Геоинформационное обеспечение мониторинга землятрясений с использованием материалов дистанционного зондирования Земли

Степанов, Иван Владимирович

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационное обеспечение мониторинга землятрясений с использованием материалов дистанционного зондирования Земли"

московским государственный университет

им. М. В. Ломоносова ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

005003054

СТЕПАНОВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНИТОРИНГА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

25.00.35 - геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

-1 ДЕК 2011

Москва -2011

005003054

Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и в Научном центре оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы».

Научный руководитель:

кандидат географических наук, доцент

С.В. Чистов

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор (Московский государственный университет)

Ю.Г. Симонов

кандидат географических наук, с.н.с. (Институт географии РАН)

А.В. Кошкарев

Ведущая организация:

Кубанский государственный университет

Защита состоится

«2Zj

>>л

2011 года в

ж*

'С

часов на заседании

диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли, картографии, геоинформатике (Д 501.001.61) в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова на 21 этаже.

Автореферат разослан 2011 года.

у

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим отправлять по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.61, факс (495) 932-88-36. E-mail: science@geogr.msu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

А.Л. Шныпарков

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Регулярный мониторинг за сейсмоопасными регионами, который реализуется различными организациями, приводит к накоплению больших массивов разрозненных данных, не позволяющих проводить их комплексный анализ для принятия оперативных решений по вопросам обеспечения безопасности.

Возникает необходимость организации мониторинга землетрясений на основе использования географических информационных систем (ГИС). Это позволит проводить оперативный сбор данных (космические снимки, геофизические измерения и др.), а также анализировать признаки подготовки землетрясений и оценивать возможные угрозы их проявления в пространственно-временном масштабе.

Использование ГИС для решения подобного рода задач требует теоретического обоснования, разработки структуры и содержания баз данных, а также методики их использования в конкретной предметной области.

Проблема мониторинга землетрясений на сегодняшний день активно решается, но однозначного метода определения характеристик возможного землетрясения - даты, места и магнитуды пока нет, в связи с чем необходимо всестороннее ее изучение специалистами самых различных отраслей науки. Использование материалов дистанционного зондирования Земли и ГИС необходимо для успешного решения этой проблемы.

Цель диссертационной работы состоит в разработке географической информационной системы мониторинга землетрясений с использованием материалов дистанционного зондирования Земли, и прежде всего - космических снимков.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие теоретические и практические задачи:

• изучить существующие методы мониторинга землетрясения на основе разнообразных предвестников, в том числе с использованием материалов дистанционного зондирования Земли;

• разработать структуру и содержание баз данных для геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений;

• разработать методику мониторинга землетрясений с использованием географических информационных систем;

• апробировать предложенную методику геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений на примере территории Юго-Восточной Азии.

Методы исследования и фактический материал. В основу исследований положены научно-методологические принципы и идеи тематического картографирования

К.А. Салищева, A.M. Берлянта, Т.Г. Сватковой и др.; достижения в области геоинформатики и геоинформационного картографирования, отражённые в работах С.Н. Сербенюка, B.C. Тикунова, И.К. Лурье, Б.А. Новаковского, A.B. Кошкарева и др.; современные методы тематического дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли Ю.Ф. Книжникова, В.И. Кравцовой и др.; основные принципы и понятия сейсмологии и тектоники И.П. Добровольского, В.И. Кейлис-Борока, В.А. Моргунова, Г.И. Войтова, В.Е. Хаина, А.Я. Сидорина, Н.В. Короновского Н.В., Г.А. Соболева и др.

Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ и в Научном центре оперативного мониторинга Земли на основе карт, космических снимков, геофизических материалов, собранных в результате творческого сотрудничества с кафедрой газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ, Центром «Прогноз» Тульского государственного университета, дистанционной школой «Космометеотектоника» г. Петропавловска-Камчатского, а также обобщения многочисленных научных публикаций по исследуемой теме.

На защиту выносятся следующие положения:

• Мониторинг землетрясений должен базироваться на использовании ГИС с базами данных, содержащих картографические источники (общегеографические карты, тектонические карты и др.), данные наземных наблюдений (землетрясения, состояния магнитосферы и др.), а также снимки геостационарных и полярноорбитальных спутников.

• Установлено, что из многообразия признаков землетрясений в рассматриваемой ГИС необходимо включать данные аномальных вариаций различных геофизических полей (гравиметрических, геомагнитных и др.), которые свидетельствуют о подготовке землетрясений.

• Определено, что мониторинг землетрясений целесообразно проводить с использованием космических снимков с разрешением 0,5-1 км и периодичностью съемки 1530 мин. Такие данные позволяют определять динамику развития облачных сейсмотектонических индикаторов (ОСТИ), измерять их метрические характеристики и рассчитывать магнитуду возможного землетрясения.

• Разработанная методика позволяет проводить мониторинг землетрясений для любого участка Земли при условии наличии в базе данных (БД) всех необходимых элементов. Использование содержащихся в БД сведений об экологически опасных, жизненно важных объектах хозяйства, о количестве и плотности населения и пр. позволяет оценивать возможный ущерб от прогнозируемых землетрясений.

Научная новнзна работы:

• Теоретически обоснованы структура и содержание баз данных для геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений; разработаны базы данных (БД), включающие в себя информацию наземных геофизических измерений, мелкомасштабные космические снимки, а также картографические источники.

• Разработан алгоритм геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений с использованием космических снимков.

• Впервые на основе разработанного алгоритма предложена методика расчета возможных параметров сейсмического события в выбранном участке мониторинга: даты, места и магнитуды.

• Методика апробирована на примере территории Юго-Восточной Азии. Сравнительный анализ полученных результатов мониторинга с характеристиками фактических сейсмических событий показал, что погрешности оценки параметров возможных землетрясений составляют: по дате ± 3 суток; по месту - в пределах ареала с радиусом 800 км и по магнитуде от -1,2 до 1,3 условных единиц по шкале Рихтера при средних значениях не более 0,3.

Практическая значимость работы и внедрение. Результаты исследований автора в виде разработанных блоков базы данных и карт внедрены и используются на практике, прежде всего, в Научном центре оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы» (НЦ ОМЗ).

В процессе создания и апробации ГИС проводились совместные опытно-экспериментальные работы НЦ ОМЗ с научными центрами:

• Центр «Прогноз» Тульского государственного университета

[http://www.ntsomz.ru/projects/earthquake/doda_news290110];

• дистанционная школа «Космометеотектоника» Петропавловска-Камчатского [Seismotectogenesis concept realization on the example of the Taiwan seismic forecasting and monitoring experiment// Second seminar. Serbia, "NON-L1NEARITE", 2010];

• кафедра газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

[Earthquakes forecasts following Space and ground-based monitoring // Acta Astronáutica, V.69, №1,2011];

• Чапмановский университет (Калифорния, США) [http://www.ntsomz.ru/projects/earthquake/doda_news211010];

• Геофизический университет (Кьети, Италия)

[http://www.ntsomz.ru/projects/earthquake/doda_news261 111] и др.

Выполненная работа на основе ГИС позволяет более целостно и эффективно производить исследование и мониторинг землетрясений. Полученные результаты являются важным шагом к обобщению работ по геоинформационному обеспечению мониторинга землетрясений, вносят вклад в географические и прикладные исследования и будут полезны геологам, геофизикам, метеорологам, геоморфологам, картографам и специалистам в сфере геоинформатики, а также другим специалистам, изучающим проблему мониторинга, в частности прогноза землетрясений.

Апробация. Результаты исследований докладывались на отечественных и зарубежных конференциях и семинарах, в частности: на семинаре «Солнечно-земные связи и сенсмогенез» Астрономического института им. Штернберга МГУ (2007); на межфакультетном семинаре «Развитие идей АЛ. Чижевского в науках о жизни, обществе и Земле» географического факультета МГУ (2008); на международной конференции «Дистанционное исследование Земли и других планет» в Болгарии (2008); на семинаре «Солнечно-земные связи и сенсмогенез» кафедры газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ (2008); на семинаре «Космический мониторинг предвестников землетрясений» МИФИ (2009); на семинаре «Система планета Земля (нетрадиционные вопросы геологии)» геологического факультета МГУ (2009); на международной конференции «Современные проблемы математики, механики и естествознании», посвященные 70-ти летаю ректора МГУ В.А. Садовничего (2009); на семинаре «Корейский ядерный взрыв и предвестники землетрясений», МИФИ (2010); на семинаре «Космический мониторинг предвестников землетрясений» Астрономического института им. Штернберга МГУ (2010); на Ломоносовских чтениях с докладом «Геомагнитные бури как механизм запуска землетрясений» механико-математического факультета МГУ (2010); на международном семинаре «Seismotectogenesis concept realization on the example of the Taiwan seismic forecasting and monitoring experiment» в Сербии (2010); на международном симпозиуме по проблемам механики деформируемых тел, посвященном 100-летию со дня рождения A.A. Ильюшина с докладом «Наземно-космический мониторинг предвестников и краткосрочный прогноз землетрясений» механико-математического факультета МГУ (2011).

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах, из них 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ: Вестник Московского университета, №5, 2010.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения (130 страниц машинописного текста), 5 таблиц, 96 рисунков, списка литературы (136 наименований) и приложения (4 таблицы и 1 рисунок).

Благодарности. Автор глубоко благодарен своему научному руководителю доценту, к.г.н. C.B. Чистову; профессору, д.г.н. И.К. Лурье; профессору, д.г.н. A.M. Берлянту; профессору, д.г.н. Ю.Ф. Книжникову и всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики, а также доценту кафедры газовой и волновой динамики механико-математического факультета, к.ф.-м.н. В.Л. Натяганову, начальнику сектора Методов и средств интерпретации информации сейсмического мониторинга Л.Н. Доде, начальнику сектора Тематической обработки и анализа видеоинформации к.т.н. Л.И. Пермитиной Научного центра оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы» - за ценные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Современное состояние геоннформацноиного и картографического обеспечения мониторинга землетрясений

В первой главе рассмотрено современное положение дел в геоинформационном и картографическом обеспечении мониторинга землетрясений, в частности в области оценки возможных землетрясений. Приведен обзор наиболее изученных типов предвестников землетрясений, в особенности тех, которые могут быть зафиксированы средствами дистанционного зондирования Земли.

На сегодняшний день известны более 200 типов предвестников землетрясений. Несмотря на относительно высокий уровень развития современных методов мониторинга землетрясений, в настоящий момент ни по одному из них нельзя определить все три параметра землетрясения: место, время и силу с требуемой точностью. Другая проблема заключается в том, что ни один из этих типов предвестников не регистрируется в 100% случаях землетрясений. С другой стороны, подобные явления регистрировались и при отсутствии землетрясений. Поэтому об однозначной причинно-следственной взаимосвязи того или иного явления с землетрясением говорить нельзя, а следовательно, и пока не удалось создать систему надёжной оценки возможных землетрясений на этой основе. Механизмы взаимосвязи почти всех предвестников с самими землетрясениями также до конца ещё не изучены.

Использование космических систем дистанционного зондирования Земли для мониторинга сейсмически опасных территорий, а также их сочетания с данными с наземных станций геофизических измерений является наиболее перспективным и эффективным инструментом для решения задач мониторинга сейсмических событий. Показаны примеры применения космических изображений для анализа предвестников землетрясений (в частности со спутника Terra) для анализа динамики систем линеаментов (Бондур, 2005); данных шперферометрической съемки (например, аппаратурой InSAR) для определения напряжений в земной коре; данные Meteosat-5 и NOAA для обнаружения температурных аномалий как на поверхности Земли, так и в атмосфере (Узунов, 2005) и т.д. Другие примеры иллюстрируют совместное использование систем наземного и космического мониторинга, например, спутники GPS и сети наземных станций, для выявления динамики перемещения станций наблюдений относительно друг друга и др.

Особое внимание уделено исследованиям космических данных с аномальной облачностью, возникающей накануне землетрясений. Рассмотрены отечественные и зарубежные исследования облачных предвестников, в частности исследования линейных

облачных аномалий Л.И. Морозовой (2005) и сейсмических облаков Жонгано Шоу (Zongano, 1997).

Результатом исследований предвестников землетрясений является оценка возможных землетрясений, которая в том числе может быть представлена и в картографическом виде. Рассмотрены теоретические аспекты мониторинга землетрясений и их картографирования, в частности, геоинформационного. На сегодняшний день наибольшее развитие получило картографирование произошедших землетрясений и их характеристик, долгосрочных прогнозов, а также сейсмическое районирование. Приведены примеры гсоинформационного картографирования в сети Интернет, как наиболее мобильного инструмента передачи информации, на сайтах: Геологической службы США (U.S. Geological Survey), Глобальной сети прогнозирования землетрясений (Global Network Earthquake Forecast) и др.

Выводы:

• В связи с тем, что известные на сегодня предвестники землетрясений не позволяют с приемлемой точностью рассчитывать все три параметра возможного землетрясения: дату, место и магнитуду, необходим комплексный подход в их выборе для разработки оценки возможных землетрясений. Этот подход должен в комплексе учитывать предвестники различной природы - химические, деформационные, тепловые, ионосферные, облачные и др., и тем самым повышать точность оценки возможных землетрясений.

• Системы наземных наблюдений за предвестниками землетрясений обладают рядом недостатков: 1) требуется густая сеть станций, в том числе и в недоступных горных территориях; 2) зачастую ограничиваются территорией суши; 3) требуют обработки огромного массива данных, т.е. неоперативны; 4) высокая стоимость наблюдений. Отсюда возникает необходимость развивать системы космических наблюдений, повышать качество мониторинга существующих предвестников и находить новые.

• Картографирование землетрясений сводится в основном к констатации факта произошедших сейсмических событий и их характеристиках. Необходимо в рамках мониторинга развивать оценочное картографирование, прежде всего геоинформационное. Это позволит создавать оценки возможных землетрясений, тем самым своевременно предупреждать местные органы власти, спасательные службы и население об угрозе землетрясений.

• Сведения об облачных предвестниках землетрясений по-прежнему мало используются, несмотря на широкие возможности их наблюдений средствами дистанционного зондирования Земли. Методы расчета параметров возможного сейсмического события только по облакам не позволяют определять в комплексе место, дату и магнитуду.

Глава 2.

Разработка проблемно-ориентированной геоинформационной системы мониторинга землетрясений с учетом облачных сейсмотектонических индикаторов

Вторая глава посвящена обоснованию структуры базы данных проблемно-ориентированной геоинформационной системы и методике ее использования для обеспечения мониторинга землетрясений. В основу геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений заложен созданный в Научном центре оперативного мониторинга Земли комплексный подход к оценке возможных землетрясений (Дода, 2007).

Для решения проблемы мониторинга землетрясений в Научном центре оперативного мониторинга Земли проводились исследования, в результате которых были выявлены закономерности в структуре солнечно-земных связей, позволившие определить признаки подготовки землетрясений. Одним из них являются облачные структуры, которые были названы (Дода, 2007) облачными сейсмотектоническими индикаторами (ОСТИ).

Автором было накоплено свыше 500 геоизображений с облачными сейсмотектоническими индикаторами на космических снимках с 2003 по 2010 гг. Под геоизображением понимается любая пространственно-временная, масштабная, генерализованная модель земных (планетных) объектов или процессов, представленная в графической образной форме. Понятие «геоизображение» охватывает традиционные полиграфические и электронные карты, анаморфозы, аэро- и космические снимки, фотокарты, блок-диаграммы, рельефные карты и стереомодели, картографические анимации, кинокарты, виртуальные изображения и др. [Берлянт, 2006]. На основе этого материала были выявлены следующие особенности данных облаков: они имеют преимущественно линейную структуру и трассируют активные разломы, а также активные тектонические границы, прежде всего плит разного ранга (мега-, мезо- и макроплит) в земной коре и в мантии. Предложена классификация геоизображений облачных сейсмотектонических индикаторов и методика их выявления на космических снимках. По геоизображениям облачных сейсмотектонических индикаторов на космических снимках на основе их структуры было выделено 5 основных классов: 1) линейные, 2) ассиметричные, 3) «провалы», 4) квадратообразные, 5) гребенчатые. Методика выявления облачных сейсмотектонических индикаторов опирается на анализ динамики их развития и соответствия их форм с границами плит. Оптимальным способом выявления ОСТИ является анализ синтезированных снимков в видимом и инфракрасном диапазонах. Указаны преимущества и недостатки различных систем космических наблюдений для мониторинга облачности, в частности ОСТИ. Была продемонстрирована возможность расчета по облачным сейсмотектоническим индикаторам параметров возможного землетрясения: даты, места и магнитуды. Наиболее достоверно

оценивается магнитуда, которая рассчитывается по формуле, основанной на логарифмической связи между протяженностью ОСТИ и потенциальной магнитудой (М) (рис.1). Остальные параметры получаются достаточно размытыми, в связи с чем, их рекомендуется рассчитывать по другим данным.

Наиболее характерными зонами возникновения ОСТИ являются сейсмически опасные регионы Земли. В НЦ ОМЗ за период с 2003 по 2010 выявлен минимальный интересуемый порог длины облачного предвестника приблизительно 400 км. Время жизни отмеченных облачных структур колеблется от нескольких часов до 2-3-х дней. Как правило, облака большей протяженности (а значит и с большей потенциальной магнитудой) живут около 1015 часов. Высота максимума образования данных облаков около 5-10 км.

Рис. I. Расчет магнитуды возможного землетрясения по ОСТИ, Слева - космоснимок Terra 28.09.2009 с обнаруженным линейным ОСТИ (выделен овалом); справа - карта границ плит (а~ границы плит: б - ОСТИ, протяженность которого составила 618 км, что соответствует магнитуде 6.4: в ~ землетрясение на Тайване 3.10.2009 с Мб. 2).

Далее приведено обоснование источников, необходимых для обеспечения мониторинга землетрясений (рис.2): данные наземных наблюдений, космические снимки и картографические источники, которые интегрируются в ГИС. В группу наземных наблюдений входят сведения о произошедших землетрясениях, состоянии магнитосферы и атмосферного электричества, а также ряд прочих геофизических параметров. Группа космических снимков включают в себя материалы с геостационарных метеорологических спутников (например, серии MTSAT), а также полярно-орбитальных, как метеорологического (Метеор-М №1), так и специального назначения (ресурсные спутники сери EOS). Картографические источники включают различные тектонические карты, отдельные слои общегеографической карты мира и другие.

Для работы с этими данными необходима организация системы сбора, обработки и анализа, вывода информации. Возможность оперативной обработки больших объемов информации крайне необходима для мониторинга землетрясений, что послужило основанием для использования в настоящем исследовании геоинформационной системы.

Рис. 2. Источники, используемые в мониторинге землетрясений в географических информационных системах

В качестве средства реализации ГИС для мониторинга, в частности оценки возможных землетрясений используется ГИС-пакет Агс01Э 9.3, в котором проводится сбор данных, анализ и оценка сейсмической ситуации. Перечислены основные функции ГИС, необходимые для решения задач мониторинга землетрясений. Описывается структура и содержание разрабатываемых баз данных (БД).

В процессе проектирования базы пространственных данных принято выделять три основных уровня: концептуальный, логический и физический [Лурье, 2008].

На концептуальном уровне определено содержание базы данных, зависящее от задач, которые она должна решать; указаны объект и предметы исследования, базовые пространственные объекты, непозиционные объекты; выбраны способы представления географических объектов (точки, линии, ареалы, ячейки растра); перечислены используемые модели пространственных данных, подчёркнута необходимость использования метаданных.

На логическом уровне разработана структура базы данных (рис.3), в основе которой лежит содержание, определённое на концептуальном уровне проектирования.

На физическом уровне описана реализация базы данных на программно-аппаратном уровне. База данных включает в себя систему управления базой данных (СУБД), подсистемы: ввода и обновления исходных данных; хранения; обработки и моделирования; визуализации.

>

База данных

Данные космически* Наблюдений

Позиционные

"1

Непозиционные

Картографические

х

X

I

Карты границ плит Карты разломов

Космические снимки MTSAT-1R, MTSAT-2, Terra, Aqua, Meteor-M

X

Цифровые модели

рельефа

Карты

сейсмического районирования

"Ч

л

Производные данные

Карты ОСТИ Карты оценки возможных землетрясений

аттщр

Данные Наземных Наблюдений

Карты

землетрясений Карты

сейсмомагнитных меридианов

¡Э&С&РЩР

Карты анимаций ОСТИ

Г

Графики

гравиметрических, теллурических, протонных измерений

Рис. 3.Структура базы данных

Все объекты базы данных представлены двумя классами:

I. Позиционные объекты:

1) Данные космических наблюдений: космические снимки, полученные с геостационарных и полярно-орбитальных спутников (преимущественно метеорологического назначения)

2) Картографический материал: карты произошедших землетрясений, тектонические карты и др.

3) Производные данные: карты оценки возможных землетрясений, анимаций облачных сейсмотектонических индикаторов и др.

II. Непозиционные объекты:

1) Данные наземных наблюдений (геофизических измерений): гравиметрические, электрические и др.

Используемые модели пространственных данных. Модель пространственных данных определяет структуру и организацию данных, а также способ её анализа; отражает логические правила формализованного цифрового описания объектов реальности как пространственных объектов [Кошкарев, Тикунов, 1993; Лурье, 2008].

Базовыми моделями пространственных данных в проектируемой БД выступают растровый и векторный форматы.

Векторные пространственные данные. Пространственно-координированная информация состоит из двух частей: координат и атрибутов. Данные о произошедших землетрясений локализуются в базе данных в виде точек. В виде линейных объектов отображаются границы плит и разломов; сейсмомагнитные меридианы. Площадными объектами являются зоны возможных эпицентров землетрясений.

Растровые пространственные данные. Данные дистанционного зондирования и отсканированные картографические материалы хранятся в базе данных в виде растра -матрицы элементарных графических элементов (пикселов). Также в растровом виде хранятся цифровые модели рельефа в виде вЯШа.

Основной функцией проблемно-ориентированной ГИС для решения задач мониторинга является анализ и оценка возможных параметров землетрясений. Такие оценки могут быть представлены картографическим способом в различных масштабах, проекций в зависимости от района исследования.

Выводы:

• Разработанная методика позволяет средствами ГИС оперативно отслеживать сейсмическую обстановку в выбранном участке и рассчитывать параметры возможного сейсмического события: дату, место и магнитуду.

• Методика обнаружения облачных сейсмотектонических индикаторов по геоизображениям на космических снимках в географических информационных системах требует дополнительных алгоритмов их дешифрирования.

• Для результативного мониторинга ОСТИ в БД космических снимков требуются данные съемки с периодичностью не реже 15-30 минут, с охватом территории не меньше чем 2000 х 2000 км и пространственным разрешением около 0,5-1 км. Для этого необходимо развивать группировку как геостационарных, так и полярно-орбитальных спутников, для выполнения выше обозначенных условий.

• В географических информационных системах необходимо проводить оценки возможных землетрясений, и их последствий для своевременного предупреждения местных органов власти, различных служб и население о возможной сейсмической угрозе и последствиях. Это позволит существенно уменьшить потери численности населения, экологический и экономический ущерб.

• Необходим сбор в БД картографических источников сведений об экологически опасных объектах, таких как АЭС, химических заводах и других; об объектах транспортной инфраструктуры: аэропортах, железнодорожной и автомобильной сети и другие; современные данные о населенных пунктах и численности населения в них для последующей оценки возможных последствий землетрясений.

Глава 3. Геоннформацнонное обеспечение мониторинга землетрясений (на примере Юго-Восточной Азии).

В 3-й главе разработанная автором методика мониторинга землетрясений апробирована на территории тестового участка Юго-Восточной Азии. Выбор территории был обусловлен сейсмическими, климатическими условиями и возможностью мониторинга средствами космических наблюдений. Участок расположен на западе Тихоокеанского сейсмического пояса, который характеризуется высокой сейсмичностью (до 85% землетрясений по Земле). На территории располагаются следующие климатические зоны: субэкваториальный, тропический, субтропический и умеренный. Разнообразие климатических условий позволили бы обнаружить все типы ОСТИ (по классификации автора). Мониторинг территории средствами космических наблюдений осуществляется геостационарными спутниками серии MTSAT, а также полярно-орбитальными, серии EOS, Метеор-М и др. Комбинация геостационарных и полярно-орбитальных спутников позволяет компенсировать недостатки низкого пространственного разрешения съемки первых и малой периодичности съемки вторых.

С Выбор территории ^"N наблюдений

Запрос в БД геофизических измерений

Запрос в БД ссйсмомагнит-ных меридианов (СММ)

Построение зон глобальной ссйсмич. опасности (ГСО)

<=5

Карта ГСО

БД других предвестников землетрясений

С Карты прсдвсстниковЧ

Дата, место, магнитуда

о{»о» D-kzjHDHD

I !

! in j iv

Отбор зон ГСО по расположению к ОСТИ

_ I

С Карта локальной ссйсмоопасности.^^

Отбор зон локальной ссйсмоопасности

Карта оценки возможных зсмлетряссни

Рис 4. Алгоритм мониторинга землетрясений (этапы: I - подготовительный; II-основной; III - дополнительный; IV - заключительный)

Разработан алгоритм работы в ArcGIS 9.3, в котором подробно описана последовательность операций с помощью различных инструментов ArcGIS и взаимодействий с БД (рис.4).

Согласно этому алгоритму, на начальном (подготовительном) этапе необходимо отслеживать данные различных наземных наблюдений на предмет возникающих единовременных (в промежутке 1-4 суток) аномалий. Они относятся к данным непозиционного типа и отображаются в виде графиков. Для этих данных создается база метаданных, в которой описывается временной ряд наблюдений и тип измерений.

Для этого в ArcGIS создается запрос в БД геофизических измерений по метаданным. Мониторинг аномальных значений геофизических измерений проводится оператором визуальным способом. В дальнейшем будет включен в ГИС модуль автоматического анализа данных геофизических измерений, что существенно повысит оперативность мониторинга землетрясений.

На графиках (рис. 4) выбираются аномальные участки, свидетельствующие о подготовке возможного землетрясения. Далее (основной этап) подключается ГИС, в которой процесс создания оценки начинается с запроса в БД сведений о положении на территории исследования сейсмомагнитных меридианов. Сейсмомагнитные меридианы представляют собой проекцию возмущенных геоэффективными явлениями на Солнце силовых линий геомагнитного поля на поверхность Земли. БД сейсмомагнитных меридианов регулярно пополняется на основе данных наземно-космических наблюдений состояния магнитосферы. Запрос осуществляется посредством поиска в метаданных сейсмомагнитных меридианов по дате их активности. При их обнаружении идет автоматический процесс создания карты глобальной сейсмической опасности.

В настоящем исследовании были обнаружены 10 сейсмомагнитных меридианов на различные даты. Эти объекты были подгружены в АгсМар картографическую основу. Из этих 10 меридианов, на территорию тестового участка попали 3 (рис.ба). Сейсмомагнитные меридианы являются позиционными данными, которые отображаются в виде линейных объектов с наличием атрибутивной информации - долготами восхождения и нисхождения на экваторе и даты их наибольшей активности (на рис.ба цвет линий соответствует различным датам).

Рис. 5. Прил\ер динамики ОСТИ (местоположение обозначено овалом) в районе Юго-Восточной Азии на снимках МТ5А Т-1Я: а-г - время съемки (а - 07:30. б - 09:30, в - 11:30, 13:30 по местному времени (Токио)), д - границы плит (Берд. 2002) — границы плит ом названия плит

По этим сейсмомагнитиым меридианам определяются зоны глобальной сейсмической опасности. Согласно результатам исследований НЦ ОМЗ основные тектонические напряжения возникают в местах пересечения границ плит и сейсмомагнитных меридианов; определен радиус зон глобальной сейсмической опасности, равный 800 км от точек пересечения. Выявлению этого радиуса предшествовал опыт, на основании которого были рассчитаны максимальные расстояния от точек пересечения до землетрясений. Эти расстояния не превышали 800 км. В качестве источника данных по границам плит используется карта-модель плит Берда (ВЫ, 2002). Результатом этого этапа являются расчетные зоны возможных землетрясений с вероятными датами событий. На нашем тестовом участке вычислены 6 зон глобальной сейсмической опасности (рис.бв). В связи с большим количеством зон потенциальных эпицентров землетрясений, зачастую покрывающих большую часть Земли необходима локализация зон глобальной сейсмической опасности.

Локализации зон глобальной сейсмической опасности проводится по облачным сейсмотектоническим индикаторам. На этом этапе осуществляется запрос в БД космических снимков. В случае отсутствия космических данных или же отсутствия ОСТИ на них процесс создания прогноза завершается в связи с невыполнением условия - наличия ОСТИ для локализации зон глобальной сейсмической опасности. Анализ космических снимков на предмет ОСТИ проводится в интерактивном режиме. Для этого необходимо исследовать динамику облачных структур и их подобие тектоническим границам. С этой целью создаются карты анимаций для изучения динамики облачных структур, а также, проводится оверлейный анализ тектонических карт и космических снимков с предполагаемыми ОСТИ для выявления подобия их форм с границами плит (либо крупных разломов).

В качестве примера динамики ОСТИ на рисунке 5 а-г приводятся 4 снимка МТБАТ-1Я на 2 октября 2010 с интервалами 2 часа (по местному времени (Токио)), на которых показано развитие ассиметричной ОСТИ. На снимках воздушные массы перемещаются на Восток-Северо-Восток. На фоне этого движения, в районе юго-западной части Окинавской микроплиты образуется облачная структура. Спустя несколько часов облачная структура в своем развитии начитает приобретать четкие границы, которые повторяют контур Окинавской микроплиты (рис.5,д) - центральные и южные границы с Южно-Китайской и Филиппинской плитами. Время жизни этой ассиметричной ОСТИ составило порядка 7 часов. Таким образом, анализ серии снимков позволил выявить среди облаков ОСТИ, контуры которых повторяли контуры границы Окинавской микроплиты (ОЫ по карте-модели границ плит Берда).

Магнитные меридианы

Космические снимки

Границы плит

Глобальные / зоны

ОСТИ

Локализация зон

ПРОГНОЗ

Рис 6. Схема реализации оценки возможного землетрясения на регион Юго-Восточной Азии

(объяснение в тексте)

Следующим этапом является расчет магнитуды возможного землетрясения в зависимости от протяженности ОСТИ:

где М - расчетная магнитуда землетрясения, О - протяженность облачного сейсмотектонического индикатора (в км), 1)а - обезразмеривающий коэффициент = 1 км (Дода, 2007).

По электронному варианту космического снимка проводится векторизация ОСТИ и расчет магнитуды (рис.бд). Следующим этапом в цепочке составления оценки возможных землетрясений служит этап локализации множества зон возможного снятия напряжений в земной коре. С этой целью используется созданный векторный слой с обнаруженным ОСТИ и векторный слой расчетных глобальных зон сейсмической опасности. Для отбора зон глобальной сейсмической опасности в геоинформационной системе используется инструмент «выбрать по расположению» и в нем указать критерий отбора «ближайший».

При возникновении затруднений в выборе локальных зон, могут быть привлечены дополнительные источники (рис. 4, дополнительный этап) - например, БД землетрясений с целью обнаружения форшоков, или для уточнения степени напряженности в земной коре по данным о недавно произошедших мощных землетрясениях (с магнитудой более 6), которые могли снять это напряжение в земной коре, или же поиска зон затишья, в которых достаточно долго отсутствовали землетрясения. Гибкая система баз данных позволяет использовать и другие предвестники землетрясений, которые могут способствовать решению задачи по локализации глобальных зон сейсмической опасности.

В результате (рис.4, заключительный этап) выбирается одна буферная зона с конкретными параметрами возможного землетрясения - дата, место и магнитуда, которые заложены в атрибут слоя (рис.бж). Результаты по основным этапам мониторинга представлены на рис.6.

На основе алгоритма (рис.4) и использования баз данных (рис.3) была создана оценка возможного землетрясения на территорию Юго-Восточной Азии (рис.7), в которой указаны: место (ареал) положения эпицентра землетрясений с радиусом 800 км (и площадью 200 626 кв. км), прогнозируемые даты землетрясения, расчетная магнитуда и дата окончания угрозы землетрясения. К электронному варианту карты оценки возможного землетрясения прилагается универсальная шкала магнитуд, которая состоит из 5-ти градаций, определенный цвет которой автоматически присваивается расчётному кругу, в зависимости от расчетных величин магнитуд. В нашем исследовании, расчетная магнитуда

Объест» в слж | <Верхч*Яслой>"

:- РПКЛЙ

Прогнозные даты (±2сут.)

^ 0Ш=_РКТ

Магнитуда

03.02.2010 10.02.2010 6,5

о

Прогнозная манитуда (±0.?)

Прогнозная

зона возмон

эпицентра

землетрясен

Рис 7. Оценка возможных параметров землетрясения (во всплывающей таблице указаны: даты и магнитуда)

составила 6,5 условных единиц по шкале Рихтера. На основе этого значения по

универсальной шкале магнитуд, этому кругу был присвоен желтый цвет.

В будущем предполагается добавлять информацию об объектах, которые расположены в эпицентральной зоне риска. Под объектами понимаются жизненно опасные объекты — химические заводы, атомные электростанции и др.; объекты транспортной инфраструктуры - аэропорты, железные и автомобильные дороги и др., города с указанием численности населения и т.д. Это позволит рассчитать возможный ущерб от землетрясения, принять необходимые административные и другие меры для уменьшения последствий землетрясений.

В качестве примера был проведен учет населенных пунктов с населением свыше 250 тысяч человек, попавших в зону риска, в результате которого была создана таблица городов, находящихся в этой зоне (рис.8). Расчет объектов проводится с помощью операции «Вы брать по расположению» инструмента Анализа (в Агс018). С помощью этого инструмента анализируется векторный слой «населенные пункты с населением свыше 250 тыс.ч.», в котором отбираются города (точечные объекты) по условию «расположены внутри» относительно полигонального слоя «прогнозная зона». В результате расчета в зоне риска возможного землетрясения обнаружены восемь населенных пунктов.

10 Выбранные объекты СГТ1Е$_Ш5 С ш

МАМЕ сошлют Р0РШ_АТ10М СА1

► Шанхай Китай 9300000 N

Ханчжоу Китай 1270000 N

Фучжоу Китай 890000 N

Тайбэй Тайвань 6130000 У

Тайчжун Тайвань 715107 N

Чжунхэ Тайвань 250000 N

Гаосюн Тайвань 1845000 N

Тайнань Тайвань 656927 N

< 1 - я .. . 1 01

Запись: и| < || 1 > | н[ Показать: Все | [ыбранны -у |

Рис 8. Список населенных пунктов, расположенных в прогнозной зоне землетрясений.

С целью автоматизации некоторых процессов для создания оценок возможных землетрясений в АгсИВ с помощью инструмента Мос)е1ВшИег была создана модель, в котором технологический процесс автоматизируется путем выстраивания процессов в связанную цепочку. При запуске модели процессы будут выполняться в определенной последовательности.

Благодаря автоматизации ряда промежуточных этапов в процессе создания оценок возможных землетрясений, созданная проблемно-ориентированная ГИС позволяет проводить мониторинг, в реальном режиме времени. В этом режиме отслеживаются признаки подготовки землетрясений вплоть до самого сейсмособытия. Создание оценки возможного землетрясения осуществляется в ГИС в полуавтоматизированном режиме в течение порядка 20-40 мин, хотя сама автоматизированная ее часть занимает несколько минут. Самым слабым с точки зрения затрат времени звеном в производственной цепочке создания оценки возможного землетрясения является визуальное дешифрирование облачных структур на предмет обнаружения ОСТИ. В ближайшее время автоматизации распознавания ОСТИ не предвидится из-за нечеткости критериев их выделения; помимо этого требуется обширный опыт дешифрования космических снимков с ОСТИ.

В заключении 3-й главы приводится сравнительный анализ результатов 41-ой оценки возможных землетрясений за период 2003 по 2010, которые были получены средствами созданной проблемно-ориентированной ГИС. Каждая такая оценка сопровождалась документом (заявкой в Российский экспертный совет и в Координационный прогностический центр ИФЗ РАН), копия документа № 36 приведена в приложении №5 диссертации.

Автором накоплена база данных, включающая свыше 500 космических снимков с облачными предвестниками землетрясений с 2003 по 2010 гг. Космические данные были

получены с геостационарных метеорологических спутников: серий GOES, MTSAT, Meteosat и др. а также полярно-орбитальных: Terra, Aqua, Noaa, Метеор-М и др. Из них 126 снимков со 117 ОСТИ были использованы для мониторинга землетрясений.

Поскольку землетрясениям зачастую предшествовали более одного ОСТИ, для проведения анализа погрешности расчета магнитуды из 117 ОСТИ были отобраны наиболее протяженные из них для конкретного землетрясения. В результате анализа 41-ой оценки возможных землетрясений за период с 2003 по 2010 был создан график (рис.9) расчетной и фактической магнитуд. Выделено землетрясение №36, по которому на рис.7 приведен пример оценки возможных землетрясений. Также построен график отклонений расчетной магнитуды от фактической (рис. 10).

Рис. 9. Расчетная и фактическая магнитуда землетрясении.

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

О. ? 0,4

0,2

2 0,0

п -0,2

:> < -0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

II

Î

HI I I

гтп-пти-в î к к—i l ж î m

I -5— ! 9 'ill 1] 15 ft у 21 23 f 27 29 |l 33 35 ЗУ f) A

Номер землетрясения

Рис. 10. Отклонение значений расчетных от фактических магнитуд землетрясений.

Выводы:

• Апробация методики мониторинга землетрясений в географической информационной системе на примере создания электронной карты оценки возможных землетрясений на территорию Юго-Восточной Азии от 1 февраля 2010 показала работоспособность методики

• Необходимо помимо расчета параметров возможного землетрясения проводить оценку возможного экономического и экологического ущерба, а также возможных потерь численности населения. Для этого в БД картографических источников нужно привлекать дополнительные и современные данные об экологически опасных объектах, данные о населенных пунктах и численности населения в нем, данные о транспортной инфраструктуре и др.

• Сравнительный анализ результатов мониторинга на основе ОСТИ и фактических событий землетрясений показал, что методика расчета магнитуды по ОСТИ, разработанная в НЦОМЗ (Дода, 2007), имеет высокую точность со средними значениями отклонений 0,3 условных единиц по шкале Рихтера.

Заключение

В ходе проведённых теоретических исследований и экспериментальных работ была решена основная задача диссертации - разработана геоинформационная система мониторинга землетрясений с использованием материалов дистанционного зондирования Земли.

Основные результаты и выводы диссертационного исследования состоят в следующем:

• Теоретически обоснованы и практически созданы структура и содержание баз данных для геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений.

• Создана проблемно-ориентированная ГИС, включающая в себя базы данных наземных геофизических измерений, мелкомасштабных космических снимков, а также картографических источников.

• Разработан алгоритм геоинформационного обеспечения мониторинга землетрясений с использованием космических снимков.

• Впервые на основе разработанного алгоритма предложена методика расчета возможных параметров сейсмического события в выбранном участке мониторинга: даты, места и магнитуды. Методика апробирована на примере территории Юго-Восточной Азии.

• Произведен сравнительный анализ 41-го результата мониторинга с характеристиками фактических сейсмических событий. Этот анализ показал, что погрешности оценки параметров возможных землетрясений составляют: по дате ± 3 суток;

по месту - в пределах ареала с радиусом 800 км и по магнитуде от -1,2 до 1,3 условных единиц по шкале Рихтера при средних значениях не более 0,3.

• Для повышения оперативности и качества мониторинга землетрясений необходимо развивать системы дистанционного зондирования Земли, которые позволяют регистрировать предвестники землетрясений различной природы. Для эффективного отслеживания облачных сейсмотектонических индикаторов необходимы данные космической съемки с периодичностью не реже 15-30 минут, с охватом территории не меньше чем 2000 х 2000 км и пространственным разрешением около 0,5-1 км.

• В географических информационных системах необходимо проводить оценки возможных последствий для своевременного предупреждения местных органов власти, различных служб и население. Это позволит существенно уменьшить потери численности населения, экологический и экономический ущерб. Для этого необходим сбор в БД картографических источников сведений об экологически опасных объектах, таких как АЭС, химических заводах и других; об объектах транспортной инфраструктуры: аэропортах, железнодорожной и автомобильной сети и другие; современные данные о населенных пунктах и численности населения в них.

Основные научные результаты диссертации изложены в рекомендованном ВАК журнале:

1. Использование дистанционного зондирования Земли для прогнозирования землетрясений // Вестник Московского университета. Сер. 5. География, 2010, № 5.

А также в следующих публикациях:

2. Концепция сейсмотектогенеза и прогноз землетрясений // Материалы конференции, посвященные 70-летию ректора МГУ В.А. Садовничего «Современные проблемы математики, механики и их приложений» М.: Изд-во «Университетская книга», 2009. (соавторы: Дода Л. Н., Натяганов В. Л.)

3. Космический мониторинг предвестников землетрясений // Наука в России РАН 6/2009. (с. 30-37) (соавторы: Дода Л.Н., Новикова Н.Н., Пахомов Л.А.)

4. Подсистема ГИС для решения задач сейсмического мониторинга и прогнозирования землетрясений Геоматика, 2010, № 3. (с. 97-102)

5. Seismotectogenesis concept realization on the example of the Taiwan seismic forecasting and monitoring experiment // Second seminar. The Earth, ECP 3E Security, 25 june 2010. Belgrad, Serbia: Swiss association "NON - LINEARITE", 2010.(c.3-13) (соавторы: Дода Л., Бобровский В., Мартынов. О., Натяганов В., Шуган И.)

6. Earthquakes forecasts following Space and ground-based monitoring // Acta Astronáutica, V.69, №1, 2011 (соавторы Дода Л.Н., Душин B.P., Натяганов В.Л., Смирнов Н.Н.)

Подписано в печать 19.11.2011 г. Тираж 100 экз. Заказ X» 3231 Отпечатано в типографии «АллА Принт» Тел. (495) 621-86-07, факс (495) 621-70-09 www.allaprint.ru

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Степанов, Иван Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО И КАРТОГРАФИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.

1.1 Строение Земли и причины землетрясений.

1.2 Предвестники землетрясений.

1.2.1 Типология предвестников землетрясений; расчет параметров возможных землетрясений и особенности их картографирования.

1.2.2 Перспективы исследований предвестников землетрясений средствами космических наблюдений.

1.3 Оценка возможных землетрясений.

1.3.1 Виды прогноза землетрясений и состояние прогнозного картографирования землетрясений.

1.3.2 Особенности геоинформационного представления прогнозов землетрясений и фактических сведений о сейсмособытиях в сети Интернет.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоинформационное обеспечение мониторинга землятрясений с использованием материалов дистанционного зондирования Земли"

Актуальность темы исследования. Регулярный мониторинг за сейс-моопасными регионами, который реализуется различными организациями, приводит к накоплению больших массивов разрозненных данных, не позволяющих проводить их комплексный анализ для принятия оперативных решений по вопросам обеспечения безопасности.