Задачи лаборатории

Лаборатория создана для развития новых подходов к обработке больших объемов сложной геофизической информации на основе технологий географических информационных систем (ГИС) и методов нечеткой логики и нечеткой математики. Предусматривается развитие новых математических подходов и адаптация существующих методов распознавания образов для изучения магнитного поля Земли и решения других геофизических задач. Отдельной обширной задачей является развитие методов распознавания возмущений с заданной морфологией на временных рядах геомагнитных данных. Деятельность лаборатории осуществляется по следующим направлениям:

1. Распознавание образов
• Развитие теоретико-алгоритмической базы распознавания;
• Создание авторских программных продуктов;
• Задачи распознавания по магнитным данным;
• Другие геофизические и геологические задачи распознавания;
2. Создание аналитической многодисциплинарной ГИС
• Составление многодисциплинарных баз геопространственных данных по наукам о Земле;
• Создание и публикация тематических ГИС-сервисов в сети Интернет;
• Адаптация разработанных в ГЦ РАН алгоритмов распознавания образов и их интеграция в единой геоинформационной среде с базами геопространственных данных;
3. Развертывание магнитных наблюдений и создание российского сегмента ИНТЕРМАГНЕТ
• Создание пяти новых российских обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ как совместных обсерваторий ГЦ РАН и институтов региональных отделений РАН;
• Осуществление мобильных магнитных наблюдений;

Актуальность направления исследований

Для современного этапа развития геофизики характерен переход от моделей общего характера, основанных в основном на применении общих физических закономерностей, к моделям описания конкретных геофизических объектов и структур. Объекты геофизических исследований обычно обладают сложной внутренней структурой и изменяются со временем. Для таких объектов критерий повторяемости условий опыта (в отличие от более простых физических систем) может не выполняться. Следствием этого является определенная общность методологических подходов между геологией и геофизикой и областями гуманитарного знания со значительной нечеткостью используемых понятий и характеристик и большой ролью трудно формализуемого мнения отдельных экспертов.

Нечеткая информация обычно обрабатывается специалистами-экспертами. Однако, ввиду огромного объема исходных данных, такое решение может оказаться практически нереализуемым. Отсюда возникает задача автоматизированного анализа большого объема фактической информации при отсутствии вполне четко и однозначно сформулированных критериев и признаков исследуемых объектов. Для решения таких задач используются методы распознавания образов, в частности, экспертные системы и алгоритмы обработки данных на основе нечеткой логики. Также для этих целей разрабатываются и используются методы кластеризации и морфологического анализа.

Опыт сопоставления получаемых результатов с результатами применения классических подходов (например, статистических) дает основание предположить, что методы, разрабатываемые в ГЦ РАН, оказываются эффективнее при определенной нехватке фактической информации и/или при обработке более сложно устроенных сигналов. В этих случаях классические методы дают менее устойчивые результаты. Наоборот, при достаточном объеме данных для эффективной работы классических статистических методов, они оказываются эффективнее (за счет большей простоты реализации и большей определенности получаемых результатов).

Интенсивное накопление пространственных данных требует использования эффективных и современных информационных технологий анализа. Для получения новых фундаментальных научных обобщений перспективным подходом является использование современных ГИС, предоставляющих доступ к данным различной тематики и позволяющих выполнять как традиционные операции по работе с массивами пространственных данных, так и сложный анализ. Создаваемая ГИС предназначена для организации сбора и накопления тематической информации и предоставления на основе ее анализа и обработки достоверных природных, социально-экономических, экологических, статистических и иных данных с привязкой к конкретным географическим объектам (областям).

Основные достижения лаборатории

Созданный лабораторией новый подход к дискретным данным называется дискретный математический анализ (ДМА). Он основан на моделировании дискретных аналогов фундаментальных математических понятий с помощью нечеткой логики. ДМА представляет собой серию алгоритмов для анализа данных: кластеризации, трассирования, сглаживания и прогнозирования временных рядов, их морфологического анализа, поиска в них трендов и так далее.

ДМА имеет две группы приложений к анализу данных. Первая группа приложений связана с поиском сгущений в конечных метрических пространствах. К ней относятся алгоритм кластеризации «Роден», алгоритм выявления сгущений «Кристалл» и алгоритм «Монолит» для обнаружения плотных областей в многомерных массивах геофизических данных. Вторая группа — распознавание возмущений на временных рядах. В рамках ДМА созданы алгоритмы DRAS и FLARS, являющиеся моделированием логики интерпретатора, с целью ее дальнейшего автоматизированного использования для анализа больших массивов данных, и FCARS, выполняющий также определение границ аномалий. На основе методов ДМА и нечеткой логики разрабатывается серия алгоритмов, направленных на автоматизированное распознавание возмущений на магнитограммах.

В лаборатории ведутся работы по созданию многодисциплинарной аналитической ГИС, включающей в себя цифровые тематические карты по территории России и сопредельных государств, а также всего мира. Непрерывно ведется информационное наполнение базы пространственных данных системы тематическими слоями, полученными из многочисленных российских и зарубежных научных институтов и учреждений. Доступ к пространственным данным в виде тематических цифровых карт осуществляется с помощью картографических веб-сервисов. Все цифровые слои пространственных данных и соответствующая атрибутивная информация хранятся централизованно на ГИС-сервере с обеспечением доступа в многопользовательском режиме. Доступ к описанию ГИС, метаданным, а также опубликованным веб-сервисам осуществляется посредством единого веб-ресурса: http://gis.gcras.ru/.

Веб-ресурсы

• Интеллектуальная ГИС «Данные наук о Земле по территории России»;
• Аналитическая ГИС для комплексного изучения, прогнозирования и оценки стратегического сырья России;
• Интерактивная ГИС многокритериальной оценки сейсмической опасности;
• Параметры космической погоды;
• База данных виртуальных магнитограмм.
• Прогнозирование положения аврорального овала и его интенсивности