Научно-техническая программа ИРН BR18574092, сроки выполнения 2023-2024 гг.

Руководитель программы: Жантаев Ж.Ш., доктор физико-математических наук.

Актуальность:

В разрезе нашей страны, вопрос мониторинга трансграничных территорий в настоящий момент стоит наиболее остро, так как изучаемый регион подвержен различным опасным процессам природно-техногенного характера. К регионам повышенного риска можно отнести Прикаспийский регион и Горный Алтай, где интенсивно добываются полезные ископаемые. В настоящее время, акватория Каспийского моря находится в повышенном экологическом стрессе на фоне интенсификации морской добычи и разведки углеводородного сырья, это определяет важность продолжения совместных работ с РФ по данному региону. Комплексный мониторинг и продолжение исследований по оценке множественных опасностей довольно актуален для обеих стран. Создание совокупности автоматизированных инструментов по мониторингу ЧС со встроенной системой оценки мер и последствий существенно улучшит процесс управления бедствиями, что включает в себя систематические процессы использования административных решений, действия по преодолению последствий и для уменьшения воздействия стихийных бедствий и связанных с ними экологических и техногенных катастроф.

Цель программы:

Создание системы совместного наземно-космического исследования и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера, позволяющей отслеживать состояние потенциально опасных объектов, влияющих на интенсивно развивающиеся трансграничные регионы РК и РФ (Каспийского региона и Горного Алтая) в режиме близкого к реальному времени, оперативно выявлять аномальные геодинамические проявления, очаги пожаров, зоны затопления, нефтяные разливы и др., и реализации моделирования и прогнозирования динамики их развития с целью минимизации экономических потерь и выработке рекомендаций по их предотвращению.

Задачи:

В соответствии с решением Межгосударственного совета по космосу СНГ от 22-23 января 2020 года в г. Минск планируется дальнейшее реализация Межгосударственной аэрокосмической системы мониторинга (МАКСМ) в 2022-2024 гг. с привлечением научных организации Республики Казахстан, Российской Федерации и Республики Беларусь для выполнения существующих и отработки новых актуальных задач по космическому мониторингу трансграничных регионов акватории Каспийского моря, Прикаспийской впадины и горного Алтая для оценки опасности, и снижения последствия от ЧС. В том числе:

Разработка системы космического мониторинга и моделирования активных лесных и степных пожаров, и оценка выгоревших территорий трансграничных областей РК и РФ;

Разработка новых подходов и методики обработки больших данных (big data) дистанционного зондирования загрязнения с моделированием нефтепродуктами акватории Каспийского моря, в том числе на основе искусственных нейронных сетей (Artificial neural networks).

Разработка системы оперативного космического мониторинга и моделирования наводнений и паводков в трансграничных бассейнах рек РК и РФ.

Построение комплексной геодинамической модели земной коры трансграничных регионов Горного Алтая с применением современных методов вычислительной геомеханики и эмпирических GPS-данных о движениях земной поверхности с созданием 3Д моделей местности.

Разработка экспертной системы космического мониторинга пожаров (лесных и степных пожаров, выгоревших территорий) и наводнений для автоматизированной оценки масштабов и степени чрезвычайной ситуации.

Разработка методики анализа косвенных эффектов от предупреждения и ликвидации ЧС (минимизации жертв, расходов бюджетных средств, экологический эффект и т.д.) при применении космических средств.

Ожидаемые результаты:

  • Автоматизированная система космического мониторинга и моделирования активных лесных и степных пожаров, и оценка выгоревших территорий трансграничных областей РК и РФ;
  • Новые подходы и методики обработки больших данных (big data) дистанционного зондирования с моделированием загрязнения нефтепродуктами акватории Каспийского моря;
  • Модели прохождения паводковых вод и наводнений с использованием данных космического зондирования и наземных измерений, в процессе выполнения которого формируются обзорные карты состояния водной поверхности исследуемой территории с выделением зон затопления и моделированием развития ситуации;
  • Комплексная геодинамическая модель земной коры трансграничных регионов Горного Алтая с применением современных методов вычислительной геомеханики и эмпирических GPS-данных о движениях земной поверхности с созданием 3Д моделей местности;
  • Модели распространения пожаров (лесных и степных пожаров, выгоревших территорий) и наводнений для автоматизированной оценки масштабов и степени чрезвычайной ситуации;
  • Методика анализа косвенных эффектов от предупреждения и ликвидации ЧС (минимизации жертв, расходов бюджетных средств, экологический эффект и т.д.) при применении космических средств.

Для решения задач космических исследований ЧС будут применены следующие модернизированные методы и методики:

  • метод оперативного космического зондирования пожаров, в процессе выполнения которого формируются карты очагов пожаров с привязкой к населенным пунктам на основе ночных и дневных космоснимков (6-8 раза в день), карты – маски и таблицы величин, выгоревших и пострадавших от пожаров площадей на территории области, модели распространения пожаров и их верификация к местности и климатическим условиям;
  • ГИС-технология оценки риска возникновения пожаров на основе многолетних данных ДЗЗ, проведение общего анализа и тестирование результатов космического мониторинга пожаров, выделить зоны с высокой степенью риска возникновения пожаров.
  • ГИС-технология оценки степени риска затопления территории на основе многолетних результатов космического мониторинга, 3Д модели местности, построение тестовых карт зон риска затопления;
  • метод детектирования нефтяных разливов на акватории Каспийского моря с использованием радиолокационных и оптических снимков и модели распространения нефтяных разливов и их верификация к местности и климатическим условиям;
  • метод исследования геодинамических процессов с использованием GPS данных, обработка специализированным программным комплексом GAMIT\GLOBK;
  • математическое моделирование геомеханического состояния верхней части земной коры с использованием комплекса геолого-геофизических, спутниковых данных.

Достигнутые результаты:

Разработаны модули загрузки и предварительной обработки спутниковых данных для системы космического мониторинга активных лесных и степных пожаров. Разработаны новые модули автоматизированной системы космического мониторинга активных лесных и степных пожаров и алгоритмы оценки выгоревших территорий трансграничных областей РК и РФ. Разработана автоматизированная система космического мониторинга активных лесных и степных пожаров, и оценка выгоревших территорий трансграничных областей РК и РФ. Система космического мониторинга позволяет оперативно отслеживать состояние потенциально опасных очагов возгорания, контролировать динамику их развития, автоматически оценивать выгоревшую площадь, и мгновенно рассылать информацию о пожарах через мессенджер Telegram.

Разработана система оперативного космического мониторинга наводнений и паводков в трансграничных бассейнах рек РК и РФ. Обработка снимков вручную является трудоемким и время затратным процессом, что сильно влияет на оперативность получения данных и интерпретации результатов обработки снимков. Это является очень важным критерием реагирования и принятия решений при возникновении ЧС различного масштаба. В рамках данной задачи выполнены следующие работы: разработана и автоматизирована методика для оперативного мониторинга паводков и наводнений с использованием снимков низкого разрешения; разработана методика получения водной поверхности по данным со спутника Sentinel-1; разработана и автоматизирована методика определения водной поверхности по данным среднего разрешения. Все полученные при выполнении задачи данные будут использоваться в последующих этапах программы в качестве первичных данных для моделирования паводков и наводнений. Планируется также проведение верификации разрабатываемой методики моделирования паводков и наводнений путем сопоставления с наземными, гидрометеорологическими, климатическими и историческими данными.                 Построена геомеханическая модель земной коры трансграничных регионов Горного Алтая на основе эмпирических GPS-данных. Была проделана масштабная работа по сбору и анализу опубликованных материалов, охватывающих геолого-тектонические особенности исследуемой территории. На основе собранных архивных и актуальных геолого-геофизических материалов построена трехмерная геомеханическая модель земной коры для анализа структуры литосферы. Построено пространственное распределение параметров напряженно-деформированного состояния, для выделения тектонически напряженных областей. Сопоставление с сейсмичностью региона показывает хорошую корреляцию. Полученные результаты по данной задаче являются предварительными и охватывают только Казахстанскую часть Горного Алтая с прилегающей территорией. Построенная модель будет дополняться новыми данными, методика будет улучшаться проведением сопоставления результатов с данными, полученными другими типами измерений.

Впервые для РК разработана экспертная система космического мониторинга и прогнозирования лесных и степных пожаров, а также наводнений и подтоплений в период паводков для автоматизированной оценки масштабов и степени опасности ЧС; разработана методика автоматической обработки данных ДЗЗ загрязнения морской поверхности нефтяными пленками с использованием искусственных нейронных сетей; разработана методика анализа косвенных эффектов от предупреждения и ликвидации ЧС при применении космических средств; построена комплексная геодинамическая модель земной коры сейсмоопасных трансграничных регионов Горного Алтая на основе GPS-данных о движениях земной поверхности и фокальных механизмах очагов землетрясений.

Список опубликованных работ:

КОКНВО:

1.         Виляев А.В., Зубович А.В., Искаков Б.А., Тасова М.Т. Геодинамические особенности территории Восточно-казахстанской области по GPS данным // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. – 2024. – No 3(66). – С. 67-77. – https://doi.org/10.51775/2790-0886_2024_66_3_67 (КОКНВО)

2.         Балакай Л.А., Дедова Т.В., Сагатдинова Г.Н., Чепашев Д.В. Технология автоматизированного распознавания и моделирования распространения нефтяного загрязнения по акватории Каспийского моря // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. – 2024. – No 3(66). – С. 78-94. – https://doi.org/10.51775/2790-0886_2024_66_3_78  (КОКНВО)

3.         Искaлиевa Г.М., Сaғaт М.С., Aмaнгелдi Ә.A., Гaврук С.В. Есiл су шaруaшылық aлaбы көлдерiнiң жaғдaйын қaшықтықтaн зерделеу деректерi aрқылы бaғaлaу // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. – 2024. – No 3(66). – С. 95-105. – https://doi.org/10.51775/2790-0886_2024_66_3_95  (КОКНВО)

4.         Чепашев Д.В., Акжаркынова А.Н., Калыбаева А.К., Искалиева Г.М. Оценка уровненного режима при половодье реки Жайык с применением данных дистанционного зондирования земли // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. – 2024. – No 3(66). – С. 118-128. – https://doi.org/10.51775/2790-0886_2024_66_3_118  (КОКНВО)

5. G.M. Іskalіуeva, N.K. Sуdуk, A.K. Kalуbaуeva, M.S. Sagat , A. Samat use of water іndіces for waterbodіes іn the Еsіl water management basіn // NEWS of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan SERIES OF GEOLOGY AND TECHNICAL SCIENCES.-2024. – V.4. — № 466. – р. 117–130. https://doi.org/10.32014/2024.2518-170X.429  (КОКНВО)

Scopus:

1. Iskakov, Berik, Serik Nurakynov, Jagriti Dabas, Zhumabek Zhantayev, Larissa Balakay, Tatyana Dedova, Alena Yelisseyeva, and Nurmakhambet Sydyk. 2024. «Enhancing Environmental Sensitivity and Vulnerability Assessments for Oil Spill Responses in the Caspian Sea» Sustainability 16, no. 21: 9566. https://doi.org/10.3390/su16219566  (Scopus, Процентиль — 91)

2. Aitimov M., Kaldarova M., Kassymova A., Makulov K., Muratkhan R., Nurakynov S., Sydyk N., Bapiyev I. Predicting and detecting fires on multispectral images using machine learning methods //International Journal of Electrical & Computer Engineering (2088-8708). – 2024. – V. 14. – №. 2.  — P. 1842-1850. (Scopus, Процентиль-66). http://doi.org/10.11591/ijece.v14i2.pp1842-1850

3. Emil Bayramov, Nurmakhambet Sydyk, Serik Nurakynov, Alena Yelisseyeva, Jessica Neafie, Saida Aliyeva Quantitative assessment of urban surface deformation risks from tectonic and seismic activities using multitemporal microwave satellite remote sensing: A Case Study of Almaty City and its surroundings in Kazakhstan // Frontiers in Built Environment. – 2024. – V. 10 (Scopus, Procentile — 81) https://doi.org/10.3389/fbuil.2024.1502403

Авторские свидетельства:

1. Чепашев Даникер Васильевич, Гаврук Семен Витальевич «Система оперативной рассылки информации о природных пожарах»

2. Чепашев Даникер Васильевич, Гаврук Семен Витальевич «Автоматизированная система расчета индекса пожарной опасности на территории РК».