Tilda Publishing

Кафедрой прикладной геодезии МИИГАиК разработано программное обеспечение для визуализации локальных и глобальных моделей ионосферы Земли, представленных в формате IONEX.

Ионосфера — это часть атмосферы Земли с высокой концентрацией (более 1–10 см^–3) свободных электронов и ионов. Электроны, ионы и нейтральные частицы ионосферы образуют ионосферную плазму с достаточно высокой электрической проводимостью. Нижняя граница ионосферы расположена на высоте около 50–70 км над уровнем моря, верхняя граница ионосфера может достигать нескольких десятков тысяч километров. Только благодаря существованию ионосферы возможна радиосвязь на больших расстояниях. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обусловлено, в основном, взаимодействием радиоволн со свободными электронами, появляющимися в ионосфере под воздействием излучения солнца.

Ионосфера оказывает воздействие на проходящие через неё радиосигналы. В зависимости от частоты радиосигнала он либо отражается от ионосферы, либо проходит через неё. При этом скорость распространения радиосигнала через ионосферу будет отличаться от скорости его распространения в вакууме. Величина изменения скорости распространения радиосигнала в конкретной точке ионосферы зависит от концентрации свободных электроном в этой точке.
Влияние ионосферы на распространение радиосигналов необходимо учитывать при позиционировании по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, организации дальней радиосвязи, лазерной локации искусственных спутников земли, доплеровских измерениях, радиолокации и т.д. Для учёта влияния ионосферы на распространения радиосигналов используются модели ионосферы, позволяющие получать её параметры заданной точке пространства.
Для анализа состояния ионосферы зачастую используют визуализацию параметров, полученных по ионосферным моделям в виде картограмм.


Для визуализации глобальных моделей ионосферы (GIM) на их основе создаются тематические карты. Тематическая карта – это карта для отображения узкого (тематического) круга явлений, распределенных по поверхности. Тематические карты делятся на две большие группы: карты природных явлений и карты общественных явлений. К первой группе относят геологические, геофизические, карты рельефа земной поверхности и дна Мирового океана, метеорологические и климатические, океанографические, ботанические, гидрологические, почвенные, карты полезных ископаемых, карты физико-географических ландшафтов и физико-географического районирования и т.п. Ко второй - карты населения, экономические, политические, исторические и социально-географические карты. Тематические карты, создаваемые по данным GIM, относятся к первой группе. На таких картах отображается пространственное распределение ПЭС для всей поверхности земли или локальной области.

Для отображения данных GIM чаще всего используется такой тип тематических карт, как тепловая карта (heat map). В некоторых случаях такие карты дополняются изолиниями.

Тепловая карта — это метод визуализации данных, который показывает величину явления в виде цвета в двух измерениях. Изменение оттенка или интенсивности цвета предоставляет читателю визуальные сведения о том, как явление кластеризуется или изменяется в пространстве. Существуют две принципиально разные категории тепловых карт: кластерная тепловая карта и пространственная тепловая карта. В кластерной тепловой карте величины раскладываются в матрицу фиксированного размера ячеек, строки и столбцы которой являются дискретными явлениями и категориями. Размер ячейки выбирается произвольным, но достаточно большим, чтобы ячейка была видимой. В пространственной тепловой карте отображение обусловлено расположением величины в этом пространстве, и нет никакого понятия ячеек; считается, что это явление непрерывно изменяется.

Для иллюстрации тепловой карты может быть использовано много различных цветовых схем, с индивидуальными преимуществами и недостатками для каждого. Часто используются радужные цветные карты, так как люди могут воспринимать больше оттенков цвета, чем оттенков серого, и это предположительно увеличит количество деталей, воспринимаемых на изображении. При этом во многих источниках указаны недостатки подобного метода иллюстрации тепловых карт. К таковым недостаткам относятся:

1) Цвета, используемые при такой визуализации, не обладают естественной упорядоченностью (как например оттенки серого);

2) В такой цветовой схеме имеются неконтролируемые изменения яркости, кроме того, привлекается повышенное внимание к оттенкам жёлтого и голубого;

3) Из-за возникновения дополнительных оттенков при переходе между цветами ухудшается восприятие реальных градиентов и может ухудшаться фактическая детализация.

Несмотря на описанные недостатки, подавляющее большинство пространственных тепловых карт, создаваемых по данным GIM, используют весь цветовой спектр. При этом цветовая шкала изменяется от синего цвета до красного, где синий обозначает минимальные значения ПЭС, а красный максимальные значения ПЭС. Логика построения шкалы основана на том, что холодные цвета обозначают низкие значения ПЭС, а тёплые, соответственно, высокие значения ПЭС.

Разработанное программное обеспечение позволяет составлять на заданный момент времени тепловые карты ПЭС и СКП ПЭС используя модели ионосферы в формате IONEX. На рисунках 1, 2 и 3 представлены интерфейс программного обеспечения и примеры тепловых карт ПЭС и СКП ПЭС.