СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционному зондированию поверхности Земли, и может быть применено в национальных системах сейсмического контроля для прогнозирования землетрясений.

Очаг землетрясения аккумулирует огромную энергию тектонических напряжений. В потенциальном поле механических напряжений очага наблюдаются аномалии других физических полей, захватывающих литосферу, ионосферу и магнитосферу Земли. В частности, при сжатии земной коры наблюдается анизотропия пород, изменение их излучательной способности, проводимости грунтов и как следствие, изменение собственного восходящего излучения подстилающей поверхности над очагом (см., например, Давыдов В.Ф. "Землетрясения. Телеметрия предвестников, из-во МГУЛ, М., 2001 г., стр. 55).

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 1(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 значением 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;
- статистическая неустойчивость результата, связанная с использованием лишь одного селектируемого признака изображения;
- информационная ограниченность способа, поскольку не все независимые признаки изображения используются при идентификации аномалии.

Более достоверный результат может быть получен, если при обработке снимков использовать несколько независимых признаков матрицы изображения, получая наряду с расчетом фрактальных коэффициентов еще и образ аномалии в виде характерных ее геометрических форм.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому решению является "Способ обнаружения очагов землетрясений; заявка РФ 2000126021, кл. G 01 Y, 9/00, решение о выдаче март 2001 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:
- не все существенные признаки изображения и геометрии очага используются при обработке и принятии решения;
- отсутствие в эксплуатации технических систем, реализующих двухканальный прием собственного излучения по ортогональным поляризациям и попиксельное отношение их амплитуд по высокочастотному тракту приема.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в визуализации потенциального поля механических напряжений подстилающей поверхности над очагом в виде формы характерных направлений осей сжатия на основе генерализации поля розы-диаграмм линеаментов синтезированного изображения очага.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе обнаружения очагов землетрясений, при котором осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности по двум каналам приема в виде зависимости амплитуд сигнала А (х, у) от пространственных координат, формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигнала в этих каналах, выделяют контуры на результирующем изображении и вычисляют фрактальную размерность изображений участков внутри выделенных контуров, дополнительно собственное излучение принимают антенной с линейной поляризацией по двум, разнесенным по диапазону частот каналам приема, синтезированную матрицу формируют из попиксельных отношений амплитуд сигнала канала меньшей длины волны к большей, вычисляют розы-диаграммы линеаментов последовательности фрагментов синтезированного изображения, осуществляют генерализацию азимутов розы-диаграмм линеаментов и получают "образ" очага в виде поля направлений осей сжатия и по форме направлений осей сжатия, фрактальной размерности фрагмента изображения внутри генерализованного "образа" судят о принадлежности участка подстилающей поверхности к проекции очага землетрясения на земную поверхность.

Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1. Ориентация осей сжатия очага землетрясения по данным наземных измерений;
фиг.2. Визуализированное изображение синтезированной матрицы;
фиг.3. Розы-диаграммы линеаментов синтезированного изображения;
фиг.4. Генерализованное изображение роз-диаграмм;
фиг.5. Функциональная схема устройства, реализующего способ.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких новых качественных свойств способа, как:
- статистическую устойчивость метода обнаружения за счет использования при обработке нескольких независимых признаков синтезированного изображения;
- достоверность идентификации очага за счет визуализации его образа в виде распределения ориентации осей сжатия по пространству очага.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что при механических напряжениях среда становится анизотропной (см., например, "Фотоупругость", Физический энциклопедический словарь под редакцией А.М. Прохорова, Советская энциклопедия, М., 1983 г., стр. 827). Величина анизотропии пропорциональна механическим напряжениям. На фиг.1 представлена иллюстрация ориентаций осей сжатия для роя (1...УI) слабых землетрясений Гармского района, СССР, 1966 г., по данным наземных измерений (см., например, Т. Рикитаке, "Предсказание землетрясений", перевод с англ., Мир, М., 1979 г. , стр. 309). Вследствие анизотропии изменяется поляризация собственного восходящего излучения поверхности над очагом. Естественно поляризованное излучение имеет круговую поляризацию. В условиях механических напряжений породы, оно становится поляризованным. Преимущественно линейная поляризация собственного излучения приурочена к участкам поверхности, расположенным по направлениям осей сжатия. Для других участков, по периферии осей сжатия, поляризация излучения менее выражена.

Известен также эффект Фарадея, заключающийся во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного электромагнитного поля при его распространении в среде, находящейся в постоянном магнитном поле. В частности, эффект Фарадея наблюдается при распространении электромагнитного поля через плазменные образования, например - ионосферу, находящуюся под воздействием постоянного магнитного поля Земли (см. , например, "Фарадея эффект", "Советский энциклопедический словарь" под редакцией А.М. Прохорова, 4-е изд. , Сов. энциклопедия, М., 1989 г., стр. 1414).

Кроме того, имеет место и вращательная дисперсия, состоящая в зависимости угла поворота (Δϕ) плоскости поляризации электромагнитных волн от волнового числа к = 2π/λ, т.е. Δϕ = ϕ(2π/λ) (см., например, А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко "Антенно-фидерные устройства", Сов. радио, М., 1961 г., стр. 740).

Поскольку в области очага землетрясения наблюдаются аномалии различных физических полей, в том числе и изменение напряженности магнитного поля на несколько десятков Гамм (см., например, Т. Рикитаке, "Предсказание землетрясений", пер. с англ., Мир, М., 1976 г., стр. 314-333), то поворот плоскости поляризации восходящего собственного излучения подстилающей поверхности над очагом существенно зависит от частотного диапазона регистрируемого излучения. В частности, радиометр спутника NОАА, США, регистрирует собственное излучение подстилающей поверхности в диапазоне от 2 до 10 мкм по пяти независимым частотным каналам приема.

Следует ожидать, что закрутка вектора поляризации собственного излучения подстилающей поверхности будет существенно отличаться на краях диапазона, т. е. в первом (2 мкм) и пятом (10 мкм) каналах приема бортового радиометра NОАА. Кроме того, величина закрутки, вследствие анизотропии сжатой породы и эффекта Фарадея изменяется от участка к участку зондируемой поверхности над очагом, т.е. от пиксела к пикселу измерений. Таким образом, изображение очага землетрясения в одном частотном канале приема NОАА отличается по поляризации от изображения в другом частотном канале. При приеме сигналов этих изображений на одну антенну, с фиксированной линейной поляризацией, амплитуды сигналов в этих каналах будут существенно флуктуировать от пиксела к пикселу. В соответствии с законом Планка мощность собственного излучения обратно пропорциональна длине волны. Для подчеркивания контраста синтезированного изображения вычисляют попиксельные отношения амплитуд сигналов канала с меньшей длиной волны к большей. В результате получают синтезированное изображение, содержащее информацию о поляризации принимаемого излучения каждого участка, и, следовательно, об ориентации поля направлений механических напряжений очага. Синтезированное изображение очага, полученное постфактум (т.е. после состоявшегося землетрясения, по известным координатам из архива, запрашивались изображения подстилающей поверхности, снятые за несколько суток до удара) иллюстрируется фиг.2. Очевидно, что синтезированные изображения фоновой поверхности, ввиду естественной поляризации восходящего излучения, такой информации не содержат.

Следующей задачей анализа является извлечение скрытой информации из синтезированного изображения. Отметим, что амплитуды пикселов синтезированного изображения пропорциональны действующим механическим напряжениям соответствующих им участков. Следовательно, градиент изменения яркости пикселов содержит информацию о поле механических напряжений подстилающей поверхности. По определению, векторное поле градиентов скалярной функции синтезированного изображения А (х, у) для любой точки вычисляют как (см., например, "Производная по направлению" в книге Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления", учебник для ВТУЗов, 5-е изд., т. I, Наука, М., 1964 г. , стр. 264-266).

Процедура вычисления градиента функции изображения представляется стандартной математической операцией, известной как пространственное дифференцирование, входящей в комплект специализированного программного обеспечения MATH САД 6.0. Данная процедура выполняется посредством использования масок окон операторов Собела, Робертса, Лапласа (см., например, Дуда Р, Харт П. "Распознавание образов и анализ сцен", пер. с англ., Мир, М., 1976 г., 7.3 "Пространственное дифференцирование", стр. 287-288).

Возле каждого пиксела изображения расположено 8 смежных пикселов. Поэтому, в принципе, производные каждой точки изображения могут вычисляться как минимум по 8 направлениям.

Вычисление производных по направлению осуществляют в режиме "сканирующей точки". После пороговой бинаризации фрагмента изображения осуществляют выделение объектов-контуров на данном фрагменте. Выделение линеаментов осуществляют путем последовательной обработки массива контуров, выделенных на предыдущем шаге. Вычисляют отношение максимального отклонения контура к длине секущей. Если это отклонение не превышает значения Д_ш (входного параметра программы обработки), то линеамент выделен. Длину выделяемых линеаментов устанавливают во входных параметрах программы обработки, которые зависят от ряда условий: масштаба снимка, разрешения одного пиксела, шкалы уровней квантования сигнала по амплитуде. Программа вычисления представлена в примере реализации. В результате программной реализации изложенной процедуры получают розы-диаграммы преимущественных направлений анализируемых фрагментов. Роза-диаграммы фрагмента изображения 16•12 иллюстрируются фиг.3. Длина линеамента (штриха) составила 10-15 пикселей.

При известных координатах верхнего и нижнего концов линеамента (х₁у₁) и (х₂у₂) длина линеамента определяется по формуле:

а азимут:

Роза-диаграмма определена как функция:

где l_i(A) - длина с i-го линеамента, ориентированного по азимуту А; k - число линеаментов, ориентированных по азимуту А. Генерализация распределения линеаментов по азимутальным направлениям ведется методом "сканирующего окна". Вычисляется суммарная длина или число линеаментов в сканирующем окне на данном шаге. Результат заносится в ячейку выходного массива, индекс которого строго соответствует координатам "сканирующего окна". После завершения сканирования проводится обработка сформированного массива и построение изолиний плотности линеаментов. Программа генерализации и построения плотности изолиний линеаментов представлена в примере реализации. Результат программного расчета иллюстрируется фиг.4.

В результате генерализации азимутов роз-диаграмм линеаментов получают векторное поле преимущественных направлений изменений яркости синтезированного изображения, совпадающее с векторным полем направлений сжатия земной коры над очагом от участка к участку (от фрагмента изображения к фрагменту). Форма получаемого рисунка дает представление об "образе" очага. Дополнительно, рассчитывают фрактальную размерность изображения в области выделенного "образа" генерализованных азимутов. Расчет фрактальной размерности осуществляют в соответствии с операциями ближайшего аналога.

По форме выделенного рисунка, его размерам, фрактальной размерности изображения внутри выделенного "образа", направлению ориентации осей сжатия относительно известного разлома в земной коре принимают решение о принадлежности выделенного образа на изображении к проекции очага на земную поверхность.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 5. Функциональная схема устройства фиг. 5 содержит систему орбитальных спутников наблюдения I, типа NОАА (США) с установленными на них сканирующими радиометрами 2, типа AVNRR. Радиометры осуществляют прием восходящего излучения подстилающей поверхности в полосе сканирования 3 по пяти независимым каналам одновременно.

Зарегистрированный радиометром сигнал с сопутствующей информацией (время приема, эфемериды) передается по открытой, автономной радиолинии 4 и принимается в режиме открытого доступа наземными пунктами приема 5, расположенными в г. Красноярск, г. Москва (ИКИ), где записывается на видеомагнитофон 6 типа "Арктур". Из принятых изображений подстилающей поверхности, в пункте приема 5, на основе сопутствующей информации формируется база данных изображений регионов, которая в виде файлов выводится на сервер 7 сети "Интернет" (адрес сервера www http:\\SmiS. IkI. RSSI. RU. По запросу потребителей информация в виде кадров перекачивается через "Интернет" и автономный сервер 8 в индивидуальный архив накопления, хранения и выдачи информации 9 Центра мониторинга МЧС 10. Архив 9 может быть организован на базе стриммеров типа FT-120. Федеральной службой мониторинга 10 МЧС ведется база всех сейсмоопасных районов страны, которая позволяет выборочно отслеживать наиболее опасные регионы и оперативно формировать последовательность отснятых радиометрами AVNRR кадров изображений этих регионов. Обработку накопленных массивов данных изображений сейсмоопасных регионов осуществляют на персональных ПЭВM II типа IВМ в стандартном наборе элементов: процесcора-вычислителя 12, винчестера 13, оперативного ЗУ 14, принтера 15, дисплея 16, клавиатуры 17.

Предварительно, специализированный комплекс программ обработки изображений типа MATH САД 7.0 PLVS записывают на винчестер 13. Попиксельное вычисление отношения амплитуд сигналов двух разнесенных по диапазону волн изображений осуществляют стандартной процедурой программного расчета (см., например, "Векторизация элементов матрицы", MATH САД, 7.0 PLVS, издание 3-е стереотипное, Информ.-издат. дом "Филинъ", М., 1998 г., стр. 211).

Синтезированное изображение подстилающей поверхности, полученное попиксельным расчетом отношения квантованных уровней цифровых изображений I и У каналов радиометра AVNRR иллюстрируется фиг.2. Далее осуществляют олинеаментный анализ синтезированного изображения. Данная процедура реализуется программой, представленной в конце описания.

Результат генерализации роз-диаграмм и полученный образ "очага" в виде преимущественного распределения азимутов линеаментов по пространству очага иллюстрируется фиг. 4. Затем вычисляют коэффициент фрактальной размерности изображения внутри выделенного "образа". Расчетная величина коэффициента фрактальной размерности составила 2, 31, что совпадает со значениями фрактальной размерности изображения очага способа ближайшего аналога.

Таким образом, осуществляя зондирование подстилающей поверхности космическими средствами и последующую обработку сигнала ее собственного излучения по изложенным операциям способа, обеспечивают обнаружение и идентификацию очагов землетрясений. Способ может быть использован для каталогизации очагов землетрясений в глобальной масштабе. Эффективность заявленного способа определяется высокой достоверностью, оперативностью обновления данных и высокой точностью определения координат гипоцентра очага.

Заявленный способ может быть реализован на базе космических систем и средств обработки, находящихся в эксплуатации.

Использование: геофизика, дистанционное зондирование поверхности Земли, в национальных системах сейсмического контроля для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: осуществляют зондирование подстилающей поверхности космическими средствами и последующую обработку сигнала ее собственного излучения. Технический результат: повышение достоверности, оперативности и точности. 5 ил.

Способ обнаружения очагов землетрясений, при котором осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности по двум каналам приема в виде зависимых амплитуд сигнала А (х, у) от пространственных координат, формируют результирующую матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигналов в этих каналах, выделяют контуры на результирующем изображении и вычисляют фрактальную размерность изображений участков внутри выделенных контуров, отличающийся тем, что собственное излучение принимают антенной с линейной поляризацией по двум, разнесенным по диапазону частот каналам приема, синтезированную матрицу формируют из попиксельных отношений амплитуд сигнала канала меньшей длины волны к большей, вычисляют розы-диаграммы линеаментов последовательности фрагментов синтезированного изображения, осуществляют генерализацию азимутов розы-диаграмм линеаментов и получают "образ" очага в виде поля направлений осей сжатия и по форме направлений осей сжатия, фрактальной размерности фрагмента изображения внутри генерализованного "образа" судят о принадлежности участка подстилающей поверхности к проекции очага землетрясения на земную поверхность.