Содержание к диссертации
Введение
1. Общие принципы хранения и оперативного представления информации в геоинформационных системах 13
1.1. Определение геоинформационных систем 14
1.2. Особенности организации данных в геоинформационных системах 17
1.2.1. Пространственные данные 17
1.2.2. Атрибутивные данные 25
1.2.3. Метаданные 29
1.2.4. Цифровые модели карт 29
1.2.5. Интеграция данных в БД 36
1.3. Программно-аппаратное обеспечение ГИС 41
1.4. Задачи, решаемые 51
2. Разработка методики оперирования данными в геоинформационных пакетах 55
2.1. Анализ применения геоинформационных систем в геологии и геофизике 55
2.2. Цели и задачи использования геоинформационных систем решения задач недр 71
2.3. Общий алгоритм построения и классификация геоинформационных пакетов по признаку использования информации 76
2.4. Методология и технология формирования геоинформационного пакета 83
3. Создание картографических моделей геологической и геофизической информации в геоинформационных пакетах 102
3.1. Разработка структуры информационно-поисковых ГИП для ГИС настольного картографирования 102
3.2. Создание методики и технологии построения пакетов сводной геофизической информации для решения задач оперативного картографирования территории 118
3.3. Использование функций пространственного анализа ГИС с целью моделирования геологические процессов по результатам геолого-геофизических исследований, (на примере построения геодинамической модели осадочного чехла территории РТ) 135
Заключение 148
Список литературы 150
Приложение 1 158
- Пространственные данные
- Анализ применения геоинформационных систем в геологии и геофизике
- Методология и технология формирования геоинформационного пакета
- Использование функций пространственного анализа ГИС с целью моделирования геологические процессов по результатам геолого-геофизических исследований, (на примере построения геодинамической модели осадочного чехла территории РТ)
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы формируется новая экономическая система недропользования, которая предъявляет качественно новые требования к обслуживающим ее информационным ресурсам по содержанию, объемам, условиям накопления и потребления информации. В условиях сокращения затрат на геологоразведочные работы роль информации существенно повысилась. При освоении месторождения, добыче и транспортировке полезных ископаемых недропользователи в первую очередь сталкиваются с проблемой сбора, накопления и обработки больших объёмов пространственной информации. Традиционно основной способ представления любой информации о земной коре заключался в графическом построении какого-либо параметра на бумаге в виде карт изолиний, контурных карт, схем и т.п. в географических проекциях. Источники пространственной информации многочисленны и разнообразны, объем ее со временем неуклонно возрастает. Возникает проблема со сбором и обобщением имеющегося материала по площади исследования. Кроме того, карты на бумажных носителях подвержены быстрому физическому старению не только в силу физического старения, но и по существу - пока карта готовится к изданию, она уже содержит ошибки и неточности в связи с непрерывным поступлением новой информации и новых алгоритмов ее преобразования. Таким образом, все труднее становится выполнение задачи по быстрому получению информации и поддержки ее актуальности. В настоящее время для систематизации и анализа пространственной информации применяется новый тип информационных технологий -геоинформационные системы (ТИС), которые позволяют осуществлять сбор, хранение, увязку и обработку всех данных в цифровой компьютерной форме. В отличие от других типов инструментов ТИС базируется на информации, привязанной к координатам на карте, и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений.
Тема предлагаемой к рассмотрению диссертации посвящена изучению и анализу возможностей применения геоинформационных технологий для решения различных прикладных задач при геолого-геофизических исследованиях. В работе предлагается методика и технология создания геоинформационных пакетов (ТИП) для интегрирования данных с целью решения геолого-геофизических задач прикладного характера. Главной целью создания геоинформационного пакета является интегрирование всей имеющейся информации о территории в точных пространственных и содержательных определениях, что позволит оперативно обрабатывать и анализировать информацию, по мере накопления пополнять или редактировать ^^I компоновать
БИБЛИОТЕКА |
СПегерв»»г » - Л
ОЭ we
многовариантные и разномасштабные выходные карты без больших временных затрат.
Цель работы. Разработать методику и технологию формирования геоинформационных пакетов в среде ГИС настольного картографирования для обеспечения информационных процессов при решении геолого-геофизических задач прикладного характера. Показать возможности использования геоинформационных технологий на разных этапах и направлениях работы по изучению недр в геолого-геофизической отрасли. Основные задачи исследований:
-
Анализ динамики развития и современного состояния геоинформационных технологий в геологоразведочной отрасли.
-
Построение общего алгоритма геоинформационного пакета для решения прикладных геолого-геофизических задач в среде ГИС настольного картографирования.
-
Создание структуры геоинформационных пакетов с функциями информационно-поисковой системы в виде электронных атласов.
-
Создание методики и технологии построения пакетов сводной геофизической информации для решения задач оперативного геологического картографирования территории.
-
Изучение и реализация возможностей использования функций пространственного анализа ГИС для построения модели геологической среды (на примере исследования геодинамических процессов осадочного чехла Республики Татарстан).
Основные защищаемые положения:
-
Разработанный алгоритм построения ГИП с классификацией геоинформационных пакетов по признаку использования информации позволяет оптимальным образом формировать проблемно-ориентированные базы данных с использованием системного подхода.
-
Структура геоинформационного пакета в виде электронных атласов с функциями информационно-справочной системы, предоставляет возможность интегрировать разнородную геолого-геофизическую информацию из распределенных баз данных и обеспечивает оперативное управление массивами данных при решении задач в ГИС настольного картографирования.
-
Построение в ГИС настольного картографирования сводных цифровых карт геофизических полей путем синтезирования результатов съемок различных масштабов, точности и уровня приведения позволяет повысить информативность геофизических данных при решении задач геологического картирования.
Использование функций пространственного анализа
геоинформационных систем позволяет моделировать сложные
геологические процессы по результатам геолого-геофизических исследований, интегрированных в единый геоинформационный пакет. Научная новизна: В результате проведенных исследований автором разработаны:
алгоритм построения и классификация ГИП по признаку использования информации;
структура интегрирования разнородных геолого-геофизических данных произвольного сечения и форматов из распределенных БД в единый геоинформационный пакет с функциями информационно-справочной системы;
методика синтезирования сводных карт геофизических полей на основе разноуровневой и разномасштабной информации средствами пространственных преобразований в среде ГИС настольного картографирования;
принципы построения геодинамической модели нефтегазового района (на примере территории республики Татарстан) с использованием функций пространственного анализа геоинформационных систем.
Практическая значимость заключается в том, что разработанные методика и технология формирования геоинформационных пакетов и структура представления информации может быть использована для решения геологических задач в различных научных и производственных организациях. Электронные атласы позволяют интегрировать разнородную информацию и оптимизировать доступ к ней пользователям разного уровня, могут быть использованы в качестве удобных справочников по известным месторождениям, лицензионным участкам, или для решения задач мониторинга и анализа. Кроме функций информационно-справочной системы могут включать возможности пространственного анализа для получения новых знаний о территории.
Методика синтезирования сводных карт геофизических полей может быть применена при геологической съемке, а также при поисках месторождений полезных ископаемых. Опробование методики при ГДП-200 листа М-42-ХШ (Казахстан, ТОО "КЕН") позволило уточнить геологическое строение территории.
На территорию республики Татарстан создан геоинформационный пакет, с целью изучения геодинамических процессов осадочного чехла нефтегазового района. С использованием аналитических возможностей геоинформационной системы построена модель геодинамических процессов, которая позволяет выделить перспективные участки на поиски нефтяных месторождений.
Реализация работы. Методика и технология формирования и использования геоинформационных пакетов на территорию исследований, предложенная в диссертационной работе, реализована при решении различных прикладных задач недропользования в производственных и научных организациях: ОАО «Таймырнефтегеофизика» (г. Дудинка); ОАО «Средне-Уральская геологоразведочная экспедиция» (г. Верхняя Пышма, Свердловская область); ОАО «Геомониторинг» (г. Екатеринбург); ФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция» (г.Заречный, Свердловская область); «Зеленогорская экспедиция» (г.Екатеринбург); ТОО «КЕН», ОАО «Кустанайская поисково-съемочная экспедиция», ОАО «Геобайт», ОАО «Союзшахтоосушение» (Казахстан); администрация Верх-Исетского района г.Екатеринбурга; Татарское геологоразведочное управление, ОАО «Татнефтегеофизика» (Республика Татарстан, г.Казань); ОАО «Башкиргеология» (Республика Башкортостан); Институт геофизики УРО РАН, (г. Екатеринбург), ОАО «Самаранефтегаз» (г.Самара). По предложенной в работе методике кафедра геоинформатики УГГГА совместно с научными и производственными организациями Урала более 5 лет работает над геоинформационным пакетом на территорию Урала. Геоинформационный пакет (ГИП) представляет собой распределенную базу картографических и атрибутивных данных, структурированных и топологически связанных между собой по трем масштабным уровням: -региональному (1:500000-1000000), -территориальному (1:50000-200000), -локальному (1:25000-5000).
Региональный уровень представлен данными на всю территорию Урала и содержит информацию различного содержания, такие как: топооснова и инфраструктура, геология и тектоника, геофизические карты, схема сейсмического районирования Урала
На территорию Свердловской области разработаны электронные атласы территориального уровня:
«Перспективные участки подземных вод Свердловской области»,
«Техногенные месторождения Свердловской области»,
«Месторождения строительных материалов Свердловской области»,
Локальный уровень ГИП представлен электронными атласами на отдельные участки исследований,
— Сейсморайонирование потенциально опасных территорий
(окрестности г. Екатеринбурга, г. Снежинска, г. Нижней Салды),
— Технополис Заречный (районирование по степени влияния
взрывов Курманского карьера),
Экологические пакеты (Верхотурье и г. Верхняя Пышма);
Лицензионные пакеты на Маминское золоторудное поле и Сафьяновское месторождение меди.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных научных конференциях в Уральской государственной горно-геологической академии (Екатеринбург, 2002-2004г.г.), на второй всероссийской конференции «Геоинформатика и образование» (Москва, 1998г.), на Форуме ГИС-ассоциации (Москва, 1998, 1999, 2000, 2002, 2003г.г.); на 2-й окружной научно-технической конференции «Современные проблемы информационного пространства Уральского федерального округа» (Екатеринбург, 2003г.); на 5-й Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (Ханты-Мансийск, 2002г.); на 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (Бугульма, 2003г.); на X конференции пользователей программных продуктов ESRI (Голицыне, 2003г.). По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Исходные материалы и личный вклад автора. Работа выполнена по материалам и в тесном сотрудничестве с производственными организациями - ОАО «Уралгеомониторинг» (г. Екатеринбург), ТОО «КЕН» (Казахстан), Татарское геологическое управление, ОАО «Татнефтегеофизика». Автор приносит благодарность специалистам этих организаций за помощь в проведении исследований и предоставленные материалы.
Работа выполнена на кафедре геоинформатики Уральской
государственной горно-геологической академии и базируется на многолетних теоретических и практических исследованиях в области использования геоинформационных систем при решении задач недропользования. В течение всего периода исследований, начиная с 1994 года, автор принимала активное участие в разработке основ методики и технологии использования геоинформационных систем при решении геолого-геофизических задач и внедрении их в производственных и научных организациях Урала, Таймыра, Башкортостана, Татарстана и Казахстана. Будучи преподавателем кафедры и сертифицированным преподавателем Учебного центра ГлавНИВЦ автор с 1996 года занимается подготовкой и повышением квалификации специалистов геоинформационного направления.
При решении многих задач, рассмотренных в настоящей работе, автор тесно сотрудничала со специалистами производственных и научных организаций Урала и других регионов страны - д.т.н. проф. В.И.Уткиным, д.г.-м.н. проф. С. Н. Кашубиным, д.г.-м.н. проф. В. В. Кормильцевым, К.Г.-М.Н. В. С. Дружининым, д.г.-м.н. проф. А. Г. Талалаем,
одной из основоположников уральской геофизики Е.М.Ананьевой, к.г.-м.н. А.В. Коровко, К.Г.-М.Н. доц. Л.М. Рыбниковой, к.г.-м.н. гл. экспертом ГИС-ассоциации Ю.К. Королевым, д.т.н. проф. ЮА Барановым, к.г.-м.н. Е.Г. Капраловым (ГИС-ассоциация, г. Москва), а также геологами-съемщиками и геофизиками Казахстана - к.г.-м.н. С.С. Чудиным, В.В. Воиновым, Г.Н. Философовым, Татарстана — В.Б. Либерманом, С.А. Екимцовым, Таймыра - К.Г.-М.Н. гл. геофизиком ОАО «Таймырнефтегеофизика» ВАБалдиным, которые оказывали поддержку и содействие в ходе исследований, принимали самое активное участие в обсуждении большинства результатов исследований и высказали много ценных замечаний. Пользуясь случаем, автор выражает им свою признательность и благодарность за предоставленные материалы для исследований и неоценимую помощь в апробации работы. Особую благодарность автор выражает научному руководителю к.г.-м.н., доц., зав. кафедрой геоинформатики В.Б. Писецкому, коллегам по работе на кафедре геоинформатики.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 86 наименований.
Пространственные данные
Первый метод использует квантование, или разбиение пространства на множество элементов (ячеек), каждый из которых представляет малую, но вполне определенную часть земной поверхности (33). При этом каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристике (цвет, плотность и т.п.) участок поверхности объекта. В ячейке модели содержится одно значение, усредняющее характеристику участка поверхностного объекта. Чаще всего в геоинформационных системах ячейка имеет форму квадрата (grid), или прямоугольника, реже используются треугольники и шестиугольники. Квадрат - самая удобная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов. Треугольные мозаики служат хорошей основой для создания выпуклых (сферических) поверхностей. К недостаткам растрового представления следует отнести проблему низкой пространственной точности, что уменьшает достоверность измерения площадей и расстояний и необходимость больших объемов памяти для хранения и оперирования данными. Достоинства растрового представления пространства в том, что они относительно легко понимаются как метод преставления непрерывного пространства. Растровые данные могут использоваться как подложка для векторизации карты или атрибут пространственного объекта (получают путем сканирования аналоговых карт или снимков). Кроме того, они служат источником для дешифрирования объектов, для сеточного представления поверхностей и моделирования пространственных процессов. Такой вид растрового изображения будем в дальнейшем называть матричным (14).
Матричные данные
Матричные данные получают путем преобразования данных из векторной формы представления по одному из тематических свойств или в результате обработки других матричных слоев. В случае преобразования в матричную форму количественных данных (карт изолиний или результатов измерений в отдельных точках) выполняется интерполяция в регулярную сеть центральных точек элементарных ячеек; для качественных данных выполняется кодирование по списку возможных значений в каждом основании классификации. Цифровые аэро- и космоснимки также являются матричными слоями. В отличие от растровых данных, полученных путем сканирования, когда каждой ячейке растра соответствует определенный цвет, в матричных данных каждой ячейке указывается принадлежность к определенному объекту (классу объектов) или значение характеристики территории. Таким образом, атрибутивная информация к матричным данным содержится непосредственно в коде ячейки. Шаг дискретизации данных - размер элементарной ячейки -задается пользователем и одинаков для всех матричных слоев одной БД. По типам шкал описания матричные слои разделяются на количественные в шкалах отношений и качественные в шкалах порядковых и номинальных. В зависимости от вида данных матричный слой может храниться с различной детальностью. Матричные данные могут быть произвольным образом квантованы (разбиты на градации) и совмещены с векторными. Кроме того, УГ многие функции, особенно связанные с операциями с поверхностями и наложением (overlay) легко выполняются на этом типе структур данных.
Векторные данные Второй метод представления пространственных данных, называемый векторным, позволяет задавать точные пространственные координаты явным образом (26). Здесь подразумевается, что географическое пространство является непрерывным, а не квантованным на дискретные ячейки. Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связанные объекты. Каждый объект может быть описан одним или несколькими геометрическими примитивами и атрибутами. К геометрическим примитивам относятся, прежде всего, точки, линии и площади. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y.
Основные типы координатных данных для векторной модели определяются через базовый элемент - линию (дугу). В геоинформационных системах выделяются три класса представления объектов: точечные, линейные и полигональные (площадные). Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и площади, занимающие пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Геометрические данные составляют основу векторной модели, кроме того, в ее состав входят атрибуты и связи.
Для представления пространственно-распределенных данных в цифровом виде используются два основных вида векторных геометрических моделей: бесструктурная (объектная) и топологическая (33). Топология определяет наличие связей между пространственными объектами и ее тип.
В объектной (бесструктурной) модели карта реализуется как умозрительная модель (рис.2). Каждый примитив отображается одной логической записью, как строки переменной длины пар координат (X,Y). В этой модели соседние области должны иметь разные цепочки для общих сторон. Т.е. не существует областей, для которых какая-либо цепочка записей была бы общей. Каждая сторона каждой области имеет свой уникальный набор линий и пар координат (нет явной топологической информации, модель -прямой перевод графического изображения). Фрагменты общей стороны имеют одинаковые координаты, но записаны они независимо друг от друга.
Пространственные отношения между объектами карты, такие как, например, положение смежных областей подразумеваются, но не записываются. В результате отсутствия явного описания таких отношений появляется дополнительная вычислительная нагрузка, которая затрудняет измерения и анализ. Бесструктурная модель применяется в случае, когда нет необходимости в отображении и хранении связей между объектами, либо этих связей попросту не существует.
Представление карты в таком виде является эффективным, и как следствие, наиболее применимым методом картографического отображения и зачастую используется в компьютеризированной картографии, где анализ не является главной целью.
Топологические модели — это модели, которые отражают взаимные связи между объектами, не зависящие от геометрических свойств и содержат топологическую информацию в явном виде. Для возможности использования аналитических методов необходимо внести в систему максимальное количество топологических отношений. Топологическая модель имеет сложную структуру и содержит базовые элементы - дугу, точку, внутреннюю точку полигона и вспомогательный (связующий) элемент - топологический узел. Узел — это пересечение двух или более дуг, его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Схема сочетания элементов показана на рис.3. Модель представляет собой ориентированный граф, где дугами являются контуры объектов, а вершинами топологические узлы (33). Описание каждой дуги содержит два идентификатора узлов, к которым примыкает дуга, идентификаторы правого и левого полигонов, количество точек в метрике дуги. Совокупность таких данных для всех объектов карты называют топологической таблицей.
Построение топологической структуры важно для построения многослойной модели.
Анализ применения геоинформационных систем в геологии и геофизике
В геологии, как научно-производственной отрасли, достаточно давно используются информационные технологии. Специализированные программные системы для обработки информации и получения новых знаний начали использоваться в производственном режиме более 35 лет назад. Компьютерные средства обработки и интерпретации данных предназначены в первую очередь, для обработки материалов геофизических съемок со специализацией по методам и стадиям. Многие из них имеют в своей основе развитые и довольно совершенные алгоритмы (например, отечественные системы СЦС, СОС, ИНТЕРСЕЙС, АСОИГИС, ГИНТЕЛ, КОМПАК и др.). Следует сразу же отметить, что внедрение геоинформационных технологий не уменьшает долю специализированных систем обработки и не подразумевает интегрирование таких программ в геоинформационную среду напрямую или в качестве отдельных модулей. Достаточным представляется согласование форматов входных и выходных данных (картографических, в первую очередь), а геоинформационная система в этом случае должна обеспечивать работу с наборами карт для интегрированного системного анализа. В первую очередь это количественная и качественная интерпретация разноуровневой информации, выделение и распознавание объектов по набору диагностических признаков и построение их многофакторных моделей. Такое решение обеспечит экономическую эффективность совместного применения геоинформационного и специализированного программного обеспечения в интегрированной среде обработки и анализа геолого-геофизических данных.
Внедрение геоинформационных технологий в геологическую отрасль в мире началось несколько десятков лет назад, и в настоящее время геологические ведомства всех развитых стран мира активно используют ГИС в своей деятельности (13,25). В освоении и внедрении геоинформационных технологий на российском рынке в начале 90-х годов прошлого столетия геологоразведчики были одними из первых, и вскоре геологическая отрасль России превратилась в крупнейшего коллективного пользователя программных продуктов компании ESRI&ERDAS, лидеров мирового рынка геоинформационных технологий. Программные продукты именно этой компании стали рабочим инструментом российских геологов. К группе наиболее используемых программ следует отнести: ARCINFO, ARCVIEW, ERDAS IMAGINE (6, 7, 61-66, 74). Выбор этого программного обеспечения в качестве отраслевых стандартов основывался как на собственных исследованиях рынка, так и на опыте геологических служб США, Канады, Австралии и других стран мира, которые активно используют геоинформационные технологии достаточно продолжительное время. Из отечественных разработок в качестве лидеров следует отметить разработки ГИС ПАРК (ТОО ЛАНЭКО, г. Москва), ИНТЕГРО (лаборатория геоинформатики ВНИИГеоСистем), EASY TRACE (EASY TRACE GROUP г.Рязань), АДК (СпецИКЦ г.Сант-Петербург) (14, 46, 72) .
В последние годы применение ГИС-технологий в геологических исследованиях приняло в России значительные масштабы. ГИС и другие компьютерные системы используются в производственном режиме в процессе геолого-съемочных работ, при обработке геофизических и геохимических данных, в ходе изучения месторождений, при проектировании и эксплуатации нефтегазовых коммуникаций, в экологических исследованиях.
В настоящее время сложились два генеральных направления использования компьютерных технологий: информационное (создание и наполнение баз данных в рамках ГБЦГИ) и прогнозно-аналитическое (интегрированная обработка данных, моделирование и прогноз в рамках программ создания Госгеолкарты-1000 и Госгеолкарты-200). Основой и ядром деятельности по этим двум направлениям явилась Единая информационная система недропользования в России (ЕИСН), концепция которой была утверждена Роскомнедра в 1994 году. Основным направлением действий по созданию ЕИСП является интеграция информационных ресурсов в рамках единой федеральной архитектуры информационных ресурсов, развития существующих и формирования новых банков и баз данных на всех уровнях управления. Создание ЕИСП предполагает развитие единой информационной инфраструктуры для обмена данными на базе корпоративной телекоммуникационной системы, охватывающей все территориальные органы управления и фонды информации министерства во всех регионах России и информационный обмен с информационными системами других федеральных органов исполнительной власти на основе применения современных информационных технологий (13).
По информационному направлению были разработаны программы создания и развития Государственного банка цифровой геологической информации (ГБЦГИ) и его неотъемлемой части - информационных блоков по цифровой картографии, геофизике, дистанционному зондированию земли, минеральным ресурсам, гидрогеологии и мониторингу геологической среды в технологии ARC/INFO-ARCVIEW.
Немаловажную роль в стремительном развитии геоинформационных технологий в геологической отрасли сыграло решение, принятое министерством природных ресурсов, о централизованной поставке технического и программного обеспечения и обучении специалистов во всех геологические организациях, занимающихся геологической съемкой и ГДП-200 (48). В июле 1994 г. были утверждены "Концепция создания единой информационной системы недропользования в России" и "Временное положение о Государственном банке цифровой геологической информации в недропользовании (ГБЦГИ)". В 1997 г. завершился первый этап создания ГБЦГИ: разработано организационно-правовое и нормативно-методическое обеспечение работ, создана система специализированных и региональных информационно-компьютерных центров (ИКЦ), Федеральный банк данных ГБЦГИ. Геологическая служба России в течение последних десяти лет активно вела работы по созданию обновленной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:200 000 (Госгеолкарта-200, второе издание). В
соответствии с "Временными требованиями к организации, проведению и конечным результатам геолого-съемочных работ, завершающихся созданием Госгеолкарты-200 (второе издание)" на разных этапах работ должны быть задействованы геоинфомационные технологии. Конечным результатом работ должен являться комплект карт Госгеолкарты-200 и база первичных геологических данных в цифровом виде (ЦМ), а также копии на бумажных носителях. Создание и издание комплектов Госгеолкарт на базе геоинформационных технологий стало приоритетным направлением работы МПР РФ (24,25).
В отрасли была принята и утверждена методика построения цифровых моделей карт геологического содержания комплекта Госгеолкарты-200. В ее основу положена «Инструкция по составлению и подготовке к изданию листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:200 000 (Роскомнедра). М.:1995» (20).
В рамках одного номенклатурного листа масштаба 1:200 000 работы по созданию Госгеолкарты-200 подразделятся на несколько самостоятельных этапов:
- создание цифровой модели топографической основы листа;
- формирование банка первичных геологических данных по листу;
- создание цифровой модели геологической карты;
- создание базы регистрационных данных по месторождениям и поисковым признакам полезных ископаемых;
- создание цифровой модели карты полезных ископаемых и закономерностей их размещения;
- создание цифровой модели карты четвертичных образований;
- компьютерная подготовка и издание нового комплекта карт.
Методика разработана с учетом применения отечественных и зарубежных программных средств. На начальном этапе внедрения геоинформационных технологий МПР финансировало разработку программного обеспечения ГИС ПАРК, которое было признано АРМ «Геолог-съемщик», а его стандарты обязательными в отрасли. По истечении нескольких лет опыт использования только одного стандарта в качестве обязательного не оправдал себя. Было принято решение о стандартизации цифровых моделей, процесс создания их может проводиться в удобном для пользователя программном обеспечении на его выбор, при условии сдачи отчетной графики в форматах принятого стандарта.
К настоящему времени наполнение ГБГЦИ цифровыми моделями геологических карт масштаба 1:200000 практически завершено. Накопленные объемы информации измеряются террабайтами и включают тысячи листов геофизических и геологических карт, сведений по геохимии горных пород, о месторождениях полезных ископаемых. В рамках ГБЦГИ была сформирована ведомственная система дистанционного зондирования Земли из космоса МПР России в составе станций приема спутниковой информации и центрального ведомственного архива цифровых космических данных, функционирование которой требует поддержания и развития. Организации министерства используют в работе данные космической съемки, принимаемые станциями приема МПР России. В настоящее время в системе ГБЦГИ представлены информационные ресурсы по цифровой топографической основе на территорию Российской Федерации в масштабах 1: 8 000 000, 1:4 000 000, 1:2 500 000, 1:1 000 000 и на часть территории в масштабе 1:200 000.
Методология и технология формирования геоинформационного пакета
Интеграция означает, что помимо большого набора типов данных и технологий имеется некоторая концепция и методология, оптимально объединяющая это разнообразие данных и технологий (8). Выработка концепции позволяет определить правила создания и планировать дальнейшее развитие и изменение системы. Методология создания любой информационной системы заключается в организации процесса построения информационной системы (37). Процесс должен быть организован таким оптимальным образом, чтобы гарантировать выполнение требований, как к самой системе, так и к характеристикам процесса разработки и управления этим процессом. Основные задачи, решение которых обеспечивает методология:
- обеспечение создания информационной системы, которая отвечает целям и задачам проекта,
- простота сопровождения, модификации и расширения системы с целью соответствия ее изменяющимся условиям,
- возможность использования в создаваемой системе ранее применяемых средств информационных технологий (программных средств, баз данных, аппаратных средств).
Методология и технология проектирования составляют основу проекта любой информационной системы. Методология реализуется через конкретные технологии. Основное содержание технологии проектирования составляют технологические инструкции, которые описывают технологические операции и последовательность их выполнения в зависимости от конкретных условий.
Технология проектирования может быть представлена как совокупность трех. составляющих:
- заданной последовательности выполнения технологических операций проектирования,
- критериев и правил, используемых для оценки выполнения этих операций,
- графических и текстовых средств, используемых для описания проектируемой системы.
Каждая технологическая операция должна обеспечиваться:
- данными, полученными на предыдущей операции, представленными в стандартном виде,
- методическими материалами, инструкциями, нормативами и стандартами,
- программными и техническими средствами, - исполнителями.
Результаты выполнения операции должны быть представлены в некотором стандартном виде, который обеспечит их адекватное восприятие при выполнении следующей операции. Можно сформулировать ряд общих требований, которым должна удовлетворять технология проектирования, разработки и сопровождения информационных систем. Технология проектирования должна поддерживать полный жизненный цикл информационной системы. Кроме того, при проектировании необходимо обеспечить выполнение ниже перечисленных требований:
- гарантированное достижение целей разработки системы с заданным качеством и в установленное время,
- возможность разделения крупных проектов на ряд подсистем,
- декомпозицию проекта на отдельные составные части, которые разрабатываются группами исполнителей с последующей. интеграцией этих составных частей в единую систему,
- минимальное время получения работоспособной системы.
Геоинформационный пакет по определению является частным случаем системы, поэтому, к нему применимы все правила методологии и технологии проектирования и функционирования информационных систем, независимо от вида классификации, к которому он относится. Проектирование, создание и особенно эксплуатация геоинформационных систем являются работами повышенной сложности. Успешная работа по созданию и функционированию геоинформационного пакета, как части системы, может быть обеспечена в первую очередь грамотной разработкой его структуры и взаимосвязей на стадии проектирования.
Процессы, обеспечивающие работу системы любого назначения, независимо от выбранной классификации геоинформационного пакета условно можно представить в виде схемы (рис.15), состоящей из блоков (37).
Процессы в геоинформационном пакете, аналогичны происходящим в любой системе:
- ввод информации производится из внешних или внутренних источников,
- обработка (систематизация, преобразования, манипулирование и т.п.) входной информации производится по определенным правилам и разработанным алгоритмам,
- вывод информации осуществляется в формате, удобном для пользователя или принятом во внешней информационной системе.
Следует отметить, что информация, которая является результатом обработки входных данных, может предназначаться либо пользователю для поддержки принятия решений, либо для дальнейшего анализа в другой, являющейся внешней по отношению к рассматриваемой, информационной системе. Для того чтобы система была жизненно стойкой и развивающейся, необходима обратная связь, которая обеспечит коррекцию входных данных, информацией обработанной пользователем.
Рассмотрим некоторые обязательные правила проектирования систем, которые могут обеспечить существование и функционирование системы:
- информационная система является динамичной и развивающейся,
- каждая информационная система должна быть построена и управляема на основе общих принципов построения системы,
Для построения системы, отвечающей перечисленным принципам, следует использовать системный подход (37).
Системный подход использует два основополагающих правила:
- теория любых объектов или явлений основывается на некоем образе реальности, называемом моделью,
- модель можно представить в виде структуры, построенной на основе некоторых логико-математических отношений.
Можно выделить основные этапы системного подхода, применяемые при анализе информационных систем: анализ структур, формализацию и моделирование.
Анализ структур системы позволяет разделить систему на однородные по заданным признакам части (рис. 16). Для разбиения системы на крупные части (подсистемы) используется метод стратификации. Суть его состоит в том, что все множество данных разбивается на уровни, которые называют стратами. Другими словами, предоставляется возможность множество характеристик отобразить в виде совокупности подмножеств. Стратификация превращает систему из неоднородного множества в совокупность иерархически взаимосвязанных однородных подмножеств.
Примером может служить представление координат пространственных объектов в трехмерном пространстве или представление векторных объектов разными типами: линейными, векторными, точечными или полигональными. Стратификация применима как для анализа систем, так и для анализа данных.
Дальнейшая детализация структуры системы возможна с использованием метода графов (19). Основными элементами графов являются дуги и узлы. В такой формализации заложена топология, которая важна при анализе пространственных данных.
Еще более детальное представление системы кроме подсистем позволяет выделить элементы системы. Для выделения отдельных элементов используют метод пошаговой детализации.
Формализация системы. Следующая группа процессов предназначена для создания формализованного описания частей системы. При этом необходимо помнить о единстве системы, отразить связь между частями системы и прописать функциональное назначение, как каждой подсистеме, так и системе в целом.
Формализация системы состоит из двух этапов - определение правил описания и собственно описание каждого элемента и функций системы в целом.
Моделирование. На стадии моделирования осуществляют построение модели системы и модели данных (рис.17).
Использование функций пространственного анализа ГИС с целью моделирования геологические процессов по результатам геолого-геофизических исследований, (на примере построения геодинамической модели осадочного чехла территории РТ)
Одной из актуальных проблем применения геоинформационных технологий при изучении недр в настоящее время является увеличение роли ГИС, реализующих аналитическую функцию ГИС, что неизбежно связано с комплексированием различных приложений в рамках оболочки ГИС. Направление ориентировано на прогноз геоситуаций и месторождений полезных ископаемых. Для решения этих задач созданы и успешно реализованы в геоинформационных-технологиях методы интегрированного системного анализа, позволяющие решать задачи выделения и локализации перспективных объектов, проводить количественную интерпретацию разноуровневой информации, строить многофакторные физико-геологические модели изучаемых объектов.
При реализации геоинформационных пакетов для решения аналитических задач ГИС рассматривается как система обработки интегрированных данных для получения качественно новой информации. ГИС играет роль информационно-моделирующей системы (обеспечивающей помимо вышеизложенных функций построение специальных тематических моделей), выступает в качестве экспертной системы, вырабатывающей конечные ответы (решения) путем анализа имеющейся информации с помощью определенных решающих правил. ГИС, как система накопления, хранения и отображения данных, в этом случае, играет вспомогательную роль.
В дополнение к возможностям универсальных информационных систем, геоинформационные имеют специальные средства пространственного анализа, выявления и оценки взаимосвязи, многомерного районирования территорий, прогнозирования и картографирования ситуаций. Эти средства обеспечивают:
- автоматизацию как преобразования формы представления данных, так и получения новой информации на основе комплексной интерпретации качественных и количественных данных методами распознавания;
- оптимизацию решений по количественным критериям выборки;
- использование автоматически формируемых и экспертных моделей.
ГИС не подменяет специализированные системы обработки данных, предназначенные для конкретных видов данных или способов их обработки. Выходные данные таких систем служат входной информацией для ГИС, которая интегрирует эти данные на картографической основе, а также является инструментом их совместной обработки, интерпретации и представления в терминах конечного целевого свойства. В отличие от геоинформационных пакетов, предназначенных выполнять функции информационно-поисковой системы, такая система оснащается ГИС-приложениямй, обеспечивающими решение задач пространственного анализа. Для решения поставленной задачи может использоваться полнофункциональное ПО (ГИС ПАРК, ИНТЕГРО, ARCINFO) или модули анализа ГИС ARCVIEW (SPATIAL ANALYST).
Основные возможности ГИС при решении задач комплексного изучения территории, которые могут быть реализованы в аналитических ГИП:
- создание многоцелевых картографических баз;
- интеграция растровых и векторных данных;
- аналитическое и фактографическое информационное обслуживание -пространственные и объектные запросы, многокритериальная выборка данных;
- построение производных карт - алгебраические, тригонометрические и логические операции над картами по произвольно заданной проблемно-ориентированной формуле обработки,
- операции в скользящих окнах; вычисление экспозиции склонов, интерполяция, построение горизонталей, светотеневых изображений поверхностей и др.;
- многомерное районирование территорий;
- измерительные функции - вычисления расстояний, периметров, площадей, крутизны, ориентации, мощности;
- анализ данных - пространственная статистика, исследование связей и зависимостей, поиск диагностических комбинаций признаков объектов;
- распознавание и автоматическое картографирование объектов и ситуаций;
- планирование, моделирование и оценка стратегий картировочных и поисковых работ;
- вывод данных - компоновка выходных документов, получение твердых копий.
В исследовательской работе автор рассматривает возможности применения функций анализа в ГИС-технологиях на примере построения модели современной геодинамики территории Татарстана. Целью исследований является выделение перспективных участков на поиски углеводородов на основе комплексного анализа геолого-геофизической информации по территории Татарстана.
Исследовательскую работу этого направления можно представить последовательностью следующих этапов:
- разработка основного геоинформационного пакета на территорию РТ на трех масштабных уровнях (региональный, территориальный и локальный) по комплексу скважинных, сейсмических, гравимагнитных и других данных,
- формирование карт аномального давления по результатам ДФМ-интерпретации системы региональных сейсмических профилей;
- интегрированный анализ геоинформационного пакета с целью прогноза геометрии и параметров схемы современной блоковой динамики системы «бассейн-фундамент»,
- моделирование динамических процессов течения флюида в активной системе «бассейн-фундамент» с целью прогноза схемы формирования и переформирования крупных нефтяных месторождений.
Систематизация исходных данных осуществлена в геоинформационном пакете с использованием программного обеспечения ARCVIEW. В пакете представлены карты трех масштабных уровней:
- регионального,
- территориального,
- локального.
Кроме того, в пакете приведены данные ДФМ-разрезов по 21 сейсмическим региональным профилям и производные карты геодинамических процессов для выделения площадей, перспективных на поиски нефти.
Региональная составляющая геоинформационного пакета включает более десяти цифровых карт различного содержания масштаба 1:10000000 (геодинамическая, геотермическая, петроплотностная, петромагнитная, аномального гравитационного поля, магнитного поля, рельефа поверхности кристаллического фундамента, плотностной дифференциации мантийно-коровых блоков, рельефа подошвы литосферы, структурно-формационных комплексов, тектоническая схема фундамента, нефтегазоносности России и др.), а также данные ГСЗ (глубинных сейсмических зондирований) по региональному профилю «Гранит».
Карты регионального уровня масштаба 1:10000000 позволяют представить положение Татарстана на восточном фланге архейско-протерозойского кратона, являющегося ядром Восточно-Европейской платформы (ВЕП).
Карты территориального уровня представлены материалами масштаба 1:200000. Топооснова Татарстана, карта изученности кристаллического фундамента, карта месторождений нефти РТ и картограмма изученности РТ региональными сейсмопрофилями составляют необходимую справочную основу. Геолого-петрографическая карта дорифейского фундамента Татарстана и Схема тектонического районирования фундамента по А.В.Постникову, составленные с учетом данных геофизики, являются основой для анализа гравитационного и магнитного полей и одновременно объектом уточнения по результатам этого анализа (53). Карта гравитационного и магнитного поля РТ используется для районирования фундамента по величине и характеру намагниченности пород с целью уточнения границ структурно-вещественных блоков. В результате комплексной количественной интерпретации гравимагнитных аномалий могут быть выделены объекты внутри фундамента, составляющие его нижний структурный этаж.
