundo,porinculcarmeenvuestrascampaæaselvalordelahumanidad,tandeteriorado
1
enestosd(cid:237)as.PorinculcarmeelvalordelcompaæerismoelevadoalaenØsimapotencia.
Por hacer posible un sueæo, la ANT`RTIDA. Gracias Javi por con(cid:28)ar en m(cid:237) a pesar
de no ser geof(cid:237)sico y brindarme la oportunidad de cumplir un sueæo. Gracias a mis
padres antÆrticos Beni y Enrique, por vuestro bautismo polar y acogerme en vuestro
seno como a un hijo. Gracias a mi hermano antÆrtico Lu(cid:237)s, del que no es necesario
que diga nada, Øl sabe que no hay letras que describan lo vivido. Gracias a mi buen
amigo Alfonso de (cid:16)Arfacar(cid:17) memorables fueron las noches en Randazzo. Agradecer
tambiØn la con(cid:28)anza, la amabilidad y cercan(cid:237)a de dos hombres que aunque veo poco,
siempre tienen una sonrisa para mi, Pepe Morales y Gerardo Alguacial. Y como no,
gracias a mi buen amigo Paco Carri(cid:243)n, del que siempre aprendo una lecci(cid:243)n de vida.
Las fragatas y las bergantinas siempre me acompaæarÆn.
Evidentemente no puede faltar el agradecimiento a mis compaæeros doctorandos.
`ngel, Rafael, Sergio Ram(cid:237)rez y Garc(cid:237)a ,Sara, Pablo, Daniel, Manuel Parras, Juanan,
Rafa,Maillo,Elena,JosØ`ngel,etc.portantasytantasexperiencias,horasdecharla,
de temores, y tambiØn de alegr(cid:237)as. Os deseo lo mejor en estos aæos, sois el mÆs (cid:28)el
re(cid:29)ejo de valor de esta tierra. GRACIAS.
Nopod(cid:237)afaltarelagradecimientoamifamilia(enespecialamisprimos)yamigos
(el Laboratorio, Juanma, Miguel, Jose, Fede...), por ser mÆs de lo que les ped(cid:237) y de
lo que en algunas ocasiones merec(cid:237)a. Por dar mÆs de lo que necesitØ. Por brindarme
con(cid:28)anza y apoyo antes de que lo notara e incluso pidiera. GRACIAS.
Quer(cid:237)a dejar para el (cid:28)nal, un agradecimiento muy especial, a dos personas. La
primera de ellas es mi buen amigo Manuel `lvarez, Manolo para los amigos. Contigo
conoc(cid:237) el mundo de la investigaci(cid:243)n y fuiste quiØn me incit(cid:243) a realizar los estudios de
doctoradoquehoytermino.Enaquelmomentonodispon(cid:237)asde(cid:28)nanciaci(cid:243)n,yaunque
quer(cid:237)as trabajar conmigo no dudaste en recomendarme la posibilidad de trabajar con
Carmen y Luz. La segunda la conoc(cid:237) en el Fin del Mundo. Es el Brigada Francisco
Jarana. Ejemplo de amor por todo lo relacionado con Andaluc(cid:237)a. Por acogerme como
a un hermano y estar conmigo cuando las cosas se pon(cid:237)an grises oscuras. Por las
innumerablesexperienciasquetuvimoslaoportunidaddevivirjuntosenlasinh(cid:243)spitas
latitudes polares. Por todos los andaluces que hemos tenido la suerte de representar
a nuestra tierra con orgullo d(cid:243)nde otr@s tantos hac(cid:237)an gala de la suya sin dejar de
menospreciar la nuestra. Gracias Manolo. Gracias Paco!
Mi agradecimiento tambiØn a todas aquellas personas que no por no citarlas han
sido menos importantes en el tØrmino de esta memoria.
Y como no, a mis mascotas!! Por todos las experiencias vividas, por crecer juntos,
por hacerme re(cid:237)r, porque siempre tuvisteis un saludo amable para el que fue vuestro
amigo, pero sobre todo por enseæarme el concepto de (cid:28)delidad y nobleza.
GRACIAS A TOD@S!!!!
2
˝ndice general
I Prefacio 15
II Introductiontoautomaticrecognitionsystemsforvolcano-
seismic signals 23
1. Volcanic activity 25
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2. Volcanic seismology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.1. Volcano-seismic events and source models . . . . . . . . . . . . 27
1.3. Source and Attenuation E(cid:27)ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.1. Attenuation E(cid:27)ects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.2. Source E(cid:27)ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4. Monitoring Volcanoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.1. Design of a seismic network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.2. Signal processing as the cornerstone of any early warning system 35
2. Reconocimiento automÆtico de seæales 37
2.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2. Detecci(cid:243)n y clasi(cid:28)caci(cid:243)n supervisada de eventos . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1. Adquisici(cid:243)n de los datos: problemas relacionados con la natura-
leza de los eventos sismo-volcÆnicos . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2. Etapa de aprendizaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.2.1. Aprendizajemedianteoptimizaci(cid:243)ndeunafunci(cid:243)ncos-
te o error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.2.2. Aprendizaje mediante estimadores estad(cid:237)sticos . . . . 48
2.2.2.3. Compromiso de la desviaci(cid:243)n frente a la variabilidad.
Introducci(cid:243)n al uso de la regularizaci(cid:243)n . . . . . . . . 50
2.2.3. TØcnicas de clasi(cid:28)caci(cid:243)n y clasi(cid:28)cadores en el Ærea de la sismo-
log(cid:237)a volcÆnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.4. Evaluaci(cid:243)n de los modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3. Revisi(cid:243)n del Estado del Arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.1. Brevereseæadelosmodelosusadosenlaclasi(cid:28)caci(cid:243)ndeeventos
sismo-volcÆnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.1.1. MÆquinas de Vector Soporte (SVM) . . . . . . . . . . 55
2.3.1.2. Random Forest (RF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1.3. Clasi(cid:28)cadores Probabil(cid:237)sticos . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1.4. Redes Neuronales Arti(cid:28)ciales (ANN-Arti(cid:28)cial Neural
Networks) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
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