Table of Contents

Вулканическая активность представляет собой одно из самых мощных и впечатляющих природных явлений Земли, способное изменять ландшафты, влиять на глобальные климатические модели и создавать значительные риски для населения и инфраструктуры. Понимание, мониторинг и картирование вулканической активности становится все более сложным с интеграцией технологии географических информационных систем (ГИС). Эти передовые инструменты пространственного анализа произвели революцию в том, как ученые, руководители чрезвычайных ситуаций и политики подходят к оценке вулканической опасности и смягчению рисков, обеспечивая беспрецедентные возможности для интеграции данных, визуализации и поддержки принятия решений.

Понимание вулканической активности и ее глобального воздействия

Вулканы образуются в результате сложных геологических процессов, связанных с движением тектонических плит и накоплением магмы под поверхностью Земли. Только в США насчитывается около 170 потенциально активных вулканов, в то время как за последние 12 000 лет во всем мире было активно около 1215 вулканов. В любой данный момент где-то на Земле происходит 40-50 продолжающихся извержений, демонстрирующих стойкий характер вулканической активности во всем мире.

Геологические механизмы вулканического образования предполагают взаимодействие тектонических плит на сходящихся границах, расходящихся границах и горячих точках.На сходящихся границах одна тектоническая плита подводит под другую, вызывая плавление материала коры и образование магматических камер. Эта магма, будучи менее плотной, чем окружающая порода, поднимается к поверхности, в конечном итоге извергаясь в виде лавы, пепла и вулканических газов. Понимание этих фундаментальных процессов необходимо для прогнозирования того, где может произойти вулканическая активность и какую форму она может принять.

Извержения вулканов производят разнообразный спектр опасных явлений, которые могут воздействовать на районы, начиная от непосредственной близости от вулкана до районов, находящихся в тысячах километров. К ним относятся пирокластические течения плотности, лавовые потоки, лахары, лавовые лавины, баллистические выбросы, пепловые плюмы и падение пепла, а также земля, встряхивающаяся от вулканических землетрясений, затопление через цунами, оползни, выбросы газа, наводнения и пожары. Каждая из этих опасностей представляет собой уникальные проблемы для мониторинга, прогнозирования и смягчения последствий, требующие специализированных подходов и технологий.

Разнообразие вулканических опасностей

Пирокластические течения плотности представляют собой одни из самых опасных вулканических явлений, состоящие из перегретых смесей газа, пепла и фрагментов горных пород, которые могут перемещаться со скоростью, превышающей 100 километров в час. Эти потоки следуют за топографическими минимумами и могут опустошать всё на своём пути, при температуре, достигающей нескольких сотен градусов Цельсия. Исторические извержения, такие как гора Везувий в 79 году нашей эры и гора Пеле в 1902 году, продемонстрировали катастрофический потенциал пирокластических потоков.

Лавовые потоки, хотя и в целом более медленные, чем пирокластические течения, могут наносить обширный имущественный ущерб и навсегда изменять ландшафты.Вязкость лавы зависит от ее химического состава, при этом базальтовые лавы более текучи и способны преодолевать большие расстояния, а риолитические лавы более вязки и имеют тенденцию образовывать крутые купола вблизи вентиляционного отверстия.

Лахары, или вулканические сели, образуются, когда вулканический материал смешивается с водой из растаявшего снега и льда, обильных осадков или кратерных озер. Эти потоки могут с большой скоростью перемещаться по долинам рек, потенциально затрагивая сообщества вдали от самого вулкана. Наиболее подвижные типы, лахары и пирокластические течения плотности, способны достигать дистальных дренажей на расстоянии более 100 км от вулкана.

Вулканический пепел представляет собой уникальные проблемы из-за его способности путешествовать на огромные расстояния через атмосферу. Падение Тефры отличается от других опасностей тем, что оно может иметь проксимальные и в крайних случаях глобальные последствия. Пепел может нарушать авиацию, повреждать машины, загрязнять водоснабжение и вызывать респираторные проблемы у людей и животных.

Революционная роль географических информационных систем в вулканологии

Географические информационные системы коренным образом изменили область вулканологии, предоставив мощные инструменты для интеграции, анализа и визуализации сложных пространственных данных. Географические информационные системы (ГИС), связанные с технологией дистанционного зондирования и системами телекоммуникаций/предупреждения, стали одним из наиболее перспективных инструментов для поддержки процесса принятия решений. Эта интеграция позволяет ученым объединять различные источники данных и создавать всесторонние оценки вулканических опасностей.

ГИС-платформы служат основой для современных программ мониторинга и оценки вулканической опасности. ГИС включают цифровые модели возвышения, спутниковые изображения, карты вулканической опасности и векторные данные о природных и искусственных особенностях (линии электроснабжения, стратегические здания, дороги, железные дороги и т.д.). Эта комплексная интеграция данных позволяет проводить сложный пространственный анализ, который был бы невозможен с использованием традиционных методов.

Интеграция данных и пространственный анализ

Одной из самых мощных возможностей ГИС в вулканологии является возможность интеграции нескольких источников данных в единую аналитическую структуру.Платформы Географической информационной системы (ГИС) могут поддерживать интеграцию и анализ многих пространственных и временных переменных, полученных от мониторинга активных вулканов и разработки пространственно непрерывных данных.Эта интеграция включает сейсмические данные, измерения деформации грунта, показания выбросов газа, тепловые изображения и геологические исследования.

Возможности пространственного анализа ГИС позволяют исследователям выявлять закономерности и взаимосвязи, которые могут быть неочевидными при исследовании отдельных наборов данных в изоляции. Например, накладывая данные сейсмической активности на измерения деформации грунта и закономерности выбросов газа, ученые могут развить более полное понимание движения магмы под вулканом и потенциально улучшить прогнозирование извержений.

Цифровые модели возвышения (DEM) играют решающую роль в моделировании вулканической опасности в ГИС-средах. Эти трехмерные представления местности позволяют ученым моделировать, как вулканические продукты, такие как потоки лавы, пирокластические течения и лахары, могут путешествовать по ландшафту. Включая топографические данные с физическими моделями вулканических процессов, исследователи могут генерировать реалистичные сценарии потенциальных масштабов опасности.

Интеграция с дистанционным зондированием

Глобальный мониторинг тепловой активности вулканов в режиме реального времени стал возможен благодаря тепловым инфракрасным датчикам на различных спутниковых платформах, которые позволяют точно оценивать выбросы вулканов. Эта возможность представляет собой значительный прогресс в области мониторинга вулканов, особенно для отдаленных или недоступных вулканов, где наземный мониторинг может быть ограничен или невозможен.

Технологические достижения в области дистанционного зондирования спутников изменили наше восприятие и понимание вулканических процессов.Современные спутниковые системы предоставляют несколько типов данных, полезных для мониторинга вулканов, включая тепловые изображения для обнаружения тепловых аномалий, радиолокационные данные для измерения деформации грунта и мультиспектральные изображения для отслеживания пепловых шлейфов и выбросов газа.

Информационная служба направлена не только на интеграцию данных, генерируемых непосредственно вулканообсерваториями (например, локальными приборами и наземными измерениями), но и спутниковых снимков, предоставляемых партнерскими агентствами, такими как Национальное управление океанических и атмосферных исследований и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства или НАСА.

Несколько спутников Национального управления океанических и атмосферных исследований обеспечивают критически важные возможности тепловизионного анализа, важные для обнаружения пепла и горячих точек, в то время как спутниковые миссии, управляемые НАСА и другими сторонами, могут обеспечить подробные радиолокационные наблюдения вулканических ландшафтов.Эти технологии позволяют непрерывно контролировать вулканическую активность даже в отдаленных или труднодоступных местах.

Передовые технологии вулканического мониторинга

Современный вулканический мониторинг опирается на сложный набор технологий, которые работают вместе, чтобы обеспечить комплексное наблюдение за вулканическими системами. Методы мониторинга вулканов могут быть простыми (т.е. принимать рН термального источника каждые несколько недель) или сложными (например, исследования широкополосных источников и сейсмическая томография). Быстрые достижения в технологии позволяют более точно контролировать сегодня, чем это было возможно, когда была сформирована ВГП.

Сети сейсмического мониторинга

Сейсмический мониторинг является основой большинства программ наблюдения за вулканами. Сети сейсмометров обнаруживают и регистрируют землетрясения, связанные с движением магмы, разрывом пород и миграцией жидкости в вулканических системах. Эти инструменты могут идентифицировать тонкие изменения сейсмической активности, которые могут предшествовать извержениям, предоставляя важную информацию раннего предупреждения.

Современные сейсмические сети используют широкополосные сейсмометры, способные обнаруживать широкий диапазон частот, от низкочастотного тремора, связанного с движением жидкости, до высокочастотных сигналов от разрыва пород. Данные из этих сетей передаются в режиме реального времени в центры мониторинга, где их можно сразу анализировать и интегрировать с другими данными мониторинга в ГИС-платформах.

Мониторинг деформации земли

Мониторинг деформации грунта отслеживает изменения формы вулкана, вызванные движением магмы, изменениями давления или структурной нестабильностью.Другие данные могут собираться дистанционно и с меньшим риском, например, телеметрические сейсмические и геодезические измерения или спутниковые изображения или спектры. Станции GPS обеспечивают непрерывные измерения положения грунта с точностью миллиметрового масштаба, позволяя ученым обнаруживать тонкую инфляцию или дефляцию вулканических сооружений.

Реактор межферометрической синтетической апертуры (InSAR) произвел революцию в мониторинге деформации грунта, предоставив подробные карты смещения поверхности на больших площадях. Sentinel-1 изменил способ использования спутниковых радиолокационных данных (SAR и InSAR) в вулканологии. Систематическая политика долгосрочного архива и открытого доступа означает, что вулканические обсерватории и исследовательские организации инвестировали в интеграцию наборов данных Sentinel-1 в свои системы мониторинга.

Мониторинг выбросов газа

Выбросы вулканического газа дают важную информацию о состоянии магматических систем. Изменения состава и потока газов, таких как диоксид серы, диоксид углерода и сероводород, могут указывать на восхождение магмы или изменения вулканической активности. Современные методы мониторинга включают наземные спектрометры, аэрофотосъемки и спутниковые датчики, которые могут измерять выбросы газа с безопасных расстояний.

Он будет отвечать за сбор, агрегирование, хранение и распространение огромных объемов данных мониторинга вулканов, включая сейсмическую активность, деформацию грунта, выбросы газа и другие явления, связанные с вулканическими волнениями. Этот комплексный сбор данных позволяет ученым разрабатывать целостные оценки вулканических систем.

Комплексное применение ГИС при оценке вулканических опасностей

ГИС-технология поддерживает многочисленные критические применения в оценке вулканической опасности и управлении рисками. ГИС были запланированы: а) для смягчения вулканического риска (оценка опасности, ценности, уязвимости и карты рисков), b) для предоставления подходящих инструментов во время надвигающегося кризиса, с) для обеспечения основы для планов действий в чрезвычайных ситуациях. Эти приложения охватывают весь цикл управления стихийными бедствиями, от долгосрочного планирования до реагирования на кризисы.

Картографирование вулканической опасности

Карты вулканической опасности представляют собой один из важнейших продуктов оценки вулканической опасности на основе ГИС. База данных карт вулканической опасности IAVCEI (CVHR) включает 2089 карт на 612 вулканах в 54 странах и на 15 языках (по состоянию на 2024-09-04 гг.). Эта обширная база данных демонстрирует глобальную приверженность картированию вулканической опасности и разнообразие подходов, используемых во всем мире.

Карты вулканической опасности изображают области, которые могут быть затронуты опасными вулканическими процессами, такими как пирокластические потоки плотности, потоки лавы, лахары и падение тефры.Эти визуализации информации о вулканической опасности используются для общения с широким спектром аудиторий как во время покоя, так и во время вулканического кризиса.

Используя материалы, полученные от рабочей группы IAVCEI CVHR по картированию опасностей, мы разработали схему классификации и терминологическую основу для категоризации, обсуждения, наименования и поиска карт опасности. База данных и веб-сайт призваны служить ресурсом для сообщества вулканологов, чтобы изучить, как различные аспекты разработки и проектирования карт опасности были рассмотрены в разных странах, для различных процессов опасности, а также для различных целей и аудиторий.

Моделирование и моделирование рисков

Некоторые карты опасности основаны исключительно на распределении предшествующих событий, определяемых геологией, другие учитывают предполагаемые интервалы повторения прошлых событий или используют компьютерное моделирование вулканических процессов для оценки потенциальных будущих масштабов воздействия.Во все большей степени вычислительное моделирование вулканических процессов сочетается с геологическими информационными и статистическими моделями для разработки полностью вероятностных карт опасности.

Наиболее распространенными моделями, используемыми на картах вулканической опасности, являются энергетический конус или эмпирическая модель линии (14% карт; Heim 1932; Sheridan 1979; Sheridan & Malin 1983); LAHARZ (8% карт; Iverson et al. 1998; Schilling 1998; Schilling 2014); и Tephra2 (3% карт; Bonadonna et al. Эти модели имитируют различные вулканические процессы и могут быть интегрированы в ГИС для получения пространственно явных оценок опасности).

Моделирование потоков лавы в ГИС-средах позволяет ученым прогнозировать потенциальные пути потока на основе топографии, параметров извержения и свойств лавы. Эти модели помогают идентифицировать области риска и поддерживать решения по планированию землепользования. Аналогичным образом, модели пирокластических потоков могут оценивать степень и интенсивность этих смертоносных явлений при различных сценариях извержения.

Мониторинг в реальном времени и кризисное реагирование

Миссия Программы по оценке опасности вулканов USGS заключается в повышении общественной безопасности и минимизации социальных и экономических потрясений от вулканических волнений и извержений через нашу Национальную систему раннего предупреждения о вулканах. Сотрудники Обсерватории вулканов контролируют, проводят исследования и выдают официальные уведомления о деятельности вулканов в определенных географических районах. Ученые также оценивают опасности вулканов и работают с сообществами для подготовки к извержениям вулканов.

Во время вулканических кризисов ГИС-платформы позволяют быстро интегрировать и визуализировать данные мониторинга, поддерживая принятие решений аварийными менеджерами и гражданскими властями.В режиме реального времени данные из сейсмических сетей, станций GPS и спутниковых систем могут автоматически поступать в базы ГИС и отображаться на интерактивных картах, доступных для множества заинтересованных сторон.

Синергия между методами дистанционного зондирования и ГИС позволяет поддерживать принятие решений руководителями служб по ликвидации последствий стихийных бедствий, преобразовывая данные в информацию. В будущем благодаря новым достижениям в области технологии датчиков дистанционного зондирования, возможностям ГИС и совершенствованию алгоритмов эти методы позволят повысить их способность реагировать на этот тип бедствий в режиме реального времени.

Планирование эвакуации и оптимизация маршрута

Технология ГИС играет решающую роль в разработке эффективных планов эвакуации для сообществ, подверженных риску вулканических опасностей. Объединив карты зон опасности с данными о распределении населения, дорожных сетях и критической инфраструктуре, планировщики могут определить оптимальные маршруты эвакуации и места укрытия. Инструменты сетевого анализа в рамках ГИС могут рассчитать время в пути, выявить узкие места и оптимизировать распределение чрезвычайных ресурсов.

Сценарное планирование позволяет руководителям чрезвычайных ситуаций разрабатывать планы действий в чрезвычайных ситуациях для различных сценариев извержения. Путем моделирования различных масштабов и стилей извержений планировщики могут разрабатывать гибкие стратегии реагирования, которые могут быть адаптированы по мере развертывания кризиса. ГИС-платформы облегчают сравнение различных сценариев и поддерживают разработку деревьев решений для управления кризисом.

Уязвимость и оценка рисков

Комплексная оценка рисков требует объединения информации об опасности с данными об уязвимых группах населения, инфраструктуре и экономических активах. ГИС предоставляет инструменты для наложения опасных зон демографическими данными, создания запасов, транспортных сетей и критически важных объектов, таких как больницы, школы и электростанции. Этот пространственный анализ показывает, какие сообщества и активы сталкиваются с наибольшим риском и помогает определить приоритеты усилий по смягчению последствий.

Оценки уязвимости учитывают не только физическое воздействие опасностей, но и социальные, экономические и институциональные факторы, которые влияют на способность сообщества готовиться, реагировать и восстанавливаться после вулканических событий. ГИС может интегрировать различные наборы данных, включая социально-экономические показатели, типы строительства зданий и доступ к ресурсам для создания всеобъемлющих карт уязвимости.

Управление данными и информационные системы

Национальная служба информации о вулканах станет незаменимым компонентом Национальной системы раннего предупреждения и мониторинга вулканов, интегрируя передовые информационные технологии для обеспечения эффективного мониторинга, точной интерпретации данных и эффективной передачи вулканических опасностей.Современный вулканический мониторинг генерирует огромные объемы данных, которые должны управляться, храниться и быть доступными для ученых и лиц, принимающих решения.

ИТ-системы информационной службы должны быть надежными, способными принимать и обрабатывать большие потоки данных в режиме реального времени, требующими сложных решений для хранения и эффективных систем управления базами данных. Они должны использовать передовые технологии для потенциального использования петабайт информации (эквивалентных примерно тысяче терабайт или миллиону гигабайт), обеспечивая сохранение и доступность исторических данных.

Веб-сервисы и обмен данными

Служба веб-функций Open Geospatial Consortium (OGC) (WFS) предоставляет стандарт интерфейса, который позволяет клиенту получать данные о географических особенностях с интернет-сервера с использованием независимых от платформы запросов. Многие коммерческие и открытые исходные ГИС и картографическое программное обеспечение имеют поддержку на стороне клиента для WFS. Эти стандартизированные веб-сервисы позволяют беспрепятственно обмениваться данными между учреждениями и облегчают совместные исследования.

Однако опции WFS позволяют осуществлять поиск с использованием форматов CSV, GML, GeoJSON, KML и Shapefile. Эта гибкость гарантирует, что к данным может быть получен доступ и использован широкий круг пользователей с различными программными платформами и техническими возможностями.

Исторические данные и анализ шаблонов

Базы данных ГИС сохраняют исторические записи вулканической активности, что позволяет проводить долгосрочный анализ закономерностей и улучшать понимание вулканического поведения. Глобальная программа вулканизма (GVP) стремится лучше понять все вулканы путем документирования их извержений - как малых, так и больших - в течение последних 12 000 лет. Диапазон вулканического поведения достаточно велик, а срок жизни вулканов достаточно велик, что мы должны интегрировать наблюдения современной деятельности с историческими и геологическими записями недавнего прошлого, чтобы мудро подготовиться к будущему.

Анализируя исторические модели извержений, учёные могут оценивать интервалы рецидивов для разных видов вулканической активности и оценивать вероятность будущих событий.ГИС-инструменты облегчают временный анализ, позволяя исследователям выявлять тенденции, циклы и корреляции в вулканическом поведении в различных временных масштабах.

Проблемы и будущие направления в мониторинге вулканов на основе ГИС

Хотя ГИС-технология значительно расширила возможности оценки вулканической опасности, сохраняются значительные проблемы. Качество и доступность данных в различных вулканических регионах сильно различаются, при этом хорошо контролируемые вулканы в развитых странах имеют гораздо более всеобъемлющие наборы данных, чем отдаленные или недостаточно обеспеченные ресурсами районы. Для улучшения глобального охвата мониторинга требуются постоянные инвестиции в инфраструктуру мониторинга и наращивание потенциала.

Неопределенность коммуникации

Сообщение этого сложного массива информации об опасности тем, кто подвергается риску, является сложной задачей, особенно когда речь идет о больших неопределенности. Оценки опасности вулканов по своей сути связаны с неопределенностью, связанной с временем извержения, величиной, стилем и воздействиями. Эффективное информирование этих неопределенностей нетехнической аудитории при сохранении доверия и поддержке обоснованного принятия решений остается серьезной проблемой.

Хотя это разнообразие является естественным отражением различных социальных, культурных, политических и вулканических условий, в которых создаются карты, кризисы и прошлые работы предполагают, что такие визуальные варианты дизайна могут потенциально играть важную роль в коммуникации с вулканическим кризисом, влияя на то, как люди понимают карту опасности и используют ее для принятия решений.

Вовлечение заинтересованных сторон

Исходя из нашего опыта, мы рекомендуем будущим разработчикам карт привлекать заинтересованные стороны ко всему процессу формирования карт, особенно при выборе дизайна, такого как тип базовой карты, использование цветовых и градационных границ и действительно то, что изображать на карте. Эффективная коммуникация с опасностью требует понимания потребностей, перспектив и возможностей обработки информации различных аудиторий.

Рассматривая потребности и перспективы аудитории — как информация может быть использована, прочитана, понята и применена — карты опасности могут быть разработаны таким образом, чтобы сделать их доступными, актуальными и понятными для людей, которые в них нуждаются. Этот ориентированный на пользователя подход к разработке карт опасности повышает вероятность того, что карты будут поняты и использованы надлежащим образом как во время планирования, так и в кризисных ситуациях.

Новые технологии и инновации

По мере развития технологий будет развиваться и Национальная система раннего предупреждения и мониторинга вулканов, а также ее зависимость от передовых ИТ-решений, благодаря которым Национальная служба информации о вулканах и Национальная система раннего предупреждения и мониторинга вулканов смогут полностью преобразовать научные усилия в ощутимые выгоды для общества как незаменимого союзника в постоянных усилиях USGS по обеспечению безопасности нации.

Используя передовые технологии, такие как спутниковая визуализация, машинное обучение и инструменты удаленного сотрудничества, Национальная служба информации о вулканах повышает вероятность раннего обнаружения вулканических угроз и эффективного управления ими. Машинное обучение и искусственный интеллект предлагают многообещающие возможности для улучшения прогнозирования извержений путем выявления тонких закономерностей в данных мониторинга, которые могут избежать человеческого анализа.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или беспилотные летательные аппараты все чаще используются для мониторинга вулканов, обеспечивая высокоразрешенные изображения и измерения газа в районах, слишком опасных для доступа человека. Эти платформы могут быть интегрированы с системами ГИС для предоставления подробной, актуальной информации о вулканических особенностях и изменениях.

Технологии виртуальной и дополненной реальности открывают новые возможности для визуализации вулканических опасностей и передачи рисков.Трехмерные иммерсивные среды могут помочь заинтересованным сторонам лучше понять пространственные отношения между опасностями, топографией и уязвимыми активами, потенциально улучшая принятие решений и осведомленность общественности.

Тематические исследования: применение ГИС в управлении вулканическими опасностями

Гора Везувий, Италия

Гора Везувий представляет собой один из самых сложных сценариев вулканического риска в мире из-за плотного населения, живущего в его тени. В случае взрывного извержения среднего размера 600 000 человек потенциально должны быть эвакуированы из района площадью около 200 км2 вокруг вулкана, поскольку они подвергаются разрушительным, очень быстрым явлениям, таким как пирокластические всплески и потоки, лахары, выпадение пепла и т. Д.

ГИС широко используется для разработки комплексных планов действий в чрезвычайных ситуациях для Везувия, интегрируя зоны опасности с подробной информацией о распределении населения, транспортных сетях и маршрутах эвакуации. Система поддерживает планирование на основе сценариев и позволяет руководителям чрезвычайных ситуаций моделировать различные сценарии извержений и их потенциальное воздействие на окружающие общины.

Гора Этна, Италия

Гора Этна, самый активный вулкан Европы, стала предметом обширного мониторинга и оценки опасности на основе ГИС. Мы описываем и демонстрируем работу этого алгоритма посредством анализа последних извержений вулканов Этна и Стромболи. Интеграция данных спутникового дистанционного зондирования с наземным мониторингом позволила в режиме реального времени отслеживать потоки лавы и тепловые аномалии.

Цифровые модели возвышения и модели моделирования потока лавы, интегрированные в платформы ГИС, использовались для прогнозирования потенциальных путей потока и поддержки решений о защитных мерах.Временно чувствительный характер опасности потока лавы делает анализ ГИС в реальном времени особенно ценным для этого вулкана.

Йеллоустонская кальдера, США

Йеллоустонская вулканическая обсерватория (YVO) контролирует вулканическую и гидротермальную активность, связанную с магматической системой Йеллоустоуна, проводит исследования магматических процессов, происходящих под Йеллоустонской кальдерой, и выпускает своевременные предупреждения и рекомендации, связанные с потенциальными будущими геологическими опасностями.Обсерватория использует сложные ГИС-системы для интеграции различных данных мониторинга, включая сейсмическую активность, деформацию почвы и гидротермальные особенности.

Непрерывные GPS-станции указывают, что подъем, начавшийся в июле 2025 года на северном кальдерном краю, прекратился к середине января 2026 года. Измерения деформации указывают на паузу в подъёме, которая происходила вдоль северного кальдерного края с июля 2025 года. Этот детальный мониторинг демонстрирует, как интегрированные в ГИС геодезические сети могут отслеживать тонкие изменения вулканических систем с течением времени.

Малые Антильские острова Вулканическая дуга

Мы сообщаем о процессе создания первого набора интегрированных карт зонирования вулканической опасности для островов Доминики, Гренады (включая Kick 'em Jenny и Ronde / Caille), Невиса, Саба, Святого Евстациуса, Сент-Китса, Сент-Люсии и Сент-Винсента на Малых Антильских островах. Мы разработали систематический подход, который вмещал диапазон в предварительных знаниях о вулканах в регионе.

Для оценки опасности первого порядка на каждом острове была использована разработка одного или нескольких сценариев вероятной будущей деятельности, для которых были созданы карты опасности на основе сценария. Для наиболее вероятного сценария на каждом острове мы также создали карту зонирования вулканической опасности размером с плакат, которая объединила отдельные опасные явления, изображенные на картах опасности на основе сценария, в интегрированные зоны опасности. Этот проект демонстрирует, как ГИС может поддерживать систематическую оценку опасности на нескольких вулканах с различными уровнями предварительных знаний.

Лучшие практики оценки вулканических рисков на основе ГИС

Многоопасная интеграция

Существенное отличие в отношении других природных опасностей заключается в том, что на одной и той же карте может отображаться 1 одиночная или несколько опасностей из-за многоопасного характера извержений вулканов!! Эффективная оценка вулканической опасности должна учитывать весь спектр потенциальных опасностей и их взаимодействия.

Различные вулканические опасности могут взаимодействовать сложным образом, с одной опасностью, запускающей или усиливающей другую. Например, пирокластические потоки могут растопить снег и лед, создавая лахары, в то время как падение пепла может увеличить риск затопления, засоряя дренажные системы. Анализ ГИС может помочь выявить эти потенциальные каскадные опасности и их кумулятивные воздействия.

Масштабные соображения

Целевая аудитория карты имеет решающее значение для разработки карты в правильных пространственно-временных масштабах. Можно ожидать очень подробную и постоянно обновляемую карту опасности при анализе маршрутов эвакуации небольшого города. В отличие от этого, при анализе концентрации пепла в атмосфере для авиационных сбоев можно ожидать региональный - часто международный масштаб.

Для различных применений требуются различные пространственные и временные масштабы анализа. Местное планирование чрезвычайных ситуаций требует подробных крупномасштабных карт, показывающих отдельные здания и улицы, в то время как региональная оценка авиационной опасности требует более широких масштабов карт, охватывающих потенциальное рассеивание пепла на сотни или тысячи километров. ГИС-системы должны быть разработаны для поддержки анализа в нескольких масштабах и облегчения масштабирования между различными уровнями детализации.

Обеспечение качества и валидация

Для обеспечения качества и точности оценок опасности на основе ГИС требуются строгие процедуры проверки. Модели должны сравниваться с данными об извержениях в прошлом, когда они имеются, и следует проводить анализ чувствительности, с тем чтобы понять, как неопределенности в исходных параметрах влияют на результаты. Экспертный обзор независимыми экспертами обеспечивает дополнительную гарантию качества.

По мере появления новых данных мониторинга и улучшения научного понимания важное значение имеет регулярное обновление оценок опасности. Базы данных ГИС должны быть разработаны таким образом, чтобы они могли вместить обновления и поддерживать контроль версий, обеспечивая при этом пользователям постоянный доступ к самой актуальной информации при сохранении исторических оценок для сопоставления и проверки.

Совместимость и стандарты

Принятие общих стандартов и форматов данных облегчает обмен данными и сотрудничество между учреждениями. Международные стандарты, такие как разработанные Открытым геопространственным консорциумом, обеспечивают обмен данными ГИС и их интеграцию на различных программных платформах и организационных границах. Эта совместимость особенно важна для оценки вулканической опасности, которая часто требует сотрудничества между несколькими учреждениями и странами.

Обучение и наращивание потенциала

Для эффективного использования ГИС для оценки вулканической опасности требуется специальная подготовка, которая сочетает в себе опыт в вулканологии, технологии ГИС и коммуникации в отношении опасности. Кроме того, они служат инструментом для представления заинтересованным группам вариантов карт опасности и служат учебным ресурсом, который может быть включен в учебные материалы и учебные курсы. Создание потенциала в развивающихся странах с активными вулканами, но ограниченными ресурсами остается важнейшей задачей.

Программы подготовки должны охватывать как технические навыки в области ГИС, так и концептуальное понимание вулканических процессов и методологий оценки опасности. Практические семинары с использованием реальных тематических исследований помогают участникам развивать практические навыки и понимать, как применять ГИС-инструменты в их конкретных вулканических контекстах.

Международное сотрудничество и обмен знаниями играют жизненно важную роль в наращивании потенциала. Партнерские отношения между хорошо обеспеченными ресурсами обсерваториями вулканов и обсерваториями развивающихся стран могут способствовать передаче технологий, подготовке кадров и постоянной технической поддержке. Онлайн-ресурсы, включая базы данных карт опасностей и инструменты моделирования, предоставляют ценные учебные материалы, доступные для мирового сообщества вулканологов.

Будущее оценки вулканической опасности с ГИС

Будущая работа над тем, как люди читают, обрабатывают и обмениваются визуальной информацией, откроет новые возможности для оптимизации содержания вулканической опасности для разных аудиторий. Это будет по-прежнему важно, поскольку достижения в области моделирования опасности и технологии визуализации внедряют новые способы визуального сообщения об опасности во время кризиса. Поскольку сообщество вулканологов работает над изучением новых способов разработки и проектирования карт вулканической опасности, новые уровни глобального сотрудничества через онлайн-центры обмена данными предоставят способы подключения, обмена и интеграции этих новых подходов.

Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения с платформами ГИС обещает расширить возможности прогнозирования извержений. Эти технологии могут анализировать огромные объемы данных мониторинга для выявления тонких сигналов-прекурсоров и закономерностей, которые могут указывать на надвигающиеся извержения. Алгоритмы машинного обучения могут быть обучены на исторических последовательностях извержений для распознавания аналогичных закономерностей в данных мониторинга в реальном времени.

Инфраструктура облачных вычислений позволяет более сложное моделирование и анализ, чем это было ранее возможно с настольными ГИС-системами.Облачные платформы могут обрабатывать огромные вычислительные требования вероятностной оценки опасности и моделирования ансамблей, выполняя тысячи симуляций для характеристики неопределенности и определения диапазона возможных результатов.

Мобильные ГИС-приложения делают информацию об опасности более доступной для полевых ученых, аварийных служб и общественности. Приложения для смартфонов могут отображать карты опасности, предоставлять обновления в режиме реального времени о вулканической активности и поддерживать сбор данных в полевых условиях. Эти инструменты повышают ситуационную осведомленность и поддерживают быстрое принятие решений во время вулканических кризисов.

Интеграция социальных сетей с платформами ГИС открывает новые возможности для краудсорсинга наблюдений и передачи информации об опасности. Во время вулканических кризисов отчеты очевидцев и фотографии, размещенные в социальных сетях, могут предоставить ценную информацию о прогрессе извержения и его последствиях. Системы ГИС могут агрегировать и отображать эту информацию, дополняя официальные данные мониторинга.

Заключение

Географические информационные системы произвели революцию в оценке вулканической опасности и управлении рисками, предоставив мощные инструменты для интеграции различных источников данных, моделирования сложных процессов и передачи информации об опасности различным аудиториям.Сочетание ГИС с передовыми технологиями мониторинга, дистанционного зондирования и вычислительного моделирования создало беспрецедентные возможности для понимания вулканических систем и защиты уязвимых сообществ.

По мере развития технологий роль ГИС в вулканологии будет только возрастать. Новые технологии, такие как машинное обучение, облачные вычисления и мобильные приложения, обещают еще больше расширить нашу способность контролировать вулканы, прогнозировать извержения и сообщать о рисках. Однако одних только технологий недостаточно - эффективное управление вулканической опасностью также требует постоянных инвестиций в инфраструктуру мониторинга, наращивание потенциала, вовлечение заинтересованных сторон и международное сотрудничество.

Конечная цель оценки вулканической опасности на основе ГИС заключается в преобразовании научного понимания в действенную информацию, которая защищает жизни и средства к существованию.Продолжая разрабатывать и совершенствовать эти инструменты и обеспечивая их доступность для всех сообществ, подверженных риску вулканических опасностей, сообщество вулканологов может работать в направлении будущего, где вулканические катастрофы ожидаются, готовятся и эффективно управляются.

Для тех, кто заинтересован в получении дополнительной информации об оценке вулканической опасности и применениях ГИС, ценные ресурсы включают в себя программу U.S. Geological Survey Volcano Hazards Program , программу Глобальной программы вулканизма Смитсоновского института , базу данных карт вулканической опасности IAVCEI Volcanic Hazard Maps Database и многочисленные академические журналы, посвященные вулканологии и геопространственной науке. Эти ресурсы обеспечивают доступ к последним исследованиям, данным мониторинга и лучшим практикам в оценке вулканической опасности.

Интеграция географических информационных систем с вулканологией представляет собой мощный пример того, как технологии могут улучшить наше понимание природных опасностей и поддержать принятие решений на основе фактических данных. По мере того, как мы продолжаем совершенствовать эти инструменты и расширять их применение, мы приближаемся к миру, где сообщества, живущие в тени вулканов, могут делать это с большей безопасностью и устойчивостью.