地质地球所利用城市光纤监测城市交通并揭示covid-凯发官网入口首页

　　摘要：2019年新型冠状病毒肺炎（covid-19）的爆发、传播以及政府采取的各项防控和缓解措施（如封锁、减少外出活动、保持社交距离等）前所未有地影响了社会的动态。由于交通流量反应社会活动性，交通流量监控成为评估covid-19封锁及其影响的有效工具。本研究中，团队使用分布式光纤传感技术（distributed acoustic sensing, 简称das）将美国加州帕萨迪纳市的现有城市通讯光纤转换为包含约5000个传感器的密集地震台网，并分析光缆上方街道上移动的车辆所引起的地面振动。团队以高时空分辨率监测 2019 年 12 月至 2020 年 8 月间帕萨迪纳市不同街道的车流量及其平均速度，并分析因 covid-19 封锁等措施而导致的交通模式的变化。研究结果显示，由于covid-19封锁等措施，全市车流量显著下降且行车速度加快，但covid-19封锁等措施对交通的影响程度因街道而异。这项研究证明了使用城市现有光纤网络进行实时交通监控的可能，对公共卫生、经济和交通安全及构筑未来智慧城市有重要意义。

　　近年来，随着光纤传感技术的发展，一种新的地震观测系统——分布式光纤地震仪（distributed acoustic sensing，简称das）引起了地震行业的广泛关注。通过将一根细如发丝的通讯光纤改造为一系列传感器，光纤地震仪可以测量地震波通过光纤时所引起的光纤长度的细微变化来记录地震信号。相比于传统地震仪，光纤地震仪的主要优势在于密集的空间采样。光纤地震仪的空间采样率为1-10 m；相对地，传统地震仪的空间采样率在数公里到数十公里的量级。光纤地震仪高密度的空间采样可以记录连续的地震波波场，从而进行更高分辨率的地震学研究。此外，光纤地震仪的另一大优势在于低成本。通信光纤电缆已在世界各地纵横交错（如城市下方、海底等），我们无需重新布设光纤，仅需使用现有通信电缆中的一根光纤（dark fiber）即可进行低成本高密度的地震数据采集。低成本高密度的光纤地震仪的发展为解决诸多地学问题及交叉学科研究提供了新思路。 

　　中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，联合美国加州理工学院、西班牙阿尔卡拉大学、西班牙国家研究委员会光学研究所、英国optasense公司等科研人员，利用das技术将美国加州帕萨迪纳市的37 公里长的城市通讯光纤转换为包含约5000 个传感器的密集地震台网（图1）。通过分析光缆上方街道上移动的车辆引起的地面准静态形变（quasi-static deformation），该研究获取了 2019 年 12 月至 2020 年 8 月间帕萨迪纳市不同街道的车流量及其平均速度，并分析因 covid-19 封锁等措施而导致的交通模式的变化（图2）。 

图1 帕萨迪纳das地震台网。（a）使用 das 进行交通监控原理。 das 将沿路光纤转换为分布式密集地震台网。das地震台网可监测到沿道路行驶的车辆产生的准静态形变（实际观测数据，滤波到 0.25-2.0 hz）。das记录到的信号显示了移动车辆的轨迹，其斜率表征了车辆的行驶速度；（b）帕萨迪纳 das地震台网位置

图2 covid-19 对城市车流量的影响。（a）美国加州帕萨迪纳市每日新确诊 covid-19 病例和累积 covid-19 病例，其中竖线显示了期间的几个重要日期；（b）车流量变化图。粉线和蓝线分别显示 apple（区域：洛杉矶；类型：驾驶）和 google（区域：洛杉矶，类型：公交）的车流量报告

　　研究结果显示，与 covid-19 之前相比，整个城市的车流量总体上有所下降，行车速度有所提高；但是，covid-19 封锁等措施对城市交通的影响程度因不同街道和时间而异。车流量下降最显著的地方位于大学校园附近（下降高达 60%），而主干道的车流量则下降较少（图3）。相比之下，医院附近的道路在 covid-19 之后车流量明显增加，表明医院在 covid-19期间的需求激增（图3）。在行车速度方面，对于已接近或略高于限速的街道，covid-19前后的行车速度变化很小；而最明显的行车速度变化出现在通常发生交通拥堵的地区（图4）。行车速度的变化主要是由于道路上的车辆减少，拥堵减少。 covid-19前后交通模式的变化将有助于政府部门确定 covid-19 对不同地点交通的影响，对公共卫生、经济、交通安全具有潜在指导意义。该研究证明了使用城市现有通讯光纤网络进行实时交通监控的可能，使用das 方法获得的客观、准确、可靠和连续的交通数据将有助于城市交通部门工程师评估每条道路的实时状态，对构筑未来智慧城市有重要意义。 

图3 covid-19 封锁等措施对城市车流量的影响。 (a) 地图显示了covid-19封锁前后的日平均车流量变化； (b-g) 帕萨迪纳市六个代表性地点在covid-19封锁前后的车流量变化图，其位置显示在 (a) 中

图4 covid-19 封锁等措施对平均车速的影响。 (a) 地图显示了covid-19封锁前后的平均车测变化； (b-g) 帕萨迪纳市六个代表性地点在covid-19封锁前后的车速变化图及道路状态（车流速度和车流量关系）变化图

　　光纤地震学是目前地震学领域研究的热点和前沿。目前光纤地震学的应用主要包括地下浅层精细结构探测、地震震源物理研究及地质灾害快速响应及预警。光纤地震学的快速发展也促进了新型交叉学科的发展，如城市地震学（城市地下空间探测、城市交通监测等），环境地震学（地下水位变化监测、永久冻土层变化监测等），海洋地震学（探测海底断层、海洋波浪、海啸预警等）等。光纤地震学的不断发展，特别是加强与大型通讯公司的合作，利用城市、海底现有光纤网络进行密集地震台阵研究，将为解决诸多地学领域重大科学问题和交叉学科应用研究提供新的思路。

　　研究成果发表于nature旗下新创刊物communications earth & environment（, zhan z, williams e f, gonzalez-herraez m, martins h f, karrenbach m. ground vibrations recorded by fiber-optic cables reveal traffic response to covid-19 lockdown measures in pasadena, california [j]. communications earth & environment, 2021. doi: ）。该成果受到中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（iggcas-201904 ）的资助。