Институт проблем передачи информации РАН ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ПРОСТРАНСТВЕННО- ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗА В.Г.Гитис Институт проблем передачи информации, Российская академия наук, Москва современные ИТ и ИТ-образование (При поддержке РФФИ и Программы РАН «Электронная Земля)

Институт проблем передачи информации РАН 1.Введение. 2.Проблемы комплексного анализа. 3.Средства комплексного анализа. 4.Аналитические ГИС. 5.Примеры комплексного анализа. 6.Заключение. СОДЕРЖАНИЕ

Институт проблем передачи информации РАН ГИ составляет 80% информационных потоков. Фундаментальными задачами геоинформатики являются: Представление, хранение и передача ГИ. Анализ ГИ и извлечение из ГИ существенной информации и знаний. Использование ГИ в научных и прикладных исследованиях. Географическая информация (ГИ): данные и знания, локализованные в географическом пространстве. Объем геоинформационных ресурсов экспоненциально растет. 1.ВВЕДЕНИЕ Необходимо освоение ГИ.

4 Институт проблем передачи информации РАН 2. ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА Географические данные описывают пространственно- временные процессы и явления в науках о Земле, социологии, экономике и других дисциплинах. Для получения устойчивых решений все имеющиеся данные и знания предметной области необходимо анализировать в совокупности. Во многих случаях эти данные относятся к взаимодействующим процессам и явлениям, измеряют косвенные свойства изучаемых явлений, сильно зашумлены.

5 Институт проблем передачи информации РАН Комплексный анализ применяется для решения следующих задач: Оценивание зависимостей и отношений между свойствами ГИ. Оценивание зависимостей и отношений между географическими объектами. Прогнозирование заранее неизвестных целевых свойств ГИ. Обнаружение целевых объектов и явлений.

6 Институт проблем передачи информации РАН 3. СРЕДСТВА КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА Визуальное исследование: интерактивный картографический анализ. Аналитические преобразования: применение заранее заданного оператора к имеющимся географическим данным для вычисления нового представления и новых свойств географической информации. Правдоподобный вывод: нахождение заранее неизвестного оператора аналитического преобразования.

7 Институт проблем передачи информации РАН

8

9

10 Институт проблем передачи информации РАН 4. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ГИС Обеспечить наглядность исследования ГИ с помощью интерактивного интерфейса и высококачественной графики. Обеспечить возможность динамического подключения модулей (плагинов) к базовой конфигурации системы. ТРЕБОВАНИЯ К АРХИТЕКТУРЕ Обеспечить возможность сохранения результатов пользователя. Обеспечить возможность одновременного анализа ГИ из распределенных хранилищ данных на серверах и компьютере пользователя. Этим требованиям удовлетворяют сетевые приложения и апплеты.

Институт проблем передачи информации РАН СЕТЕВОЕ ОКРУЖЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГИС

12 Институт проблем передачи информации РАН 5.ПРИМЕРЫ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА Пример1: Анализ чувствительности сейсмической сети (выполнено в рамках Российско-Греческого проекта) Прогнозирование заранее неизвестных целевых свойств ГИ. Проблема:

13 Институт проблем передачи информации РАН Изучаемый регион: Греция, каталог землетрясений с 1965 по 2003 гг.

14 Институт проблем передачи информации РАН Землетрясения , M local >=3.25

событий14395 событий событий Чувствительность сейсмической сети возрастает во времени. Как чувствительность сети изменяется в пространстве? Институт проблем передачи информации РАН Гистограмма числа событий с m l

16 M min (8494 events) M min (events) M min (20543 events) Пространственно-временной образ M min. Вывод: проверка статистических гипотез. Преобразование: Векторные слои => Сеточный слой. Институт проблем передачи информации РАН

17 M min (14395 событий) M min (20543 событий) (M min ) – (M min ) Чувствительность возрастает Чувствительность уменьшается Институт проблем передачи информации РАН Пространственно-временные изменения M min от периода гг. к периоду гг. Преобразование: Сеточные слои => Сеточный слой.

18 Институт проблем передачи информации РАН Пример 2: Пространственно-временной анализ шумов в каталоге землетрясений (выполнено в рамках EC IST Program, project No. IST , SPIN!) Обнаружение целевых объектов и явлений. Проблема:

19 Изучаемый регион: Западная Турция, каталог землетрясений с 1965 по 2003 гг. Институт проблем передачи информации РАН

20 Чувствительность сейсмической сети существенно возросла в гг. Гистограмма числа землетрясений с m

21 Распределение землетрясений по времени суток, M

22 Рельеф Западной Турции, желтыми и коричневыми тонами показаны аномальные зоны, в которых с 1% уровнем значимости число событий от 9 до 17 часов увеличено. Вывод: проверка статистических гипотез Институт проблем передачи информации РАН

23 Институт проблем передачи информации РАН Пример 3: Прогноз возможного ущерба от земелетрясения (выполнено в рамках EC IST Program, project No. IST , SPIN!) Проблема: Прогнозирование заранее неизвестных целевых свойств ГИ.

24 Цифровая модель рельефа и эпицентры землетрясений с М>6 Институт проблем передачи информации РАН Изучаемый регион: Западная Турция

25 Цифровая модель максимальных ускорений грунта на поверхности земли (данные Проекта GSHAPE) Институт проблем передачи информации РАН

26 ` Преобразование сейсмического воздействия в шкалу баллов. Преобразование: Сеточные слои => Сеточный слой. I=((LgA-3)/Lg )/0.3 (по Trifunae и Brady, 1974) Институт проблем передачи информации РАН

27 Функция уязвимости для сильных повреждений застройки типа А Институт проблем передачи информации РАН Преобразование шкалы баллов в долю сильных разрушений (не подлежащих восстановлению) для застройки типа А Преобразование: Сеточные слои => Сеточный слой.

28 Прогноз потерь для застройки типа А: высоты столбиков соответствуют доле разрушений в городах, размеры кружков – доле разрушений в административных районах. Преобразование: Сеточные слои и векторный слой => атрибуты векторного слоя Институт проблем передачи информации РАН

29 Пример 4: Анализ предвестников землетрясений (выполнено в рамках Российско-Казахского проекта) Обнаружение целевых объектов и явлений. Проблема: Институт проблем передачи информации РАН

30 Байсоранское землетрясение: K=14.6, , o вд, o сш. ` Исследуемый регион Институт проблем передачи информации РАН

31 Пространствено-временой образ аномалий сейсмической активности (A 10 ). 27 временных срезов с шагом в 30 дней от до ; - Байсоранское землетрясение. Вывод: проверка статистических гипотез. Преобразования: Векторные слои=>Сеточный слой, Сеточные слои=>Сеточный слой Институт проблем передачи информации РАН

32 Институт проблем передачи информации РАН Пространствено-временой образ аномалий Gamma-value. 27 временных срезов с шагом в 30 дней от до ; - Байсоранское землетрясение. Вывод: проверка статистических гипотез. Преобразования: Векторные слои=>Сеточный слой, Сеточные слои=>Сеточный слой

33 Институт проблем передачи информации РАН Пространствено-временой образ аномалий D-value. 27 временных срезов с шагом в 30 дней от до ; - Байсоранское землетрясение. Вывод: проверка статистических гипотез. Преобразования: Векторные слои=>Сеточный слой, Сеточные слои=>Сеточный слой

34 Институт проблем передачи информации РАН Пространствено-временой образ аномалий функции нечеткой логики от A 10, Gamma-value и D-value. 27 временных срезов с шагом в 30 дней от до ; - Байсоранское землетрясение. Преобразование: Сеточные слои=>Сеточный слой

35 Институт проблем передачи информации РАН Пример5: Выделение зон сейсмического потенциала (выполнено в рамках EC IC 15 CT "ASPELEA, и EC IST Program, project No. IST , SPIN!) Прогнозирование заранее неизвестных целевых свойств ГИ. Проблема:

36 Изучаемый регион: Юго-Западная Болгария. В окрестности г. Кресна произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой M=7.8. Институт проблем передачи информации РАН

37 ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ 2. СТАЦИОНАРНОСТЬ: максимальная возможная энергия ожидаемого землетрясемия М мах зависит от свойств геологической среды, которые медленно изменяются во времени. 1.ПОВТОРЯЕМОСТЬ: землетрясения повторяются в окрестности прошлых очаговых зон. 3.ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ: - Очаги с М=7-8 приурочены к глубинным неоднородностям Земной коры. - Очаги с М=5-6 приурочены к меньшим неоднородностям, которые могут проявляться рельефе поверхности Земли. - Пересечение зон неоднородностей с зонами активных разломов выделяет тектонические области с наиболее высокими напряжениями. Институт проблем передачи информации РАН

38 Институт проблем передачи информации РАН Среднеквадратичные отклонения (С.К.О.) высот поверхности Земли в скользящем окне R=7.5 км. Высоты поверхности Земли, сетка 30 x 30. Преобразование: Сеточные слои => Сеточный слой

39 Институт проблем передачи информации РАН Среднеквадратичные отклонения (С.К.О.) высот поверхности Мохоровичича в скользящем окне R=7.5 км. Высоты поверхности Мохоровичича, сетка 5 x 7.5. Преобразование: Сеточные слои => Сеточный слой

40 Институт проблем передачи информации РАН Функция близости к активным и частично активным в четвертивное время разломам в скользящем окне R=20 км. Разломы активные и частично активные в четвертивное время. Преобразование: Векторные слои => Сеточный слой

41 Треугольники – учебная выборка для зоны с магнитудой М=7-8, Квадраты – учебная выборка для зоны с магнитудой М=5-6 Институт проблем передачи информации РАН

42 Решение: Предполагается, что увеличение значений признаков увеличивает уверенность в возможности сильного землетрясения. Тогда функци уверенности совпадает с функцией эмпирического распределения. Решающее правило найдено на выборке x (n) =(x 1, x 2,…, x I ) :, где Решающему правилу соответствует цифровая модель зон ВОЗ Институт проблем передачи информации РАН

43 Аппроксимация найденного правила функцией нечеткой логики: 1) если С.К.О. поверхности Мохоровичича (R=7.5 км) больше км и близость к разломам (R=20км) больше 0.39 или С.К.О. поверхности Мохоровичича (R=7.5 км) больше км и близость к разломам (R=20 км) больше 0.33, то возможны землетрясения с магнитудами М=7-8. 2) если с.к.о. поверхности рельефа Земли (R=7.5 км) больше 330 м и близость к разломам (R=20 км) больше 0.25, то возможны землетрясения с магнитудами М= Институт проблем передачи информации РАН

44 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1.Геоданные многодисциплинарны и разнотипны: маркированные точечные поля, линии, полигоны, временные ряды, геофизические поля, растровые последовательности аэрокосмических наблюдений и т.д. 2.Для извлечения из данных существенной информации и знаний средства комплексного анализа должны интегрировать всю доступную информацию и всё имеющиеся знание об изучаемом явлении. 3.Для обеспечения научных и прикладных исследований аналитические ГИС для комплексного анализа должны быть доступны всем исследователям, отовсюду и в любое время. При этом они должны обеспечивать динамическое подключение распределенных данных и модулей обработки, а также иметь интерактивное управление и высококачественную графику. Институт проблем передачи информации РАН