GIS seismických jevů v Evropě

Dušan Vašíček
Institut ekonomiky a systémů řízení
VŠB – Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava – Poruba
E – mail: dusan.vasicek@centrum.cz

Abstract

Tato bakalářská práce předkládá vytvořený geografický informační systém zemětřesení, které byly registrovány na území Evropy.Postup řešení projektu je rozdělen na tři části. První část se zabývá sběrem dat a jejich popisem, ve druhé části je uveden převod těchto dat do potřebného formátu. V poslední části je popsán postup vytvoření grafické části projektu.
Zemětřesení lze zobrazit nad geologickou nebo tektonickou mapou. Součástí projektu je také možnost zobrazit hypocentra v prostoru pod digitálním modelem terénu.

Abstrakt

This bachelor thesis provides a created information system of earthquakes, which have been registered on European teritory.The procedure of project solution is devided in three parts. The first part involves data collection and description, the second describes the transfer of this data into required format. The last part solves the creation of a graphic part of the project.
Earthquakes can be displayed by a geological or tectonical map. The display of hypocentres in space under the digital model of terrain is also a part of the project.

1. Úvod

Kam až lidská paměť sahá, děsil lidstvo vždy obávaný a dosud neovládnutelný fenomén - zemětřesení. Je to velmi děsivý a stresující zážitek pro všechno živé na této planetě. Zobrazení nashromážděných dat spolu s geologickou a tektonickou mapou a případně i digitálním modelem reliéfu by mohlo napomoci lepšímu porozumění tomuto fenoménu. Předložená bakalářská práce se snaží ukázat možnosti vybudování takového informačního systému zemětřesení v Evropě

2. Získání dat

2.1 Seismická data

Data potřebná pro vytvoření databáze obsahující polohu zemětřesení v zadané oblasti jsem získal z publikace Víta Kárníka: Seismicity of Europe and the Meditarranean. K dispozici jsou údaje jak v analogové tak v digitální podobě.
Tento katalog vznikal v letech 1960 - 1967, postupně byl několikrát revidován. Díky rozšiřující se moderní seizmografické síti bylo možno zjistit a lokalizovat všechny seizmologické události o M >= 4, což znamená o půl až jednu jednotku magnituda níže než v první polovině 20. století. Oblast, kterou katalog pokrývá, je ohraničena souřadnicemi 26 až 74 stupňů severní šířky a 20 stupňů západní až 60 stupňů východní délky. V severní části oblasti byla západní hranice rozšířena z 20 stupňů západní délky tak, aby zahrnovala Grónsko, středoatlantický hřbet však zahrnut nebyl.

2.2 Data pro DMT Evropy

Hodnoty pro digitální model terénu jsem získal na Internetu z National Geophysical Datacenter. Projekt ETOPO5 je 5-ti minutová síť výškového profilu. Byla vytvořena z databáze jak výšek pevniny tak hloubek moří. Rozlišení je v intervalu 1 až 5 minut. V rozlišení 5 minut je 2160x4320 datových hodnot, na každých 5 minut zeměpisné délky a šířky jeden, což dává celkem 9 331 200 bodů. Hodnoty dat jsou v celých metrech. Z důvodu různorodosti zdrojových dat je přesnost těžko stanovitelná. Tyto zdroje byly shromážděny v roce 1988 do celosvětové 5-ti minutové sítě Margem Edwardsem.

2.3 Tektonická a geologická mapa

Obr č. 1 Tektonická mapa

Obr č. 2 Geologická mapa

Obě mapy zobrazují shodné území, jsou v měřítku 1 : 10 000 000 - vydáno na území bývalého SSSR.

V době zpracování této bakalářské práce zároveň vznikala geologická mapa Evropy v měřítku 1 : 5 000 000, projekt IGME 5 000. Tento projekt bude zahrnovat více než 50 evropských a sousedních zemí. Bohužel ještě není k dispozici, nemohl jsem ji tedy použít.

3. Převod dat

Údaje o epicentrech jsem převedl do formátu XLS (Microsoft Excel). Hodnoty pro období od roku 1800 do roku 1900 jsou uloženy v jediném souboru. Pro každý další rok je vytvořen samostatný soubor. Celkem jsem měl k dispozici 14 885 použitelných záznamů.

Ze zdrojových tabulek jsem použil sloupce pro datum a čas registrovaných jevů, jejich souřadnice, hloubku v kilometrech a hloubkový interval. Interval je zahrnut, protože ne u všech jevů je udána hloubka v km. U každého však znám rozpětí v km, ve kterém dané hypocentrum leží. Další tři sloupce označené M1, M2 a I jsou pro vyjádření síly daného jevu. M1 představuje magnitudo naměřené z povrchových vln a M2 jsou hodnoty z objemových vln. Poslední ze jmenovaných označuje intenzitu zemětřesení.
Obě mapy jsou vytvořeny v Lambertově kuželovém zobrazení v normální poloze. Jde o jednu z nejpoužívanějších projekcí v USA.Pro toto zobrazení je však nutno znát obě rovnoběžky protínající pomyslný kužel. Ani jedna z map však takovou informaci neudává. Není proto možné mapy usadit do souřadného systému, ve kterém byly vyhotoveny. Z tohoto důvodu jsem zavedl vlastní souřadnicový systém. Jeho počátek leží v levém dolním rohu mapy. Pro zobrazení v ArcView je třeba zeměpisnou šířku a délku všech ohnisek přepočítat do pracovních souřadnic.
Pro obě mapy jsem použil transformaci po pásech. K tomuto postupu jsem změřil rozměry obou map. Protože je geologická mapa dělena po 4 stupních a široká 600 mm, zvolil jsem ji jako výchozí pro transformaci, protože má podrobnější dělení.
Celou mapu jsem rozdělil na 12 pásů po 4 stupních. Pás na spodním okraji mapy jsem z transformace vypustil, protože není zobrazen celý a nespadají do něj žádná ohniska zemětřesení.

Obr č. 3 Transformace po pásech

Transformace probíhá ve čtyřech krocích (vychází ze zákonitostí pravoúhlého trojúhelníka):
1. Kolik mm připadá na 1 stupeň zeměpisné šířky. Prodloužením poledníků jsem získal jejich průsečík - bod 0. Postupně jsem změřil vzdálenosti počátku a konce každého pásu od okraje mapy. Požadavek změření těchto vzdáleností vyplývá z použitého zobrazení. V každém pásu předpokládám konstantní rozložení y-ové hodnoty. a = (lk - lz) / ("fi" k - "fi" z)

2. Velikost r udává vzdálenost mezi počátkem a ohniskem (v mm): r = lz + ("fi" k - "fi" z) * a

3. Výpočet x a y. Protože 20. poledník je kolmý k x-ové souřadnici mapy a zároveň ji rozděluje na dvě poloviny, usnadňuje tím značně výpočet. x = r * sin alfa; y= r * cos alfa
pro úhel alfa platí: alfa = velikost zeměpisné délky daného epicentra - 20°. Pokud je ohnisko na západní polokouli, počítá se s touto hodnotou jako zápornou. Zde je navíc nutno provést korekci jednotkového úhlu. A to z toho důvodu, že úhel na mapě není roven úhlu ve skutečnosti. Např. úhel naměřený v mapě má mít 140° (60° západně až 80° východně), ale ve skutečnosti má velikost pouhých 113°, čili jeden stupeň na mapě = 0,8071428° ve skutečnosti. Proto jsem zavedl konstantu, kterou každý úhel násobím: k = 0,8071428. Výpočet hodnot x a y po úpravě vypadá takto:
x = r * sin (alfa * 0,8071428)
y = r * cos (alfa * 0,8071428)

4. Souřadnice X a Y v mapě: Rozměry mapy jsou 600 x 616 mm. Jako počátek souřadné systému jsem zvolil levý dolní roh. Z toho vyplývá: X v mapě = x + 300; Y v mapě = 616 - y + 107

Stejnou transformaci jsem použil i pro data DMT. Hodnoty DMT jsem převedl do formátu MDB (Microsoft Access). Po zredukování na danou oblast má databáze 805 043 záznamů. K těmto záznamům jsem opět přidal a vypočítal hodnoty X a Y pro zobrazení v ArcView. Toto množství je však příliš velké a proto je třeba provést redukci. Nejprve jsem vybral každý druhý řádek a sloupec, poté jsem celou proceduru ještě jednou zopakoval. Oblast jsem následně rozdělil na horní a spodní část, protože v daném zobrazení se v horní části body sbíhají a ve spodní části rozbíhají. Pro horní polovinu jsem provedl ještě jedno dodatečné zjednodušení.

4. Vytvoření grafické části projektu

4.1 Dvourozměrná část

Pro vytvoření modelu oblasti Evropy jsem použil aplikaci ArcView od firmy ESRI.Zde je nutné otevřít soubor (databázi), ze kterého aplikace vybírá položky jako souřadnice bodů. Načítají se odsud také údaje, které informují o vlastnostech jednotlivých bodů. V tomto případě jsem zvolil databázi "20_stol.dbf¨". Po načtení databáze je otevřena tabulka, ze které jsem vytvořil zobrazení (View). Pomocí funkce "Add Event Theme" z menu "View" jsem vybral tabulku "20_stol" a přiřadil odpovídající sloupce X a Y souřadnicím. Tuto vrstvu jsem pak pomocí volby "Convert to Shapefile" v nabídce "Theme" uložil do formátu ArcView Shapefile pod názvem "Epicentra.shp".
Jako další krok jsem přes "Add Theme" z menu "View" přidal dvě vrstvy - tektonickou a geologickou mapu.

Obr č. 4 Epicentra ve 2D (tektonická mapa + označená oblast Islandu)

4.2 Třírozměrná část

Nejprve je do ArcView potřeba přidat funkci rozšiřující jeho možnosti. V nabídce "File" jsem zvolil položku "Extensions". Pro tuto práci je nezbytný modul "3D Analyst". V okně projektu tím přibyla nová ikona "3D Scenes" a v menu aplikace položka "Surface".
Otevřel jsem databázi "dmt.dbf" a zobrazil přes funkci "Add Event Theme". K vytvoření digitálního modelu terénu je ještě nutno vytvořit hranice území pro správné vykreslení.
V menu "View" jsem zvolil "New Theme" a následně vybral možnost "Polygon". Nové téma jsem pojmenoval "Orez.shp". Na tlačítkové liště jsem použil "Draw Polygon" a zadával body, které těsně obepínají vykreslenou vrstvu "Dmt.dbf". Tím vznikla vrstva, která bude použita jako hranice při generování digitálního modelu terénu. Zobrazení této vrstvy jsem upravil pomocí "Edit Legend" v menu "Theme" tak, aby barva výplně byla průhledná a tloušťka čáry byla 2 body.
Pro vytvoření TINu slouží položka "Create TIN from Features" v menu "Surface". Je ale nutno mít vybrány obě vrstvy (Orez.shp a Dmt.dbf).
Aby bylo možno zobrazovat hypocentra pod terénem nebo pod mapou, je třeba je uložit do formátu 3D Shapefile. K tomu slouží funkce "Convert to 3D Shapefile" v nabídce "Theme". Použiji typ "Attribute", jako souřadnici Z pro hloubku v km.

Obr č. 5Hypocentra ve 3D

5. Popis projektu

Projekt obsahuje vytvořené "View" s těmito vrstvami:

• Epicentra
• Tektonická mapa
• Geologická mapa

Při aktivním zobrazení view jsou v liště tlačítek funkční tyto předdefinované dotazy:

• Výběr podle magnituda
• Výběr podle data
• Výběr podle hloubky

Tyto dotazy pracují stejně. Na základě zadaných mezí vyhledají všechny jevy vyhovující těmto podmínkám a ty zvýrazní. Hodnoty ve formulářích po posledním hledání zůstávají zachovány pro zpětnou kontrolu. V případě hloubky a magnituda má uživatel možnost zvolit, zda budou do výběru zahrnuty i ty jevy, které byly v databázi upraveny (magnitudo) a které jsou navíc v určitém intervalu (hloubka).

V části 3D Scenes jsou vrstvy:

• TIN
  
• Hypocentra
  

Také pro 3D zobrazení jsou k dispozici výše uvedené dotazy. Jejich výsledky lze kombinovat pomocí standardního nástroje aplikace ArcView - Query Builder.

6. Závěr

Cílem mé bakalářské práce bylo vytvořit geografický informační systém seismických jevů v Evropě. Ten obsahuje databázi seismických jevů na území Evropy, geologickou a tektonickou mapu této oblasti a příslušející digitální model terénu. Z důvodu neúplnosti podkladových map, které jsem měl k dispozici, není možné projekt zobrazovat v zeměpisných souřadnicích, což vedlo k vytvoření pracovního souřadnicového systému. Zeměpisné souřadnice epicenter a DMT jsem do tohoto pracovního systému převedl. Taktéž databáze zemětřesení musela být pro další práci modifikována. Všechny změny byly v databázi zdokumentovány. Pro výběr epicenter byly vytvořeny předdefinované dotazy, konkrétně podle data, hloubky a síly zemětřesení. Na příkladu jsem se pokusil ukázat, jak s projektem pracovat a jaké výsledky lze získat.

Projekt dokumentuje zaregistrované jevy a umožňuje prostorové znázornění hypocenter pro usnadnění následné interpretace.
Některé výsledky byly prezentovány formou posteru na 11. regionální konferenci s mezinárodní častí - "Laboratorní a terénní bádání v seismologii a inženýrské geofyzice".

Literatura

1. Jiří Kárník - Seismicity of Europe and the Mediterranean, Geophysical Institute of the Academy of Sciences of the Czech Republic a StudiaGeo s. r. o., Praha 1996
2. ArcNews Vol. 23 No. 2 - ESRI International User Conference Issue, Summer 2001
3. K. Müller a kolektiv - Základy hornické geofyziky, SNTL/ALFA, Praha 1985
4. http://www.earthsensing.com/cart/notes/lecture4.html
5. http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/seltopo.html

Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.