Способ обнаружения очагов землетрясений

 

Использование: космоведение, в национальных системах геофизических наблюдений для прогнозирования землетрясений. Сущность: получают изображения подстилающей поверхности в виде цифровой матрицы сигнала яркости от пространственных координат. Выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображении. Вычисляют функцию фрактальной размерности сигнала изображения внутри выделенного контура. При этом съемку проводят в фиолетово-синем участке отраженного от земной поверхности солнечного света. Внутри выделенных контуров вычисляют градиентное поле направлений линеаментов. По геометрии контура, узору рисунка азимутов направлений линеаментов, фрактальной размерности изображения внутри контура судят о принадлежности выделенной аномалии к пространству очага землетрясения. Технический результат: повышение достоверности, точности и надежности обнаружения очагов. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к космоведению, в частности к дистанционному мониторингу природных сред, и может быть применено в национальных системах геофизических наблюдений для прогнозирования землетрясений.

В областях подготовки землетрясений наблюдаются аномалии различных природных сред: наклонов и деформаций земной поверхности, уровней подземных вод, проводимости грунтов, электростатических, гравитационных, магнитных полей. Систематизированный перечень известных признаков см., например, "Данные о предвестниках" в книге Т. Рикитаке "Предсказание землетрясений". Перевод с англ., М., Мир, 1979г., таблица 15.13, стр.314-333.

Задачи оперативного обнаружения и отслеживания аномалий областей землетрясений в глобальном масштабе могут быть решены лишь с использованием космических средств наблюдения. В настоящее время существует несколько космических систем, посредством которых осуществляют мониторинг природных сред. В частности, система спутников NOAA (США) обеспечивает оперативное получение изображений подстилающей поверхности путем регистрации собственного, восходящего излучения поверхности в инфракрасном диапазоне по нескольким каналам приема.

Известен "Способ обнаружения аномалий подстилающей поверхности" (Патент РФ 2160912, кл. G 01 V 8/00, 9/00, 2000 г. - аналог).

В способе-аналоге получают изображение подстилающей поверхности в виде цифровой матрицы функции яркости I(х, у) от пространственных координат, разбивают изображение на мозаику сравнительно однородных по яркости участков, на основе априорных данных вычисляют функции фрактальной размерности каждого участка, составляют матрицу эталонов из коэффициентов фрактальной размерности характерных участков, а аномалию фиксируют по выходу разницы между текущим и эталонным значениями фрактальной размерности за пороговый уровень для анализируемого участка.

Способу-аналогу присущи такие недостатки, как: - погрешность метода, связанная с априорной неопределенностью разбиения изображения на мозаику участков, искажающей числовые значения фрактальных коэффициентов; - невозможность непосредственного использования способа для оценки вероятности землетрясений.

Более достоверный результат может быть получен, если при анализе снимков использовать несколько независимых признаков изображения, проводя обработку фрагментов изображения внутри предварительно выделенного контура аномалии. В частности, известен "Способ контроля лесопожарной опасности" (Патент РФ 2147253, кл. А 62 С 3/01, 2000 г. - аналог).

В способе-аналоге осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы отсчетов зависимости амплитуды от координат, калибруют тракт зондирования по измерениям эталонных участков, выделяют методами пространственного дифференцирования контура на двумерных изображениях лесных массивов, а величину влажности лесных горючих материалов внутри контуров рассчитывают по регрессионной зависимости влажности от коэффициента вариации сигнала (отношения мощности процесса к мощности переменной составляющей).

Недостатками способа-аналога являются: - невозможность непосредственного применения способа из-за различия измеряемых физических величин; - неадекватность измеряемых величин контролируемому процессу, который зависит только от погоды.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому решению является "Способ обнаружения очагов землетрясений" (Патент РФ 2181495, G 01 V 9/00, 2002 г.). В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в двух взаимно ортогональных по поляризации плоскостях, формируют результирующую матрицу изображения подстилающей поверхности из попиксельных отношений амплитуд сигнала в двух взаимно ортогональных по поляризации каналах приема, выделяют методами пространственного дифференцирования 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.

Недостатками ближайшего аналога являются: - отсутствие в эксплуатации систем, реализующих двухканальный прием восходящего излучения поверхности по ортогональным поляризациям; - не все независимые признаки изображения используются при идентификации очага, что снижает достоверность способа.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в регистрации альбедо поверхности в фиолетово-синей области видимого спектра, выделении контуров аномалий альбедо на получаемом изображении, вычислении градиентного поля линеаментов в областях аномалий и идентификации очага землетрясения по узору рисунка азимутальных направлений линеаментов внутри контуров выделенных аномалий.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения очагов землетрясений, при котором получают изображение подстилающей поверхности в виде цифровой матрицы сигнала яркости I(х, у) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности сигнала изображения внутри выделенных контуров, дополнительно съемку проводят в фиолетово-синем участке отраженного от земной поверхности солнечного света, программной обработкой сигнала внутри выделенных контуров вычисляют градиентное поле направлений линеаментов, формируют рисунок направлений линеаментов внутри контуров и по геометрии контура, узору рисунка азимутов направлений линеаментов, фрактальной размерности изображения внутри контура судят о принадлежности выявленной аномалии к пространству очага землетрясения.

Изобретение поясняется чертежами, где фиг. 1 - изображение подстилающей поверхности в фиолетово-синем участке солнечного спектра; фиг.2 - выделенный контур аномалии на изображении; фиг. 3 - узор рисунка из азимутов направлений линеаментов градиентного поля;
фиг.4 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. В оптическом диапазоне, на границе раздела двух сред с коэффициентами преломления n₁, n₂, коэффициент отражения светового потока определяется из соотношения

Коэффициент преломления зависит от первичных параметров среды:

ε - диэлектрическая проницаемость,
μ - магнитная проницаемость.

В оптической области спектра для всех веществ магнитная проницаемость μ ≅1, поэтому коэффициент преломления практически равен
Согласно классическим представлениям, электроны и атомы вещества под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты колебаний атомов и молекул приводит к зависимости коэффициента преломления n от длины волны падающего светового потока и от концентрации вторичных излучателей в веществе

где N_i - концентрация в веществе вибраторов i-го сорта;
е - заряд электрона;
m_i - масса вибратора i-го сорта;
λ_oi - собственная длина волны вибратора i-го сорта;
λ - текущая длина волны падающего светового потока
(см. , например, Преломление света. "Физический энциклопедический словарь". /Под редакцией А.М.Прохорова. - М.: Сов. Энциклопедия, 1983, с.168).

Кроме того, диэлектрическая проницаемость вещества ε зависит от поляризуемости доменов, частиц вещества. В области очага, при механических напряжениях вдоль границы разлома, возникает постоянное электростатическое поле. Под действием постоянного электростатического поля (Е) происходит поляризация молекул воды в приповерхностном слое. Молекула воды имеет диаметр d= 2,5•10^-8 см и обладает нескомпенсированным электрическим моментом M_э = α_э•E (α_э - коэффициент поляризуемости молекулы).

Результирующий электрический момент молекул воды в приповерхностном слое:
Чем больше величина электростатического поля Е над разломом в земной коре, тем выше поверхностная плотность зарядов, наведенных поляризацией молекул воды, тем больше диэлектрическая проницаемость среды ε. В результате вторичного переизлучения падающего светового потока дипольно ориентированными молекулами воды наблюдается существенное увеличение альбедо поверхности над очагом землетрясения.

Причем, если длина волны падающего светового потока приближается к длине диполей молекул воды (переизлучающих вибраторов λ _→ λ_oi), что имеет место в фиолетово-синем участке видимого спектра, то коэффициент преломления n₂ дополнительно возрастает.

Резонансное переизлучение света дипольно-ориентированными молекулами вещества приводит к поляризации волн отраженного светового потока. Это означает, что альбедо поверхности очага землетрясения по величине и направлению в пространстве пропорционально величине электростатического поля и направлению электрических силовых линий этого поля.

На фиг.1 представлено изображение очага землетрясения в фиолетово-синей зоне видимого спектра. Координаты очага для съемки получены по априорным данным наземных наблюдений. Методами пространственного дифференцирования (см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. "Распознавание образцов и анализ сцен". Перевод с англ. - М.: Мир, 1976, с.287-288) осуществляют выделение контура аномального альбедо на изображении. Результат программного выделения контура на изображении иллюстрируется фиг.2. Идентификацию выделенного контура на принадлежность к поверхности очага землетрясения проводят анализом сигнала изображения внутри выделенного контура. Предварительно по операциям способа ближайшего аналога (Патент РФ 2181495) вычисляют фрактальную размерность изображения внутри контура и сравнивают полученные коэффициенты с эталоном. Затем дополнительно проводят линеаментный анализ изображения внутри контура с целью получения рисунка поля азимутов направлений линеаментов. Как отмечалось выше, узор рисунка поля линеаментов повторяет направление силовых линий электростатического поля по пространству очага. По определению (см., например. Пискунов Н.С. "Дифференциальное и интегральное исчисления". Учебник для вузов. -М.: Наука, 5-е изд., 1964. Производная по направлению. Градиент: с. 264-267) векторное поле градиентов в каждой точке пространства х, у вычисляют по зависимости

Возле каждого пикселя цифровой матрицы изображения расположено 8 смежных пикселей. Поэтому, в принципе, производные каждой точки изображения могут вычисляться как минимум по 8 направлениям. За преимущественное направление принимается направление с максимальным градиентом. Само направление задается азимутом штриха (линеамента), длину которого l_i вычисляют по формуле

а азимут по формуле

где (х_j, у_j) и (х_i, y_i) - координаты верхнего и нижнего концов линеамента. Длина штриха линеамента задается программой обработки.

Расчет векторного поля градиентов функции сигнала изображения внутри выделенного контура реализуется программой, приведенной в конце описания.

Установлено, что психологически опознавание образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Форма объекта, его образ являются наиболее емкими информационными признаками. Поэтому узор рисунка из азимутов направлений линеаментов позволяет однозначно идентифицировать очаги землетрясений среди других аномалий.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 4. Функциональная схема устройства (фиг.4) содержит систему космической видовой разведки 1 в составе космического аппарата (КА) 2 (типа "Ресурс-0") с установленным на его борту гиперспектрометром 3 (типа "Астрон"), осуществляющем съемку подстилающей поверхности в полосе сканирования 4 путем включения над заданным районом земного шара по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления (БКУ) 5, посредством совмещенной радиолинии управления (РАУ) 6 из Центра управления полетом (ЦУП) 7. Последовательность отснятых гиперспектрометром 3 кадров изображения подстилающей поверхности записывается в бортовое запоминающее устройство (БЗУ) 8 и сбрасывается по совмещенной РАУ 6 в сеансах видимости КА на наземные пункты приема информации (ППИ) 9, где записывается на видеомагнитофон 10 (типа "Арктур"). По запросам потребителей информация в виде изображений контролируемых природных образований перегоняется в геофизический центр (ГФЦ) обработки 11, где создается долговременный архив космических снимков 12. Анализ космических снимков и идентификацию объектов подстилающей поверхности осуществляют путем программной обработки отдельных кадров на станции обработки 13 (ПЭВМ типа CYN) в стандартном наборе элементов: процессора 14, оперативного запоминающего устройства 15, винчестера 16, дисплея 17, принтера 18 и клавиатуры 19. Характеристики идентифицированных очагов землетрясений на изображениях подстилающей поверхности заносят в базу данных 20 и выводят на сервер 21 сети "Интернет" для оповещения заинтересованных организаций.

Изображение подстилающей поверхности, полученное ее сканированием с орбиты КА гиперспектрометром типа "Астрон", иллюстрируется фиг. 1. По операциям ближайшего аналога выделяют контуры аномалий на полученных изображениях. Результат программного выделения контура, с использованием маски оператора Робертса, иллюстрируется фиг. 2. Вычисляют фрактальную размерность изображения внутри выделенного контура и сравнивают ее с эталоном. Далее программной обработкой вычисляют градиентное поле направлений линеаментов. Результат вычисления градиентного поля (фрагмент) иллюстрируется таблицей 1.

После получения массива данных количественных значений величины градиентов в каждой точке изображения осуществляют выделение линеаментов. Длина выделяемых линеаментов (штрихов) зависит от ряда условий: разрешения одного пикселя, масштаба снимка, шкалы уровней квантования сигнала изображения по амплитуде. Перечисленные параметры задаются программой обработки, представленной выше. На фиг. 3 иллюстрируется узор азимутов направлений линеаментов, полученных обработкой изображения внутри выделенного контура, аномалии, при длине линеамента (штриха) 10 пикселей.

Эффективность заявленного способа определяется такими показателями, как точность, достоверность, устойчивость, оперативность обнаружения очагов землетрясений. Представляется, что использование такого информационно-емкого признака, как образ очага, обеспечит достоверность и надежность идентификации очагов землетрясений среди прочих аномалий.

Формула изобретения

Способ обнаружения очагов землетрясений, при котором получают изображение подстилающей поверхности в виде цифровой матрицы сигнала яркости I (х, у) от пространственных координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на изображении, вычисляют функцию фрактальной размерности сигнала изображения внутри выделенных контуров, отличающийся тем, что съемку проводят в фиолетово-синем участке отраженного от земной поверхности солнечного света, программной обработкой сигнала внутри выделенных контуров вычисляют градиентное поле направлений линеаментов, формируют рисунок направлений линеаментов внутри контуров и по геометрии контура, узору рисунка азимутов направлений линеаментов, фрактальной размерности изображения внутри контура судят о принадлежности выявленной аномалии к пространству очага землетрясения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8