Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и создание экспериментального образца системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, для предупреждения значительных сейсмических событий

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
база данных, геодинамические предвестники, геофизические поля, дистанционное зондирование земли, землетрясения, ионосферные предвестники, космический мониторинг, линеаменты, навигационные спутниковые системы, предвестники землетрясений, прогноз, сейсмические явления, системы сбора и обработки данных, спутниковые данные, тепловые поля, тепловые предвестники.

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение задач, связанных с необходимостью: - разработки новых и усовершенствования существующих методов и технологий комплексного сбора и обработки космических данных для мониторинга сейсмоопасных территорий; - разработки баз данных о предвестниках сильных землетрясений, регистрируемых из космоса; - предоставления оперативной космической и наземной информации для оценки рисков сильных землетрясений и принятия необходимых эффективных мер для предупреждения и снижения последствий таких экстремальных природных явлений, как землетрясения. Цели проекта: - Разработка и экспериментальная отработка новых методов и технологий сбора, обработки и систематизации данных, регистрируемых космическими средствами для мониторинга предвестников сильных Магнитудой ≥6 землетрясений. - Разработка научно-технических решений для организации мониторинга сейсмоопасных территорий и создания базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, для предупреждения, снижения риска и уменьшения экономических, социальных и экологических последствий от значительных сейсмических событий.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:
- Методика сбора и систематизации исходной космической информации и сопутствующих данных для формирования базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса.
- Методы предварительной и тематической обработки и визуализации данных, характеризующих предвестники сильных землетрясений (М≥6).
- Алгоритмы предварительной и тематической обработки и визуализации данных, характеризующих предвестники сильных землетрясений.
- Экспериментальный образец системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса.
- Фрагмент базы данных предвестников сильных землетрясений (М≥6), регистрируемых из космоса, для выбранных тестовых сейсмоопасных территорий на территории России и других стран.
Методика сбора и систематизации космической и сопутствующей информации для формирования базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, обеспечивает формализованное описание процессов и процедур получения данных при космическом мониторинге сейсмоопасных территорий, их классификации, предварительной и тематической обработки, подготовки для размещения в базе данных и визуализации.
Разработанные методы и алгоритмы предварительной и тематической обработки и визуализации данных обеспечивают:
а) формирование набора предвестников землетрясений;
б) представления результатов исследований в удобной и наглядной форме;
в) визуальное восприятие всех данных об аномальных вариациях различных геофизических полей (ионосферных, тепловых) и геодинамических особенностях, которые свидетельствуют о подготовке землетрясений.
Аппаратные средства и программное обеспечение экспериментального образца системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений обладают максимальной унификацией.
Экспериментальный образец системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, будет обеспечивать:
а) сопряжение с комплексами приема данных космического мониторинга и архивами данных, расположенных на специализированных серверах сети Интернет;
б) получение данных космического мониторинга сейсмоопасных территорий (с ftp-серверов, аппаратно-программных комплексов приема спутниковых данных) и их предварительную обработку;
в) хранение данных о предвестниках землетрясений, регистрируемых из космоса, в систематизированном виде;
г) проведение тематической обработки спутниковых данных о предвестниках землетрясений;
д) предоставление по запросу пользователей доступа к базе данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, и их визуализацию, в т.ч. с использованием картографической основы;
е) при необходимости, документирование данных о предвестниках землетрясений и результатов их обработки.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта будет создан экспериментальный образец системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, который является комплексом программных и технических решений, реализующим разработанные методы и методики выявления геодинамических, ионосферных и тепловых предвестников землетрясений, и позволяющим осуществлять сбор и обработку космических данных и сопутствующей информации для формирования набора предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, а также хранение данных о них в систематизированном виде.
Программное обеспечение экспериментального образца системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений включает в свой состав общее, общесистемное и специальное программное обеспечение.
В общее и общесистемное программное обеспечение входят программные средства поддержки функционирования технических средств (операционные системы, служебное программное обеспечение), а также базовые инструментальные программные средства для реализации функций хранения и управления данными (базовая СУБД).
Специальное программное обеспечение включает в свой состав модули сбора, предварительной и тематической обработки данных, конвертации и их ввода в базу данных, управления данными, удаленного доступа к базе данных.
В состав аппаратных средств экспериментального образца системы входят автоматизированные рабочие места операторов, средства сетевого сопряжения, система хранения данных и серверное оборудование для управления базой данных.
База данных будет сформирована на основании результатов обработки и анализа различных спутниковых данных, позволяющих выявлять геодинамические, ионосферные и тепловые предвестники землетрясений. В базу данных будут включены также результаты наземных наблюдений и вспомогательная информация, позволяющая с большей точностью детектировать предвестники землетрясений.
Новизна научных и технических решений заключается в разработке новых методов и технологий сбора и обработки космических данных, позволяющих одновременно регистрировать предвестники сильных землетрясений (М≥6), проявляющихся в аномалиях различных геофизических полей, а также формировать базу данных, основанную на использовании информации, накопленной при проведении дистанционного мониторинга сейсмоопасных территорий, и осуществлять комплексный анализ космической и сопутствующей информации для предупреждения и снижения последствий значительных сейсмических событий.
Несмотря на наличие значительного объема данных о землетрясениях, накопленного к настоящему времени, она носит разрозненный характер. База данных содержащая систематизированную комплексную информацию о предвестниках сильных землетрясений, регистрируемых из космоса, не создана. Отсутствие такой базы данных не позволяет проводить обобщенный анализ информации для принятия оперативных решений по предупреждению и снижению последствий значительных сейсмических событий. Поэтому возникает необходимость создания такой базы данных, которая будет содержать систематизированный комплексный набор информации о предвестниках землетрясений, регистрируемых из космоса. Основным преимуществом разрабатываемых методов и экспериментального образца системы формирования и сопровождения базы данных является обеспечении систематизации комплексного набора информации о различных предвестниках сильных землетрясений, регистрируемых из космоса, что позволит более надежно предупреждать такие природные катастрофы и снижать их последствия.
Для достижения заявленных результатов в ходе выполнения проекта решаются комплексные научно-технические задачи, включающие применение современных методов и средств дистанционного зондирования, технологий приёма и методов обработки космической информации, методов сбора и оценки космических и других данных, полученных в результате исследований сейсмоопасных территорий, а также решение научно-технических задач, направленных на создание системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса.
Результаты, полученные при проведении исследований, будут соответствовать и превышать мировой уровень работ в исследуемой области и будут конкурентоспособны в сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе проекта методы и методики мониторинга опасных природных явлений, в том числе методика сбора и обработки космических данных, позволяющие регистрировать предвестники значительных сейсмических событий (М≥6), и созданный экспериментальный образец системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, обеспечит возможность осуществления комплексного мониторинга состояния сейсмоопасных территорий для предупреждения и снижения последствий таких природных катастроф как сильные землетрясения. Полученные результаты будут использованы при создании комплексной системы мониторинга чрезвычайных ситуаций, которая внесет вклад в решение проблем предупреждения, оценки рисков и уменьшения негативных последствий от значительных сейсмических событий и обеспечения экологической безопасности.
Результаты проекта могут быть практически использованы различными организациями и службами нашей страны (МЧС России, Министерством природных ресурсов и экологии РФ, Геофизической службой РАН, Институтом теории прогноза землетрясений РАН), учебными учреждениями высшего и профессионального образования России, зарубежными организациями и др.
В рамках международного сотрудничества могут проводиться исследования новых типов предвестников землетрясений, а также мониторинг сейсмоопасных территорий с использованием программных, технических и технологических решений, реализованных в экспериментальном образце системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений. Разрабатываемый экспериментальный образец системы, а в последствии и система формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса, содержащий систематизированную информацию, может заинтересовать зарубежные организации и отдельных ученых, занимающихся исследованиями предвестников землетрясений. Системы основана на принципах расширяемости и будет обеспечивать возможность пополнения и актуализации базы данных новыми типами предвестников.

Текущие результаты проекта:
1. Для создания экспериментального образца системы формирования базы данных предвестников сильных землетрясений (М≥6) к настоящему времени разработаны методики сбора и систематизации космической информации и сопутствующих данных, которые обеспечивают реализацию основных этапов получения информации, формируемой спутниковыми навигационными системами для выявления ионосферных предвестников сейсмических событий; данных по характеристикам подстилающей поверхности для исследования геодинамических особенностей сейсмоопасных территорий; получение космической информации для выявления тепловых предвестников, данных о геомагнитной обстановке и солнечной активности, а также метеорологических данных, которые необходимы для дистанционного мониторинга сейсмоопасных территорий.
2. Для регистрации предвестников сильных землетрясений (М≥6), проявляющихся в аномалиях различных геофизических полей и их последующей интеграции в базу данных, разработаны методы и алгоритмы предварительной, тематической обработки и визуализации космической информации, обеспечивающие возможность исследования вариаций параметров ионосферы, геодинамических особенностей и аномалий тепловых полей, возникающих при подготовке и протекании сейсмических событий и заключающиеся в следующем:
2.1. Предварительная обработка для исследования комплекса параметров ионосферы обеспечивает преобразование структуры записи исходных данных к «стандартному» виду, построение траекторий подионосферных точек и отбор данных, полученных с определенных спутников, для последующей тематической обработки. В процессе тематической обработки рассчитывается комплекс параметров ионосферы с использованием псевдодальномерных и фазовых измерений спутниковых навигационных систем.
2.2. Предварительная обработка для построения карт полного электронного содержания (ТЕС) ионосферы Земли обеспечивает фильтрацию и вычисление производной от исходного ряда ТЕС, представление спектра, анализируемого перемещающегося ионосферного возмущения, на основе разложения в ряд Фурье и пространственно-временного анализа данных на основе Вейвлет-преобразований. Тематическая обработка заключается в построении карт ТЕС с использованием результатов измерений сетью наземных приемных станций спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, а также карты интенсивности возмущений ТЕС.
2.3. Предварительная обработка данных для исследования геодинамических особенностей сейсмоопасных территорий обеспечивает радиометрическую калибровку, географическую привязку, геометрическую коррекцию, цветовую коррекцию, сжатие данных, а также преобразование исходных данных в форматы, удобные для последующей тематической обработки, которая заключается в выявлении линеаментных систем на космических изображениях и включает в себя расчет локальных линеаментов (штрихов) и их статистических характеристик (плотности роз-диаграмм штрихов, линий вытянутости роз-диаграмм штрихов, расчет суммарных длин локальных линеаментов).
2.4. Предварительная обработка данных, полученных в ИК-диапазоне, позволяет осуществлять построения временных рядов наблюдений, очищенных от влияния ряда мешающих факторов, к числу которых, прежде всего, относится наличие ошибочных значений. Для последующей тематической обработки ряды наблюдений формируются таким образом, что их элементы заполняются только «незашумленными» измерениями. Это приводит к изменению структуры и размера многомерного массива. Тематическая обработка данных, полученных в ИК-диапазоне, обеспечивает возможность получения файлов с нормализованными значениями температуры земной поверхности, температуры приповерхностного слоя атмосферы и мощности уходящего длинноволнового излучения, для последующего построения тепловых карт, позволяющих проследить динамику изменения тепловых аномалий, возникающих в процессе подготовки и протекания сильных землетрясений.
3. Разработанные методы и алгоритмы предварительной и тематической обработки, а также визуализации данных предвестников землетрясений обеспечивают:
- формирование набора предвестников землетрясений, в том числе: ионосферных (значение электронной концентрации в максимуме слоя F2, полное электронное содержание ионосферы (ТЕС), скорость изменения ТЕС вдоль траектории подионосферной точки, вид высотного распределения электронной концентрации, изменение высотного распределения электронной концентрации во времени и пространстве); геодинамических (динамика линеаментных систем, отношения суммарных длин линеаментов разных направлений); тепловых (динамика температуры земной поверхности, температуры приповерхностного слоя атмосферы, уходящего длинноволнового излучения);
- представление результатов исследований в удобной и наглядной форме;
- визуальное восприятие всех данных об аномальных вариациях различных геофизических полей (ионосферных, тепловых) и геодинамических особенностях, которые свидетельствуют о подготовке землетрясений.
4. С использованием разработанных методик сбора и систематизации исходных космических данных, методов и алгоритмов предварительной и тематической обработки, а также визуализации информации, разработана структура системы формирования и сопровождения базы данных предвестников сильных землетрясений, характеризующая архитектуру и состав системы, ее функциональные подсистемы и их взаимодействие, обеспечивающая систематизацию информации о вариациях геофизических полей в период подготовки и протекания значительных сейсмических событий.
5. На основании выбранных направлений исследований, а также разработанной концепции построения и структуры системы формирования и сопровождения базы данных предвестников сильных землетрясений, регистрируемых из космоса, разработаны функциональная модель процессов, реализуемых системой, а также функциональные требования к этой системе.
6. Для проведения экспериментальных исследований с целью выявления сейсмоионосферных вариаций осуществлен сбор и систематизация данных, включающий выбор тестовых участков, для которых получены данные о землетрясениях с М≥6 и произошедших в период с 2005 по 2014 гг. По полученным данным построены гистограммы распределения по годам землетрясений с различными магнитудами для Курило-Камчатского региона, Байкальского региона, Кавказа, Средней Азии и Чили, построены карты с эпицентрами землетрясений с М≥6, произошедшими за этот период времени. Для каждого выбранного сейсмоопасного региона проанализировано расположение наземных станций спутниковых навигационных систем и наличие данных на каждый исследуемый период. Выбраны станции, ближайшие к эпицентрам рассматриваемых сейсмических событий, а также станции, для определения фоновой обстановки. Проведена систематизация полученных исходных данных спутниковых навигационных систем для исследуемых сейсмических событий и предварительная обработка, заключающаяся в преобразование формата исходных данных, построении траекторий подионосферных точек, выборе спутников для исследования ионосферных вариаций. Выполнены сбор, систематизация, обработка и анализ данных о солнечной активности и геомагнитной обстановке. Для этого определены временные периоды, на которые необходимо получить данные о динамике индексов Dst, Kp, ар, Ap и F10.7, при подготовке и протекании землетрясений с М≥6 в Курило-Камчатском регионе, Байкальской рифтовой зоне, на Кавказе, в Средней Азии и в Чили, из сети Интернет получены значения этих индексов, построены графики изменения индексов Dst и Ap, а также гистограммы распределения индексов Kp, ар и F10.7 для исследуемых периодов.
7. Для выявления тепловых аномалий, возникающих в процессе подготовки и протекания значительных сейсмических событий, осуществлен выбор тестовых участков, в которых произошли землетрясения с М≥6, проведен сбор и систематизация космических данных, полученных в ИК-диапазоне со спутника Aqua (прибор AIRS), содержащих информацию о температурах земной поверхности, приповерхностного слоя атмосферы и уходящем длинноволновом излучении за период с 2007 по 2014 гг., а также сбор и систематизация космических изображений, полученных со спутников Terra/Aqua (прибор MODIS) для выбранных сейсмоопасных районов Кавказа, Турции и Греции за период с 2010 по 2015гг.
8. В целях создания экспериментального образца системы формирования и сопровождения базы предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса:
8.1 Осуществлен монтаж технических средств, а также установка и настройка общего и общесистемного программного обеспечения.
8.2 Завершается разработка специального программного обеспечения, включающего:
- модули сбора, предварительной обработки и накопления исходных космических данных, для выявления ионосферных, геодинамических и тепловых предвестников землетрясений;
- модуль формирования физической структуры базы данных, ее редактирования и администрирования;
- модуль конвертации данных (исходных данных и выходных данных тематической обработки) и их ввод в базу данных;
- модуль удаленного доступа к базе данных, организации поиска данных по запросам, визуализации данных;
- модуль обработки данных спутниковых навигационных систем для восстановления параметров ионосферы;
- модуль обработки данных спутниковых навигационных систем для построения карт ТЕС;
- модуль расчета тепловых аномалий по космическим данным;
- модуль обработки космических данных для выявление геодинамических предвестников землетрясений.
9. Завершается разработка комплекта эскизной конструкторской и программной документации на экспериментальный образец системы формирования и сопровождения базы данных предвестников землетрясений, регистрируемых из космоса.
10. Разрабатывается программа и методика экспериментальных исследований.