Многокомпонентные модели и алгоритмы анализа аномальных геофизических сигналов

Актуальность

Настоящая работа посвящена моделированию процессов обработки геохимических данных с целью обнаружения аномальных эффектов геохимических сигналов и выделения периодов высокой сейсмичности.

В качестве поисковых критериев возникновения геохимических аномалий рассматриваются изменения химических показателей или концентрации отдельных компонентов подземных вод и подпочвенных газов. Возможность использования отдельных геохимических параметров в качестве поисковых критериев предсказания землетрясений неоднократно подтверждалась исследованиями в различных сейсмоактивных районах страны. В широком комплексе методов, используемых для прогноза землетрясений (сейсмологические, гидрогеодинамические и др. методы), роль геохимических методов представляется наиболее эффективной на стадии краткосрочного прогноза. Для каждой конкретной зоны выявление комплекса присущих ей предвестников землетрясений и изучения характера их проявления происходит на базе многолетних наблюдений. И, несмотря на то, что проблема поиска и прогноза землетрясений исследуется достаточно давно, вариабельность геохимических полей во времени в настоящее время недостаточно изучена и особенно их дифференцированности в различных сейсмоактивных областях. В настоящее время интерес к исследованию и разработке методов обработки геохимических данных сильно возрос. Это также связано со значительным ростом производительности вычислительных средств и появлению новых научных знаний и методов обработки временных рядов.

Поскольку вариации компонентов имеют достаточно сложную структуру, а также в связи с практическим отсутствием представительной статистической выборки, задача обнаружения и классификации аномалии является весьма сложной. Аномальное поведение компоненты может содержать резкие всплески концентраций, сопровождаться серией пиков. Относительная величина и временная протяженность таких аномалий зависит от интенсивности и длительности процесса трещинообразования, температуры и др. факторов. Построение формальных моделей в этом случае весьма затруднительно. Результаты исследований в своем большинстве относятся к низкочастотным составляющим колебаний концентрации геохимических компонентов и свидетельствуют о возможности предсказания длительных периодов (5-3 мес.) высокой сейсмичности. Для анализа устойчивых изменений производят процедуру сглаживания и это, несомненно, влечет потерю информации. Однако, зачастую, наряду с положительными аномальными изменениями отдельных параметров отмечаются короткопериодные скоротечные вариации, что весьма важно для оперативного прогноза землетрясений и используемые методы в этом случае нельзя считать достаточно эффективными. Для оценки периодических изменений компонент временного ряда широко применяются ряды Фурье, но в данном случае наличие в сигналах резких пикообразных вариаций компонентов и ступенеобразных особенностей, ставят под сомнение эффективность методов спектрального анализа. В тоже время существует сравнительно новая математическая конструкция, названная вейвлет-анализ, которая позволяет исследовать сигнал с достаточной степенью локализации и выявить характер подобной особенности в сигнале. Вейвлет-анализ является одним из наиболее эффективных современных методов детального изучения закономерностей нестационарных временных рядов.

В связи со сказанным актуальным является разработка новых методов обнаружения и классификации аномальных эффектов геохимических данных.

В диссертационной работе автором разработан новый подход к построению алгоритмов обработки геохимических данных, который предполагает совмещение модели авторегрессии - проинтегрированного

Научную новизну работы составляет:

1. Способ решения задачи обработки и обнаружения аномального поведения геохимических данных на основе совмещения модели авторегрессии - проинтегрированного скользящего среднего и быстрого вейвлет преобразования.  

2. Алгоритм классификации выявленной аномалии, основанный на использовании вейвлет - преобразования сигнала.  

3. Способ использования вейвлетов, построенных на основе сплайнов, обеспечивающий повышение эффективности и качества обработки данных.  

4. Конструкция вейвлет-пакетов, улучшающая частотную локализацию при проведения детального анализа выявленной аномалии в динамике геохимического компонента. 
   

Исследование и разработка математических моделей и численных алгоритмов для решения задач обнаружения аномалий при обработке геохимических данных : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.18 : Петропавловск-Камчатский, 2003 185 c. РГБ ОД, 61:04-5/379-3