Способ обнаружения очагов землетрясений

 

Использование: космоведение, дистанционный мониторинг природных сред, оперативное обнаружение и долгосрочное отслеживание аномалий на земной поверхности. Сущность изобретения: осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности, при этом собственное излучение регистрируют в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях. Формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема. Выделяют контуры на результирующем изображении. При анализе изображения его предварительно разбивают на ряд фрагментов, где структура поверхности будет более однородной и для каждой из них определяют значение фрактальной размерности. По значению фрактальной размерности, координатам и площади контура судят о принадлежности его к очагу землетрясения. Технический результат: обеспечение оперативного обнаружения и отслеживания очагов землетрясений. 6 ил.

Изобретение относится к космоведению, в частности к дистанционному мониторингу природных сред, и может быть применено при оперативном обнаружении и долгосрочном отслеживании аномалий на земной поверхности.

Аномалия, как правило, является результатом одновременного взаимодействия в некоторой точке пространства разнородных физических факторов. К числу аномальных и трудно предсказуемых явлений относятся землетрясения. Достоверное обнаружение очагов землетрясений и их непрерывный мониторинг представляется актуальной народно-хозяйственной задачей.

В полном объеме масштабные задачи мониторинга очагов землетрясений могут быть решены лишь методами дистанционных космических измерений, путем получения изображений подстилающей поверхности и их тематической обработкой. Под изображением понимается зарегистрированный уровень электромагнитного поля собственного или отраженного от поверхности излучения. Тематическая обработка заключается в сопоставлении признаков изображения: тона, цвета, текстуры, топологии, физическим параметрам объекта: контрасту, форме, размерам, пространственному положению.

Известно множество долгосрочных физических признаков очага землетрясения, регистрируемых системами наземных наблюдений в виде аномальных отклонений гравитационного, магнитного полей, проводимости земной коры, теллурических токов, уровня грунтовых вод и др. (см. , например, Т. Рикитаке, "Предсказание землетрясений", перевод с англ., из-во Мир, М., 1979 г., табл. 15.13. Данные о предвестниках, стр.314-333). Среди достоверных наземных методов обнаружения очагов наибольшее распространение получил метод геодезических наблюдений за смещением триангуляционных пунктов при деформациях земной коры над очагом землетрясения путем высокоточного измерения расстояний между пунктами триангуляции посредством лазерных геодиметров (см., например, Т. Рикитаке, "Предсказание землетрясений", пер. с англ., Мир, М., 1979 г., 5.4 Метод геодиметрических измерений, стр.106-107 - аналог). На фиг.1 иллюстрируются зарегистрированные известным методом-аналогом смещения пунктов триангуляции в районе очага при землетрясении в Танго, Япония. Эти смещения достигают десятков сантиметров, а размеры области деформаций над очагом - десятков километров.

Недостатками известного аналога можно считать: - неоперативность и большая трудоемкость, связанные с необходимостью выполнения больших объемов текущих измерений и их обработкой; - трудности применения метода для отдаленных горных и труднодоступных районов с неразвитой триангуляционной сетью; - невозможность достоверного предсказания землетрясений по результатам текущих измерений.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому способу является "Способ контроля лесопожарной опасности", патент РФ 2 147 353, кл. А 62 С 3/02, 2000 г.

В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию собственного ИК-излучения подстилающей поверхности, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы |m×n| отсчетов зависимости амплитуды I(х, y) от координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на двумерных изображениях, а величину влажности лесных горючих материалов внутри контуров рассчитывают по регрессионной зависимости влажности от коэффициента вариации электрического сигнала (отношения мощности постоянной составляющей к дисперсии сигнала) внутри контура.

Недостатками ближайшего аналога являются: - невозможность непосредственного применения способа из-за физического различия измеряемых величин, - невозможность прогнозирования и экстраполяции отслеживаемого процесса, поскольку последний зависит от погоды; - неадекватность признаков изображения, используемых при обработке сигнала, физическому процессу.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении оперативного обнаружения и отслеживания очагов землетрясений космическими средствами на основе контроля изменений информационных признаков собственного поля излучений подстилающей поверхности в потенциальном поле напряжений земной коры очага.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе обнаружения очагов землетрясений, при котором осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы |m×n| отсчетов зависимости амплитуды I(х, y) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображении, собственное излучение регистрируют в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях, формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема, выделяют контуры на результирующем изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности изображения внутри выделенных контуров, фиксируют очаг землетрясения при совпадении фрактальной размерности участка текущего контура с эталонным, либо при отклонении на величину не более пороговой.

Изобретение поясняется чертежами, где: фиг. 2 - исходные изображения собственного радиоизлучения подстилающей поверхности а) горизонтальной, б) вертикальной поляризаций; фиг. 3 - визуализированное изображение результирующей матрицы из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух каналах приема; фиг.4 - выявленные пространственным дифференцированием контуры на результирующем изображении;
фиг. 5 - график функции фрактальной размерности аномалий очага землетрясения, снятого по априорным данным наземных наблюдений;
фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств способа, как:
- большой пространственный размах обнаружения очагов при одновременной точной привязке их положения по координатам;
- устойчивость идентификации очага за счет использования нескольких независимых признаков изображения при обработке;
- возможность оперативного отслеживания динамики развития очагов и прогнозирования момента толчка по динамическим признакам.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. В соответствии с законом Стефана-Больцмана собственное излучение подстилающей поверхности R(T) пропорционально четвертой степени температуры Т К и зависит от ее излучательной способности ε(T,ρ) (см., например, Левитин И.Б. "Инфракрасная техника", Энергия, Ленинградское отделение, 1973 г., стр.15):
R(T), Bт/м² = ε(T,ρ)•σ•T⁴,
где σ - постоянная излучения, равная 5,67•10^-8 Вт/м² К^v-4. В естественном состоянии собственное излучение поверхности не поляризовано. В пространстве над очагом наблюдаются различные физические аномалии: изменение удельной проводимости грунта, плотности теллурических токов, магнитной напряженности, механические напряжения в земной коре. Все эти аномалии в большей или меньшей степени сказываются на механизме собственного излучения. Известно (см., например, "Физический энциклопедический словарь" под ред. А. М. Прохорова, из-во Сов. энциклопедия, М., 1983 г., Фотоупругость, стр.827), что при механических напряжениях среда становится анизотропной. Величина анизотропии пропорциональна механическим напряжениям, а оси поляризации излучения совпадают преимущественно с направлением приложенных усилий. Излучательная способность тел также зависит от температуры Т^o и плотности (ρ). Чем больше плотность, тем выше излучательная способность ε(T,ρ) (см., например, "Интегральные коэффициенты излучения материалов" в книге В.А. Дроздев, В.И. Сухарев "Термография в строительстве", М., Стройиздат, 1987 г., таблица 5.1, стр. 138-139). Следовательно, информационные признаки собственного излучения подстилающей поверхности над очагом, такие как мощность восходящего излучения и его поляризация, связаны с механическими напряжениями в земной коре и возникающими при этом другими аномалиями. Поскольку оси сжатия в области очага приурочены к характерным разломам в земной коре, поле напряжений в области очага не является радиально-симметричным. Максимум излучательной способности и преимущественно линейная поляризация приурочены к участкам поверхности, расположенным по направлениям осей сжатия. Для других участков, по периферии осей сжатия, изменение информационных признаков собственного излучения менее выражено. Поскольку участки подстилающей поверхности ориентированы под различными углами относительно поляризации облучателей антенн бортового сканирующего устройства, следует ожидать, что амплитуды сигналов в поляризационных каналах над очагом будут существенно флуктуировать. За пределами очага для естественно поляризованного излучения амплитуды сигналов в каналах будут примерно равны (с точностью до тепловых шумов), а их отношение равно примерно единице. Достаточная изрезанность отношения амплитуд сигналов в поляризационных каналах приема является селектируемым признаком очага землетрясения. Она отражает вариации поля напряжений по пространству очага. С топологической точки зрения характеристикой степени изрезанности подстилающей поверхности является введенная Мандельбротом фрактальная размерность данной неоднородности (см., например, Mandelbrot B. Fractals, Forms, Chance and Dimensions. Freeman, San Francisco, 1977). Численной характеристикой фрактального множества является размерность Хаусдерфа (см., например, Burrough, Fractal dimensions of landscapes and other environmental data. Nature 294. 1981, p.240),

где ε - размер элементов измерения, которыми покрываются объект (например, длина отрезка, площадь квадратика, объем кубика и т.п.);
Ωε - число элементов измерения размером ε, покрывающих объект, содержащих хотя бы одну точку объекта, повторяющих структуру "большого" множества.

В рассматриваемом случае элементом измерения является единичная площадь поверхности очага, от которой раздельно регистрируется сигнал, т.е. пространственное разрешение одного пикселя сканирующего устройства зондирования поверхности Земли.

Для вычисления фрактальной размерности поверхности очага землетрясения использован метод вариаций: алгоритм, использующий данный метод, предполагает довольно высокую быстроту и точность расчета.

Пусть (х₁y₁) и (х₂y₂) - двумерные координаты точек плоскости, а I(х, у) - значение третьей координаты "высоты" (спектральной яркости) в данной точке, которое задано в виде дискретной функции координат. Тогда ε - осцилляцией значения I будет разность наибольшего и наименьшего значений I в ε окрестности точки (х, y):
V_f(x,y,ε) = |I(x₁,y₁)-I(x₂,y₂)|
После этого вычисляют ε - вариацию значения I:

где a, b - пределы, в которых изменяется переменная х;
c, d - пределы, в которых изменяется переменная y.

Фрактальная размерность находится как:

Практически при применении данного алгоритма производится вычисление величины V_f для последовательно уменьшающихся элементов измерения - в данном случае квадратиков со стороной ξ.
Графиком функции logV_f(ε)/log(ε) в идеальном случае является прямая. Как очевидно, для поверхности наблюдения, величина D_f приходится на интервал от 2 до 3.

На фиг. 5 представлен график logV_f(ε) от log(ε) для эталонного изображения очага. Отклонения на краях графика (при ε_→0 и при ε_→∞) вызваны тем, что при больших ε - мера измерения квадрат слишком грубая, а при малых ε - сказывается дискретность изображения: размер квадрата становится соизмерим с величиной кванта яркости - пикселя. Очевидно, что чем выше разрешающая способность сканирующего устройства зондирования, тем достовернее и точнее результат обнаружения очага землетрясения. Более достоверная информация будет получена, если при анализе изображения его предварительно разбивать на ряд фрагментов, где структура поверхности будет более однородной, и для каждой из них определять значение фрактальной размерности.

Одним из методов разбиения изображения на характерные участки является метод выделения контуров. Контур - это край, где велик градиент изменения функции яркости I(х, y) изображения. Для выделения контурного рисунка на результирующем изображении вычисляют градиент скалярной функции яркости I(х, y) в каждой точке пространства на основе расчета оператора Робертса:

(см. , например, Дуда Р., Харт П. "Распознавание образов и анализ сцен", пер. с англ. , М., Мир, 1976 г., 7.3. Пространственное дифференцирование, стр.287-288).

Данная процедура является стандартной математический операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения (см., например, ER MAPPER "Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле", GENASYS, San Diego, USA, р.283-294). Результат программного вычисления контуров на анализируемом изображении иллюстрируется распечаткой с экрана дисплея фиг.4.

Для каждого выделенного таким образам участка вычисляют функции фрактальной размерности. Алгоритм обнаружения очага землетрясения заключается в последовательном сравнении числовых характеристик фрактальной размерности участков внутри выделенных контуров текущего изображения с эталонными значениями, полученных априорным зондированием известных (по наземным наблюдениям) очагов землетрясений. Очаг землетрясения фиксируется при совпадении фрактальных размерностей текущего участка с эталонным либо при отклонении на величину не более пороговой. Пороговый уровень определяется требованиями по достоверности идентификации очага и погрешностями используемого тракта зондирования. В первом приближении пороговый интервал не должен превосходить методической ошибки способа, которая вычисляется как полная производная от функции Хаусдорфа (см., например, Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления", 5-е изд., т. I, учебник для ВТУЗов, Наука, М., 1964 г., 9 Приложение дифференциала к оценке погрешности при вычислениях, стр.250-253).

Собственное излучение элементов ландшафта, почвы, растительности в ИК-диапазоне определяется в основном температурой приповерхностного слоя. Мощнее ИК-излучение поверхностного слоя экранирует излучение ниже лежащих слоев. Кроме того, в верхней пограничной полусфере за счет возможности выпучивания грунта напряжения в литосфере над очагом выражены слабо. Для повышения достоверности обнаружения очагов следует регистрировать восходящее излучение, прошедшее некоторую толщу грунта, в которой наблюдаются аномальные явления.

В соответствии с общим радиотехническим принципом взаимности (см., например, А.П. Драбкин, В.П. Зузенко "Антенно-фидерные устройства", Сов. Радио, М. , 1961 г. , "Принцип взаимности", стр.136-137) глубина проникновения электромагнитного поля в почвогрунт (h) при радиолокационном зондировании и собственное СВЧ-излучение из толщи грунта (определяемые приближенными граничными условиями Леонтовича) составляет:

где ω = 2πf - круговая частота излучения;
μ - магнитная проницаемость среды (почвогрунта);
g - удельная проводимость среды.

В диапазоне удельных сопротивлений почвогрунтов (торф, суглинок, песок) для регистрации восходящего излучения с глубины порядка ≈1 м необходимо использовать декаметровый диапазон волн.

Пример реализации способа
Предлагаемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.6. На научно-исследовательском модуле 1 (типа "Природа"), состыкованного с орбитальной станцией 2 (типа Мир), установлен блок сканирующих СВЧ-радиометров 3 (типа "Дельта"), осуществляющих прием восходящего СВЧ-излучения с вертикальной и горизонтальной поляризацией.

Включение радиометров 3 в режим измерений над запланированными районами наблюдений 4 осуществляется по циклическим либо разовым командам, на основе суточной программы работы спецаппаратуры, закладываемой в бортовую систему управления 5 орбитальной станции "Мир" по командной радиолинии 6 из Центра управления полетом 7. Выходы радиометров "Дельта" 3 подключены к аналогово-цифровому преобразователю 8 с шагом квантования сигнала по амплитуде 1/256. Результаты измерений в виде цифрового потока данных вместе со служебной информацией (время, координаты съемки, признак измерителя) записываются в бортовое запоминающее устройство 9 (БЗУ типа "Нива"). Накопленная в БЗУ 9 информация в сеансах видимости орбитальной станции передается радиотелеметрической системой 10 (типа БИТС-2) по автономной радиолинии 11 на наземные пункты приема 12, где записывается на магнитофон 13 (типа "Арктур"). Зарегистрированная в сеансах связи информация по высокочастотному кабелю 14 передается в Центр обработки 15. В Центре 15 осуществляют первичную обработку информации, состоящую в выделении из общего потока измерительных файлов, на основе служебных признаков. Скомпонованные файлы измерительной информации помещают в базу данных, организованную на запоминающем устройстве 16 (типа стриммеров FТ-120), и выводят на сайт сети "Интернет" 17. Вторичную обработку радиометрической информации с целью непосредственного обнаружения очагов землетрясений и отслеживания динамики их развития осуществляют в Центре мониторинга 16 МЧС. В качестве станций обработки 19 используют ПЭВМ типа SYN в составе процессора-вычислителя 20, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 21, винчестера 22, дисплея 23, принтера 24, клавиатуры 25. Специализированное программное обеспечение ER MAPPER 5.0 предварительно записывают на винчестер 22. Обработку информации осуществляют кадрами. Ширина кадра соответствует полосе сканирования бортового радиометра 3, а длина - возможностью одновременного анализа объема информации кадра (т.е. емкостью ОЗУ 21). В примере реализации обрабатывалась матрица стандартных размеров 256 х 256 элементов. На фиг.2 представлены исходные изображения собственного радиоизлучения подстилающей поверхности в каналах приема а) с горизонтальной, б) с вертикальной поляризацией. Снимки сделаны по целеуказаниям МЧС, по сейсмоопасным районам Турции, 1999 г. На фиг.3 представлено визуализированное изображение результирующей матрицы из попиксельных отношений амплитуд сигналов упомянутых изображений а, б по фиг.2. Программным расчетом (методом пространственного дифференцирования) с использованием специализированного программного обеспечения ER МАРРЕР 5.0 выделены контуры на результирующем изображении, с аномальными отношениями пикселов. Выявленные аномалии (контуры) приурочены к сейсмическим районам Турции.

На фиг. 5 представлены вычисленные функции фрактальной размерности природных образований, полученные путем обработки радиометрических измерений в полосе сканирования СВЧ-радиометра "Дельта": 1 - участок земной поверхности над очагом, 2 - земная поверхность того же изображения вне очага.

Вычисление фрактальных функций осуществлялось программным методом, с использованием специализированного программного обеспечения ER МАРРЕР 5.0. Алгоритм расчета реализован следующей сервисной программой: считывание спектра в матрицу М, размером 256 х 256 элементов
М:=READ_RED("D:\openMMX\R_G256'')

G(j, A): = In(W(2^8-j, A))
I:=1...8
Koroliv:=G(I,M)
Фрактальная размерность изображения:
FracRazm:=D(Koroliv) FracRazm=2.174
Значения коэффициентов фрактальной размерности очага землетрясения находятся в интервале от 2,17 до 2,21.

Функции фрактальной размерности фоновых участков имеют большие значения коэффициентов и располагаются на графике существенно выше тех же функций очага.

Функции фоновых участков не пересекаются с функциями очага, что свидетельствует о возможности однозначной идентификации очаговых участков.

Эффективность заявляемого способа определяется достоверностью обнаружения аномалий. Используемый топологический признак изображения обеспечивает устойчивость алгоритма обнаружения. Способ позволит осуществить обнаружение и каталогизацию очагов землетрясений в глобальном масштабе, а также их непрерывный мониторинг.

Формула изобретения

Способ обнаружения очагов землетрясений, при котором осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы m х n отсчетов зависимости амплитуды 1 (x, y) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображении, отличающийся тем, что собственное излучение регистрируют в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях, формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно оротогональных по поляризации каналах приема, выделяют контуры на результирующем изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности изображения внутри выделенных контуров, фиксируют очаг землетрясения при совпадении фрактальной размерности участка текущего контура с эталонным либо при отклонении на величину не более пороговой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6