В рамках работ по созданию банка многодисциплинарных данных для хранения большого объема разнородной (цифровой, текстовой и графической) информации по проблеме Тунгусской катастрофы в лаборатории «Информационных технологий в геофизике» Института Вычислительной Математики и Математической Геофизики СО РАН (Новосибирск) разработана технология ввода этих данных в геоинформационную систему и их дальнейшей обработки.
Для апробации технологии выполнен ввод данных по азимутальному распределению вывала леса в районе Тунгусского феномена в ГИС GRASS u ER Mapper и проведена обработка этих данных с целью визуализации распределений по направлениям вывала леса и оценочной силы ударной волны.
В рамках этого проекта также организован удаленный доступ к результатам работы через глобальную сеть Интернет .
Введение.
Тунгусская катастрофа 30 июня 1908 года - результат столкновения планеты Земля с космическим объектом неизвестной природы. Подобные и более серьезные катастрофы случались на Земле неоднократно. Как правило, большая часть информации о катастрофическом событии сохраняется в виде косвенных следов, зафиксированных природными объектами в биосфере, литосфере и т.д. Анализ и оценка метрологических аспектов данных, зафиксированных в природных объектах, является актуальной научной проблемой.
С 1908 года накоплены большие объемы информации по изучению проблемы Тунгусского феномена, сосредоточенной в научных публикациях (часто в редких, малодоступных изданиях), в дневниках и отчетах экспедиций, архивах метеорологических и геофизических станций, обсерваторий, частных лиц и т.д. Большая часть результатов измерений, проведенных экспедициями и обсерваториями, невоспроизводима ввиду исчезновения следов катастрофы со временем. Поэтому организация полного архива собранных данных с применением новейших информационно-вычислительных технологий есть одна из важнейших задач в изучении Тунгусской катастрофы. Кроме того, этот архив может быть пополнен данными, полученными с помощью современных дистанционных методов наблюдений.
Использование ГИС для обработки данных.
Общий объем информации, подлежащей цифровой обработке, оценивается величиной 1 Гбайт. На сегодняшний день созданы электронные архивы данных основного каталога и каталога вывала леса.
Для решения задач, связанных с архивацией, управлением и обработкой подобного рода данных представляется наилучшим использование геоинформационной системы (ГИС). Такие системы спроектированы для сбора, хранения, обработки, анализа, моделирования пространственно отнесенных данных. В круг областей, где находят себе применение геоинформационные технологии входят традиционные задачи землепользования и охраны окружающей среды, оценки запасов полезных ископаемых, планирования инфраструктуры и т.п. Ввод информации по Тунгусскому феномену в ГИС позволит создать набор географически отнесенных данных, наиболее комплексно характеризующих территорию этого района, а также осуществлять различные виды обработки, моделирование и анализ, ориентированные на изучение следов катастрофы.
Доступность спутниковых данных и появление современных мощных систем по их обработке позволит использовать снимки из космоса для изучения не только района места падения, но и окружающих территорий. Для глобального наблюдения за поверхностью целесообразно использовать снимки со спутников низкого разрешения (порядка 100-1000 метров на пиксель изображения). На данный момент изображения такого типа можно получать со спутников серии NOAA (№12, №14, №15), сканер AVHRR. Эти снимки с разрешением 1.1км, охватывают огромную территорию, протяженностью около 3-х тысяч километров - практически всю Восточную и Западную Сибирь одновременно. Также имеется доступ к архивам данных Российских спутников серии РЕСУРС-О1. Изображения, полученные со сканера МСУ-СК, этих спутников имеют пространственное разрешение 160 метров и захватывают полосу земной поверхности шириной до 500 км. Одна из основных задач, которую на сегодняшний день можно решать, используя снимки низкого разрешения, в свете исследования Тунгусского феномена - это мониторинг растительного покрова окружающих место падения территорий.
Снимки высокого разрешения (<100 метров на пиксель) имеют довольно узкую полосу наблюдения (порядка 10-100км) и используются когда необходимо получить более детальную информацию об исследуемом районе. Данные такого типа можно получить из архива снимков Российских спутников серии РЕСУРС-01 тип сканнера МСУ-Э (разрешение 30м, полоса обзора -30 км). В круг задач, решаемых с помощью такой информации, входят: детальный анализ растительности в районе взрыва, уточнение контуров вывала леса (точнее, определение зоны молодого леса).
Наиболее интересным представляется использование спутниковых радиолокационных данных. Способность радиоволн проникать внутрь поверхности Земли открывает широкие возможности для анализа элементного состава почв района катастрофы. К сожалению, способы расшифровки информации, которую несет в себе отраженный от поверхности пакет радиоволн, еще недостаточно изучены. Поэтому говорить о решении каких-то конкретных задач пока рано, но с другой стороны здесь открываются широкие возможности для ученого, увлеченного проблемой Тунгусского феномена.
Собранный обширный материал, а также результаты всесторонней обработки информации должны быть предоставлены широкому кругу пользователей. Развитие глобальной сети Интернет и интернет-технологий дает возможности для решения этой задачи. Разработка сетевого интерфейса к ГИС обеспечит удаленный доступ к данным и программам по их обработке через глобальную сеть Интернет. Таким образом, в решении поставленной задачи можно выделить следующие ключевые этапы:
1. Предварительная обработка данных и ввод их в базу данных ГИС. Это позволит хранить накопленные данные в едином формате, что облегчит их дальнейшее использование.
2. Необходимую обработку данных. Осуществив географическую привязку, данные можно совместить с электронными картами района, с цифровой моделью рельефа, данными космической съемки и т.д.
3. Доступ к данным через Интернет. Любой пользователь сможет получить всю предоставленную информацию с помощью обозревателя сети.
Принципиальная схема алгоритма представлена на Рисунке 1.
Рис. 1. Схема системы обработки данных и предоставления доступа к ним.
Пример реализации концепции на каталоге вывала леса.
Ввод данных в ГИС.
Данные по месту падения Тунгусского Тела представляют собой набор точек с координатами и измеренной величиной некоторого физического параметра (число и направление азимута поваленных деревьев, данные по спектральному анализу слоев торфа, концентрация радиоуглерода в годичных кольцах деревьев и т.д.). Такие наборы точек можно представить в виде полей многомерных векторов и в дальнейшем производить вычисления над этими полями, строя многомерные модели и анализируя их. Географическая привязка к местности позволит учесть влияние местности (рельефа, рек, болот и т.д.) на картину взрыва. Все это можно осуществить, используя возможности современных ГИС.
Для ввода, геопривязки и обработки данных нами была выбрана геоинформационная система GRASS (Geographic Resources Analysis Support System - система поддержки анализа географических ресурсов) - свободно распространяемая система обработки изображений, а также географическая информационная система, позволяющая работать с растровыми и векторными данными, а также данными местоположения и содержащая модули для различной обработки изображений. Сотрудниками лаборатории «Информационных технологий в геофизике» ранее был разработан сетевой интерфейс к этой ГИС, позволяющий производить просмотр хранимых данных и некоторые виды обработки.
Для работы с рассчитанными в GRASS трехмерными моделями использовалась ГИС ER Mapper (Earth Resource Mapper) - коммерческая система для обработки растровых данных, обладающая более широкими возможностями в создании трехмерных изображений и более удобная и быстрая при их визуализации.
В качестве топосновы использовалась электронная карта формата F1(M) масштаба 1:1.000.000. Векторные слои рек, озер, дорог, населённых пунктов были импортированы в ГИС. Это позволит осуществлять геопривязку к местности различных растровых данных по району Тунгусской катастрофы -материалы аэрофотосъёмки, оцифрованные карты и т.д. С целью дальнейшей обработки в ГИС GRASS были введены векторные слои изолиний рельефа, на основе которых в системе GRASS (использован алгоритм интерполяции контурных линий) проведен расчет цифровой модели рельефа для района (DEM-digital elevation model). Рассчитанная цифровая модель позволит произвести анализ следов катастрофы с учётом особенностей рельефа места падения. На Рисунке 2 показано трехмерное представление цифровой модели рельефа.
Рис. 2. Трехмерное представление цифровой модели рельефа района Тунгусского взрыва.
Обработка данных по вывалу леса.
Разработанная технология ввода и обработки данных по Тунгусскому феномену была опробована на результатах измерений распределения вывала леса. Эти измерения являются результатом многолетнего труда многочисленных экспедиций в район катастрофы и являют собой наиболее важное звено в исследовании физики взрыва внеземного объекта. Большой вклад в изучение вывала был внесен томским ученым В. Г.Фастом. В частности, в своей работе [Фаст, 1967], отождествляя действие нагрузок торможения ударной волны на деревья с действием ураганного ветра, он показывает, что аэродинамическое давление на крону дерева обратно пропорционально дисперсии распределения по направлениям вывалов:
a 
/s,
где s несмещённая оценка дисперсии а2 предельного нормального распределения величины а, (1) (2)
s2 = 1/(n-1) 
(Ai - <A>)2,
здесь п - количество деревьев, поваленных на рассматриваемой пробной площади по азимутам
Аi, i= 1,2,...,n, и <A>=1/n Ai.
А так как нагрузка торможения зависит главным образом от максимального аэродинамического давления и продолжительности его действия, то таким образом можно связать амплитуду ударной волны Тунгусского взрыва с дисперсией повала деревьев в данной точке. Имея нерегулярную сеть точек по району вывала можно затем с помощью методов интерполяции построить картину распространения и силы ударной волны по всей изучаемой территории.
Существующий электронный архив содержит измерения вывала леса примерно по 1400 участкам. Эти данные представлены в виде таблиц содержащих координаты участка и количество поваленных деревьев в каждом из 72-х 5-градусных секторов. Для получения на основании этих данных среднеквадратичного отклонения от среднего по направлениям вывалов и, соответственно амплитуды ударной волны, авторами был разработан программный модуль, выполняющий требуемые расчеты. Кроме этого в функции этого модуля входило осуществление преобразования данных из dBase формата ( формат электронного каталога вывала) в формат данных местоположения GRASS.
Таким образом, в геоинформационную систему были введены данные по средним значениям азимутов вывала леса, дисперсиям повала деревьев, оценочным значениям амплитуды ударной волны, и затем построены двумерные поля этих распределений. Для этого использовался алгоритм интерполяции на регулярную сетку путем взвешенного усреднения - результат в узле решетки определялся значениями ближайших точек и расстояниями до них. Этот алгоритм программно реализован в одном из модулей ГИС GRASS и позволяет получать результат в виде двухмерного растрового изображения.
Рис. З. Векторная карта рек района, совмещенная с данными измерений вывала леса (крестики соответствуют участкам, где проводились замеры).
Для лучшей визуализации распределения по азимутам поваленного леса, а также по мощности ударной волны, была создана векторная карта, где направление каждого вектора соответствует среднему азимуту вывала для участка, а его длина обратно пропорциональна дисперсии. Таким образом, длину вектора можно рассматривать как оценочную амплитуду ударной волны, а его направление как направление распространения.
Для оценки влияния рельефа на картину вывала леса были созданы 3D представления полученных растровых карт (азимутального распределения, среднеквадратичного отклонения) и цифровой модели рельефа. Было создано трехмерное представление распределения вывала леса по амплитуде ударной волны, совмещенного с данными цифровой модели рельефа. Цифровая модель рельефа используется как высота (Z-компонента представления). 3D-визуализация проводилась в ER Mapper 5.5
Рис. 4. Растровая карта распределения вывала леса по амплитуде ударной волны, совмещенная с векторной картой рек и данными по высотам, а также векторным слоем направлений и силы
В качестве примера использования космических снимков нами были взяты данные сканера МСУ-Э спутника РЕСУРС-01 №3 и сканера AVHRR спутника NOAA №14.
Глобальный мониторинг растительности лучше всего осуществлять с помощью снимков низкого разрешения. В нашем случае для этого использовались данные со спутника NOAA за 12 августа 1998г. Для оценки качества растительного покрова был рассчитан индекс вегетации для территории размером примерно 300x300 км в районе взрыва. Индекс вегетации характеризует относительное содержание хлорофилла в растительности, с помощью его можно определить, например, качество леса (возраст, здоровье). При вычислении использовалась следующая формула:
(BAND2 - BAND1)/(BAND1+BAND2),
здесь BAND1 и BAND2 данные первого и второго спектрального канала сканера соответствующие изображениям земной поверхности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. В этой формуле заложено свойство высокой отражательной способности хлорофилла в ближнем инфракрасном диапазоне, причем коэффициент отражения пропорционален содержанию хлорофилла в растительности. Используя рассчитанный по вышеописанной формуле индекс вегетации, была получена трехмерная модель качества растительного покрова для указанного района.
Рис. 5. Черно-белое представление снимка со сканера МСУ-Э спутника РЕСУРС-О1 района Тунгусского взрыва. Нанесены векторные слои рек и распределения по направлениям и силе ударной волны.
Снимок высокого разрешения со спутника РЕСУРС-01 позволяет проводить анализ поверхности на более детальном уровне. Используя вышеописанную технологию расчета индекса вегетации с дальнейшей классификацией можно определить, например, контуры молодого леса и т.п. На Рисунке 5 представлено черно-белое изображение снимка за 6 июля 1998 г. Одновременно с векторными слоями рек, озер нанесен слой интенсивности и направления распространения ударной волны.
Это изображение показывает возможности ГИС при проведении комплексной интерпретации данных от различных систем наблюдения. Результаты обработки можно посмотреть на ГИС-сервере ИВМиМГ (http://www-gis.sscc.ru/WWW/Samples/tungus.html).
Организация сетевого интерфейса.
Организация доступа через Интернет ко всем полученным результатам была осуществлена с помощью WebGRASS - сетевого интерфейса к ГИС GRASS (URL: http://www-gis.sscc.ru/webgrass). Интерфейс использует широко распространенную технологию Common Gateway Interface (CGI) и базируется на системе GRASSLinks, созданной С. Хьюз в REGIS (университет Беркли, Калифорния). Пользователю для работы с WebGRASS требуется только наличие WWW-браузера (например, MS Internet Explorer), система позволяет выбирать растровые, векторные данные и данные местоположения, отображать их в WWW-браузере и манипулировать с ними.
Для начала работы с системой пользователь должен выбрать интересующую его базу данных, соответствующую наблюдаемому региону. Далее система создает форму, содержащую информацию о различных слоях (растровых, векторных, слоях с данными местоположения и слоях с подписями к картам), имеющихся в выбранной базе данных по этому району.
После выбора пользователем требуемых слоев выполняется генерация и отображение карты (на растровый слой накладываются все остальные слои). Время отклика системы зависит от объема запрашиваемых данных и составляет от 30 сек. до 2 мин. Причем большая часть времени затрачивается на генерацию из запрошенных данных GIF-файла и меньшая - на передачу его по сети. Кроме результирующего GIF-файла в браузере пользователя отображаются координаты, для которых выведена карта, и перечисляются выбранные слои.
После отображения карты у пользователя появляются следующие возможности:
• Узнать координаты точки на карте, а также проверить значение (и именование) категории любой точки на растровой карте.
• Провести масштабирование карты относительно любой точки в 2,3,5 и 1/2, 1/3, 1/5 раз. Также возможно перемещение центра карты без изменения ее масштаба.
• Вернуться к выбору слоев для отображения. • Вернуться к выбору базы данных. Заключение.
Выполненная работа - новый шаг в задаче изучения Тунгусского феномена. Введение данных в ГИС позволит проводить обработку результатов измерений стандартными функциями подготовки и управления данными и обеспечит привязку их к топографической основе. Результат обработки данных может отображаться на карте местности или в 3-х мерном представлении совместно с другими данными (например, с цифровой картой рельефа, или в виде слоеного пирога, где каждый слой является представлением каких-либо данных). Использование космических снимков позволит проводить комплексную интерпретацию данных, то есть можно проводить одновременный анализ точечных данных наземных измерений и данных высокого и низкого разрешения в различных спектральных диапазонов на всю земную поверхность. Организация сетевого интерфейса к ГИС GRASS обеспечивает доступ к данным и результатам их обработки через международную сеть Internet.
Литература
Фаст В. Г. Статистический анализ параметров Тунгусского вывала // Проблема Тунгусского метеорита. Вып.2.- Географич. о-во СССР, Томск. отдел. - Том 6. - Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1967. С. 40 - 61.