Развитие методов сбора, обработки и анализа рядов данных в системе мониторинга вулканической активности Камчатки и Курил (ИС VSV)

Информационная система VolSatView обеспечивает специалистов вулканологов оперативными спутниковыми данными и инструментами их анализа для мониторинга вулканической активности Камчатки и Курил. В рамках нее ведется работа с временными рядами измерений радиояркостной температуры в зонах вулканической активности. Накопление регулярно поступающих спутниковых данных для формирования долгосрочной базы данных ведется на участках постоянного наблюдения, при этом для выбора такого рода участков могут использоваться различные подходы. Помимо непосредственного их выбора пользователем системы предложен метод автоматического определения участков наиболее интенсивной вулканической активности. Он использует ретроспективный анализ базы данных термальных аномалий, полученной по данным приборов VIIRS и MODIS. Совместное использование данных низкоорбитальных и геостационарных спутников потребовало разработки метода коррекции координат участков наблюдения. Это необходимо для достижения сопоставимости данных низкоорбитальных и геостационарных спутников, необходимого в связи с различием углов наблюдения в условиях влияния рельефа.

Разработанная в 2024 г. методика анализа временных рядов данных призвана отделить динамику температуры, обусловленную вулканической активностью, от динамики температуры, обусловленной прочими факторами. Это реализуется путем определения временного ряда фоновой динамики, с которым сопоставляется временной ряд динамики наблюдаемого объекта. Используется несколько подходов к определению фоновой динамики:

• данные, осредненные в скользящем окне, отображают сглаженный временной ряд с возможностью настройки размера скользящего окна;
• среднее многолетнее в заданный момент времени, определяемое как среднее за то же время того же дня других лет;
• среднее по окрестности, определяемое по температуре пикселов в окрестностях участка наблюдения, за исключением зоны предполагаемой активности;
• среднее, полученное по ряду Фурье, представляет собой временной ряд, синтезированный из низкочастотной динамики в зоне предполагаемой активности, отражающей сезонный ход, и высокочастотной динамики в ее окрестностях, отражающей случайные колебания за пределами вулкана.

Основным отличием подсистемы работы с временными сериями данных в ИС VolSatView является наличие фиксированных областей интереса (зон вулканической активности) и использование очень больших серий данных. Основным источником информации в данном случае являются данные спутников HIMAWARI-8/9 предоставляющих по 142 сцены в сутки (каждые 10 мин). По этим причинам для ускорения доступа к временным сериям данных они на постоянной основе кэшируются в специальной SQL базе данных. Это также позволяет достаточно быстро апробировать различные модели развития вулканической активности.
В тоже время скорость получения новых временных серий данных играет важную роль при необходимости оперативного расширения регионов интереса. Поэтому оптимизация блока получения временных серий данных, проведенная в 2024 году, позволила существенно сократить время, необходимое, в частности, для добавления в зоны интереса нового кратера в окрестностях вулкана Шивелуч.

В текущем году основные усилия были направлены на расширение арсенала средств, предоставляемых для анализа временных рядов. В сервисе слежения за активностью вулканов Камчатки и Курил (VolsatView) появилась возможность сравнивать данные в зонах наблюдения с различными модельными данными, а именно:

• изменение наблюдаемых параметров за пределами основной зоны наблюдения, в ближайшей её окрестности
• усредненные значения наблюдаемых величин за все время наблюдения в данный день года
• модельный фон, сконструированный с помощью разложения в ряды Фурье данных из зоны наблюдения и окрестности
• классический вариант усреднения методом скользящего окна.
• построение разности значений параметра наблюдения и любого из фонов, что позволяет оценить вклад сезонных и суточных изменений в наблюдаемые величины.

На рисунке 1 приведен пример построения на одном графике временного ряда параметра и различных типов фоновой динамики, описанных выше.

Рисунок 1 — Одновременное построение временного ряда параметра и различных типов фоновой динамики

К канальным данным был добавлен пересчет значений температурных каналов в тепловые потоки, рассчитываемые с учетом значений в каждой точке зоны наблюдения или фона. Также была реализована возможность показать временные области, в которых фиксировалась активность вулканов по данным, приводимым официальными организациями (в настоящее время реализована возможность сопоставление с данными станции приема KVERT, расположенной в Петропавловске-Камчатском). Пример использования этого режима приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Пример предоставления графиков по временным сериям наблюдений, на котором красным фоном выделена зона, описанная в данных KVERT как интервал времени, в который наблюдалась повышенная активность вулкана Безымянный

 
В 2024 г. также был реализован режим сравнения данных, получаемых с геостационарного спутника с данными низкоорбитальных спутников низкого разрешения (TERRA, AQUA, NPP и JPSS1). Кроме этого, в интерфейсе был реализован раздел помощи, включающий в себя следующие разделы:

• описание функций управления интерфейсом
• алгоритмы при определении положения зон наблюдений
• алгоритмы для вычисления дополнительных параметров.