МЕТОДОЛОГИЯ И НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Т.П. Варшанина О.А. Плисенко, В.Н. Коробков

Адыгейский государственный университет, Научно-исследовательский институт комплексных проблем, Центр интеллектуальных геоинформационных технологий, Майкоп, Россия

Оглавление

1. Введение

2. Визуализация интегральных геофизических полей

2.1. Визуализация эндогенного интегрального геофизического поля в фокусе земной поверхности

3. Заключение

Список литературы

Аннотация

Разработана методология структурно подобной визуализации интегральных геофизических полей, отвечающих за динамику и эволюцию географических объектов и процессов. Разработаны методы вычисления параметров моделируемых интегральных геофизических полей, предложенных в качестве предикторов для точечного прогнозирования геопространственных процессов. Методы верифицированы на примере точечного прогнозирования времени наступления и уровня паводков и модели точечного прогнозирования землетрясений.

Ключевые слова: методы визуализации геофизических полей, точечное прогнозирование геопространственных процессов, глобальная онтологическая ГИС.

1. Введение

Измерение частных геофизических полей – традиционный метод исследования структурныхсоставляющих и процессов в глубинахЗемли, земной коре, гидросфере, атмосфере, биосфере и околоземном пространстве. В результате интерференции частных электромагнитных и гравитационных геофизических полей формируется интегральное геофизическое поле, актуальность визуализации которого определяется его системообразующей ролью для структур и процессов географического пространства.

Очевидно, что в формировании и пульсации напряжённости интегрального геофизического поля Земли как открытой системы принимают участие динамические и эволюционные процессы, протекающие как в глубинах планеты, так и в ближнем и дальнем космическом пространстве.Некоторые, но далеко не все из этих процессов уже известны, косвенными методами определены возможные ритмы их воздействия на паттерны географического пространства.Вместе с тем, нет оснований для выяснения в ближайшем будущем общих закономерностей формирования и динамики интегральных геофизических полей для прогнозирования связанных с ними рисков.Обусловлено это отсутствием данных о полном спектре космопланетарных воздействий, непродолжительностью периода инструментальных наблюдений, явлением интерференции воздействий, когдав каждый отдельный интервал времени одни и те же составляющие воздействий могут в различной степени или усиливать друг друга или ослаблять.Следствием перечисленных условий является фиксируемая инструментальными наблюдениями высокая степень нелинейности и неопределённости природных процессов.

По-видимому, в настоящее время единственной возможностью визуализации интегральных геофизических полей является их структурно подобное моделирование по факту формирования ими структур и процессов географического пространства.

Для параметрической визуализации интегральных геофизических полей на основании информации, заключённой в пространственно-временной структуре земных объектов разработан метод структурной маски энергетических географических полей (СМЭП) [1].

2. Визуализация интегральных геофизических полей

Актуальность визуализации геофизических полей обусловлена возможностью:

· вычисления параметров геофизических полей в фокусе земной поверхности: эндогенного, экзогенного и формирующегося при их взаимодействии «реального», определяющего структуру географических систем;

· вычисления интегральных параметров географических систем и их системного анализа;

· решением проблемы неопределённости при прогнозировании, так как геофизические поля по условиям своего происхождения когерентны с полным спектром энергетических воздействий.

Метод СМЭП обеспечивает визуализацию структурно подобного отображения геофизических полей через градиентные поля параметров, определяющих структуру геообъекта или геосферы, например: для рельефа – это параметры поля высот; для атмосферы – параметры поля температуры.

В теоретической географии выделяют три интегральных геофизических поля:

· эндогенное, обусловленное интерференцией в фокусе земной коры сложной системы энергетических течений в теле планеты;

· экзогенное, обусловленное интерференцией вблизи земной поверхности сложной системы энергетических воздействий ближнего и дальнего космического пространства;

· «реальное» геофизическое поле, образующееся в результате интерференции в фокусе земной поверхности эндогенного и экзогенного геофизических полей.

Эти энергетические поля – результат сложного взаимодействия многовариантных и полимасштабных ритмов развития Земли как планеты, являются фактором закономерной пространственно-временной дифференциации сложных географических систем [5].Структура интегральных геофизических полей отображается на основании следующих структурных принципов:

- географические системы формируются в процессе воздействия «реального» геофизического поля, образующегося в фокусе земной поверхности в результате интерференции эндогенного (планетарного) и экзогенного (космического) потоков энергии;

- иерархическая структура пространственных географических объектов структурно подобна «реальному» геофизическому полю;

- напряженность «реального» геофизического поля принимается параметром порядка (структуроформирующим параметром) географических процессов и систем;

- градиентные поля структурообразующих параметров эмпирически объективных единиц геопространства, отображающие структуру и напряжённость поля энергии, порождающего географические паттерны, являются мерой их параметра порядка.

- пространственно-временная структура каждой из трёх страт полей энергии, порождающих геообъекты (эндогенного, экзогенного и «реального»), воспроизводима в результате вычисления градиентных полей структурообразующих параметров.

Метод СМЭП позволяет: а) свернуть сложную модель динамической географической системы – в модель, отражающую параметры порядка самоорганизации; б) вычислить интегральные характеристики целого для ординации иерархии взаимно структурно подобных эмпирически объективных географических единиц и порождающих их энергетических полей; в) решить проблему неопределённости природных процессов при их прогнозировании.

С помощью метода СМЭП разработана методология визуализации структурной маски эндогенного, потенциального экзогенного и «реального» интегральных геофизических полей[4].

2.1. Визуализация эндогенного интегрального геофизического поля в фокусе земной поверхности

Новейшие движения земной коры выявляются в соответствие с методом морфометрического анализа тектонических структур [9] в результате сравнительного анализа карт базисных поверхностей (поверхностей выравнивания) построенных относительно тальвегов водотоков однопорядковых речных долин. Динамика положения поверхностей выравнивания соответствует ритмам энергетического режима тектонических течений.Так как структура поля высот отображает структуру поля тектонических напряжений, наибольший градиент мощности разностного слоя между базисными поверхностями, выделенными по методу Философова, принимается за меру параметра порядка тектонических процессов. Вследствие взаимной зависимости и дополняемости процессов поступательного движения, вращения и деформации элементарных объемов геологической сплошной среды [6], наибольший градиент мощности разностного слоя является интегральным показателем, характеризующим направление, относительную скорость движения тектонических блоков, их реологические свойства, тип тектонического взаимодействия (напряжения сжатия, растяжения, сдвига), позволяет вычислить поворотный момент блоков.

Разработаны алгоритмы визуализации иерархической структуры эндогенного поля энергии: генерального (континуального); фонового, движущего тектонические блоки; локального, формирующегося в результате взаимодействия тектонических блоков (рис. 1,2,3).

Рис. Генеральное поле тектонических напряжений, визуализированное в изогипсопахитах (изолиниях мощности разностного слоя).

Рис. 2. Фоновое поле тектонических напряжений, визуализированное результирующими от центра тектонического блока наибольшими градиентами мощности разностного слоя.

Рис. 3. Локальное поле тектонических напряжений, визуализированное результирующими наибольшими градиентами мощности разностного слоя относительно узлов равномерной решётки в границах тектонического блока.

Произведена верификация данных модели структурно подобной эндогенному геофизическому полю. По оцифрованным картосхемам Д.А. Лилиенберга[7],обобщающим данные пространственной дифференциации скоростей вертикальных тектонических движений на территории Северо-Западного Кавказа по результатам повторного нивелирования за период 1925-1992 гг., были построены Grid-поверхности и далее рассчитан коэффициент корреляции между инструментальными и модельными значениями скоростей вертикальных движений по каждому тектоническому блоку (табл. 1).Степень соответствия моделируемых параметров пространственной дифференциации скорости вертикальных движений с данным инструментальных наблюдений подтверждает высокую степень подобия разработанной модели структуре эндогенного геофизического поля.

Таблица 1. Коэффициент корреляции между модельными и инструментальными данными скорости вертикальных тектонических движений

Модельные данные за четвертичный период	Инструментальные данные (1925-1992гг.)
Модельные данные за четвертичный период	средние значения	максимальные значения
средние значения	0,78 t=8,12%*	0,74 t=2,35%*
максимальные значения	0,81 t=9,30%*	0,70 t=8,63%*

*Критерий достоверности t при t_табл= 2,576

Визуализации экзогенного интегрального геофизического поля предшествует разработка модуля построения структурной 3D геометрической поверхности рельефа, так как геометрическая поверхность рельефа структурно подобная эндогенному полю энергии формирует структурно подобное этой поверхности поле потенциальной экзогенной энергии. Модуль информационно-математической модели рельефа классифицирует его гомоморфные поверхности в результате следующего порядка действий [8]:

- аппроксимация горизонталей NURBS (неоднородный рациональный сплайн) кривыми 4-го порядка;

- выделение авторским алгоритмом особых точек и структурных линий рельефа;

- идентификация с использованием продукционных правил экспертной системы элементарных поверхностей рельефа;

- построение 3D геометрической модели поверхности рельефа с помощью аппроксимации каждой элементарной поверхности поверхностью Безье (рис. 4).

Рис. 4. Этапы построения структурной 3D геометрической поверхности рельефа.

К структурным принципам визуализации потенциального экзогенного геофизического поля относятся следующие положения:

· геометрическая структура поверхности рельефа подобна структуре эндогенного геофизического поля и формирует подобную ему структуру поля потенциальной экзогенной энергии;

· в результате перерасчёта величины суммарной солнечной радиации относительно 3D геометрической модели поверхности рельефа отображается структура поля потенциальной экзогенной энергии подобная структуре эндогенного геофизического поля;

· структурно подобная модель экзогенного интегрального геофизического поля строится по разработанному алгоритму расчёта наибольшего градиента величины суммарной солнечной радиации.

«Реальное» геофизическое поле отображает энергетический потенциал поверхности, её термодинамические особенности, обусловливающие формирование географических систем за характерное для них время. Энергетическому потенциалу поверхности соответствует величина биопродуктивности. Поэтому структура «реального» геофизического поля визуализируется путём построения градиентных полей интенсивности продуцирования биомассы по результатам дешифрирования мультиспектральных космоснимков по NDVI (нормализованный вегетационный индекс).

Воссозданные страты геофизических полей:

- с одной стороны представляют собой структурную маску порождающих геообъекты энергетических полей, с другой – отображают структуру географических объектов или процессов;

- когерентны полному спектру космопланетарных энергетических воздействий, что снимает проблему неопределённости при выведении законов самоорганизации географических систем и прогнозировании;

- отображают инвариантное пространство состояний своих параметров, отвечающих за формирование геообъектов, в отличие от данных непродолжительных инструментальных наблюдений.

По аналогичной методике относительно каждого из географических объектов рассчитываются локальные значения трёх структуроформирующих геофизических полей. Воссоздаётся пространство состояний каждой из трёх страт полей энергии с определённой закономерностью формирующей конкретные геообъекты. Вычисление пространства состояний каждой из страт полей энергии в пределах иерархии эмпирически объективных географических единиц позволяет решить проблемы параметризованной ординации геообъектов и исследования закономерности их самоорганизации.

Преобразование значения вычисленных градиентов в единую единицу измерения позволяет определить взаимосвязь экзогенного и эндогенного полей энергии и их вклад в формирование структуры «реального» энергетического поля в каждой точке геопространства, рассчитывать сравнительные параметры энергетической ёмкости, мощности и насыщенности геофизических полей, соответствующих иерархии географических систем, вычислить их интегральные параметры.

Определение пространства состояний эмпирически объективных геокомпонентов и геосистем через параметры, отображающие их энергетические характеристики, позволяет вывести фундаментальные закон изменчивости географических систем и закон взаимообусловленного развития (самоорганизации). Практическим приложением этих законов является прогнозирование изменения природной среды в зависимости от климатических трендов или антропогенных воздействий, конструирование культурных ландшафтов.

Онтологическая связь визуализированных геофизических полей с географическими процессамиобусловливает возможность использования их параметров в качестве предикторов, что доказывают разработанные впервые 1) модель точечного прогнозирования времени наступления и уровня паводков [2] и 2) модель точечного прогнозирования землетрясений[3].

1) Мерой параметра порядка синоптического процесса, отображающего структуру локального энергетического поля приземной атмосферы, служит ежесуточный градиент температуры, рассчитываемый в точке прогнозирования относительно территории равной площади барического образования. Ежесуточный ход градиента температуры приземной атмосферы является интегральным показателем, характеризующим:

- состояние энергетического поля приземной атмосферы в точке прогнозирования;

- ту часть барического образования, которая проходит через точку прогнозирования по параметрам ежесуточного ход градиента за 7-10 дней;

- скорости адвекции и трансформации воздушной массы, состояние подстилающей поверхности по параметрам суточного хода градиента.

Ход регионального градиента температуры позволяет классифицировать выборки, соответствующие типам синоптических ситуаций в точке прогнозирования.

Для уменьшения влияния свойства нелинейности природных процессов точечное прогнозирование паводка осуществляется с помощью математической модели нейронной сети. В модель включается ход параметров ежесуточного регионального градиента температуры за 10-20 лет и соответствующие ему уровни воды на гидрологическом посту.

Трехуровневая нейросетевая модель классифицирует синоптические ситуации в точке прогнозирования по их подобию и преобладанию и даёт точечный прогноз времени наступления и уровня паводка. Способ отрабатывался на примере четырех малых рек бассейна реки Кубань и показал высокую степень достоверности среднесрочного прогнозирования даты паводка и погрешность прогнозирования уровней от 3 до 14% (рис. 5).

Универсальность способа продемонстрирована на примере постпрогноза катастрофического паводка на р. Адагум в г. Крымск в 2012 (рис.6).

Разработанный способ обеспечивает точечное прогнозирование полного спектра гидрометеорологических явлений, имеющих ряды инструментальных наблюдений. Предполагается, что расчёт генерального геофизического поля приземной атмосферы и исследование его инвариантных состояний позволит идентифицировать вклад локальных антропогенных воздействий различного происхождения на изменение климата.

Рис. 5. График постпрогноза уровня подъёма воды. Майкоп, р. Белая, 2004 год. Максимальная погрешность на периоде – 10,11%.

Рис. 6. График постпрогноза уровня подъёма воды. Гидропост р. Адагум г. Крымск, 2012 год. Максимальная погрешность на периоде – 14,04%.

2) Открыты перспективы для точечного прогнозирования землетрясений. Наибольший градиент мощности разностного слоя является интегральным показателем, характеризующим направление, относительную скорость движения тектонических блоков, их реологические свойства, тип тектонического взаимодействия (напряжения сжатия, растяжения, сдвига) [10].

Расчёт структуры локального энергетического поля тектонических напряжений произведён в макроблоке южной оконечности Скифской плиты. Фоновое значение наибольшего градиента мощности разностного слоя макроблока за четвертичный период выявляет невысокую относительную скорость движения на юго-восток с концентрацией тектонических напряжений в области Скалистого хребта. В пределах макробока за историческое время известно 21 сейсмическое событие магнитудой от 2,0 – 5,0 (рис. 7).

Относительно каждого эпицентра землетрясений вычислен результирующий наибольший градиент мощности разностного слоя – индикатор тектонического напряжения, характеризующий его среднюю величину за четвертичный период (за 2,5 млн. лет). Величина множественной корреляции между результирующими наибольшими градиентами мощности разностного слоя в макроблоке, вычисленными за четвертичный период, и магнитудой землетрясений зафиксированных в 20-ом веке составляет 0,43, в каждом блоке, входящем в макроблок она того же порядка – 0,45 [4, 5].

Разработаны алгоритмы вычисления положения очагов потенциальной сейсмической разрядки. К ним отнесены области максимальных и минимальных скоростей движения элементарных объёмов геологической среды (рис.7).

Мониторинг наибольшего градиента мощности разностного слоя, характеризующего напряжённость эндогенного геофизического поля в выявленных очагах потенциальной сейсмической разрядки, и магнитуды сейсмических проявлений позволит с помощью эвристических методов осуществлять точечное прогнозирование места, времени и магнитуды сейсмического события.

Рис. 7. Визуализация очагов потенциальной сейсмической разрядки в локальном поле тектонических напряжений.

3. Заключение

Таким образом, визуализация результатов численного моделирования интегральных геофизических полей обеспечивает:

- формализацию фундаментального закона географической изменчивости и иерархической систематизации геообъектов, что открывает перспективы конструирования экологически сбалансированных культурных ландшафтов и прогнозирования развития каждого из них всоответствии с изменяющимися условиями среды;

- - точечное прогнозирование полного спектра природных процессов, подтверждённых данными инструментальных наблюдений;

- наполняет новым содержанием проект «Цифровая Земля» для решения стратегически важных проблем в сфере наук о Земле.

Список литературы

1. Варшанина Т.П. Разработка хорошо структурированной модели геопространства на основе метода структурной маски энергетических геополей. Вестник Адыгейского государственного университета. Серия естественно-математических и технических наук. №4(110). 2012. С. 176-179.

2. Варшанина Т.П., Плисенко О.А., Коробков В.Н. Способ прогнозирования времени наступления и уровня паводков. Патент № 2480825, 2013г.

3. Варшанина Т.П, Хунагов Р.Д., Коробков В.Н. Способ построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений на территорию неограниченной площади. Решение о выдаче патента на изобретение от 05.04.2016 г.

4. Варшанина Т.П., Хунагов Р.Д. ГИС научных исследований процессов изменчивости геосистем. Вестник Адыгейского государственного университета. Серия естественно-математических и технических наук. №4(147). 2014. С. 207-214.

5. Варшанина Т.П. Общенаучные предпосылки и перспективы прогнозирования геопространственных процессов в интересах устойчивого развития территорий. ИнтерКарто/ИнтерГИС 22. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий в условиях глобальных изменений климата. Т. 1. М. Издательский дом «Научная библиотека». 2016. С. 3-13.

6. Гончаров, М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. КДУ, 2005. 496с.

7. Лилиенберг Д.А. Закономерности и механизмы современной геодинамики морфоструктур Крыма, Кавказа и Каспия. Проблемы геоморфологии и геологии Кавказа и Предкавказья. Материалы XXIY Пленума геоморфологической комиссии РАН. КубГУ, 2001. С.45-72.

8. Плисенко О.А. Применение экспертных систем в ГИС для пространственного анализа рельефа. ИнтерКарто/ИнтерГИС 22. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий в условиях глобальных изменений климата. Т. 1. Издательский дом «Научная библиотека». 2016. С. 157-167.

9. Философов B.П. Основым орфометрического метода поисков тектонических структур. Саратов: СГУ, 1975. – 232 с.

10. T. Varshanina, R. Khunagov, O. Plisenko, V. Korobkov, E. Shtelmakh. Modelling the Space-Time Field of Tectonic Stresses in the Area of Unlimited Space for Seismic Safety Indian Journal of Science and Technology, Vol 8(29), DOI: 10.17485/ijst/2015/v8i29/86864, November 2015.

METHODOLOGY AND SCIENTIFIC AND PRACTICAL SIGNIFICANCE OF VISUALIZATION OF INTEGRATED GEOPHYSICAL FIELDS

T.P. Varshanina, O.A. Plisenko, V.N. Korobkov

Adyghe State University, Research Institute of Complex Problems, Center of Intellectual Geoinformational Technologies, Maykop, Russian Federation

vtp01@mail.ru; gic-info@yandex.ru

Abstract

This work presents the methodology, developed by the authors, of structurally similar visualization of the integrated geophysical fields which are responsible for dynamics and evolution of geographical objects and processes. Also the publication demonstrates the methods developed to calculate the parameters of the modeled integrated geophysical fields offered as predictors for point forecasting geospatial processes. Methods are verified through the example of point forecasting time of approach and level of floods and model of point forecasting earthquakes.

Keywords: method of visualization of geophysical fields, point forecasting geospatial processes, ontological GIS of global space.

References

1. Varshanina T.P. Razrabotka horosho strukturirovannoj modeli geoprostranstva na osnove metoda strukturnoj maski jenergeticheskih geopolej [Development of a well-structured model of geospace on the basis of the method of structural mask of energy geopoleses]. Bulletin of Adyghe State University. No. 4(110). 2012. Pp. 176-179.

2. Varshanina T.P., Plisenko O.A., Korobkov V.N. Sposob prognozirovanija vremeni nastuplenija i urovnja pavodkov [Method for predicting the time of arrival and the level of floods]. Patent no. 2480825, 2013.

3. Varshanina T.P, Hunagov R.D., Korobkov V.N. Sposob postroenija vektornogo prostranstvenno-vremennogo polja tektonicheskih naprjazhenij na territoriju neogranichennoj ploshhadi [The method of constructing a vector space-time field of tectonic stresses on the territory of an unlimited area]. Decision to grant a patent for an invention from 05.04.2016 g.

4. Varshanina T.P., Hunagov R.D. GIS nauchnyh issledovanij processov izmenchivosti geosistem [GIS scientific research processes of variability of geosystems]. Bulletin of Adyghe State University. No.4(147). 2014. Pp. 207-214.

5. Varshanina T.P. Obshhenauchnye predposylki i perspektivy prognozirovanija geoprostranstvennyh processov v interesah ustojchivogo razvitija territorij [General scientific assumptions and prospects for forecasting geospatial processes in the interests of sustainable development of territories]. InterKarto/InterGIS 22. Geoinformation support of sustainable development of territories in the context of global climate change. Vol. 1. Publishing house "Scientific Library". 2016. pp. 3-13.

6. Goncharov, M.A., Talickij V.G., Frolova N.S. Vvedenie v tektonofiziku [Introduction to Tectonophysics]. KDU, 2005. 496p.

7. Lilienberg D.A. Zakonomernosti i mehanizmy sovremennoj geodinamiki morfostruktur Kryma, Kavkaza i Kaspija. Problemy geomorfologii i geologii Kavkaza i Predkavkaz'ja. [Regularities and mechanisms of modern geodynamics of the morphostructures of the Crimea, the Caucasus and the Caspian. Problems of geomorphology and geology of the Caucasus and Ciscaucasia.] Materials of the XXIY Plenum of the Geomorphological Commission of the Russian Academy of Sciences. KubGU, 2001. pp. 45-72.

8. Plisenko O.A. Primenenie jekspertnyh sistem v GIS dlja prostranstvennogo analiza rel'efa. InterKarto/InterGIS 22. Geoinformacionnoe obespechenie ustojchivogo razvitija territorij v uslovijah global'nyh izmenenij klimata. [Application of expert systems in the GIS for spatial analysis of the relief. InterCarto / InterGIS 22. Geoinformation support for sustainable development of territories in the context of global climate change.] Vol. 1. – Publishing house "Scientific Library". 2016. Pp. 157-167.

9. Filosofov B.P. Osnovym orfometricheskogo metoda poiskov tektonicheskih struktur [The basis of the orthometric method of searching for tectonic structures]. SGU, 1975. 232 p.