Автоматизированная подготовка исходных данных для расчета ожидаемых сдвижений и деформаций в ГИС ArcView Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© И.Ю. Иванов, И.Л. Коваленко, В.М. Калинченко, 2001

УДК 622.1:528.94

И.Ю. Иванов, И.Л. Коваленко,

В.М. Калинченко

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА ОЖИДАЕМЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ГИС ARCVIEW

В

настоящее время в горную и маркшейдерскую практику начинают внедряться геоинформа-ционные системы. ИПКОН РАН создана программа для расчета и распечатки карт ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности при разработке угольных месторождений. Программа реализует методику расчета, рекомендованную Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [1] и работает как модуль, встроенный в ГИС Arc-View.

Исходные данные для указанного расчета (угловые и горно-геологические условия: глу-

бина горных работ, размеры лавы, угол ее падения и др.) заносятся вручную, с клавиатуры, что является слабым местом системы.

В Восточном Донбассе планируется приступить к оцифровке планов горных работ, что позволит в перспективе на этой основе полностью автоматизировать расчет сдвижений и деформаций земной поверхности.

Здесь предлагается один из вариантов решения этой задачи.

В настоящий момент ее можно решить довольно быстро, используя принцип «частичной оцифровки» планов горных работ. Для этого, имея растровый план в качестве подложки, создаются две новые темы в ГИС ArcView. Одна из них - план геологических разведочных скважин с обычным набором атрибутивных данных (номер скважины, отметка устья, глубина встречи с пластом). Вторая получается путем векторизации растровой подложки контуров лавы, от которой необходимо произвести расчет сдвижений и деформаций, и контуров около-штрековых целиков.

Созданный программный модуль на языке Avenue по первой теме автоматически определяет глубину горных работ и угол падения пласта, по второй - горнотехнические параметры.

Файл с исходными данными может быть в обычном порядке использован для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности.

Чтобы выполнять вычисления в среде ArcView с использованием информации о контурах объектов на планах, представлен-

ных в растровом формате (например, TIFF, BMP или JPEG), нужно создать также две темы: одну для растрового изображения карты, и другую - для векторного представления выделяемых на нем контуров объектов. На эти темы далее будем ссылаться как на "Тему 1" и "Тему 2". Для того, чтобы файл, содержащий растровое изображение плана, мог быть включен в Тему 1, он должен быть снабжен описывающим его файлом (с расширением .wld), содержащим информацию о масштабе изображения и абсолютных координатах его начала. Включенное в Тему 1 растровое изображение используется в качестве основы для формирования объектов Темы 2. Чтобы их сформировать, нужно выбрать соответствующий инструмент на панели инструментов ArcView и обвести (при помощи «мыши») по точкам контур изображения каждого объекта заданного класса, например, контур каждой выработки на плане горных работ.

Поскольку этот процесс приводит к представлению в векторной форме части неструктурированной информации, содержащейся в растровом изображении плана, можно назвать его "частичной векторизацией" плана. При этом для визуального восприятия пользователя и для ориентирования его в ходе работы используется растровая графическая информация Темы 1, а для вычислений и для визуального отображения участвующих в вычислениях объектов используется векторная информация Темы 2.

Контуры объектов представляют собой многоугольники. Необходимые для вычислений геометрические параметры этих контуров определяются, исходя из списков координат их угловых точек.

Что касается необходимой для вычислений информации об объектах, не содержащейся в их контурах, простейший способ ее ввода в ходе вычислений - использование диалоговых окон ввода при помощи операторов Avenue MsgBox. Input, MsgBox.MultiInput и

MsgBox.YesNo .

Можно использовать более сложный способ включения этой информации в рассматриваемую схему. Он заключается в добавлении дополнительных полей в базу данных темы; при этом для каждого необходимого в вычислениях параметра создается одно поле. Данные в них должны быть занесены после создания объектов и указания их контуров. Преимущество такого способа в том, что после занесения характеристики сформированных объектов хранятся в теме постоянно.

Другой способ включения необходимой в вычислениях информации, не относящейся к какому-либо определенному объекту и не содержащейся в их контурах и на планах, состоит в создании дополнительных тем, содержащих эту информацию в специально структурированном виде, допускающем ее извлечение для произвольно заданных точек и областей. Здесь используются разработанные к настоящему времени методы геометризации баз данных пространственной информации, например, метод топологической индексации объектов маркшейдерской базы данных [2] или другие средства построения и обработки трехмерных моделей.

Возможно также комбинирование перечисленных способов, при котором каждому из способов представления информации приписывается «степень актуальности». При этом программа сначала пытается использовать более актуальные способы, а об-

наружив, что не имеет для этого достаточно данных, обращается к менее актуальным.

Задача моделирования трехмерных поверхностей, разновидностью которой является задача моделирования гипсометрии угольного пласта - решается в GIS-системах применением специализированных модулей, основанных на использовании так называемых "гридов" - прямоугольных сеток, каждому узлу которых соответствует хранимое значение высоты поверхности. Этот общий подход имеет, однако, и общие недостатки. Во-первых, это информационная избыточность. Частота сетки грида определяется участками моделируемой поверхности с наибольшими перепадами высот, и эта же частота используется для относительно гладких участков поверхности, которые обычно составляют большую часть ее площади и могли бы без потерь точности моделироваться гораздо меньшим числом точек. Во-вторых, информационная избыточность всегда приводит к снижению вычислительной эффективности, что становится актуальным при решении задач автоматизированного проектирования и планирования, а также при распределенных сетевых вычислениях. Наконец, в современных экономических условиях немаловажным является то обстоятельство, что средства пространственного моделирования не входят в обычные комплекты поставки популярных GIS (в частности, в ArcView), а должны приобретаться за дополнительную плату в виде отдельных пакетов.

В данном случае использован вариант решения задачи моделирования гипсометрии угольного пласта средствами программирования GIS ArcView (на языке Avenue), входящими в стандартный комплект его по-

ставки. Возможность решения этой задачи связана со свойствами представления видов и тем в ArcView.

Тема, в которой будет храниться информация о трехмерных свойствах моделируемого пласта - это точечная тема, названная "Gipsometry". Каждая точка обозначает скважину. Каждому параметру скважины соответствует поле в базе данных темы. Для рассматриваемой задачи используется поле "отметка встречи с пластом". Могут использоваться как "реальные", так и "условные" скважины (т.е. не существующие в действительности и предназначенные только для представления информации о гипсометрии пласта). Поскольку в данном случае нас интересует не рельеф местности как таковой, а только изменения этого рельефа в результате сдвижений земной поверхности над горными выработками, поверхность земли условно считается плоской и горизонтальной, и характеризуется значением высоты над уровнем моря, которое хранится в глобальной (т.е. доступной для всех программ в данном проекте) переменной _HeightOverSee Level.

Будем использовать простейший алгоритм моделирования; он сводится к тому, чтобы для заданной точки, для которой требуется вычислить глубину пласта, находить три ближайшие к ней скважины, после чего по трем точкам встречи с пластом вычислять коэффициенты уравнения трехмерной плоскости и решать это уравнение для заданной точки.

Хотя в Avenue много различных встроенных функций для вычисления пространственных отношений между шейпами, но среди них отсутствует функция "найти ближайший к точке объект", и тем более "найти не-

сколько ближайших". Поэтому приходится вникать в структуру базы данных темы и проходить по ее объектам, вычисляя функцию расстояния до заданной точки для каждого из них. Это выполняет специально разработанная программа.

Для применения более сложных алгоритмов моделирования - например, для аппроксимации поверхности двумерными сплай-

нами или полиномами, или применения пространственной сглаживающей фильтрации - программу нужно вызывать для нескольких предварительно вычисленных точек в некоторой, зависящей от применяемого алгоритма, окрестности заданной точки. При этом фильтрацию или аппроксимацию можно применять как к непосредственно указанным в теме гипсометрии

точкам (точкам встречи скважин с пластом), так и к точкам, являющимся результатом их предварительной линейной интерполяции. Возможно также задание пространственной информации не в виде скважин, а в виде изолиний. При этом точечная тема становится полилинейной, и алгоритмы работы с ней должны быть соответствующим образом скорректированы.

1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. СПБ., ВНИМИ, 1998, С. 290.

2. Михалевич Д.С., Голубков С.Н., Пятницкий С.Б., Иванов И. П., Бруд-

но Д.Н. Маркшейдерско-

геологическая аналитическая информационная система (МГАИС) горного предприятия. Сборник материалов семинара "Современные технологии в геоинформационном обеспечении органов государственной власти и

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

управления территориями в картографии, геодезии и маркшейдерии". Челябинск: ГУТМП "Урал-

маркшейдерия", 1999. - 79 с. © Интернет-публикация ГИС-Ассоциация, 2000 г.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

£1

Калинченко В.М. - доктор технических наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Коваленко И.Л. - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Иванов И.Ю. - кандидат технических наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).