Модель QGIS Processing для спрощення первинного сейсмічного мікрозонального аналізу¶

Інститут геології навколишнього середовища та геоінженерії (Institute of Environmental Geology and Geoengineering, IGAG) національного дослидницького центру (National Research Council, CNR) знаходиться в Римі, у дослідницькому центрі «Roma-1». Він був створений у 2002 р. шляхом реорганізації дослідницьких інститутів та центрів, що працювали у своїх галузях понад 40 років. IGAG цікавить широкий спект наукових тем, пов’язаних з науками про Землю, але основними є:

екологічна геохімія та відновлення забруднених ґрунтів та вод;
родовища корисних копали та переробка мінеральної сировини, включаючи очищення стічних вод;
геоінженерія та безпека гірничих виробок;
нещодавні геологічні зміни;
пом’якшення наслідків стихійних лих;
геоархеологія та археометрія;
морська геологія;
геоматика, ГІС-аналіх та розробка.

Вивчення первинного сейсмічного мікрозонування регіона П’єтрамонтекорвіно (Апулія, Південна Італія, розташована вздовж Центрально-Південного Апенінського хребта) — частина проекту у співпраці з басейновим управлінням Апулії (Puglia AdB) та Департаментом геології та геофізики (DGG) університету Барі, метою якого є сейсмічне мікрозонування 63 муніципалітетів в регіоні Фоджа. Роботи проводяться за підтримки Італійського Департаменту Цивільного Захисту (DPC) та фінансуються Міжвідомчим комітетом економічного планування(CIPE n. 20/2004).

Інструмент для вивчення первинного сейсмічного мікрозонування¶

Сейсмічне мікрозонування оцінює сейсмічну небезпеку на місцевому рівні шляхом визначення територій з одноріднимою сейсмічною поведінкою. Метою первинного сейсмічного мікрозонування є визначення літологічних характеристик та геометрії геологічниї блоків, що характеризують такі ділянки (мікрозони).

Аналіз пошкоджень внаслідок землетрусу часто показує зміни на місцевому рівні, які спричинені не тільки геологічними структурами, але й якістю та типом будівельних конструкцій, що призводить до різного рівня сейсмічної небезпеки.

Сейсмічне мікрозонування оцінює місцевий рівень сейсмічної небезпеки шляхом виявленя територій, що характеризуються однорідною сейсмічною поведінкою.

Основні принципи та критерії сейсмічного мікрозонування 2008 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137) описують стандарти проведення сейсмічного мікрозонування Італії; розрізняють три рівні глибини (від 1 до 3).

Сейсмічне мікрозонування першого рівня складається з наступних тематичних карт:

Карта дослідження, що містить результати вивчення сейсмічного мікрозонування
Гео-літологічна мапа, отримана з великомасштабної геологічної та геоморфологічної мап, інтегрує наявні літологічні, статиграфічні та геотектонічні дані, пов’язані з польовими роботами
Мапа сейсмічного мікрозонування першого рівня (результат мікрозонування 1 рівня), визначає мікрозони трьох категорій
- стабільні зони
- стабільні зони, cхильні до наземної ампліфікації
- нестабільні зони

Метою цієї роботи є створення методики обробки топографічних, геологічних, геофізичних та геотехнічних даних, необхідних для проведення сейсмічного мікрозонування першого рівня, за допомогою інструментів з відкритим кодом.

Редактор моделей, що входить до складу QGIS, був використаний для створення простої моделі. Ця модель служить для автоматизації одного з етапів підготовки карт сейсмічного мікрозонування першого рівня, а саме ідентифцікації нестабільних зон.

Модель використовує різне вільне програмне забезпечення та бібліотеки (GRASS, GDAL, QGIS), демонструючи доцільність використання QGIS в якості спрощеного та уніфікованого інтерфейсу до гетерогенних інструментів GFOSS (рис. 1).

Geoprocessing model — Рис. 1. Розроблена модель¶

В якості вхідних параметрів модель приймає (рис. 2):

shape-файл горизонталей з атрибутом, що містить значення висот;
назва поля зі значеннями висот;
бажана роздільна здатність DEM та растру схилів у метрах (за замовчанням 10);
полігональний shape-файл, з якогу будуть відібрані об’єкти, що попадають у зони з крутизною схилів більше 15 градусів;
розміщення вихідного полігонального шару.

Model input form (left) and execution log (right) — Рис. 2. Вхідні дані моделі (зліва) та інформація про виконання (справа).¶

Після запуску модель виконує наступні операції:

інструмент GRASS v.to.rast.attribute конвертує значення висот горизонталей у растр вказаної роздільної здатності;
інструмент GRASS ``r.surf.contour``генерує модель висот на основі растру, створеного на попередньому кроці;
за допомогою gdaldem генерується растр крутизни схилів;
за допомогою r.mapcalculator визначаються області з крутизною схилів більше 15 градусів за формулою:

if(A>15,1,null())

де A — растр крутизни схилів, створений gdaldem;

за допомогою gdal_polygonize растр конвертується у полігони;
Для визначення об’єктів, що попадають у зони з крутизною схилів більше 15 градусів використовується інструмент Intersection.

Отриманий полігональний шар містить потенційно нестабільні зони через крутизну схилів більше 15 градусів та автоматично генерується з тематичних карт, таких як карта зсувів (рис. 3) або літологічна карта.

The model output (in red) shows highly unstable areas extracted from a landslides layer (orange) — Рис 3. Результат роботи моделі (червоний) показує нестабільні території, отримані з шару зсувів (помаранчевий).¶

Підсумки¶

Ця робота показує, що відкриті ГІС-інструменти, такі як QGIS, GRASS, GDAL, можуть успішно використовуватися для просторового аналізу та обробки даних з метою проведення сейсмічного мікрозонування першого рівня. Ми використовували QGIS в якості спрощеного та уніфікованого інтерфейсу до різних GFOSS інструментів; редактор моделей дозволяє інтуїтивно створювати моделі обробки, які можна легко розповсюджувати. Інструмент використовує можливість QGIS об’єднувати різні алгоритми, задавати вхідни та вихідні параметри та залишає за програмним забезпеченням такі задачі як створення проміжних результатів. Використання алгоритів GRASS не потребує створення областей даних GRASS, що значно спрощує модель. Подальше вдосконалення включає створення набору інструментів та моделей, на базі вільного програмного забезпечення, які будуть спрощувати та прискорювати просторовий аналіз необхідний для сейсмічного мікрозонування.

Посилання¶

Baldassarre; Gallicchio, S.; Giannandrea, P. & Tropeano, M.: «Relazione Finale Geolitologica per la microzonazione sismica di livello 1dei Comuni della Provincia di Foggia Dipartimento di Geologia e Geofisica dell’Università di Bari, 2011»
Cavinato,G.P.; Cavuoto, G.; Coltella, M.; Cosentino, G.; Paolucci, E.; Peronace, E. & Simionato, M.: «Studio di fattibilità per il monitoraggio e la messa in sicurezza delle aree urbane a rischio di stabilità statica e vulnerabilità strutturale del Comune e della Provincia di Foggia - CIPE 20/2004 Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria, 2013, 526»
Contributi per l’aggiornamento degli «Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica « 2008. Ingegneria sismica, Pàtron Editore Bologna, 2011 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB28083)
Gruppo di lavoro MS, 2008. Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della protezione civile, Roma, 3 vol. e Dvd, Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento di Protezione Civile, 2008, 424. (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137)

Автори¶

Giuseppe Cosentino та Francesco Pennica (www.igag.cnr.it) надіслали цю статтю у березні 2015 р.

Giuseppe Cosentino <g.cosentino@igag.cnr.it> геолог та технолог, що спеціалізується на географічних інформаційних системах управління геологічними та техногенними ризиками. Він працює в області сейсмічного мікрозонування та охорони навколишнього середовища на забруднених територіях. Цікавиться: геологічними та природними небезпеками, картографією, структурною геологією, пошуково-розвідним бурінням.

Francesco Pennica надає послуги з розробки ГІС та веб-ГІС а також управління даними: GeoServer, MapServer, ArcGIS Server, сервіси на базі стандартів OGC та GeoNetwork, мви програмування та фреймворки Java, HTML, CSS, Javascript, Python, PHP, розробку веб-ГІС фронтендів на OpenLayers, ExtJS, GeoExt, JQuery, GWT, Ext-GWT, Google Maps API, управління базами даних PostgreSQL, PostGIS, настільні ГІС та розробка сценаріїв (ArcGIS, GRASS, інструменти GFOSS), налаштування та супровід програмного забезпечення на сервераз та робочих станціях під управлінням Linux та Windows.