CC BY
51
© В.М. Дленичев, 2013
УДК 622:004.78:025.4.036 В.М. Аленичев
ОСОБЕННОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Структура пространственных данных и атрибутивных характеристик, состояние доступа к удаленным базам данных и организация БрЬ-запросов являются определяющими при создании горно-геологических информационной системы. Эффективность функционирования системы зависит от платформы программного обеспечения, возможности использования других программных пакетов, качества интеллектуального интерфейса, квалификации кадров и других факторов.
Ключевые слова: горно-геологическая информационная система, геоданные, атрибутивные данные, геоинформационные слои, графические документы, погоризонтные планы, вертикальные разрезы, запросы.
Л ля эффективного функционирования горногеологических информационных систем (ГГИС) требуются современные аппаратные средства для сбора, классификации и хранения пространственных данных и атрибутивных показателей, последующего их визуального отображения, трансформации и передачи. База данных в ГГИС организуется на единой топооснове в виде набора информационных слоев о различных объектах. Перед созданием слоев и наложением их друг на друга между ними задаются необходимые связи, обеспечивающие выполнение пространственных операции с объектами и интеллектуальную обработку геоданных. Представление информация в векторном виде позволяет уменьшить объем хранимой информации и упростить операции по визуализации примитивов и объектов. Неотъемлемой составляющей частью развитой системы являются аналитические функции программные средства, моделирующие изменение геотехногенной структуры, включающей месторождение полезных ископаемых и пространственно связанные с ним техногенные образования, составляющие при разработке единую систему элементов, взаимодействующих и согласованно изменяющихся во времени и пространстве.
Несмотря на сложность задач, решаемых геоинформационной системой, она работает с пространственными объектами и различными видами их представления, организованными в
банки данных. Данные представляются в виде электронных карт, представляющих собой множество слоев, функциональным назначением которых является объединение пространственных объектов, имеющих какие-либо общие свойства. Этими свойствами являются:
- принадлежность к одному типу пространственных объектов (погоризонтные качественные планы, контуры границ уступов и т.п.);
- отображение на карте пространственных объектов одним цветом;
- представление на карте одинаковыми графическими примитивами (линиями, точками, полигонами) и т.д.
В качестве отдельных слоев возможно представление информации, получаемой в процессе обработки исходных данных. Пространственные и атрибутивные данные в слоях могут обрабатываться в интерактивном, полуавтоматическом и автоматическом режимах.
В настоящее время широко используются растровые и векторные графики. Растровая графика, являясь новейшей формой компьютерной графики, благодаря высокой степени разрешения позволяет реализовать пассивную и интерактивную визуализацию. Пространственное хранение данных осуществляется в виде ячеек одинаковой величины (пикселей), обращение к которым производится через индексы строк и столбцов. Основной недостаток данного представления - отсутствие возможности проведения строгих математических расчетов в процессе изменения пространственного объекта. Векторная графика основана на использовании примитивов: точка (узел), линия (край) и полигон (плоскость). Поскольку точка и плоскость представляют собой частные случаи линии, можно говорить о векторной графике как о линейной графике.
Перспективы развития геоинформационных систем определяются решаемыми прикладными и научными задачами, основными из которых являются анализ, оценка и инвентаризация ресурсов недр, кадастры, планирование и управление, мониторинг и поддержка принятия решений. В интегрированных ГИС и ГГИС необходимо совмещать функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (материалов дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. Дальнейшее развитие этих технологий про-
сматривается в широком привлечении полимасштабных или масштабно-независимых геоинформационных систем, ориентированных на использование множественных представлений пространственных объектов, а также пространственно-временных ГИС (spatio-temporal GIS), оперирующих пространственно-временными данными.
Этапы создания и реализация геоинформационных проектов (GIS project) в общем случае включают предпроектное исследование (feasibility stady), технико-экономическое обоснование, системное проектирование ГИС (GIS designing), тестирование на локальном участке (test area), создание прототипа (prototype), внедрение ГИС (GIS implementation), ее эксплуатацию и использование.
Общее обеспечение горно-геологических технологий включает инструментальные средства, вьюеры, векторизаторы, программные средства пространственного моделирования, средства дистанционного зондирования. Инструментальные средства предназначены для ввода геопространственных данных и их хранение в структурированных базах данных, реализации сложных запросов, пространственного анализа, визуализации и получения твердых копий. Вьюеры обеспечивают просмотр введенных исходных данных, структурированных по правам доступа к информации, выполнение информационных запросов и других функций. Векторизаторы предназначены для ввода пространственной информации со сканера при последующем полуавтоматическом преобразовании растровых изображений в векторную форму.
Средства пространственного моделирования используются для описания рельефа местности, месторождения, техногенных образований, планов развития горных работ, схем вскрытия, зон распространения загрязнений. Средства дистанционного зондирования предназначены для обработки и дешифрования цифровых изображений земной поверхности, полученных с искусственных спутников (навигационных приборов глобального позиционирования GPS или Глонас) и борта самолета.
При реализации горно-геологической информационной технологии широко используется геоинформационная система MapInfo, разработанная в конце 80-х годов фирмой Mapping Information Systems Corporation. Файлы данных и программы, созданные в этой системе, переносятся на другие платформы
без конвертации, а встроенный язык запросов SQL MM обеспечивает выборку с учетом пространственных отношений объектов (удаленность, вложенность, перекрытие, пересечение, площадь и т.п.). Запросы к базе данных реализуются в виде шаблонов для многократного использования. Оцифровка пространственных объектов осуществляется с помощью дигитайзера (графического планшета) и по сканированному изображению. При этом поддерживаются растровые форматы GIF, JPEG, TIFF, PCX, BMP, TGA (Targa), BIL (SPOT - спутниковые фотографии). Универсальный транслятор позволяет импортировать карты, созданные в форматах других геоинформационных и САПР-систем в AutoCAD (DXF, DWG), Intergraph/ MicroStation Design (DGN), ESRI (Shape файл), AtlasGIS, ARC/INFO Export (E00). Цифровая информация с GPS и других электронных приборов вводится в MapInfo без использования дополнительных программ [2].
Следует отметить, что в системе MapInfo возможна работа с данными в форматах Excel, Access, xBASE, Lotus 1-2-3 и текстовом формате, кроме того реализован доступ к удаленным базам данных ORACLE, SYBASE, INFORMIX, INGRES, QE Lib, DB2, Microsoft SQL и др., при этом конвертация файлов данных не требуется. Данная система является открытой, написана на языке программирования MapBasic, позволяет создавать собственные ГИС и поддерживает обмен данными между процессами (DDE, DLL, RPC, XCMD, XFCN), интеграцию в программу SQL-запросов.
Традиционными исходными данными для решения технологических задач горного производства служат графические документы в виде погоризонтных качественных планов, вертикальных геологических разрезов и карты рельефа. Принципиально другие возможности предоставляются при использовании горно-геологической системы, включающей средства ведения графического диалога, что возможно при хранении данных в одном экземпляре при соблюдении права доступа к ним широкому кругу специалистов. Это позволяет снять проблему отслеживания корректировок в копиях; совмещения на экране дисплея разных данных, ранее размещавшихся на различных чертежах или документах; повышения точности представления данных; оперативности поиска и внесения необходимых изме-
нений; подготовки данных для машинной обработки при решении разнообразных задач [1].
Горно-геологическая информация о месторождении определяет состав, положение и характеристики полезного ископаемого и вмещающих пород. При машинном представлении этой информации неизбежно приходится применять различные приемы аппроксимации и сжатия данных, так как поточечное кодирование свойств в трехмерном пространстве (аналог формата BitMap для плоских сцен) неэффективно в силу ограниченного объема памяти ЭВМ. Поэтому следует использовать способы сжатия информации о геометрии тел, выбирая наиболее подходящий способ кодирования. Возможно применение нескольких вариантов представления объемных тел: трехмерный каркас поверхности раздела сред, композиция тел из типовых блоков (параллелепипеды, призмы и другие), композиция тел из плоских сечений (обобщенных цилиндров или конусов).
Трехмерный каркас поверхности раздела сред используется для неявного задания внутренних точек и может быть представлен замкнутой трехмерной сетью, ячейками которой могут быть плоские л-угольники с произвольными сторонами. Наиболее употребительными аппроксимациями поверхностей являются треугольники и четырехугольники. Например, в ППП AutoCAD для этого могут использоваться примитивы типа 3DMesh (трехмерные сети четырехугольников).
Композиции типовых блоков строятся путем разбиения тела на блоки меньшего объема фиксированной формы. Форма блоков выбирается из условия аппроксимации объекта с приемлемой точностью. Плоские сечения рассматриваются как частный случай блочного представления, в котором свободная форма блоков задается сечением тела параллельными плоскостями. Выбор вида представления определяется решаемыми задачами, предъявляемой точностью, затратами машинного времени, памяти и возможностями инструментальных средств ввода и обработки этих моделей.
При реализации горно-геологических информационных систем наибольшую сложность представляет программное обеспечение для моделирования динамики перемещения уступов, описанных в виде замкнутых и разомкнутых линий. Особую трудность имеют проблемы, связанные с взаимодействием контуров произвольной формы, имеющих протяженные участ-
ки контакта бровок уступов с различными видами (типами) горной массы и изолиниями поверхности. В силу произвольной формы контуров возможно появление различных неудобных, осложняющих обработку данных в конкретной ситуации.
Особое внимание при создании программного обеспечения должно быть уделено процедурам автоматической проверки корректности представления исходных данных. Накопленный автором опыт по разработке автоматизированных методов геоинформационного представления горно-гелогических данных и проведения горно-геометрических расчетов при планировании развития открытых горных работ позволяет сформулировать некоторые требования, обеспечивающие автоматический контроль исходной информации. Например, замену пустого атрибута на символ минус (-), контроль регистра, запись номера скважины и пробы в виде целого числа, плотности в виде вещественного число и при отсутствии данных - прочерк и т.п.
Базовые информационные технологии представляют собой наиболее эффективные способы организации отдельных фрагментов информационных процессов, связанных со сбором, накоплением, хранением, преобразованием и передачей определенных видов информации. Они могут быть классифицированы относительно классов задач, на которые они ориентированы, и базируются на совершенно разных платформах, что обусловлено различием видов компьютеров и программных сред, поэтому при их объединении на основе предметной технологии возникает проблема системной интеграции, связанная с необходимостью приведения различных ИТ к единому стандартному интерфейсу по сжатия информации, ее кодирования и декодирования, распознавания образов и т.п. Назначение базовых информационных технологий заключается в обеспечении максимальной эффективности при реализации некоторого фрагмента информационного процесса на основе использования последних достижений фундаментальной науки. Основная задача прикладных информационных технологий -рациональная организация информационного процесса путем адаптации для решения конкретных задач с использованием одной или нескольких базовых информационных технологий.
Использование в настоящее время понятие «платформы» обусловлено разнообразием применяемых технических средств и операционных систем. Платформа определяет тип оборудования и программного обеспечения, на которых может
функционировать информационная технология. Основными компонентами платформы являются тип ЭВМ, определяемый маркой процессора (Macintosh, Atary, Sincler, Intel и т.д.) и операционная система. Новейшие ИТ представляют собой продукт интеграции различных ИТ. Поэтому их платформа зависит от модели процессора, работающей на нем операционной системы, типа дополнительного оборудования, поддерживающих его программных средств.
При выборе информационных технологий учитываются в первую очередь платформа программного обеспечения и возможность стыковки ее с другими программными пакетами, предоставляемые возможности, требуемые ресурсы памяти, качество интеллектуального интерфейса и возможность подключения к сети, квалификация и степень подготовки кадров, простота эксплуатации. Дополнительно оценивается степень повышения производительности труда, цена, общий интерфейс для доступа к разным базам, возможность распределенной обработки данных, модульность структуры и т. д.
Основными научными проблемами рациональной организации информационного процесса по моделированию и анализу жизнедеятельности горнодобывающего предприятия являются обоснование методов анализа, синтеза и оптимизации прикладных задач, разработка теории проектирования геотехнологий, создание методик оценки различных систем и разработка требований к аппаратно-программным средствам.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аленичев Б.М., Суханов В.И., Хохряков B.C. Моделирование при-родно-сырьевых технологических комплексов (горное производство). Екатеринбург: УрО РАН, 1998. - 256 с.
2. Баранов Л. Место и роль геометрического ядра в современной САПР. [Электронный ресурс]. — [2009]. — М. — Режим доступа: http:// www.sapr.ru-/ article.aspx?id-= 7435&iid=303, 01.08.09. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Аленичев Виктор Михайлович - профессор, доктор технических наук alenichev@igduran.ru
Институт горного дела Уральского отделения РАН
