Επεξεργασία σήματος και δεδομένων, ανάλυση χρονοσειρών μόνιμων και φορητών σταθμών GNSS και φαινόμενα πολυδιαδρομών με εφαρμογή στις γεωεπιστήμες

Abstract

As part of the PhD thesis, an extensive literature review on GNSS data analysis was carried out. All data analysis programs using the Precise Point Position (PPP) method were identified and efforts were made to obtain a license to use the GIPSY-OASIS program developed by NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL).A study was made of the multipath phenomenon in 8 permanent stations of the NOANET network of the National Observatory of Athens with the Teqc software and a comparative study was carried out with the Anubis software. A data storage and distribution tool called NOANET GSAC was installed and adapted, as well as the development of scripts to automatically enrich the database. After the development, a research paper was drawn up, which was then accepted and presented at the 35th ESC (European Seismological Commission).The aforementioned tools were used to save data from various stations on a daily basis, as well as data from older stations, for use in this thesis. A study was carried out to analyze displacements in the Thessalian plain using GNSS technology and compare them with hydrogeological data. Four GNSS stations located in Klokotos Thessaly, Karditsa, Larissa and Stefanovikeio were used for the data analysis. The data set covered a 10-year duration (2008 - 2018+) and was then examined for multipath effects using TEQC software. Results were visualized using GNUPLOT software and further analysis of time series was performed using GIPSY-OASIS 6 software. 4 The study specifically focused on the analysis of a time series, which is a collection of values that change over time with fixed period of time. The goal was to determine if the time series is stationary, that is, if its changes do not change over time. In addition, the study examined the presence of trends, which represent slow changes over time, and periodicity, which refers to changes that occur over specific time intervals, such as months, years, or seasons. Another aspect examined was linearity, which determines whether the time series components exhibit linear behavior or not. To analyze the time series, it was broken down into three main elements: trend, periodicity and residuals. This decomposition was carried out using a program in the R language. The findings and conclusions of the study are detailed in a paper published in the journal Natural Hazards. The findings were presented at the Pinios River International Conference in 2018 and a corresponding article was written in Natural Hazards, which was accepted for publication in 2020 and currently consists of 13 citations in google scholar and 10 in Scopus index. The processing and analysis technique used in the study published in Natural Hazard was repeated for the Ionian Islands region, which had a total of 5 major earthquakes between 2014 and 2018. After downloading the data from the GSAC platform, the data were evaluated using the TEQC program to assess their quality. The data were then processed using GIPSY-OASIS 6.4 software to generate time series and convert them to ITRF2014. The results were compared with previous investigations conducted individually for each earthquake using outdated processing software and without the preprocessing step, in order to investigate the multidirectional effects. The findings presented in the published article are based on these comparisons. Moreover, it provides a clear explanation when interpreting the time series data and when combined with examples from recent publications on earthquake genesis mechanisms, it gives clear results for the verification of fault kinematics. This is crucial to the explanation of seismic phenomena and has wider implications for the geosciences. A study was also done for the earthquake in Kos on 20/7/2017 for three GNSS stations and the magnitudes related to any displacements are presented. An extensive multi-path study for non-permanent GNSS stations in the Kalochori area is also presented and at the end a detailed report is made regarding the creation of a real-time GNSS time series analysis platform. After presenting the PhD thesis, immediate future plans include delving into the realm of GNSS data processing using more advanced software. In addition, emphasis will be placed on the detailed processing of time series data, incorporating predictive capabilities through the use of machine learning techniques.

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.