Επεξεργασία Σήματος και Δεδομένων, Ανάλυση Χρονοσειρών Μόνιμων και Φορητών Σταθμών GNSS και Φαινόμενα Πολυδιαδρομών με Εφαρμογή στις Γεωεπιστήμες

Abstract

Στο πλαίσιο της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με την ανάλυση δεδομένων GNSS. Εντοπίστηκαν όλα τα προγράμματα ανάλυσης δεδομένων που χρησιμοποιούν τη μέθοδο Precise Point Position (PPP) και καταβλήθηκαν προσπάθειες για την απόκτηση άδειας χρήσης του προγράμματος GIPSY-OASIS που αναπτύχθηκε από το Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA. Έγινε μελέτη του φαινομένου των πολυδιαδρομών σε 8 μόνιμους σταθμούς του δικτύου NOANET του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών με το λογισμικό Teqc και πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη με το λογισμικό Anubis. Εγκαταστάθηκε και προσαρμόστηκε ένα εργαλείο αποθήκευσης και διανομής δεδομένων που ονομάζεται NOANET GSAC, καθώς και η ανάπτυξη σεναρίων για τον αυτόματο εμπλουτισμό της βάσης δεδομένων. Μετά την ανάπτυξη, συντάχθηκε μια ερευνητική εργασία, η οποία στη συνέχεια έγινε δεκτή και παρουσιάστηκε στην 35η ESC (Ευρωπαϊκή Σεισμολογική Επιτροπή). Τα προαναφερθέντα εργαλεία χρησιμοποιήθηκαν για την αποθήκευση δεδομένων από διάφορους σταθμούς σε καθημερινή βάση, καθώς και δεδομένων από παλαιότερους σταθμούς, με σκοπό τη χρήση τους στην παρούσα διατριβή. Πραγματοποιήθηκε μελέτη για την ανάλυση των μετατοπίσεων στη θεσσαλική πεδιάδα με τη χρήση της τεχνολογίας GNSS και τη σύγκρισή τους με υδρογεωλογικά δεδομένα. Για την ανάλυση των δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις σταθμοί GNSS που βρίσκονται στον Κλοκωτό Θεσσαλίας, στην Καρδίτσα, στη Λάρισα και στο Στεφανοβίκειο. Το σύνολο δεδομένων κάλυψε μια διάρκεια 10 ετών (2008 - 2018+) και στη συνέχεια εξετάστηκε για φαινόμενα πολλαπλών διαδρομών με τη χρήση του λογισμικού TEQC. Τα αποτελέσματα απεικονίστηκαν με τη χρήση του λογισμικού GNUPLOT και η περαιτέρω ανάλυση των χρονοσειρών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού GIPSY-OASIS 6. 4. Η μελέτη επικεντρώθηκε συγκεκριμένα στην ανάλυση μιας χρονοσειράς, η οποία είναι μια συλλογή τιμών που μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου με σταθερό χρονικό διάστημα. Ο στόχος ήταν να προσδιοριστεί εάν η χρονοσειρά είναι στάσιμη, δηλαδή εάν οι μεταβολές της δεν μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου. Επιπλέον, η μελέτη εξέτασε την παρουσία τάσεων, οι οποίες αντιπροσωπεύουν αργές μεταβολές με την πάροδο του χρόνου, και την περιοδικότητα, η οποία αναφέρεται σε μεταβολές που συμβαίνουν σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, όπως μήνες, έτη ή εποχές. Μια άλλη πτυχή που εξετάστηκε ήταν η γραμμικότητα, η οποία καθορίζει εάν τα στοιχεία της χρονοσειράς παρουσιάζουν γραμμική συμπεριφορά ή όχι. Για την ανάλυση της χρονοσειράς, αυτή αναλύθηκε σε τρία κύρια στοιχεία: τάση, περιοδικότητα και κατάλοιπα. Η αποσύνθεση αυτή πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός προγράμματος στη γλώσσα R. Τα ευρήματα και τα συμπεράσματα της μελέτης περιγράφονται λεπτομερώς σε δημοσιευμένη εργασία στο περιοδικό Natural Hazards. Τα ευρήματα παρουσιάστηκαν στο διεθνές συνέδριο Pinios River το 2018 και συντάχθηκε αντίστοιχο άρθρο στο Natural Hazards, το οποίο εγκρίθηκε για δημοσίευση το 2020 και σήμερα αποτελείται από 12 δημοσιεύσεις με κριτές. Η τεχνική επεξεργασίας και ανάλυσης που χρησιμοποιήθηκε στη δημοσιευμένη μελέτη στο Natural Hazard επαναλήφθηκε για την περιοχή των Ιονίων Νήσων, η οποία είχε συνολικά 5 σημαντικούς σεισμούς μεταξύ 2014 και 2018. Μετά τη λήψη των δεδομένων από την πλατφόρμα GSAC, τα δεδομένα αξιολογήθηκαν με τη χρήση του προγράμματος TEQC για την εκτίμηση της ποιότητάς τους. Στη συνέχεια, τα δεδομένα επεξεργάστηκαν με τη χρήση του λογισμικού GIPSY-OASIS 6.4 για τη δημιουργία χρονοσειρών και τη μετατροπή τους σε ITRF2014. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με προηγούμενες έρευνες που διεξήχθησαν μεμονωμένα για κάθε σεισμό με χρήση ξεπερασμένου λογισμικού επεξεργασίας και χωρίς το στάδιο της προ επεξεργασίας, προκειμένου να διερευνηθούν τα πολυκατευθυντικά φαινόμενα. Τα ευρήματα που παρουσιάζονται στο δημοσιευμένο άρθρο βασίζονται σε αυτές τις συγκρίσεις. Επιπλέον, παρέχει μια σαφή εξήγηση κατά την ερμηνεία των δεδομένων χρονοσειρών και όταν συνδυάζεται με παραδείγματα από πρόσφατες δημοσιεύσεις σχετικά με τους μηχανισμούς γένεσης σεισμών, δίνει σαφή αποτελέσματα για την επαλήθευση της κινηματικής των ρηγμάτων. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την εξήγηση των σεισμικών φαινομένων και έχει ευρύτερες επιπτώσεις στις γεωεπιστήμες. Έγινε επίσης μελέτη για τον σεισμό στην Κω 20/7/2017 για τρεις σταθμούς GNSS και παρουσιάζονται τα ευρήματα που αφορούν τυχόν μετατοπίσεις. Επίσης παρουσιάζεται εκτενή μελέτη πολυδιαδρομών για μη μόνιμους σταθμούς GNSS στην περιοχή του Καλοχωρίου και στο τέλος γίνεται μια αναλυτική αναφορά σχετικά με την δημιουργία πλατφόρμας ανάλυσης χρονοσειρών GNSS σε πραγματικό χρόνο. Μετά την παρουσίαση της διδακτορικής διατριβής, τα άμεσα μελλοντικά σχέδια περιλαμβάνουν την εμβάθυνση στη σφαίρα της επεξεργασίας δεδομένων GNSS με τη χρήση πιο προηγμένου λογισμικού. Επιπλέον, θα δοθεί έμφαση στη λεπτομερή επεξεργασία δεδομένων χρονοσειρών, ενσωματώνοντας δυνατότητες πρόβλεψης μέσω της χρήσης τεχνικών μηχανικής μάθησης.