Pозробка і реалізація підсистеми для створення топологічних розрізів на основі геопросторових даних

АНОТАЦІЯ

Бейдик Віталій Олегович: Pозробка і реалізація підсистеми для створення топологічних розрізів на основі геопросторових даних

Магістерська кваліфікаційна робота за спеціальністю 8.5 010 102 — «Інформаційні технології проектування», Національний університет «Львівська політехніка», каф.: САПР, Львів, 2014. Магістерську кваліфікаційну роботу присвячено розробці та проектуванню підсистеми для створення топологічних розрізів на основі геопросторових даних. Під час реалізації даної підсистеми було розроблено програмне забезпечення.

Anotation

Beydyk Vitaly: Development and implementation subsystem to create topological cuts based geospatial data

Master’s qualification for the award of a Master degree in 8.5 010 102 — «System design» National University «Lviv Polytechnic», dep .: CAD, Lviv, 2014. Master’s qualification is devoted to the development and design of subsystems for creation of topological cuts based geospatial data. During the implementation of this subsystem was developed software.

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ОСОБЛИВОСТІ ОБРОБКИ ГЕОЛОГІЧНИХ ДАНИХ

1.1 Проблема інформаційної обробки геологічних даних

1.2 Аналіг геоінформаційних систем

1.3 Дані в ГІС

Висновок

2. ТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ ПОБУДОВИ ГЕОЛОГІЧНОГО РОЗРІЗУ

2.1 Методи побудови розрізу з відомих елементів залягання

2.2 Метод ізогон

2.3 Метод стратоізогіпс

Висновок

3. ОСОБЛИВОСТІ РОЗРОБКИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

3.1 Базові можливості ГІС ARCGIS

3.2 Вивчення даних ГІС

3.3 Складання бази даних

3.4 Підготовка даних для аналізу

3.5 ARCGIS 3D ANALYST

Висновок

4. АЛГОРИТМ ПОБУДОВИ ГЕОЛОГІЧНИХ РОЗРІЗІВ

4.1 Вихідні положення та постановка задачі

4.2 Загальна концепція алгоритму

4.3 Ієрархія об'єктів, що беруть участь в побудовах

4.4 Функціонування алгоритму

4.5 Підготовка вихідних даних

4.6 Алгоритм виконання

Висновок

5. ЕКОНОМІЧНА ОЦІНКА ПРОЕКТНОГО РІШЕННЯ

5.1 Економічна характеристика проектного рішення

5.2 Розрахунок витрат на розробку та впровадження проектного рішення

5.3 Визначення комплексного показника якості

5.4 Визначення експлуатаційних витрат

5.5 Розрахунок ціни споживання проектного рішення

5.6 Визначення показників економічної ефективності

Висновок

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТОК

ВСТУП

інформаційний геопросторовий розріз залягання

Головним завданням геологічних досліджень є вивчення геологічних тіл (їх форми, складу і властивостей), взаємин, залежностей і процесів між ними на різних рівнях ієрархії - від мікроскопічного до масштабів всієї планети — за інтервал часу, що пройшов з моменту утворення Землі.

Розділ геотектоніки, званий структурний геологією, займається формою і просторовим становищем геологічних тіл, що з’явилися як наслідок деформацій в гірських породах. Одним з основних напрямків у структурної геології є вивчення структурного стану гірських порід і ділянок кори, що досягається за допомогою розгляду геологічних розрізів і структурного аналізу геологічних карт, дозволяють установлювати просторові співвідношення дислокацій.

Побудова геологічних розрізів дозволяє отримати уявлення про поведінку геологічних тіл під поверхнею Землі. При складанні розрізу геологи використовують ті нечисленні відомості, які отримані в результаті геолого-знімальних робіт (відомості про становище стратиграфических кордонів підрозділів, виміряні в обнажениях елементи залягання гірських порід і т.д.). Також можуть використовуватися дані буріння, геофізики та інших видів геологічних робіт. Навіть при хорошій вивченості району досліджень, перед геологом стоїть досить складне завдання, що полягає в тому, щоб інтерполювати поведінка геологічної структури на тому просторі, де немає безпосередніх замірів положення структурних елементів. Внаслідок чого, на результуючий геологічний розріз істотний вплив роблять уявлення про структуру того чи іншого фахівця.

Такий стан справ навряд чи можна виправдати, навіть якщо автор розрізу має величезний досвід і інтуїцію. Сам факт, що геолога в цьому випадку можна назвати автором, говорить про те, що розріз є скоріше результатом творчості і не може сприйматися як геологічний документ. При ручній обробці наявних даних, математичні методи, що дозволяють виробляти інтерполяцію, занадто трудомісткі. Тому фахівці вважають за краще малювати розріз від руки, використовуючи головним чином своє професійне чуття. При цьому часто враховується тільки та інформація, яка на карті знаходиться поблизу лінії розрізу, що є добровільним звуженням бази структурних даних і відбивається на результаті побудов.

Тим не менше, існують математичні методи, які можуть і повинні бути застосовані при побудові геологічного розрізу. Це в першу чергу точні геометричні побудови, які при введенні системи координат можуть бути замінені аналітичними виразами. Тут також можуть бути застосовані широко розповсюджені і активно використовувані в інших напрямках геологічної науки методи статистичного аналізу. Іншими словами, геологічний розріз повинен являти собою результат скоєння відтворюваних операцій над кінцевим безліччю значень вимірюваних величин, а також повинна є можливість перевірки легітимності отриманого розрізу. На жаль, на теперішньому етапі розвитку геологічної науки про це говорити не доводиться.

Причиною цьому може служити та обставина, що на даний момент не існує загального підходу, алгоритму побудови розрізу, тобто ми не маємо послідовності дій, які необхідно вчинити для досягнення якісного, позбавленого зовсім або, принаймні, більшої частини суб'єктивних уявлень, точного, на скільки це можливо, і що перевіряється результату.

Створення основ саме такого алгоритму і було покладено в якості мети даної роботи. При цьому ні в якому разі не пропагується відсторонення геолога від прийняття рішень в процесі побудови. Навпаки, даний алгоритм повинен задавати математично точну середовище для аналізу фахівцем наявної структурної інформації і синтезу нової. Оскільки застосування математичних методів вимагає значних обчислювальних ресурсів, природним буде використовувати можливості ПК1, який звільнить людину від рутинних обчислень і постане перед ним в якості своєрідної настільної лабораторії.

Дана робота складається з п’яти розділів. В першому розділі розповідається про проблему обробки геологічних даних, а також про особливості геоінформаційних систем.

Потім у другому розділі описуються використовувані зараз методики побудови геологічних розрізів, такі як метод радіусів, метод Кінк-зон, метод ізогон і метод стратоізогіпс.

В третьому розділі розповідається про особливості розробки геоінформаціних систем, про їхні можливості, а також підготовку геологічних даних для їх обробки в ГІС. Також було розглянуто геоінформаціну систему ArcGis і описано її плюси і мінуси .

У четвертому розділі розглядається базовий блок загального алгоритму побудови розрізу, представлений у вигляді комп’ютерної програми.

А в п’ятому розділу було проведено розрахунки економічної оцінки розробленого проектного рішення

Розроблена програма дозволяє будувати геологічний розріз для складчастих структур з горизонтальним положенням шарнірів, і які не ускладнені розривними порушеннями з значними в масштабі дослідженні переміщеннями по сместітель. У програму інтегрована можливість векторизації вихідних даних і збереження цієї інформації на жорсткий диск комп’ютера.

1. ОСОБЛИВОСТІ ОБРОБКИ ГЕОЛОГІЧНИХ ДАНИХ

1.1 Проблема інформаційної обробки геологічних даних

Сфера застосування математики в геологічних дослідженнях розширяться з кожним роком. Підвищений інтерес до математичних методів пов’язаний з необхідністю узагальнювати і аналізувати фактичний матеріал, накопичений в результаті багаторічних досліджень. Цьому сприяє також бурхливий розвиток засобів обчислювальної техніки, що дозволяє зберігати, витягати, передавати і обробляти великі обсяги інформації. Передбачається, що застосування комп’ютерних технологій в осяжному майбутньому зумовить перехід геологи на якісно новий рівень. У зв’язку з цим необхідні знання та навички, що дозволяють геологу правильно сформулювати задачу, оцінити можливості пропонованих способів її вирішення і грамотно інтерпретувати результати.

Між тим у більшості книг та підручників [5,6,11], присвячених математичним методам в геології, зазвичай розглядається тільки статистичний аналіз даних, що різко звужує сферу застосування математики для вирішення геологічних задач. Крім того, пропоновані в них способи вирішення орієнтовані на застосування статистичних таблиць і ручної рахунок. В даний час, за наявності доступних і простих у використанні персональних комп’ютерів, це, на думку автора, явний архаїзм.

Математичне рішення практичних задач в геології з потоку незв’язаних один з одним досліджень ще на початку двадцятих років минулого сторіччя перетворилося на певний науковий напрям, назване математизацией геології. Наприкінці тридцятих воно стало переростати в самостійну науку, для якої досі пропонуються різні терміни: аналітична геологія, теоретична геологія, статистична геологія, геостатистики, геоматематіка, математична геологія та ін.

Суть математизації геології полягає в записі геологічних висловлювань в термінах і символах математики і обчисленні різних показників, призначених служити підставами для інтерпретації цих записів. Під теоретичної геологією найчастіше розуміють філософський аналіз геологічних проблем. Термін статистична геологія має більше прав на існування, хоча б тому, що переважна кількість робіт з математизації присвячено якраз статистичної геології [14, 13]. Але, зупиняючись лише на статистиці, ми обмежуємо сферу застосування математичних методів в геології.

Термін математична геологія означає використання в геології методів не одній тільки теорії ймовірностей, а й багатьох інших математичних наук — геометрії, алгебри, теорії множин, топології і т.п. На думку автора, даний термін є найбільш підходящим, що дає уявлення про область застосування математичних методів при вирішенні геологічних задач.

Оскільки дана робота присвячена проблемі формалізації процедури побудови геологічних розрізів, тобто структурних побудов, для яких основною базою є геометрія геологічних структур, слід розглянути застосування математичних методів при вирішенні структурно-геологічних задач.

Як вже згадувалося, переважна кількість робіт присвячено питанням статистичної обробки геологічних даних. Серед них можна особливо відзначити двотомник «Статистичний аналіз даних в геології» [24], в якому матеріал добре систематизований і досить повно розкриває можливості застосування статистики та деяких суміжних її дисциплін в геології.

Що стосується геометричного моделювання з застосуванням ПК у структурній геології, тут слід сказати, що в цілому даний напрямок розвинене слабо. Як правило, більшість робіт zвляють собою опис того, як проводилися ті чи інші структурні побудови для якого-небудь конкретного геологічного об'єкта. Не спостерігається будь-якого єдиного підходу до побудови, єдиної відправною бази понять.

За кордоном існують окремі групи фахівців, які займаються розробкою прикладних програм для вирішення структурно-геологічних задач. Серед них можна виділити Schlumberger, Midland Valley і Cognisers Development.

Серед нечисленних джерел, де приділяється увага базовим концепціям геометричного моделювання в геології, слід відзначити роботи А. Н. Петрова і співробітників очолюваної ним лабораторії, що працюють при ДВО РАН. Вони займаються різними аспектами тектоніки і структурної геології. При цьому застосовують у повсякденному дослідницької діяльності обчислювальні можливості персональних комп’ютерів, що змушує їх формалізувати свої завдання. Як наслідок, з’являються роботи, присвячені питанням застосування математичних методів.

Книжка «3Dimensional Structural Geology», написана Річардом Грошонгом, можна сказати, що вона являє собою підручник, в якому викладено матеріал по найширшому спектру питань структурної геології. Причому, всі дані для різних методик зводяться до єдиної тривимірної координатної формі, що робить можливим комбінування різних прийомів геометричних побудов і створення еквівалентних їм аналітичних виразів.

Книг, присвячених темі даної роботи безпосередньо, не існує. Розрізнені ідеї з багатьох джерел, у тому числі і абсолютно не відносяться до геології, і наштовхнули автора на думку про необхідність створення якоїсь єдиної основи для структурно-геологічних побудов.

1.2 Аналіз геоінформаційних систем

Геоінформаційна система — сучасна комп’ютерна технологія, що дозволяє поєднати модельне зображення території (електронне відображення карт, схем, космо-, аерозображень земної поверхні) з інформацією табличного типу (різноманітні статистичні дані, списки, економічні показники тощо). Також, під геоінформаційною системою розуміють систему управління просторовими даними та асоційованими з ними атрибутами. Конкретніше, це комп’ютерна система, що забезпечує можливість використання, збереження, редагування, аналізу та відображення географічних даних.

Геоінформаційні технології, ГІС-технології — технологічна основа створення географічних інформаційних систем, що дозволяють реалізувати їхні функціональні можливості.

Інформаційно-обчислювальна система, призначена для фіксації, збереження, модифікації, керування, аналізу і відображення усіх форм географічної інформації. ГІС використовується багатьма дослідниками в галузі вивчення проблем навколишнього середовища, для визначення різних показників на географічній сітці.

За територіальним поділом ГІС поділяються на глобальні ГІС, субконтинентальні ГІС, національні ГІС частіше мають статус державних, регіональних ГІС, субрегіональних ГІС та локальних або місцевих ГІС.

ГІС розрізняють за предметною областю інформаційного моделювання, наприклад, міські ГІС, або муніципальні ГІС, природоохоронні ГІС. Найпоширенішими ГІС — земельно-інформаційні системи. Проблема орієнтації ГІС визначається розв’язуваними задачами в ній, серед них інвентаризація ресурсів (в тому числі кадастр), аналіз, оцінка, моніторинг, управління і планування, підтримка прийняття рішень. Інтегровані ГІС, ІГІС (integrated GIS, IGIS) поєднують функціональні можливості ГІС і систем цифрової обробки зображень (даних дистанційного зондування) в єдиному інтегрованому середовищі.

Полімасштабні, або масштабно-незалежні ГІС засновані на множинних, або полімасштабних уявленнях просторових об'єктів, забезпечуючи графічне або картографічне відтворення даних на будь-якому з обраних рівнів масштабного ряду на основі єдиного набору даних з найбільшою просторовою роздільною здатністю. Просторово-часові ГІС оперують просторово-часовими даними. Реалізація геоінформаційних проектів, створення ГІС в широкому сенсі слова, включає етапи:

передпроектних досліджень у тому числі вивчення вимог користувача і функціональних можливостей використовуваних програмних засобів ГІС, техніко-економічне обґрунтування, оцінку співвідношення «витрати / прибуток»;

системне проектування ГІС, включаючи стадію пілот-проекту, розробку ГІС;

тестування на невеликому територіальному фрагменті, або тестовій ділянці, прототипування, або створення дослідного зразка, або прототипу;

впровадження ГІС;

експлуатацію та використання.

Наукові, технічні, технологічні та прикладні аспекти проектування, створення та використання ГІС вивчаються геоінформатикою.

Особливості

візуалізація інформації у вигляді електронних карт.

автоматична зміна зображеного образу об'єкта в залежності від зміни його характеристик.

зміна масштабу та деталізація картографічної інформації.

Застосування

Застосування ГІС є ефективним в різноманітних предметних областях, де важливі знання про взаємне розташування та форму об'єктів у просторі (екологія, сільське господарство, управління природними ресурсами, земельні та майнові кадастри, комунікації, містобудування та ландшафтне проектування

1.3 Дані в ГІС

Дані в ГІС поділяються на позиційні та атрибутивні.

Позиційні дані описують просторові характеристики різних об'єктів, таких як дороги, будівлі, водойми, лісові масиви. Реальні об'єкти можна розділити на дві абстрактні категорії: дискретні (будинки, територіальні зони) і безперервні (рельєф, рівень опадів, середньорічна температура). Існує два способи представлення позиційної інформації — векторний та растровий.

Растрові дані зберігаються у вигляді наборів величин, упорядкованих у формі прямокутної сітки. Осередки цієї сітки називаються пікселями. Найпоширенішим способом отримання растрових даних про поверхню Землі є дистанційне зондування, проведене за допомогою супутників. Зберігання растрових даних може здійснюватися в графічних форматах, наприклад TIF або JPEG, або в бінарному вигляді в базах даних. Найчастіше растр використовують для безперервних об'єктів.

Векторний спосіб

Дискретні об'єкти та безперервні поля величин представляють за допомогою сукупності геометричних фігур — векторних об'єктів. Найпоширенішими типами векторних об'єктів є:

Точки — Використовуються для позначення географічних об'єктів, для яких важливо розташування, а не їхня форма або розміри. Можливість позначення об'єкта точкою залежить від масштабу карти. У той час як на карті світу міста доцільно позначати точковими об'єктами, то на мапі міста саме місто представляється у вигляді безлічі об'єктів. У ГІС точковий об'єкт зображується у вигляді деякої геометричної фігури невеликих розмірів (квадратик, гурток, хрестик), або піктограмою, що передає тип реального об'єкта.

Полілінії — Служать для зображення лінійних об'єктів. Полілінія — ламана лінія, складена з відрізків прямих. Полілінією зображуються дороги, залізничні колії, річки, вулиці, водопровід. Допустимість зображення об'єктів полілінією також залежить від масштабу карти. Наприклад, велика річка в масштабах континенту цілком може зображуватися лінійним об'єктом, тоді як вже в масштабах міста потрібно її зображати просторовим об'єктом. Характеристикою лінійного об'єкта є довжина.

Багатокутники (многокутники чи полігони) — Служать для позначення просторових об'єктів з чіткими кордонами. Прикладами можуть служити озера, парки, будівлі, країни, континенти. Характеризуються площею і довжиною периметра.

Векторні дані добре підходять для передачі інформації про дискретні географічні об'єкти, але можуть описувати також безперервні поля величин. Поля при цьому зображуються у вигляді ізоліній або контурних ліній. Одним із способів подання рельєфу є нерегулярна триангуляційна сітка. Така сітка формується безліччю точок з прив’язаними значеннями (в даному випадку висота). Значення в довільній точці всередині сітки виходять шляхом інтерполяції значень у вузлах трикутника, в який потрапляє ця точка.

Векторні дані зазвичай мають набагато менший розмір, ніж растрові. Їх легко трансформувати і проводити над ними бінарні операції. Векторні дані легко перетворити на растрові в той час як обернена операція набагато складніша. Векторні дані дозволяють проводити різні типи просторового аналізу, наприклад пошук найкоротшого шляху в дорожній мережі. Проте з растром простіше проводити оверлейний аналіз.

Атрибутивна інформація. У ГІС до векторних об'єктів можуть бути прив’язані семантичні дані. Наприклад, на карті територіального зонування до просторових об'єктів, які становлять зони, може бути прив’язана характеристика типу зони. Структуру і типи даних визначає користувач. На основі атрибутивних значень, присвоєних векторним об'єктам на карті, може будуватися тематична карта, на якій ці значення позначені кольорами відповідно до шкали кольорів або різного роду штриховками чи крапом. Найчастіше атрибутивні дані зберігаються у таблицях реляційної бази даних та є прив’язаними до певних векторних об'єктів. У випадку використання растрового способу позиційна та атрибутивна інформація поєднуються — колір пікселя передає одночасно і розташування і характеристику.

Ббзова кбрта (Base map) — карта, що містить основну (базову) топографічну інформацію в цифровому вигляді в одному чи кількох шарах. Використовується як стандартна структура, на яку накладаються додаткові конкретні дані та для контролю інших джерел просторових даних.

Висновок

В даному розділі проаналізовано особливості сучасних геоінформаційних систем, а також можливості представлення геологічних даних у них. А також було проведено аналіз щодо сучасного стану в геолгії такого процесу, як побудови геологічного розрізу.

2. ТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ ПОБУДОВИ ГЕОЛОГІЧНОГО РОЗРІЗУ

2.1 Методи побудови розрізу з відомих елементів залягання

Часто завдання полягає в необхідності побудувати розріз за даними про елементи залягання і розташуванню кордонів свит (зазвичай це карта, маршрутні спостереження або дані буріння свердловин).

Побудова розрізу можливе лише за наявності деяких припущень щодо форми складок. А саме, складка повинна бути близькою до циліндричної або ж, принаймні, вона повинна складатися з фрагментів, що мають циліндричну форму. При цьому шарнір складки повинен бути горизонтален.

Серед методів побудови розрізу з відомих елементів залягання найбільш широко поширені такі: метод Баска-Вебера, метод Кінк-зон та метод ізогон [5, 11]. Причому, використання того чи іншого методу в багатьох випадках визначає, наскільки правильним є побудований розріз. З цієї причини, перш ніж почати будувати розріз, необхідно ретельно проаналізувати всі наявні матеріали, і лише потім вибрати метод і приступити до побудови. Необхідно так само пам’ятати, що якщо використовуваний нами елемент залягання знаходиться не безпосередньо на профілі, то його положення на профілі визначається як проекція паралельно шарниру складки, причому з урахуванням гіпсометричній позначки, на якій знаходилося саме оголення.

Метод Баска-Вебера (метод радіусів)

Ймовірно, це найперший метод побудови розрізу, який отримав наукове обгрунтування. Метод був запропонований практично одночасно в 20-их — початку 30-их років англійським геологом Баском і російським ученим Вебером. Метод застосовується для концентричних складок з округлими зонами шарнірів. На картах такі складки характеризуються поступовою зміною кутів падіння на крилах складок.

Суть методу зображена на рисунку 2.1. Передбачається, що нам відомі елементи залягання шарів в точках A, B і C.

Рисунок 2.1 Побудова розрізу по методу Баска-Вебера (Marshak, Mitra, 1988).

Розглянемо послідовність дій, необхідних для побудови розрізу. Спочатку проводимо перпендикуляри до елементів залягання, винесеним на профіль, і знаходимо точки перетину перпендикулярів до сусідніх елементам залягання. Потім, з точок перетину двох перпендикулярів між ними будуємо дуги кіл через відповідні елементи залягання. Дуги обірваних верств добудовуємо, користуючись тим же методом.

Даний метод допускає введення поправок, якщо його безпосереднє застосування призводить до помилок. Приклад такого випадку приведений на рисунку 2.2. Тут передбачається, що нам відомі елементи залягання в точках A, B, C і D. Передбачається, що в точках A і D виходить один і той же горизонт, простежування горизонту з точки A приводить нас в точку G, але не D.

Рисунок 2.2. Введення поправок в метод Баска-Вебера (Marshak, Mitra, 1988).

Тут поправка вводиться на ділянці, де ми маємо найменше число спостережень, тобто найбільшу дугу кола. Скоригований розріз будується наступним чином.

Звичайним способом будуються дуги з точок A і G. На сусідніх перпендикулярах отримуємо точки E і W, які з'єднуємо прямою лінією EW. Далі через точки E і W проводяться дотичні до проведеним дугам кіл, тобто перпендикуляри до ліній OE і QC. Перпендикуляри перетинаються в точці R, з якої на лінію EW опускається перпендикуляр, що перетинає вже побудовані радіуси в точках T і S. Дуги EH і HW відбудовуються так, як якщо б точки S і T були б центрами відповідних кіл. При цьому перпендикуляр до прямої RTS в точці U є передбачуваним елементом залягання, необхідним для з'єднання горизонту, оголює в точках A і D.

Рисунок 2.3. Номограма для визначення кута нахилу в косому розрізі

Метод Баска-Вебера може бути застосований як до профільних, так і до косим перетинах. В останньому випадку, однак, на профіль повинні виноситися не істина елементи залягання, а удавані кути нахилу, які можна розрахувати по номограмі на рисунку 2.3. Дана номограмма може використовуватися в різних випадках, коли необхідно визначити удавані кути падіння.

Метод Баска-Вебера дає хороші результати в смузі між самими ближніми точками, прийнятими за центри кіл, з яких проводяться дуги кіл різного радіусу. За їх межами з’являються гострокутні точки з нескінченною кривизною (сингулярні точки), а сама структура зображується пологою. Приклад такого ефекту представлений на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4. Ефект виполажіванія при використанні методу Баска-Вебера

Метод Кінк-зон

Даний метод розроблений наприкінці 60-их — 80-их роках і зараз має досить широке поширення. Він застосовується до складчастим структурам, які мають зламані плоскі крила і зони шарнірів, тобто, що складається з Кінк-зон. На картах такі структури характеризуються наявністю зон, в межах яких домінують подібні елементи залягання, тобто дискретним набором можливих значень кутів падіння. Межі між зонами різкі і проходять по площині. Метод Кінк-зон може бути застосований як для складок з постійною, так і змінної істинної потужністю складають їх шарів[14,15].

Складки з постійною потужністю

Суть методу викладена на прикладі рисунка 2.5. Мається профіль, в межах якого оголюються пачки пісковиків, сланців і вапняків, а в точках A, B і C зроблені виміри елементів залягання. Встановлено, що вапняки оголюються в ядрі антиклинальной складки.

Рисунок 2.5. Побудова профілю методом Кінк-зон для концентричних складок

Побудова розрізу відбувається шляхом простеження кордонів, найбільш близьких до точок заміру елементів залягання. Розглянемо послідовність дій. Спочатку визначаємо положення шарнірів і осьової площині Кінк-зон. Якщо у нас немає додаткових даних, то через точки X і Y проводимо лінії з тими ж нахилами шарів, як і в точках B і C відповідно. Злам контакту вапняк / сланець (Ls / Sh) відбувається в точці L. Через точку L проводимо бісектрису кута XLY — лінію ab, яка є осьової площиною Кінк-зони на східному крилі складки. Через точку Z відбудовується контакт піщаник / сланець до перетину з ab в точці M, а далі ця межа продовжується паралельно сегменту XL. Далі через точку W проводиться контакт піщаник / сланець з нахилом як в точці A до перетину в точці N з його фрагментом, проведеним з точки M. Через точку N проводимо бісектрису кута WNM — лінію cd, що є осьової площиною Кінк-зони на західному крилі складки. Тепер, знаючи становище осьових площин, реконструюємо положення інших контактів. У точці e дві осьові площині з'єднуються в одну, яка триває вздовж бісектриси кута cea. Шари відбудовуються паралельно верствам на крилах складки.

Шари з змінюється потужністю

Тут передбачається, що на різних крилах шари мають різну потужність. В принципі, підхід такий же, як і для концентричних складок, але тут потрібна наявність даних на різних висотах. Ці дані необхідні для виділення Кінк-зон в розрізі. Передбачається, що в точках A і C виходить покрівля одного і того ж горизонту, в точці B — його підошва, а в точці h проходить межа зон — осьова площина Кінк-зони. На рисунку 2.6 передбачається, що зроблені ще й заміри в свердловині, але вони з таким же успіхом можуть бути зроблені і на схилі гори.

Послідовність побудови розрізу наступна. Спочатку проводимо осьову площину Кінк-зони hi. Потім паралельно верствам в точках B і C проводимо прямолінійні сегменти CGJ і BEF з точками зламу G і F. Варто відзначити, що через зміни потужностей на крилах осьова площина не є бісектрисою кутів CGJ і BEF. Для визначення положення другий осьовий площині (lm) нам потрібні додаткові дані про зміну потужностей на крилах і в замку складки. Якщо їх немає, в цій частині структури ми припускаємо сталість потужностей і відбудовуємо структуру так само як у попередньому прикладі - визначаємо положення точки K як перетин слідів шару з точки A і продовження лінії GJ, проводимо бісектрису кута AKG, відбудовуємо лінію BNO.

Рисунок 2.6. Побудова профілю методом Кінк-зон для складок з різною потужністю шарів на різних крилах.

Після з'єднання осьових площин hi і lm разом в точці S, ми оцінюємо, наскільки відрізняється потужність шарів на різних крилах, і відбудовуємо шари, зберігаючи пропорційну зміну потужностей шарів. В цьому випадку положення єдиної осьової площині виходить автоматично по положенню точок зламу шарів.

2.3 Метод ізогон

Наведені вище методи радіусів і Кінк-зон застосовні лише при дотриманні цілого ряду умов, і, перш за все, вони хороші лише для порівняно простих складок. Однак, у внутрішніх частинах бриловими надвігових систем складки мають дуже складну форму зі значними змінами потужностей на крилах і в замках складок, які не можуть бути враховані настільки простими способами. Зазвичай в таких випадках розріз відбудовується «на око» — за даними елементів залягання на поверхні шари екстраполюються вглиб, причому на форму складок часто вже не накладається ніяких обмежень. Тим не менш, хоча загальних методів побудови розрізів в таких ситуаціях не існує, є можливість наближеної оцінки форми складок, що дозволяє зробити розріз більш достовірним.

Цей метод називається методом ізогон. Ізогони — це лінії, що з'єднують точки на поверхні шарів, дотичні до яких нахилені під одним і тим же кутом до осьової площині складки. Якщо нам вдасться отрісовать ізогони, ми зможемо відновити і елементи залягання відповідних шарів, і, отже, досить точно зобразити їх на розрізі.

Таким чином, основне завдання зводиться до пошуку методу, що дозволяє визначити положення ізогон. Хоча універсального методу і не існує, але зазвичай вважається, що форма складок залежить не від їх розміру, а від літології м’ятих шарів і, отже, для вивчення поведінки ізогон можливе використання складок масштабу оголення. Інша можливість — використання розрізів, побудованих іншими методами, що дозволяють відновити геометрію хоча б однієї типової складки. Отже, припустимо, що нам необхідно відбудувати розріз через деформовану піщано-сланцеву товщу, в якій більшість дрібних складок мають форму, близьку зображеної на рисунку 2.7.

Для обох різниць порід (пісковики і сланці) складається графік залежності кута нахилу ізогон від кута падіння шаруватості. Після того, як такий графік складено, від точок із зробленими на поверхні вимірами елементів залягання (допустимо, серед сланців) відбудовуються ізогони. Кордон піщанику і сланців проводиться «на око», але з урахуванням отриманих даних про елементи залягання уздовж ізогон. Потім за наведеними на графіку даними відбудовуються ізогони всередині шару пісковиків, і проводиться його підошва, і т.д. Побудований таким способом розріз зазвичай виявляється досить достовірним в межах області, де є фактичні дані, і призводить до суттєвих помилок за їх межами.

Рисунок 2.7. Побудова розрізу методом простежування ізогон

2.4 Метод стратоізогіпс

Стратоізогіпсой називається лінія, що належить якій-небудь поверхні нашарування і розташована на певній висоті. Такі лінії можна порівняти з горизонталями, що описують рельєф місцевості, з тією різницею, що стратоізогіпси описують поверхню пласта (його покрівлю або підошву)[12, 13].

Метод побудови геологічних розрізів за допомогою стратоізогіпс використовується в тих випадках, коли ми не маємо достатньої кількості елементів залягання, виміряних при польових роботах. В цьому випадку неможливо застосувати методи розглянуті вище.

Суть методу досить проста. На рисунку 2.8 зображені стратоізогіпси, побудовані для кордону між породами різного віку (J1 і J2). Для їх знаходження досить з'єднати відповідні по висоті точки перетину кордону J1 / J2 з горизонталями. Далі проводимо лінію розрізу і зносимо на площину профілю кожну точку перетину зі стратоізогіпсой на висоту останньої. Таким чином, на профілі виявляється набір точок, з'єднавши які ми отримуємо кордон, для якої були побудовані стратоізогіпси. Повторивши процедуру для інших кордонів, ми знаходимо їх положення на розрізі.

Описана методика, по суті, є обчисленням елементів залягання моноклинально залягають ділянок складки з горизонтальним положенням шарніра. При цьому, кут падіння графічно визначається для різному орієнтованих ліній розрізу — як при проведенні її вкрест, так і при неперпендикулярних орієнтуванні до простягання шарів. При цьому відпадає необхідність користуватися номограмою, представленої на рисунку 2.3.

Недоліком даного методу є той факт, що для його застосування необхідно, щоб рельєф місцевості був досить розчленованим.

Рисунок 2.8. Приклади стратоізогіпси.

Метод стратоізогіпс, в традиційному розумінні, застосуємо лише для моноклинально залягають ділянок складок, які мають горизонтальний шарнір. В цьому випадку лінії стратоізогіпс є прямими і розташовані приблизно паралельно одна одній на карті.

Висновок

У цій главі описуються методи, застосовувані структурними геологами для створення геологічних розрізів на справжній момент. Їх можна розділити по джерелу вихідних даних, використовуваних при побудовах, на дві групи: перша в своїй основі має елементи залягання шарів гірських порід, а друга використовує стратоізогіпси — допоміжні побудови, які дозволяють встановити положення покрівлі або підошви шару на глибині.

3. ОСОБЛИВОСТІ РОЗРОБКИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

3.1 Базові можливості ГІС ARCGIS

За допомогою програми ArcGis можна виконати завдання географічної інформаційний системи (ГІС) будь-якого рівня складності [7, 9]. Сьогодні тисячі різних організацій і сотні тисяч користувачів використовують технології ГІС для вивчення і обробки різноманітних наборів географічно пов’язаної інформації. Ви можете використовувати ArcGis різними способами, а залежно від складності завдань. Іноді ArcGis використовують як однокористувацького інструменту для картографії та аналізу, зазвичай в контексті певного обмеженого проекту. Такий спосіб використання ArcGIS іноді називають проектом ГІС. В інших випадках ArcGIS — це браузерна система, визнана вирішувати поточні завдання організації в області географічної інформації. Мультиплеєрні ГІС іноді поділяються на ГВС відділів, ГІС організацій, відповідно до рівня складності системи та інтеграцією з щоденною діяльністю організацій[21].

Рис. 3.1 ГІС ARCGIS

ArcCatalog — це інструмент для перегляду, організації, розподілу та документування даних ГІС організації. ArcCatalog представляє структуру для організації зберігання великих обсягів різнотипних даних ГІС. Різні уявлення допомагають знайти потрібні дані.

ArcMap — це документ для перегляду запиту, редагування і компоновки карти. Ми можемо використовувати безліч різних символів для відображення наших даних .

Дана карта містить три шари даних — будівлі, вулиці та парки. Кожен з шарів перерахований в таблиці, і їх можна відключати при необхідності. Для зображення шару використовуються символи. Щоб карту було легко читати, ми додали на неї дані загального призначення про місто. Побудова карти складається з наступних етапів [23,24]:

1) додавання шару до карти;

2) додавання об'єкта з бази даних;

3) зміна відображення об'єктів;

4) додавання написів до карти;

5) компоновка карт.

Додавання шару відбувається з дерева ArcCatalog. Додавання написів і подальша компонування карти полягає у формуванні сторінки для роздруківки, додавання стрілки півночі, легенди.

3.2 Вивчення даних ГІС

ArcGIS може зберігати і використовувати географічні дані в декількох форматах. Одним із способів подання географічної інформації - у вигляді точок, ліній і полігонів. Таке уявлення називається векторною моделлю даних. Вона особливо зручна для зберігання та представлення дискретних об'єктів, таких як будівлі, трубопроводи або межі ділянок. ГІС можна назвати базою даних, що сприймає геометричну інформацію, ГІС дозволяє пов’язувати таблицю і просторові дані. Цей формат називається табличні дані. Значна частина географічних даних сьогодні зберігаються в шейп-файлах. У них зберігаються два типових точкових об'єктів: точкові і багатоточкові. Бази геоданих реалізують об'єктно-ориентировачно модель даних ГІС — модель даних, де кожен просторовий об'єкт зберігається у вигляді рядка таблиці[19,26].

Представлення проекту ГІС

При виконанні типового аналітичного проекту ГІС виконуються наступні етапи:

визначення мети аналізу;

створення бази даних об'єкта (проектування бази даних, введення та завантаження даних у базу і керування базою даних);

аналіз даних за допомогою функцій ГІС;

представлення результатів аналізу (у вигляді карти);

Рис. 3.2. Головне вікно ARCGIS

3.3 Складання бази даних

Необхідні для проекту дані знаходяться в різних місцях і представлені в різних форматах. Щоб виконати аналіз потрібно знайти дані, отримати інформацію про них, і скопіювати їх у відповідну робочу область. ArcCatalog дозволяє вивчити дані і організувати їх так як завгодно. На цьому етапі роботи ми побудували базу даних проекту, яка буде містити всі дані, які ми отримали. Ми переглянули і скопіювали дані за допомогою ArcCatalog і створили папки для зберігання даних і шари для подання видалених даних. Далі за допомогою ArcMap відобразили набори з бази даних проекту, щоб вивчити географічні взаємозв'язку між наборами даних, з якими ми будемо працювати в процесі аналізу. Додавання даних в папку проекту складається з наступних етапів[1,2,3]:

додавання до карти шару ділянок;

додавання до карти інших даних міста;

додавання до карти шейп-файлу річки;

додавання даних висот;

створення гріда висот;

Підготовка даних для аналізу

Тепер, коли ми зібрали і організували всі доступні дані, потрібно підготувати дані для аналізу. Дані ГІС представлені в різних системах координат, їх не можна правильно накласти і відобразити. Тому важливо було зберегти дані в тій же системі координат і у тому ж форматі, що й інші дані. Об'єкти, які зберігалися у вигляді наборів серій карт, ми з'єднали і працювали з ними, як з єдиним цілим. Підготовка даних до аналізу складалася з наступних кроків[8]:

Визначення системи координат для даних висот.

Виконання проекція шейп-файлу річки в систему координат бази геоданих міста.

Експортування шейп-файлу річки.

Оцифровка нового парку в клас об'єктів парку.

Виконання злиття шарів ділянок.

Виконання аналізу

На етапі планування ми визначили, які дані будуть потрібні для дотримання заданих критеріїв, зібрали дані і підготували їх до аналізу. Далі виконали аналіз. В аналізі ділянки повинні задовольняти певним критеріям для будівництва. У межах яких станція повинна стояти і об'єкти, в межах яких станція повинна знаходиться. Таким чином, визначають придатні та непридатні області. Робота на цьому етапі складалася з наступних кроків:

Підготовка до аналізу.

Визначення області, де повинна бути станція.

Пошук ділянок по просторовому критерієм.

Пошук вільних ділянок.

Пошук приміських ділянок поблизу доріг і вузлів мережі водостоку.

Пошук приміських ділянок, що задовольняють критерію площі.

Перегляд результатів аналізу.

Представлення результатів

На цьому етапі проекту ми створили карту-постер для представлення результатів аналізу. Постер містить три карти. На першій — географічне положення придатних ділянок щодо решти частини міста. На іншій — показані всі придатні ділянки. На третій — відображені найбільш придатні ділянки. Також додали список критеріїв і картографічні елементи. Остаточна карта представлена в рис. 4.

Рис. 3.3. ArcGis для геологічного аналізу міста.

3.5 ARCGIS 3D ANALYST

3D Analyst, додатковий модуль ArcGIS для візуалізації та аналізу тривимірних (3D) даних. 3DAnalyst додає спеціальну додаток ArcScene для перегляду даних 3D, а також додає нові можливості в ArcCatalog і ArcMap. позволяет створювати сцени з перспективними видами, де ми можемо переміщати і взаємодіяти з даними географічної інформаційної системи (ГІС). Ми можете представляти на поверхні растрові і векторні дані, а також витягати по висоті векторні об'єкти для додання їм тривимірних властивостей. Ми можете також використовувати інструменти 3D Analyst у ArcScene для створення та аналізу поверхонь. 3D Analyst дозволяє здійснювати попередній перегляд і навігацію за даними 3D. Ми можемо створювати шари даних ГІС і визначати для них властивості тривимірного зображення. Ми можемо переглянути сцени, створені в ArcScene, а також створити метадані для 3D даних ГІС, включає 3D зразки для сцен і даних. Ми можемо створювати в ArcCatalog порожні класи об'єктів або шейп-файлів, які потім можна буде заповнити шляхом оцифрування 3Dоб'ектов в ArcMap[22,23].

Відображення зображення на поверхні рельєфу

У нас є TIN земної поверхні і растрове зображення за даними супутникової зйомки, що показує нерівності земної поверхні. Зображення дуже інформативно, але ми можемо збільшити інформативність, розмістивши зображення на земній поверхні. Зображення Долини Смерті було надано. Підключивши модуль 3D Analyst, ми маємо можливість перегляду даних 3D в Arc Catalog за допомогою набору інструментів 3D виду.

Накладенням 2D зображення на рельєф, ми можемо скористатися для більшої ясності про поверхні (властивості шару — базові висоти).

Щоб підсилити відчуття глибини в сцені і виділити дрібні деталі, ми використовуємо масштабування висоти рельєфу (властивості сцени — вертикальний масштаб).

Рис. 3.4. Аналіз трьохвимірних даних в ArcGis

Висновок

У процесі вивчення програми ArcGIS було розглянуто особливості роботи з картою, побудові і прокладенню маршрутів з однієї заданої точки до іншої, створюючи на шляху різні перешкоди і заборони. Було розглянуто суть накладання шарів на карті, переглядату цього в 3D форматі, де можна було прокрутити і переглянути отриманий результат з різних ракурсів. В даному розділі описано про ArcScene, NetWork Analisis, 3D Routing, що можуть допомагати, як прокладати маршрути 3D форматі так і будувати геологічні розрізи.

4. АЛГОРИТМ ПОБУДОВИ ГЕОЛОГІЧНИХ РОЗРІЗІВ

4.1 Вихідні положення та постановка задачі

З’ясування форми і взаємного розташування різних геологічних тіл у просторі - геологічної структури — можна назвати головним завданням структурної геології. Геологічні тіла представляють собою яку-небудь частину Землі, причому їх розміри варіюють від мікроскопічних до планетарних. Залежно від габаритів виділяються рівні ієрархії геологічних тіл, кожен з яких досліджує свій розділ геотектоніки [5,6].

В основі розгляду цієї дипломної роботи знаходяться геологічні тіла осадового походження, зображувані на великомасштабних геологічних картах. Саме шаруваті гірські породи є відправним пунктом міркувань, оскільки нам в цілому зрозумілий механізм їх утворення і наступних деформацій. Також саме вони дають нам такий додаткове джерело інформації про становище кордонів між виділеними з тих чи іншими ознаками геологічними тілами, як стратиграфическая послідовність.

Підводячи підсумок вищесказаного, можна визначити типові вихідні дані для побудови розрізу. Це, в першу чергу, геологічна карта району, на якій є відомості про виділюваних підрозділах і перетині кордонів між ними з поверхнею рельєфу, зазвичай відображеної на карті у вигляді системи горизонталей. На карті також зображені диз’юнктивні порушення у вигляді окремих ліній або їх систем і граничні контури виходів магматичних утворень на поверхню. І ті, й інші можуть сікти шаруваті освіти. Якщо при геологічній зйомці в обнажениях шаруватих структур проводилися виміри елементів залягання, то останні також наносяться на карту у вигляді умовних позначень, що містять азимути падіння і простягання і кут падіння. Іноді карту супроводжують колонки потужностей, отримані в результаті бурових робіт, і дані геофізики. Іншими словами, вся доступна інформація про геологічній структурі повинна бути використана при побудовах. Але важливо виділити ту інформацію, яка ляже в основу [10,11].

В якості вихідних положень, які поширюються на всі геологічні об'єкти і істинність яких передбачається очевидною (що не підлягає обгрунтуванню), можуть служити наступні твердження:

1. Будь геологічний об'єкт в фіксований момент часу може бути описаний завданням деяких частин простору в межах Землі і спостерігаються у них деяких якісних ознак (властивостей), значень або інтервалів значень кількісних ознак (властивостей, величин).

2. Будь геологічний процес може бути описаний завданням деяких частин простору в межах Землі, моментів і інтервалів часу, відповідних їм (спостережуваних, що визначаються в них) якісних ознак, значень або інтервалів значень кількісних ознак.

3. У кожній точці фізичного простору в фіксований момент часу може спостерігатися тільки одне значення деякого кількісного ознаки.

З цих тверджень ясно, що в описі будь-якого геологічного об'єкта або процесу присутні три типи складових: 1) частини фізичного простору, 2) моменти або інтервали часу, 3) якісні ознаки (властивості), значення або інтервали значень кількісних ознак (властивостей, величин). Для проведеного автором дослідження друга складова не мають принципового значення, оскільки динаміка розвитку структури в часі виходить за рамки розгляду — здійснюється обробка миттєвих знімків, зображених на геологічній карті. Третя складова має прикладне значення для кількісної оцінки положення структурних елементів в просторі. Головний же висновок з представлених вище аксіом полягає в тому, що будь геологічний об'єкт містить в собі просторову складову. В цьому автор і вбачає основу для подальших умов виводів.

Геологічна карта, по суті, вже є моделлю взаємного розташування виділених на ній стратиграфических підрозділів. Але вона не може напряму відображати тривимірну природу геологічної структури. Тому для фіксування цієї інформації на носітеле1 вдаються до проецированию всіх значущих геометричних елементів (кордонів підрозділів, розломів, контактів з магматичними тілами і т.п.) на площину. При побудові розрізу геологу доводиться здебільшого подумки здійснювати зворотну процедуру, щоб відновити об'ємний образ, а потім цей обсяг розсікти площиною, за якою передбачається побудувати розріз. Цей процес дуже складний для того, щоб його відтворювати за допомогою будь-яких математичних операцій, які забезпечують строгість і точність побудови. В результаті, в поєднанні уявного образу з тією інформацією на карті, яка увійшла в розгляд геологом2, отримуємо красивий, але не точний геологічний розріз, побудований вручну.

Таким чином, основна трудність при ручному побудові розрізу полягає в створенні тривимірної моделі геологічної структури. Дійсно складно утримати в зоні уваги всі дані, які маються на карті, не кажучи вже про такі додаткові джерелах, як пояснювальна записка, дані буріння, колонки потужностей і т.д. Очевидним здається наступний вихід з цієї скрути, який полягає у використанні обчислювальних ресурсів персонального комп’ютера. Цей дедалі більше впроваджуються в різні галузі наукових досліджень інструмент дозволяє оперувати гігантськими обсягами інформації, і для його застосування досить представити дані в чисельному вигляді.

Отже, оскільки ключову роль у формуванні геологічної структури відіграють шаруваті осадові породи, а розломи і магматичні тіла лише ускладнюють загальну картину, природним буде за основні структурні елементи прийняти кордону між виділеними стратиграфическими підрозділами. На карті ми бачимо ці межі у вигляді кривих ліній. Щоб перевести ці графічні об'єкти в чисельну форму, враховуючи їх просторову сутність, необхідно задати всі точки, через які проходить кордон на карті у вигляді координатних трійок (X, Y, Z). Також, як четвертої координати (тимчасової) кожній точці необхідно присвоїти якийсь віковий індекс3.

Координати X і Y — це географічні координати точки. Координата Z визначається висотної відміткою точки щодо рівня Світового океану і задана на карті дискретно (через певний інтервал значень) описують рельєф лініями рівної висоти — Ізогіпс або горизонталями. Для формування стратиграфического індексу достатньо целочисленном пронумерувати всі межі по часу їх утворення в прямому або зворотному порядку.

Побудова розрізу, таким чином, зводиться до знаходження положення геологічних кордонів в площині розрізу, за допомогою розрахунку поверхневих даних. Для уніфікації вихідних даних необхідно використовувати якийсь проміжний структурний об'єкт. Таким об'єктом є стратоізогіпса.

Стратоізогіпси (або структурні контури) подібні горизонталям із тією лише відмінністю, що останні застосовуються для опису поведінки рельєфу на площині карти, а стратоізогіпси визначають поверхню нашарування, що розділяє виділені стратиграфічні підрозділи. Кожна стратоізогіпса, як і геологічна границя, може бути представлена?? у вигляді набору точок з координатами (X, Y, Z, T).

Підсумовуючи все, сказане вище, в основі всіх операцій розроблюваного автором алгоритму, здійснюваних при побудові геологічного розрізу, знаходяться саме стратоізогіпси. Як буде показано нижче в цьому розділі, вся структурна інформація, якою володіє геолог, може бути представлена у вигляді стратоізогіпс явно або стати параметрами для їх знаходження.

Постановку задачі тепер можна сформулювати наступним чином. Необхідно, маючи в розпорядженні ті дані, які надає геологічна карта, і всю додаткову інформацію, знайти максимальну кількість стратоізогіпс. Потім, перетинаючи цю систему площиною розрізу, встановити положення стратиграфических кордонів на профілі. При цьому процес побудови розрізу повинен знаходитися під контролем геолога. Тобто він повинен мати можливість приймати ті чи інші рішення, що впливають на результуючий розріз. А також необхідно, щоб результат роботи алгоритму піддавався контролю (наприклад, за допомогою методу балансування розрізів).

1 — У даному випадку це лист, на якому видрукувана геологічна карта.

2 — Багато фахівців при побудові геологічного розрізу використовують дані, розташовані безпосередньо поблизу лінії профілю, не враховуючи віддаленої інформації. Це пов’язано головним чином із складністю екстраполяції останньої на площину розрізу.

3 — Як було сказано раніше, часовий фактор не має принципового значення в даній роботі, і, по суті, цей індекс не є міркою часу, а скоріше відображає приналежність точки в просторі тієї чи іншої геологічної поверхні.