CC BY
216
УДК 550.831.017
А.А. Симанов, А.В. Пугин
Горный институт УрО РАН, Пермь
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ХРАНЕНИИ И ОБРАБОТКЕ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ
На современном этапе геолого-геофизических исследований значительная роль отводится комплексному анализу всей имеющейся информации об исследуемых объектах. Мощности современных ЭВМ позволяют использовать в процессе геологической интерпретации большой объем информационных ресурсов, которые включают накопленные и постоянно пополняемые материалы исследований, а также сведения, полученные с помощью глобальной сети Interet. Хранение и рациональное использование этой разнотипной информации требует соответствующей технологии, включающей алгоритмы сжатия и хранения данных с возможностью многократного обращения к ним в процессе решения задачи [2].
Наиболее целесообразным с точки зрения авторов представляется использование с этой целью геоинформационных технологий, позволяющих создавать собственные информационно-аналитические системы (ИАС) хранения, обработки и интерпретации геоданных. Большинство геоинформационных систем (ГИС) являются открытыми, что позволяет в значительной мере расширить их возможности путем включения оригинальных алгоритмов, и обеспечивают большой выбор инструментов графического представления данных.
Исходя из практической необходимости в Горном институте УрО РАН разработана информационно-аналитическая система хранения, обработки и анализа геолого-геофизических данных на базе лицензионного программного продукта АгсОК версии 9.0, дополненная авторскими модулями [4]. Хранение информации достигается наличием в составе информационноаналитической системы
целого ряда источников данных, а также баз данных.
Обработка и анализ информации осуществляется применением специальных инструментов загрузки,
преобразования и
визуализации данных.
Показанная на рис. 1
Рис. 1. Архитектура информационноаналитической системы
архитектура ИАС иллюстрирует длинный путь, который проходят данные до возможности их вывода в удобном для пользователя виде.
Архитектура ИАС включает в себя следующие уровни:
1. Сбор и первичная обработка данных;
2. Загрузка и эффективное хранение разнородных данных;
3. Многоэтапная обработка и вывод итоговой информации.
На первоначальном этапе результаты гравиметрических съемок поступают через системы сбора и первичной обработки информации в исходные базы данных (БД). Данные заносятся как вручную, так и автоматически. Система сбора и первичной обработки информации реализована при помощи ряда внешних прикладных программ, а также в виде стандартного расширения ArcGIS.
Общий круг задач системы сбора и первичной обработки выглядит следующим образом:
- Введение различного рода поправок;
- Вычисление аномальных значений силы тяжести;
- Создание каталогов гравиметрических пунктов;
- Подготовка информации для внесения в базу данных;
- Построения карт и др.
Результатами первичной обработки являются shp-файлы ArcGis (точечная тема) и серия карт в растровых форматах GRID (рис. 2).
Результаты гравиметрических съемок представляют собой разнородную информацию
(каталоги гравиметрических
пунктов, различные карты, кроки опорных пунктов и т. д.). Для обработки и анализа таких данных требуется их объединение и преобразование к удобному для работы виду. Процесс объединения и загрузки первично обработанных материалов в базы данных поддерживается внешними
программами и встроенными наборами инструментов
(Conversion Tools, Data Management Tools). Исходной информацией при формировании единой базы данных послужили многочисленные
результаты полевых и тематических работ, выполненных Горным
Рис. 2. Первичная обработка гравиметрических данных
Институтом УрО РАН с конца 90-х годов, а также большой объем Intemet ресурсов, которые образуют большой объем информационных ресурсов.
В настоящее время в единой базе данных содержатся, помимо результатов гравиметрических наблюдений, данные о рельефе, полученные из различных источников (топографических карт различного масштаба, матриц высот GTOPO30, SRTM), результаты аэромагнитных съемок масштабов 1 : 25 000 - 1:200 000, растровые изображения космоснимков (со спутника Landsat) на Пермский край и другая информация.
Для сжатия больших объемов информации разработан модуль ^иа&Огее», основанный на аппроксимации внешних элементов потенциальных полей системой
истокообразных функций, представляющих собой поля эквивалентных источников (точечных масс) [1]. Алгоритм построения модели реализует декомпозицию задачи на ряд последовательных этапов с созданием “грубого образа” и последующим уточнением аппроксимационной конструкции. Для декомпозиции задачи используется широко применяемый при обработке изображений метод квадродерева [5]. В общем представлении квадродерево (рис. 3) обладает иерархически упорядоченной фрактальной структурой, с выраженным самоподобием относительно масштаба приближений.
Первоначально область задания поля разбивается на четыре не перекрывающихся ранговых блока - квадрата большого размера. Источники располагаются в центрах квадратов на глубине 1Ах < h < 2Ах, где Ах - шаг разреженной сети или расстояние между источниками в плане. Задача сводится к нахождению неизвестных масс источников в результате решения хорошо обусловленной системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). За значение поля непосредственно над источником принимается среднее арифметическое всех значений поля в пределах рангового блока. Разность исходного и модельного полей является объектом аппроксимации на следующем этапе. Уточнение аппроксимационной конструкции производится путем деления каждого рангового блока на четыре подобласти - квадраты меньшего размера с проверкой необходимости установки в их центрах источников на глубинах вдвое меньших первой. Построение модели завершается, когда достигнута максимальная глубина квадродерева п (расстояние между центрами квадратов наименьшего размера Ахп равно ячейке исходной матрицы поля), либо отклонение модельного поля от измеренного на каком-либо этапе процесса не превышает требуемой погрешности аппроксимации в во всех исходных точках задания поля. Результирующая модель характеризуется неравномерным распределением источников в плане с увеличением их
ь 7 • 1 I • >
2 • 3 • 2{ "■ .Г'
п
.} • } •
/ • 2 • 2 • /
2 •
Рис. 3. Схема расположения эквивалентных источников в центрах ранговых блоков методом квадродерева
количества вблизи выраженных морфологических особенностей поля, и уменьшением - на участках, где поле имеет спокойный характер [3]. С помощью модуля «Quadrotree» производится преобразование имеющихся геолого-геофизические данных к виду сеточных моделей, имеющих намного меньший объем и обеспечивающих возможность восстановления исходных значений параметров с требуемой точностью, а также вычисления различного рода трансформант геопотенциальных полей в произвольно выбранных точках пространства.
База данных, являясь одним из главных звеньев архитектуры ИАС, выступает в качестве основного источника для обработки и анализа всей имеющейся информации.
Геофизические данные, уже хранящиеся в базе данных, требуют дальнейшей их обработки и анализа. Конечно, ГИС дает возможности передавать данные в обрабатывающие комплексы (внешние программы), а затем возвращать в ArcGIS для хранения и последующего создания цифровых карт, но для оптимизации процесса обработки было создано несколько модулей, реализованных в виде расширения как, например модуль «Quadrotree», а также в виде набора инструментов («Трансформации гравитационного поля») с использованием стандартного модуля Model Builder.
На стадии обработки и анализа данных система позволяет производить различные преобразования полей: аналитическое продолжение в верхнее и нижнее полупространство, расчет вертикальных производных потенциала, разделение полей методом вариаций (способом Саксова - Ниагарда) и методом усреднения в скользящем окне, тренд-анализ поля (региональная компонента при этом заменяется алгебраическим полиномом Qm (x) заданной степени m, коэффициенты которого определяются методом наименьших квадратов). В результате пользователь получает серию карт трансформант в формате GRID, которые совместно используются в процессе
Таким образом, создана информационноаналитическая система
хранения, обработки и анализа геофизических
данных на базе
геоинформационной системы ArcGis версии 9.0. Собран единый банк данных, содержащий как
гравиметрическую информацию, так и большой объем разнородных данных. Большие объемы геолого-геофизических данных хранятся в виде сеточных моделей. Разработано несколько модулей (расширений ArcGis) для
геологической интерпретации (рис. 4).
Рис.4. Процесс трансформации гравитационного поля
оптимизации процесса обработки данных. Вследствие этого можно сказать, что весь процесс от сбора до оформления и вывода информации представлен работой ИАС: подсистемой сбора и первичной обработки данных;
подсистемой загрузки и хранения данных, подсистемой обработки и вывода информации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Долгаль А.С. Компьютерные технологии обработки и интерпретации данных гравиметрической и магнитной съемок в горной местности. - Абакан: ООО Фирма «Март». - 2002. - С. 188.
2. Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемсина Е.Н. Геоинформатика и геоинформационные системы. - М.: ВНИИгеосистем, 2005.
3. Пугин.А.В. Аналитическая аппроксимация геопотенциального поля методом квадродерева // Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского. -Екатеринбург, 2006. - С. 292 - 295.
4. Симанов А.А. Информационно-аналитическая система обработки материалов гравиметрических съемок // Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского. - Екатеринбург, 2006. - С. 328 - 330.
5. Уэлстид С. Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии. - М.: Триумф, 2003. - 320 с.
© А.А. Симанов, А.В. Пугин, 2006
