Институт проблем передачи информации РАН ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО ПРОСТРАНСТВЕННО- ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗА В.Г.Гитис Институт проблем. - презентация

1 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)

2 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

3 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 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 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 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 7 Институт проблем передачи информации РАН

8 8

9 9

10 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.

11 Институт проблем передачи информации РАН СЕТЕВОЕ ОКРУЖЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГИС

12 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 13 Институт проблем передачи информации РАН Изучаемый регион: Греция, каталог землетрясений с 1965 по 2003 гг.

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

15 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 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 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 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 19 Изучаемый регион: Западная Турция, каталог землетрясений с 1965 по 2003 гг. Институт проблем передачи информации РАН

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

21 21 Распределение землетрясений по времени суток, M

22 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 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 24 Цифровая модель рельефа и эпицентры землетрясений с М>6 Институт проблем передачи информации РАН Изучаемый регион: Западная Турция

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

26 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 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 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 29 Пример 4: Анализ предвестников землетрясений (выполнено в рамках Российско-Казахского проекта) Обнаружение целевых объектов и явлений. Проблема: Институт проблем передачи информации РАН

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

31 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 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 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 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 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 36 Изучаемый регион: Юго-Западная Болгария. В окрестности г. Кресна произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой M=7.8. Институт проблем передачи информации РАН

37 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 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 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 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 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 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 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 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