Разделы: Науки о Земле
Размещена 26.09.2025. Последняя правка: 06.10.2025.
Просмотров - 245

3-D ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА БАЗЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Литовченко Ирина Николаевна

нет

Национальный научный центр сейсмологических наблюдений и исследований Республика Казахстан

Ведущий научный сотрудник

Абдуллаев Абдулазиз Умарович, доктор г.-м.н., академик МАНЭБ МАИН; Лютикова Вероника Сергеевна, магистр техники и технологий, младший научный сотрудник; Амиров Нурканат Бакытбекович, ВНС

УДК 550.34

1. Введение

Современное развитие науки и техники в области обработки больших данных и искусственного интеллекта позволяет переходить от традиционных способов отображения информации к новым информационным технологиям и системам визуализации. Под новыми информационными технологиями и системами в контексте сейсмологии понимаются программные комплексы, которые не только собирают и визуализируют данные, но и автоматически их анализируют, выявляют скрытые закономерности, прогнозируют развитие событий и выдают рекомендации пользователю. Такие системы могут использовать алгоритмы машинного обучения для кластеризации землетрясений, выявления аномалий в пространственно-временных распределениях, оценки вероятности возникновения сильных землетрясений и их афтершоков, и построения прогностических моделей [1]. Рост сейсмической активности во многих сейсмоактивных регионах Земли представляет собой одну из наиболее значимых природных угроз, способных оказывать разрушительное воздействие на инфраструктуру и жизнь людей. В условиях глобального изменения климата и увеличения плотности населения в сейсмоактивных регионах, необходимость в эффективных методах мониторинга и визуализации сейсмических данных становится особенно актуальной. Такие сейсмические события, которые произошли за последние десятилетия в Турции, Афганистане, Камчатке, Курильских островах, Китае, Казахстане и других странах, выдвигают на первый план задачу своевременной визуализации сейсмических данных и их интеллектуальный анализ. Новые информационные и цифровые технологии дают такую возможность.

Проблема заключается в том, что традиционные методы представления сейсмической информации зачастую не позволяют быстро и наглядно оценить ситуацию, что может привести к недостаточной готовности к потенциальным угрозам.

Цель данной работы заключается в разработке и анализе системы визуализации сейсмических наблюдений, использующей возможности виртуального глобуса. Это позволит не только улучшить восприятие данных, но и повысить уровень информированности населения и специалистов о сейсмической активности и ее дальнейшем развитии.

Специалисты получат визуализацию сейсмичности Земли в реальном времени и масштабе, почти в онлайн режиме, что позволяет наглядно видеть изменение в сейсмическом режиме. Такие интерактивные модели и прототипы наглядно показывают визуальные закономерности в распределении сейсмических событий на поверхности Земли, но и в 3-D представлении. Ранее, в [13] была реализована визуализация сейсмических данных на виртуальном глобусе.

Ключевыми персонами в данной области являются как ученые и исследователи, занимающиеся сейсмологией, так и разработчики программного обеспечения, которые создают инструменты для визуализации данных. Влияние таких факторов, как развитие новых информационных технологий обработки больших данных и алгоритмов машинного обучения, также играет важную роль в создании более эффективных систем визуализации и цифровизации. Авторами данной работы была сделана попытка [1] применить в машинном обучении алгоритм распознавания образов роев землетрясений. Полученные каталоги роев землетрясений также можно визуализировать на виртуальном глобусе. В этой связи, реализация 3-D визуализация сейсмических наблюдений сводится к еще более подробному анализу сейсмичности, уже роев землетрясений, которые могут быть вынесены на виртуальный глобус.

Актуальность темы для Казахстана и мира в целом обусловлена высоким уровнем сейсмической активности в ряде регионов, а также необходимостью повышения устойчивости к природным катастрофам. Внедрение 3-D визуализации может значительно улучшить качество прогнозирования и реагирования на сейсмические события.

В рамках данной темы сделана попытка решить задачи, связанные с интеграцией различных источников данных, разработкой алгоритмов для автоматической обработки и анализа информации, а также созданием интуитивно понятного интерфейса для пользователей. Интеллектуальная компонента состоит из интерфейса для пользователя, когда в источниках интернет [3] скачивается мировой каталог землетрясений в заданном диапазоне данных: диапазон магнитуд произошедших землетрясений от 2.5 до 9.9; дата начальных и конечных событий; задаются координаты сейсмоактивного региона для конкретизации территории исследования. 

Таким образом, данная работа направлена на исследование возможностей 3-D визуализации сейсмических наблюдений на базе новых информационных технологий на виртуальном глобусе, что позволит значительно улучшить восприятие и анализ сейсмических данных.

2. Исходный данные и методы визуализации

В современном мире  средства визуализации информации приобретают очень важное значение. Информация становится все более открытой. Встает вопрос о поиске форм и современных средств ее представления. Из большого количества разнородной информации, поступающей к нам сегодня из разных источников, порой бывает трудно выделить главное, а в потоке данных легко потеряться [4,5]. Графическая информация воспринимается в несколько раз быстрее, нежели текстовая. Кроме того, человеческое восприятие графических образов ассоциативно. С развитием современных средств визуализации и ПО, набирает популярность инфографика — особый вид представления информации, данных и знаний в графическом формате, основными преимуществами которого являются быстрота понимания, наглядность и доступность [4]. Графики, как одни из наиболее простых элементов, используются для отображения зависимости одного набора данных от другого. Графики бывают нескольких видов. Линейные представляют собой объединенные линией наборы точек, соответствующих значениям по осям. Графики рассеивания показывают распределение совокупности точек, соответствующих значениям по осям. Графики являются подтипом диаграмм. Кроме этого, диаграммы бывают столбчатыми (гистограммы), круговыми, кольцевыми, лепестковыми и т. д. [4]. Циклические диаграммы показывают ключевые шаги процесса, который содержит набор повторяющихся действий. Отдельно стоит отметить такие типы диаграмм, как тепловая карта и плоское дерево. Тепловая карта сравнивает значения внутри набора данных, закрашивая их одним из цветов спектра. Плоское дерево, представляющее иерархию набора данных, в которой элементы являются родительскими или дочерними по отношению друг к другу, отображается в виде набора вложенных прямоугольников, каждый из которых является ветвью [4,5]. Деревья и диаграммы связей несколько отличаются от упомянутых выше представлений. Они призваны показать структуру (иерархию) набора данных, отразить взаимосвязи отдельных составляющих. Эти виды представления широко используются для визуализации таких математических структур, как графы и сети. Визуальное отображение графа представляет собой совокупность узлов, соединенных между собой линиями — ребрами. Деревья и ментальные карты являются частными случаями графов [4,5]. Еще одним востребованным инструментом визуализации являются карты. Карты способны в наглядном виде представить уровень безработицы по регионам, обозначить области, пострадавшие от паводков, сейсмичность региона и т. д. Другими словами, карты и картограммы позволяют быстро выявить географические и временные закономерности, чего нельзя добиться при помощи лишь сводных таблиц с данными. Кроме того, при помощи тематических маркеров на карте можно показать расположение каких-либо объектов, например, сильных землетрясений.

Таким образом, исходя из всего многообразия средств представления, отражения и визуализации информации, можно выбрать наиболее удобные методы. Перейдем к особенностям современных средств визуализации сейсмических данных и анализу сейсмичности Земли.
На основе мирового каталога землетрясений [3], авторами было выполнено визуальное представление сейсмических данных на базе современных программных средств - 3-D представление эпицентров землетрясений на виртуальном глобусе. Основные современные средства для визуализации можно подробнее посмотреть в [4, 5]. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах. Можно экспортировать полученные графики и таблицы в ряд форматов.

2.1.  Этапы подготовки данных

Начальным этапом является загрузка данных мирового каталога землетрясений о глобальной сейсмичности Земли за период 1973-2025 гг. [3].

Далее проводится этап преобразования географических координат каждого эпицентра землетрясений из загружаемой таблицы с данными в сферические координаты.

Для основы создания изображения виртуального глобуса Земли берется прямоугольная заготовка графической 2D карты и преобразуется в сферические координаты по соответствующим формулам. Далее, матрицы с преобразованными координатами для представления карты в 3D формате используются в построении.

2.2. Результаты визуализации данных

В результате получается 3D сфера с вынесенными на нее географическими данными о поверхности Земли. На полученный виртуальный глобус Земли необходимо вынести сейсмические данные. Далее, преобразованные координаты каждого землетрясения выносятся на виртуальный глобус в 3D формате, причем глубина показана разным цветом (см. рис. 1).

Рисунок 1. Виртуальный глобус с вынесенными сейсмическими событиями с учетом глубин (разным цветом) для разных поворотов глобуса

Размеры событий выстраиваются в зависимости от магнитуды и глубины каждого землетрясения по исходным данным (см. рис. выше). На рисунке 2 представлена итоговая визуализация глобальной сейсмичности Земли на 3D виртуальном глобусе.

Рисунок 2. Визуализация сейсмических данных [3]

2.3. Результаты

Получены результаты глобальной сейсмичности Земли и ее визуализации современными программными средствами. На рисунках 1, 2 демонстрируются 3D виртуальный глобус с вынесенными на него сейсмическими событиями (глобальная сейсмичность Земли). Научно-практическая ценность визуализации глобальной сейсмичности Земли заключается в наглядном представлении распределения землетрясений на 3-D глобусе. Виртуальный глобус можно вращать, что четко демонстрирует распределение землетрясений на нем. С пополнением сейсмических данных, можно отслеживать изменение глобальной сейсмичности Земли на виртуальном глобусе во времени и пространстве, а также по глубине.

Вывод

Итак, в онлайн режиме из мирового каталога [3] скачивались сейсмические данные в текстовом формате. Координаты каждого землетрясения (долгота, широта) преобразовывались в сферические координаты, для последующего их представления на виртуальном глобусе. Подробнее такое преобразование можно посмотреть в соответствующих формулах и ссылках. Одной из ранее реализованных проектов визуализации сейсмических данных на виртуальном глобусе было в [13].
Авторами рассматривались информационные системы для визуализации сейсмических наблюдений на виртуальном глобусе. Приведены сведения о современных средствах, основных элементах визуального представления данных.

3. Заключение

По результатам проведенных исследований представлена 3-D визуализация сейсмических данных на базе новых информационных технологий. В реальном времени по сейсмическим наблюдениям из мирового каталога, данные выносятся на виртуальный глобус. Визуализация таким образом осуществляется в виртуальном пространстве. Размещение сейсмических данных отражается на виртуальном глобусе в реальном времени, что позволяет видеть пространственное и глубинное их распределения. Вращение виртуального глобуса показывает распределение землетрясений на поверхности Земли, охватывает все сейсмоактивные регионы и демонстрирует необходимые закономерности их скоплений и путей распространения. Дальнейшее развитие работы предполагает интеграцию интеллектуальных модулей анализа — автоматического выявления кластеров и роев землетрясений, оценки закономерностей их миграции и прогнозирования потенциальных зон активизации [1,2, 6-10,14]. Использование машинного обучения и искусственных нейронных сетей в перспективе даст еще большие возможности в изучении сейсмичности.

Работа выполнена в лаборатории физики геодинамических и сейсмических процессов в рамках ПЦФ«Оценка сейсмической опасности территорий областей и городов Казахстана на современной научно-методической основе», шифр программы BR24992763 Источник финансирования - Министерство образования и науки Республики Казахстан

1.Абдуллаев А. У., Лютикова В. С., Литовченко И. Н. MACHINE LEARNING FOR INTELLIGENT PATTERN RECOGNITION METHODS FOR SEISMIC SAFETY. URL: http://dergipark.org.tr/tr/pub/sota/issue/93507 (дата обращения: 19.09.2025).
2. Курскеев А.К., Колумбетова К.К., Литовченко И.Н., Амиров Н.Б., Лютикова В.С. О физической природе магнитуды землетрясений//Межд.науч.-практ.конф. «Современные методы оценки сейсмической опасности и прогноза землетрясений». - Алматы, 2022. - 141-148.
3. Мировой каталог землетрясений [Электронный ресурс] // URL: http://www.earthquake.usgs.gov/earthquakes/search (дата обращения: 19.09.2025).
4. Курилов Ф. М. Средства визуализации структурированных данных в клиентских веб-приложениях // Технические науки в России и за рубежом : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Москва, июль 2014 г.). — Т. 0. — Москва : Буки-Веди, 2014. — С. 14-19. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/90/5910/ (дата обращения: 23.01.2023).
5. Ветров Ю. А. Визуализация данных. Наглядный и компактный способ отображения информации // URL: http://www.jvetrau.com/visualization/ (дата обращения: 19.09.2025).
6. Лютикова В.С., Исмаилова Р.Т. Современные средства распознавания образов (на примере роев землетрясений)// «Вестник Турана». - Алматы, 2022. - 5 с.
7. Лютикова В.С., Литовченко И.Н. Роевая активность в сейсмичности Северного Тянь-Шаня и прилегающих территориях // Межд.науч.-практ.конф. «Современные методы оценки сейсмической опасности и прогноза землетрясений. - Алматы, 2022. - 281- 287 стр.
8. Lyutikova V.S., Litovchenko I.N., Amirov N.B. Activation of Weak Seismicity as an indicator of the formation of source zone of strong earthquakes in the earth’s crust Northern Tien Shan // Материалы Межд.науч.-метод.журнала «Global Science and innovations 2022: Central Asia». - Нур-Султан, 2022. 3-7 стр.
9. Литовченко И.Н., Амиров Н.Б., Лютикова В.С. Распознавание образов роев землетрясений и их численные характеристики//Инновационные технологии и геопространственное цифровой инженерии. Межд.науч.-практ. Конф., Алматы, 2022. 549-555 стр.
10. Лютикова В. С., Литовченко И. Н. Искусственный интеллект в задачах сейсмологии, алгоритм и методы распознавания образов роев (на примере сейсмичности Северного Тянь-Шаня и прилегающих территорий). - Международный научно-практический журнал «In the world of science and education», Алматы, Казахстаню-2025, 21-25 стр. - doi: 10.24412/3007-8946-2025-15-21-25
11. Jordan T.H., Chen Y.T. Earthquake Early Warning and Intelligent Systems. Seismological Research Letters, 2021, 92(3), 1351–1362 стр.
12. Mousavi, S.M., Beroza, G.C. Machine Learning for Earthquake Monitoring and Prediction. Nature Reviews Earth & Environment, 2022, 3, 89–100 стр.
13. А. Бобков, А. Леонов, В. Чебров. Визуализация сейсмических данных на виртуальном глобусе https://sv-journal.org/2012-4/04/index.html (дата обращения: 19.09.2025).
14. Курскеев А.К. Гравитационное взаимодействие планет Солнечной системы и сейсмичность Земли «Эверо». Алматы. Казахстан. 2021. - С. 547.

Рецензии:

27.09.2025, 14:00 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В геологоразведке сейсмотомография широко применяется благодаря своей высокой точности и разрешающей способности. На международном уровне были предприняты значительные усилия по разработке программного обеспечения для трёхмерной геологической визуализации. Например, программное обеспечение Vulcan, разработанное австралийской компанией MAPTEK, визуализирует трёхмерные геологические модели с данными геологоразведки и предоставляет модули для проектирования дорог и моделирования карьеров, которые имеют решающее значение для планирования открытых горных работ. Mining Visualization System (MvS), разработанная американской компанией CTECH, позволяет визуализировать геологические модели и выполнять сопутствующий пространственный анализ. MvS обеспечивает истинно трёхмерное геологическое моделирование, статистический анализ, структурный анализ и геолого-инженерные расчёты [Ma, CY; Wang, ZC; Zhang, LH; Yao, YT; Qiao, YK. Новый метод трехмерного геологического моделирования и его применение в моделировании региона Чэнду-Чэнду. Northwestern Geol. 2022 , 55 , 82–92]. В статье "3-D ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА БАЗЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" автором исследуется 3-D визуализация сейсмических наблюдений на базе новых ИТ и приводятся сведения о современных средствах, и основных элементах виртуального представления сейсмических данных. Данная статья написана на актуальную тему. Автор пишет - "Получены результаты глобальной сейсмичности Земли и ее визуализации современными программными средствами". Рекомендую статью к публикации после доработки с изложением информации о программных средств использованных в данном исследование.

28.09.2025, 20:21 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Работа обладает всеми признаками новизны, практической актуальности,грамотно написана и интересно читается. Правда, со ссылками на литературные источники - небольшие некооректности. Во введении ссылка на работу по ранней визуализации под номером [14], а в заключении на эту же работу под номером [13], а на саму работу по взаимодействию планет [14] упоминания и ссылки нет. Ссылки [1,2, 6-9, 8, 9] - дважды цифра 9. Немного кое-где несогласование окончаний в связной фразе. Но рецензент положительно относится к данной работе, тем более что у него самого есть публикация на данную тему, но в обобщённом виде о наделении авторством 3-D,4-D приложений к научным публикациям. Рецензент рекомендует к печать данную работу после небольших коррективов, указанных им.

21.10.2025, 9:35 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Да, вы можете отслеживать динамику землетрясений онлайн с помощью различных платформ, предоставляющих данные в режиме реального времени, карты реального времени и инициативы гражданской науки. Такие ресурсы, как Национальный центр информации о землетрясениях Геологической службы США (USGS), GlobalQuake и веб-сайт EMSC, предлагают прямые трансляции, а приложения для смартфонов используют данные краудсорсинга для предоставления оповещений и отчётов о событиях. Однако, как пишет автор статьи "Размещение сейсмических данных отражается на виртуальном глобусе в реальном времени". Как можно контролировать землятресения по всему миру одновременно, т.к. на планете ежедневно происходит несколько тысяч землетрясений (типичный показатель - 1500), но большинство из них имеют низкую магнитуду и не ощущаются людьми.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий