ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 3, с. 43-53
УДК 550.343.6:004.9
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЕВЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ГИС
© 2004 г. В. Г. Гитис1, Г. Л. Андриенко2, Н. В. Андриенко2
1 Институт проблем передачи информации РАН, г. Москва e-mail: gitis@iitp.ru 2 Fraunhoter AiS-Autonomous Intelligent Sistems Inst., Germany e-mail: gennady.andrienko@ais.fhg.de Поступила в редакцию 11.07.2002 г.
Предложены и исследованы методы применения сетевых геоинформационных средств интерактивной визуализации, аналитических преобразований и правдоподобного вывода для анализа разрушений, вызванных землетрясениями и для выделения возможных очаговых зон сильных землетрясений по комплексу геолого-геофизических признаков. Предложен метод перехода от решающего правила, полученного по выборке прецедентов, к правилу в нечеткой логике, по которому может быть составлено текстовое объяснение решения. Приведены тестовые примеры применения сетевых ГИС Декарт и ГеоПроцессор для оценки ущерба от землетрясения в Западной Турции и по выделению возможных зон возникновения землетрясений в окрестности г. Кресна (Болгария).
1. ВВЕДЕНИЕ
Землетрясение подготавливается в геологической среде. Этот процесс сопровождается появлением ряда аномалий в характеристиках земной коры, атмосферы и в поведении животных. Землетрясение воздействует на инфраструктуру, вызывая тяжелейшие социальные и экономические последствия. Соответственно, приложения географических информационных систем (ГИС) в области сейсмологии оперируют данными о природной среде и инфраструктуре. Геоинформационные модели сейсмологических задач включают в себя (А) поля, представляющие непрерывное многообразие свойств геологической среды и инфраструктуры, и (В) географические точечные, линейные и площадные объекты, представляющие эпицентры землетрясений, геологические разломы, зоны возможных очагов землетрясений и элементы инфраструктуры. Для представления подобных сущностей в ГИС необходимо использовать две принципиально различных формы представления данных: векторные и сеточные данные. Данные организовываются в семантически однородные слои.
Векторные слои представляют географические объекты в виде точек, линий или полигонов, которые определены своими координатами и значениями атрибутов. Сеточные слои задаются значениями атрибутов в узлах регулярной сетки и координатной привязкой. При этом сеточные данные могут использоваться в двух назначениях:
- Представление непрерывных свойств среды, таких как высоты рельефа, гравитационные и магнитные поля.
- Представление пространственных и пространственно-временных свойств географических объектов, таких как плотность геологических разломов, близость к разломам, параметры сейсмического потока (плотность эпицентров землетрясений, сейсмическая активность, фрактальная размерность), статистические характеристики несчастных случаев, плотность транспортной сети, плотность однородных строительных сооружений.
Основная цель применения геоинформационных технологий в сейсмологии состоит в поддержке принятия решений по уменьшению социального и экономического ущерба от землетрясений. Ключевыми проблемами здесь являются пространственный прогноз сейсмического воздействия [Бунэ, 1980], оценка социального и экономического ущерба и сейсмического риска [Молчан, 1975], предсказание землетрясений [Соболев, 1993]. Для решения этих задач используются три основных типа операций:
1. Визуализация.
2. Аналитические преобразования (применение заранее заданного оператора к имеющимся географическим данным для вычисления нового представления географической информации).
3. Правдоподобный вывод (нахождение оператора аналитического преобразования).
Значительные успехи в телекоммуникационных технологиях и создание единого информационного пространства сети Интернет открывают новые возможности в публикации, доступе и обработке географической информации для проведения научных исследований и поддержки принятия решений. Это стимулировало интенсивное
развитие нового поколения сетевых геоинформационных технологий и сетевых аналитических ГИС. Часто сетевая ГИС или ее часть реализуется в виде программы на языке Java и включается в Web-страницу. При загрузке такой страницы система автоматически загружается на компьютер пользователя и начинает работу. При этом ГИС может использовать данные, расположенные на различных компьютерах. Такие программы называются апплетами. Апплеты могут работать на всех платформах, на которых установлены стандартные средства сети Интернет, реализуя достаточно сложные вычислительные функции динамической визуализации данных.
Основные отличия сетевых аналитических ГИС от настольных ГИС обусловлены, главным образом, изменением типа пользователя от эксперта в области ГИС технологий к эксперту в предметной области. Это обстоятельство накладывает дополнительные требования к основным операциям сетевых аналитических ГИС. С одной стороны, система должна включать достаточный набор функций, чтобы обеспечить решение задач эксперта. С другой стороны, эти функции должны реализоваться с помощью удобных и достаточно понятных для эксперта операций. Визуализация должна обеспечивать неограниченную интерактивность при картографическом исследовании данных. Аналитические преобразования должны включать в себя расширенный класс заранее подготовленных операторов, ориентированных на предметную область. Правдоподобный вывод должен использовать интуитивно понятные методы комплексной обработки данных.
В работе рассматриваются аналитические операции, реализованные в сетевых ГИС ГеоПроцессор [Gitis и др., 1999], Декарт [Andrienko and An-drienko, 1999] и КОМПАС [Gitis и др., 2000], и примеры их применения для поддержки принятия решений в задачах оценки последствий землетрясений и анализа зон возможного возникновения землетрясений (http://www.iitp.ru/projects/geo, http://www.ais.fhg.de/and/). Рассмотренные методы являются некоторым приближением к ГИС технологиям, разработанным для оценки сейсмического риска [Аптикаев и др., 1997] и построения карт Mmax землетрясений [Gitis и др, 1992]. Особенность предлагаемых в статье методов состоит в том, что они позволяют найти комплексные решения на основе данных и с помощью инструментальных средств, доступных любому пользователю в сети Интернет.
2. ОПЕРАЦИИ АНАЛИТИЧЕСКИХ ГИС
Аналитические сетевые ГИС предназначены для извлечения из пространственных данных существенной географической информации (ГИ), необходимой для поддержки принятия решений.
Визуализация данных поддерживается набором интерактивных картографических и когнитивно-графических операций [Maceachren, 1994, MacEachren and Kraak, 1997; MacEachren and Kraak, 2001; Andrienko and Andrienko, 1999]. Интерактивность позволяет динамически управлять изменением закраски карт и размерами пиктограмм, трехмерным представлением ГИ, динамически изменять отображение данных на диаграммах при пересчете значений показателей, динамически выделять на карте группы объектов в скользящем временном интервале (например, эпицентры землетрясений), одновременно выделять группы анализируемых объектов в картографических, графических и табличных окнах.
Операции визуального исследования направлены на выявление образа пространственного распределения свойств слоя и тенденций его развития, выявление взаимного пространственного распределения нескольких географических слоев и выполнение картографических измерений.
Для выявления особенностей географического и временного расположения объектов одного слоя используются следующие типы картографических операций:
- Интерактивное картографическое представление одного или нескольких атрибутов векторной ГИ с помощью цвета, закраски, типа и размеров пиктограмм.
- Интерактивная классификация векторной ГИ на группы однородных по одному или нескольким свойствам географических элементов.
- Интерактивное выделение зон сеточной ГИ с помощью настройки палитры на семантически обоснованные значения анализируемого свойства.
- Пространственно-временное представление динамики изменения значений растровой и векторной ГИ с помощью анимационного изменения цвета заливки, типа закраски, типа и размеров пиктограмм.
- Построение моделей освещенности растровой ГИ и трехмерных моделей.
Для выявления особенностей взаимного географического и временного расположения объектов из различных слоев используются следующие типы операций:
- Построение карт с использованием совмещения нескольких информационных слоев ГИ.
- Отображение разрезов нескольких слоев ГИ по произвольному профилю.
В картографическом измерении наиболее типичными операциями являются:
- Интерактивное картографическое измерение значений свойств нескольких слоев на произвольных точках, линиях и полигонах.
Аналитические преобразования данных позволяют по имеющимся данным вычислить новые
тематические и пространственные свойства географической информации с помощью заранее заданных операторов. В векторно-растровых ГИС возможны шесть основных типов операций:
1. Преобразование Сеточные слои —► Сеточный слой: например, растровая фильтрация, вычисление произвольных функций от одного или нескольких растров.
2. Преобразование Сеточные слои —»- Векторный слой: например, вычисление линий или областей по одному или нескольким растрам.
3. Преобразование Сеточные слои и Векторный слой —► Атрибуты векторного слоя: например, вычисление статистик сеточных слоев для буферных зон точечных, линейных и зональных географических объектов.
4. Преобразование Векторный слой —»- Сеточный слой: например, вычисление растра (взвешенной) плотности точек или линий, вычисление растра близости к географическим объектам.
5. Преобразование Векторные слои —► Геометрия векторного слоя: например, вычисление векторного слоя с помощью теоретико-множественных операций пересечения, объединения и вычитания.
6. Преобразование Векторные слои —*- Атрибуты векторного слоя: например, вычисление метрических свойств географических объектов, вычисление произвольных функций от имеющихся атрибутов слоя, вычисление атрибутов слоя с учетом пространственных отношений и атрибутов други
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.