Система комплексного анализа космических и наземных данных для оценки сейсмической ситуации

Инчин А.С., Асламбекова И.П., Курбангалиев Н.М.,

Погорельцева И.В.

(Институт математики МО и Н РК)

Oglavlenie 

Glava 2

Glava 3

В оценке сейсмической         опасности особое место имеют исследования физических полей в околоземном космическом пространстве по данным измерений на космических аппаратах (КА) - геофизических спутниках и пилотируемых аппаратах. Работы в этом направлении были начаты в СССР в 80-х годах  в таких научных центрах, как Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, Институт физики Земли АН СССР. От Казахстана в этих исследованиях принимал участие Институт теоретической и прикладной математики АН РК в части разработки методов анализа результатов на спутниках серии “Интеркосмос”. В статье приведено краткое описание функциональных возможностей системы комплексного анализа данных, разработанной для обработки данных измерений на Земле и в космосе, в частности с борта орбитальной станции “Мир”.

Рис 1. Землетрясения в регионе класса больше 9 за 10 лет наблюдений

В очаге готовящегося землетрясения наряду с деформацией земной коры возникает мощное электромагнитное излучение, которое проникает в ближний космос и может быть там зафиксировано измерительной аппаратурой на борту КА. Это подтвердил тщательный ретроспективный анализ многочисленных сейсмических событий, произошедших в различных районах Земли и их сопоставление с данными измерений на КА, пролетавших над такими районами на высотах верхней ионосферы (800-1000 км). Анализ спутниковых данных показал, что электромагнитное излучение от будущего землетрясения можно уверенно фиксировать бортовой аппаратурой за несколько минут (часов) до толчка [1].         Пример обнаруженных эффектов приведен на Рис.2.

         Для того, чтобы говорить о надежности оценки сейсмической ситуации с использование КА необходим мониторинг, т.е. постоянное наблюдение на Земле и с КА за сейсмоопасными территориями, оперативная передача проведенных измерений на Землю и, наконец, использование современных методов и компьютерной техники для комплексного анализа таких данных и получения экспертных оценок. Институт математики совместно с ИЗМИРАН  РАН и Институтом ионосферы АН РК проводил синхронные измерения электромагнитного излучения на Земле и на борту ИСЗ “Космос-1809” (1990-1991 гг.). Анализ полученных данных показал, что сейсмическое электромагнитное излучение одновременно проявляется как на Земле, так на спутниковых высотах. Такое излучение можно и нужно измерять и анализировать для оценки сейсмической активности. Для нашего региона это чрезвычайно актуально [3] (см. Рис.1).

                Обработка и анализ комплекса данных невозможна без создания математических и физических моделей процессов, происходящих в период подготовки землетрясения, без создания  алгоритмов, методик и программного обеспечения, без внедрения этого аппарата в практику работ служб слежения за сейсмической опасностью в регионе.  

Glava 2                         V nachalo str

Рис 2. Предвестники землетрясения в магнитном поле по результатам спутниковых измерений

      При интерпретации  результатов  физических  и технических экспериментов,  приходится сталкиваться с ситуацией, когда некоторые зависимости, которые, по-видимому, объективно сущес­твуют,  заданы конечным набором количественных данных (результатами наблюдений). Обобще­ние этих данных  означает их определенную интерполяцию или экстраполяцию на некоторые новые  условия  или  уточнение характеристик исследуемых явлений при заданных значениях варь­ируемых  факторов.

      Содержательно различные проблемы идентификации  динамических  систем  могут  быть формализованы как задачи восстановления функции многих переменных, заданной своими эк­спериментальными  значениями. Задача  оказывается особенно сложной, если эти экспериментальные значения зашумле­ны и их немного, а именно это наблюдается в измерениях геофизических полей в регионе, в силу  естественных и искусственных (техногенных) воздействий на среду.

        Имея ввиду создание программных средств для управления мо­делированием, требуется разработать такой аппарат  исследования на персональных компьютерах, который позволял бы в автоматизированном режиме про­водить  все последовательные этапы процесса получения необхо­димого решения, а именно: анализ исходных данных, выбор алго­ритма и методики анализа, выбор ограничений, проведение анализа,  коррек­тировка результатов анализа с возможностью визуального контроля хода решения.

      Полное решение прогностической задачи сводится к определению места,  времени  и  силы события. На долю последнего звена  приходится наиболее  ответственный этап - уточнение полученных оценок посредством их  проекции  на  наиболее  вероятный  интервал  времени  и   принятие прогностического  решения. Для этого необходимо:

1. Проводить мониторинг сейсмоопасного       региона   по   комплексу   параметров (геофизических, геохимических, биологических, спутниковых электромагнитных и др.).

       2. Разработать систему комплексного  анализа   данных   и   алгоритмы   принятия прогнозных решений

        Решение второй задачи состоит  в  cоздании  методов,  алгоритмов  и программ  цифровой  обработки  результатов  комплексных наблюдений и связи их в единую Систему для выявления предвестников землетрясений и их моделирования при последующей классификации и идентификации.

        Комплексная обработка и анализ данных имеет ряд особенностей,  связанных, прежде всего с входными данными. Это различие в физическом смыс­ле  наблюдаемых  параметров и соответственно в их масштабах и единицах измерений,  различие в дискретности измерений,  наличие  в  измерениях трендов и периодичностей,  наличие помех и аппаратных сбоев в измере­ниях, частичные пропуски в данных. Разработанная система (методы, методики и программы) позволяют   разрешить   отмеченные сложности.

        Система, представляет  собой  развитое   программное   средство   с дружественным   интерфейсом,   предназначенное   для   предварительной обработки  данных  различных  типов,  проведение их  анализа,   получение экспертных оценок и прогнозирование временных рядов. Отметим, что система является лишь инструментом для пользователя. Корректность  использования  ее  функций  и, особенно,  интерпретации полученных результатов при выдаче окончательных оценок о  сейсмической ситуации во многом определяется конкретным специалистом.

        Основные элементы системы обработки и  анализа данных. Физический подход к анализу  данных  предполагает,  что  процессы, предваряющие  землетрясения,  запечатлены  в отсчетах временных рядов, предшествующих событию. Временные ряды наблюдаемых величин  являются структурированными:  они содержат информацию о нескольких процессах.  Отношение уровня полезного сигнала к амплитудам  всех   прочих  компонент,  как  правило,  не  является оптимальным даже  в  аддитивном  случае.  Более  того,  характеристики такого  сигнала  нестабильны,  а  в  общем  случае  вообще неизвестны. Поэтому  традиционные  методы  цифровой  фильтрации,  как  правило,  не приводят к успеху. Неявная форма  предвестника   еще   более   осложняет   положение.

          Исследован ряд нетрадиционных признаков и оценок, которые, будучи объединенными в комплекс,  легли в основу реализованной Системы. Укажем основные функции Системы, процедуры, заложенные в них  и их назначение:

      - Нормирование. Нормирование  ряда  проводится  на  его максимальное значение.

      - Инвертирование ряда - выполняется перед  комплексированием  рядов,  в  которых аномалии проявляются как в виде максимумов,  так и минимумов. Без этой процедуры при комплексировании данных, т.е. при объединении их в единый интегральный параметр различные аномалии могут "погасить" друг друга.

      - Фильтрация  рядов. Предназначена  для  фильтрации временных рядов. Программа строит низкочастотные полосовые, режекторные  и высокочастотные фильтра  Баттеруорта и  Рабинера. При этом высокочастотная фильтрация позволяет удалить тренд, режекторная (заграждающая) - удалить отдельные факторы, например сезонные вариации, низкочастотная - оценить тенденцию развития процесса и т.д.

      - Сглаживание. Сглаживание  ряда  проводится  в  скользящих окнах  заданного размера. Сглаживание, также как и фильтрации предназначены для выделения (удаления) высокочастотных и низкочастотных составляющих временного ряда.

      - Стандартизация  временных  рядов  -  приведение  их  к нулевому среднему и единичной дисперсии. Это необходимо при комплексировании временных рядов различной физической природы, поскольку стандартизованные ряды приводятся к единым безразмерным единицам.

      - Расчет  длин кривой. Осуществляется  расчет  суммы расстояний между всеми соседними парами точек ряда. Показатель интересен    при оценке динамики    высокочастотной составляющей ряда.

      - Расчет  дисперсий. Производится  расчет  дисперсий  ряда  в  окнах заданного  размера,  скользящих  по ряду с заданным сдвигом. 

      - Расчет нуль-пересечений. Число нуль-пересечений является спектральной  характеристикой  сегмента  и  имеет  смысл  для  данных, приведенных к нулевому среднему. Нуль-пересечения  -  это  количество точек в окне,  значение которых одновременно больше или меньше предыдущих и последующих точек. Иначе  это количество пиков и впадин в текущих окнах ряда.  Показатель следует  применять  для  исходных   рядов   или   их   высокочастотных составляющих.

     - Расчет корреляций.  Для двух выбранных  рядов  в  скользящих  окнах производится расчет  взаимных  линейных корреляционных функций.  Также производится расчет корреляций сегментов выбранного ряда с фоновым сегментом. При этом фоном может быть выбран как сегмент спокойных (в сейсмическом смысле) условий, так и наоборот сегмент, предшествующий произошедшему землетрясению.

    -  Комплексирование  рядов.  Объединение  различных  типов измерений в единый  параметр: интегральный  временной  ряд,  полученный   в   окнах заданного  размера,  скользящих  по ряду с заданным сдвигом.

    - Прогнозирование временных  рядов.  Аппроксимация  и  экстраполяция временных  рядов.  Для  оценки тенденции  фона  ряда  необходимо задать временной интервал для  аппроксимации (базу), временной  интервал  для фона (для сравнения с экстраполированным сегментом). Задается   также тип   базиса,   на  котором  строится аппроксимация - он может быть алгебраический,  либо  тригонометрический. Собственно на этом этапе и реализовано ретроспективное моделирование предвестников для занесения их в каталоги с целью последующей идентификации аномальных проявлений  в измерениях в реальном времени и в перспективе. А моделью в этом случае является процесс перехода от реальных данных к  архивным (алгоритмическая модель).  

Glava 3          V nachalo str

Программная система, реализующая приведенные методы и алгоритмы, построена по блочному принципу. Отметим основные из блоков.

Блоки "Главное меню" и "Конфигуратор системы" обеспечивают настройку системы на конкретные данные и связь с другими  ее  блоками  или внешними программными системами.

Блок "Информация о сети станций" служит для характеристики имеющейся измерительной сети - станций,  вида проводимых на них измерений, выдаче карты сети с нанесением на нее мест и магнитуд произошедших землетрясений.

Блок "Ввод новых данных" позволяет ввести новые данные в Архив. В этом блоке производится постоянное пополнение базы данных новыми наблюдениями.

Блок "Работа с данными Архива " обеспечивает выборку  необходимого  комплекса  данных  из  архива по заданному временному интервалу.

         Блок -  "Графический редактор" обеспечивает возможность выдачи на монитор компьютера  в графическом виде в заданном масштабе  выбранного  временного ряда и его редактирование. Этот блок удобен в тех случаях, когда на этапе предварительной обработки измерений трудно или невозможно формализовать процесс корректировки рядов.

         Блок "Расчет оценок" позволяет проводить различные процедуры обработки и анализа, такие как арифметические операции с рядами, нормировка, инвертирование, фильтрация, сглаживание, стандартизация, вычисление длин, нуль-пересечений,  дисперсий, корреляционных связей, комплексирование данных, прогноз временных рядов и др.

На этапе анализа измерений, проведенных на борту КА, требуется выделять участки прохождения  спутником выбранных зон, например, сейсмоактивных районов. Навигационное сопровождение включает в себя  расчет  таких  основных параметров  как высота, широта и долгота спутника, геомагнитные координаты КА, L-оболочка, освещенность спутника Солнцем и др.

         Обработка и анализ данных спутниковых измерений - сложный многоэтапный процесс и тщательность проведения  обработки  во многом определяет качество получаемых результатов. Поэтому очень важно в проведении геофизического мониторинга иметь достаточно развитое математическое и программное обеспечение.

 Привлечение космических наблюдений за сейсмической активностью в регионе в комплексе  с наземными  геофизическими  наблюдениями является актуальной и перспективной задачей. Данные  измерений на КА  являются не  только более  экономичными  по сравнению с большой наземной сетью геофизических станций, но и более оперативной по обработке и анализу  поступающих данных.

         Система обработки и анализа комплекса данных реализована в виде пакета программ (более 200 программных единиц) и работает на IBM совместимых компьютерах [2]. Несмотря на ориентацию Системы для обработки данных с целью оценки сейсмической ситуации в регионе, она может быть использована также и для цифровой обработки любых временных рядов, т.е. является универсальным аппаратом анализа временных рядов.

Развитие системы позволяет рассчитывать,  что она найдет должное место в общей системе сейсмониторинга в Казахстанском регионе, а ее адаптация к конкретным условиям другого региона позволит расширить область ее использования и в других сейсмоопасных районах СНГ.

Примеры использования разработанной системы на реальных данных приведены ниже.

Рис.3. Комплекс измерений различных параметров поля

Рис 4.  Интегральный ряд комплексных измерений и амплитудно-временные метки землетрясений

Рис 5. Пространственное распределение поля за 1 год (вверху)  и за 1 сутки до сильного землетрясения

Рис.6.  Пример выдачи трасс КА

Литература

1.     Ультранизкочастотные пульсации магнитного поля в ионосфере, ассоциируемые с землетрясениями. ДАН СССР, т. 311 №5, 1990, с.1077-1081. Биличенко С.В., Инчин А.С., Ким Э.Ф., Похотелов О.А., Чмырев В.М., Стрельцов А.В.

2.     Реализация комплексной обработки данных в сейсмомониторинге. Тезисы Научной конференции к 50-летию развития математики в Казахстане, Алматы, 1995, с.34. Асламбекова И.П., Инчин А.С., Ким Э.Ф., Курбангалиев Н.М., Погорельцева И.В.

3.      Прогнозирование землетрясений в Казахстане. Изд-во ЭВЕРО, Алматы, 2000, 316 с. Курскеев А.К., Оспанов А.Б., Кимов А.В., Шацилов В.И.