Концепция создания региональный геологический ГИС

Короткий опис

Введение..... 5

Глава 1. Пространственная информация и ГИС как механизм ее анализа и визуализации... 16

1.1. Пространственная информация... 16

1.2. Модели пространственной информации... 17

Г.З. Геоинформационные системы и системы управления

пространственными базами данных... 20

1.4. Общие понятия о ГИС... 21

1.5. Классификация ГИС... 28

1.6. Модели данных ГИС... 29

1.7. Техническое и программное обеспечение ГИС... 35

Глава 2. ГИС - перспективный подход для решения задач региональной

геологии...;... 47

2.1. Применение математических методов и компьютерных технологий в геологии... 47

2.2. ГИС в геологии... 50

2.3. Основные проблемы применения ГИС в геологии... 54

2.4. Региональные геологические ГИС... 57

2.5. Опыт применения ГИС в региональной геологии... 58

2.6. Концепция создания региональных геологических ГИС... 69

2.6. ГИС-технологии для целей региональной геологии... 69

2.7. Выводы... 78

Глава 3. Проектирование ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и

тектоника Северо-Восточной Азии»... 82

3.1. Цель и задачи ГИС-проекта... 82

3.2. Геотектоническая основа ГИС-проекта... 84

3.3. Металлогеническая основа ГИС-проекта... 95

3

3.4. Формальная постановка задачи... 101

3.5. Содержание картографических слоев... 104

3.6. Характеристики объектов, модели данных для хранения атрибутивной информации... 114

3.7. Программные средства для реализации ГИС... 123

3.8. Выводы... 133

Глава 4. Предварительные цифровые карты и базы данных... 134

4.1. Цифровая географическая карта Северо-Восточной Азии... 135

4.2. Цифровая геодинамическая карта Северо-Восточной Азии и БД геодинамических объектов... 140

4.3. Цифровая карта и БД месторождений полезных ископаемых.. 148

4.4. Цифровая карта и БД россыпей полезных ископаемых... 154

4.5. Цифровая карта и БД металлогенических поясов Северо-Восточной Азии...;... 154

4.6. Выводы... 159

Глава 5. ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии»... 160

5.1. Информационное содержание ГИС... 160

5.2. Функциональные возможности системы... 173

5.3. Решение информационно-поисковых задач... 176

5.4. Пользовательский интерфейс... 178

5.5. Выводы... 179

Глава 6. Анализ информации ГИС и ее представление конечным

пользователям... 187

6.1. Подготовка к печати и печать цифровых карт... 187

6.2. Публикация ГИС на CD и в Интернет... 190

6.3. Анализ картографической информации ГИС... 197

6.4. Анализ атрибутивной информации... 205

6.5. Выводы... 218

4

Заключение... 220

Список использованной литературы... 225
Введение

5 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Геология оперирует огромными объемами эмпирических данных, решая проблемы выбора стратегии поисков месторождений полезных ископаемых и развития горной промышленности. Поэтому именно она явилась одной из первых сфер научно-практической деятельности, в которой около 40 лет назад начали внедряться математические методы и компьютерные технологии. Практически любые затраты на развитие средств поддержки этих решений оказывались оправданными.

В настоящее время геологические ведомства и горнодобывающие компании всех развитых стран мира активно используют географические информационные системы (ГИС) в своей деятельности. И это не удивительно. Ведь они оперируют данными, имеющими отчетливую, зачастую детальную, пространственную привязку. А для хранения этих данных, быстрого удобного доступа к ним на основе местоположения и создания на их основе высококачественных карт разного назначения технология ГИС подходит наилучшим образом. Внедрение ГИС в геологическую отрасль началось несколько десятков лет назад, шло параллельно и в значительной мере способствовало развитию самих ГИС-технологий.

Из всего множества геологических ГИС можно выделить класс региональных геологических ГИС, который характеризуется следующими свойствами:

1) ГИС этого класса создаются на глобальном, субрегиональном, национальном и региональном территориальных уровнях;

2) информационной основой для подобных ГИС является региональная геологическая информация;

3) масштаб карт: .1: 200000-1: 5000000;

4) ГИС этого класса предназначены для решения задач региональной геологии, тектоники, металлогении и т.п.

6

Важным аспектом информационных материалов для таких ГИС является то, что они отражают на своих фрагментах собранную и систематизированную в разные годы геологическую информацию.

Таким образом, при создании региональных геологических ГИС важными становятся задачи стандартизации геологической информации, совмещения фрагментов карт, перевода карт в другие проекции и масштабы и др.

Цель и задачи исследований.

Основная цель исследований: разработка концепции создания региональных геологических ГИС.

Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать и систематизировать мировой опыт создания региональных геологических ГИС;

2) разработать концепцию создания региональных геологических ГИС;

3) сформулировать технологическую цепочку для создания региональных геологических ГИС;

4) на основе разработанной концепции и предложенной ГИС-технологии осуществить проектирование и разработку ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии»;

5) систематизировать существующие подходы представления ГИС конечному пользователю.

Методы исследований. Для решения сформулированных задач привлечены методы системного анализа, современные методы геоинформатики, математические методы анализа геологических данных.

Личный вклад соискателя в разработку избранной проблемы.

Более чем 20-летний опыт автора формализации геологических данных, а также применения математических методов и компьютерных технологий для организации хранения, поиска, анализа и представления геологических данных позволили создать базовую основу для настоящей работы:

7

1) Диагностика магматических и рудных комплексов с использованием математических методов. В период с 1981 по 1991 гг. автором был решен ряд задач по диагностике магматических и рудных комплексов с использованием математических методов (Наумова, Щека, 1985, 1989, 1990; Гореликова, Наумова, 1986, 1987; Наумова и др., 1985, 1987; Разжигаева, Наумова, 1987, 1988, 1991; Федчин, Наумова и др., 1988, 1989; Щека, Наумова и др., 1987, 1989; Наумова, Волосов, 1991; Наумова, 1987, 1989, 1993, 1997; Naumova, 1997);

2) Создание экспертных систем автоматической диагностики геологических комплексов, прогнозирования месторождений полезных ископаемых на территории Дальнего Востока России. В результате этих работ были созданы:

• Экспертная система «Формация» - система автоматической диагностики базит-гипербазитовых формаций с использованием экспертных знаний (Наумова, Щека, 1991; Наумова, 1993). Система реализована на TurboProlog в операционной среде MS DOS. Она содержит ряд специальных средств для создания пользователю комфортной среды. Основным из них является редактор базы знаний. Система содержит файл «Консультация», который может быть вызван пользователем из основного меню программы. В нем содержится тезаурус базы знаний. Наличие такого словаря позволяет геологу-пользователю понять терминологию эксперта. Общение программы, с пользователем организовано в виде оконного интерфейса.

• Экспертная система, консультирующая при локальном прогнозировании Pb-Zn оруденения Дальнего Востока России. Система реализована на Delphi (16-разрядном) в среде Windows для персональных компьютеров. Она допускает анализ введенной в нее базы знаний, записанной в виде правил. В базе знаний системы хранится около 100 правил, в основном регионального понятийного блока. В этой версии системы реализован минимальный ГИС-блок, а также простейший блок локального

8

прогнозирования, основанный на использовании дискриминантных функций, построенных на эталонных выборках.

3) Представление геологической информации в Интернет.

а) Важным итогом работ автора является создание и поддержка Информационного сервера Дальневосточного геологического института в Интернет http://www.fegi.ru (Наумова, 1999; Naumova, 1999).

б) Под руководством автора разрабатывается территориально распределенная база данных «Геология Российского Дальнего Востока» в Интернет (Koreshkov, Naumova, 2004).

Фактическую основу настоящей работы составили результаты следующих исследований:

1) Разработка компьютерных систем организации хранения и поиска региональной геологической информации с использованием реляционных СУБД.

В результате проведенных исследований была создана Научная информационно-поисковая система «Геология Дальнего Востока России» (Наумова и др., 1991; Наумова и др., 1993; Наумова и др., 1993; V.V.Naumova and others 1994). Система реализована на Clipper, 5.0 для MS DOS. Она содержит три информационных блока: «Осадочные комплексы», «Вулканические комплексы», «Интрузивные комплексы». В системе реализован минимальный ГИС-блок. Блок системы «Осадочные комплексы» передан для внедрения в ГИН РАН.

2) Разработка и создание региональных геологических ГИС. В результате проведенных исследований автором получены следующие результаты:

• Создана ГИС «Геология и полезные ископаемые Приморского края» (Наумова и др., 1996). Система создана при финансовой поддержке гранта Губернатора Приморского края, 1995 г. Она реализована в программной среде Maplnfo, 3.0. В ГИС внесена информация: геодинамическая карта Приморского

9

края (масштаб 1:2500000); региональные карты рудных месторождений и угольных районов, описания геодинамических объектов, краткие сведения обо всех практически значимых рудных и нерудных месторождениях, а также месторождениях угля. Созданная ГИС позволяет получать информацию по геологии и полезным ископаемым Приморского края, строить тематические карты, получать статистические оценки информации, отображать на графиках информацию, полученную по запросу к системе.

• Под руководством автора М.А.Поповой реализована первая версия ГИС "Гранитоидный магматизм юга Дальнего Востока". Масштаб проекта 1: 2500000. Картографическая основа ГИС состоит из топоосновы, тектонической схемы, карты гранитных комплексов территории Дальнего Востока России в масштабе 1:2500000. В ГИС реализованы крупномасштабные картографические врезки трех рудных районов Приморского края: Вознесенского (масштаб 1:50000), Кавалеровского (масштаб 1:50000) и Дальнегорского (масштаб 1:200000). В БД ГИС внесена атрибутивная информация по гранитным комплексам: названия, возраст, метод определения возраста и др. (на русском и английском языках). ГИС реализована на платформе Arc View 3.0 и PC Arclnfo, 3.4.2.

• Разработана и создана ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии». ГИС создана в рамках выполнения одноименного Международного проекта (1997-2002 гг.).

• Осуществлено проектирование и начата реализация ГИС «Тектоника, магматизм, геофизика и минеральные ресурсы Российского Дальнего Востока». Система создается при непосредственном участии и руководстве автора (Kapitanchuk, Naumova et al., 2004).

• Из всего множества геологических ГИС выделен класс региональных геологических ГИС. Проведен анализ методических подходов и технологий создания этого класса ГИС и для их создания предложены авторская концепция и технология создания (Наумова, 1994; Наумова, 1998; Наумова, 1999).

10

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в ТИГ ДВО РАН (1972-1992 гг.) и в ДВГИ ДВО РАН (1992-2004 гг.). Основные теоретические, методологические и технологические результаты получены непосредственно диссертантом. Обсуждаемая в диссертации ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии» создана под непосредственном руководством и при участии автора совместно с В.Дж. Ноклебергом (Геологическая служба США), Р. Дж. Миллером (Геологическая служба США), М.И.Патуком (ДВГИ ДВО РАН), М.Ю.Капитанчук (ДВГИ ДВО РАН), А.И.Ханчуком (ДВГИ ДВО РАН), С.М.Родионовым (ИТиГ ДВО РАН).

Научная новизна работы:

1. разработана концепция создания региональных геологических ГИС;

2. предложена технология реализации региональных геологических ГИС;

3. осуществлена формализация геологических объектов, входящих в ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-

^, Восточной Азии»;

4. создана ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии».

Практическая значимость работы.

Результаты работы могут быть использованы:

1. в качестве методического пособия при создании региональных геологических ГИС;

2. в качестве учебного пособия по курсу «Геоинформатика» для студентов геологических специальностей университетов;

3. программные разработки могут быть использованы создателями ГИС для целей реализации перекрестного поиска между Arc View и Access;

4. ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии» позволит геологам:

11

1) выполнять анализ взаимосвязей и взаимозависимостей между геодинамическими, минерально-ресурсными, металлогеническими и геофизическими данными, который даст геологам возможность получить новую информацию о тектонических и металлогенических характеристиках и их эволюции в пределах Северо-востока Азии; 2)построить тектоническую и металлогеническую модель, которая будет отражать геодинамическую и металлогеническую эволюцию для важных геологических эпох;

3)построить различные прогнозные карты: минерально-ресурсные, экологические и природопользовательские;

4)построить большое количество карт (геологических и минерально-ресурсных), на которых будет показана как картографическая, так и атрибутивная информация.

Возможные пользователи ГИС:

• сотрудники геологических служб различных стран мира, заинтересованные в информации ГИС;

• сотрудники геологических научных организаций и университетов;

• сотрудники горнорудных компаний;

• другие пользователи соответствующих областей деятельности.

Основные защищаемые положения:

1) Концепция создания региональных геологических ГИС заключается в рассмотрении пространственных объектов исследования как целостной сложной системы со своей специфической внутренней организацией и причинно-следственными связями между отдельными ее элементами. Инструментом системного подхода является ГИС как способ отображения реальной действительности, при котором для изучения оригинала применяется специально построенная модель, воспроизводящая существенные свойства и характеристики исследуемого реального объекта (группы объектов) и процесса.

12

В этом случае данные ГИС должны быть основаны на единой геологической концепции, геологические объекты — описаны взаимосвязанными признаками, основанными на общих геологических классификациях, цифровые карты -построены на единой топографической (географической) основе и иметь согласованные между собой легенды.

2) ГИС-технология для целей региональной геологии, основанная на предложенной концепции создания региональных геологических ГИС, состоит из следующих последовательных этапов: проектирование системы, при котором формализация геологических объектов и их взаимосвязей играет определяющую роль; выбор технических и программных средств для реализации ГИС; создание топографической (географической) основы; формирование цифровых карт и атрибутивных баз данных в ГИС-среде; решение информационно-поисковых задач с максимальной организацией взаимосвязи между картами и базами данных;- разработка дружественного пользовательского интерфейса.

3) ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии», реализованная на основе сформулированной концепции и предложенной технологии, осуществляет хранение, обработку, доступ, отображение и распространение картографической и атрибутивной информации о геологических объектах Восточной и Южной Сибири, юга Дальнего Востока России, Монголии, Северо-Восточного Китая, Кореи и Японии. Функциональные возможности созданной ГИС позволяют проводить анализ взаимосвязей и взаимозависимостей между геодинамическими, минерально-ресурсными и металлогеническими данными, что дает геологам возможность получать новую информацию о тектонических и металлогенических характеристиках и их эволюции для Северо-Восточной Азии.

4) Программы организации поисковых запросов от картографической информации в среде Arc View к описаниям в БД Access, а также обратных

13

запросов позволяют решать нестандартные задачи поиска информации в ГИС, а также создавать принципиально новые карты, исходя из геологических задач. Созданное программное обеспечение является универсальным.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации доложены или представлены автором на 8 Международных конференциях: 14th International sedimentological congress, Recife, Agosto, 1994; IAMG'97. Barcelona, Spain 22-27 September, 1997; First IEEE/RPS Joint Conference on Internet Technologies and Servies. Moscow, Russia, October 25-28, 1999; "ISIS-99", Vladivostok, 22-24 march 1999; ITIT International Symposium "Mineral resources and tectonics of Northeast Asia", AIST research Center, Tsukuba, Japan, June 8-9, 2000; «Mineral Deposits at the Beginning of the 21st Century»: Proceedings of Joint Sixth Biennial SGA-SEG Meeting, Krakow, Poland, 2001; Conference on Tectonics and Metallogeny of Northeast and East-Central. Asia, September 2002, Novosibirsk; International Conference on GIS in Geology, Moscow, 13-15 November 2002; Interim IAGOD Conference " Metallogeny of the Pacific Northwest: Tectonics, Magmatizm and Metallogeny of Active Continental Margins", Vladivostok, Russia, 1-20 September 2004.

Результаты исследований и промежуточные материалы исследований по проблеме, рассмотренной в диссертации были доложены или представлены автором на 9 Всесоюзных совещаниях: «Теория классификаций и анализ данных», 1981; «Геохимия в локальном металлогеническом анализе», 1986; VII съезд Всесоюзного минералогического общества, Ленинград, 1987; III Всесоюзная школа-семинар по морской геологии. Владивосток, 1987; III Советско-Китайский симпозиум, Благовещенск. «Геология и экология бассейна реки Амур», 1989; 5 Международная конференция «Базы данных и знаний», г.Львов , 1991 г; Научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в горном деле", г. Екатеринбург, 1996; Всероссийское совещание "Золотое оруденение и гранитоидный магматизм Северной Пацифики". г. Магадан, 4-6

14

сентября 1997 г.; II Всероссийское металлогеническое совещание, август 25-28, 1998, Иркутск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы, в том числе одна монография, материалы 20 Всесоюзных, Всероссийских и Международных совещаний и конференций, 7 статей в центральных и международных журналах, 12 открытых публикаций геологической службы США (U.S. Geological Survey Open-File Report), серия статей в региональных журналах и в тематических сборниках ДВО РАН, научные отчеты ТИГ ДВО РАН и ДВГИ ДВО РАН, ответственным исполнителем или соавтором которых является диссертант (4 отчета).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Объем работы - 244 стр. машинописного текста, в том числе 9 таблиц, 41 рисунка. Список литературы включает 168 наименований.

Исследования по теме диссертации начаты в лаборатории анализа данных Тихоокеанского института географии ДВО РАН под руководством к.б.н. В.Л.Андреева и были завершены в лаборатории компьютерных технологий Дальневосточного геологического института ДВО РАН. При выполнении работы автор широко пользовался научными консультациями директора ДВГИ ДВО РАН, члена-корреспондента РАН А.И.Ханчука.

Формированию научных взглядов автора способствовали научные дискуссии с д.г.-м.н. С.А.Щекой (ДВГИ ДВО РАН), д.г.-м.н. П.В.Маркевичем (ДВГИ ДВО РАН), членом-корреспондентом РАН В.Г.Сахно (ДВГИ ДВО РАН), д.г.-м.н. С.А.Коренбаумом (ДВГИ ДВО РАН), д.г.-м.н. В.В.Раткиным (ДВГИ ДВО РАН), к.г.-м.н. Ф.Г.Федчиным (ДВГИ ДВО РАН), к.б.н. В.Л.Андреевым (ТИГ ДВО РАН), д.б.н. В.В.Сухановым (ИБМ ДВО РАН), А.В.Вертелем (ТИГ ДВО РАН), д.т.н. В.Н.Добрыниным (ВИЭМС), д.т.н. Е.Н.Черемисиной (ВНИИГеосистем), Ю.К.Королевым (ОАО «Дата+»), к.т.н. А.НЛетырбоцким (ДВГИ ДВО РАН), к.г.-м.н. М.И.Патуком (ДВГИ ДВО РАН), С.А.Миллером (ГИС -ассоциация России).

15

Успешному выполнению работы способствовала консультационная поддержка участников Международного проекта «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии»: руководителя проекта В.Ноклеберга (Геологическая Служба США); научных руководителей проекта: профессора д.г.-м.н. Л.М.Парфенова (ИГБМиА СО РАН), академика М.И.Кузьмина (ИГ СО РАН), члена-корреспондента РАН А.И.Ханчука (ДВГИ ДВО РАН); участников проекта: д.г.-м.н. С.М.Родионова (ИТИГ ДВО РАН), к.г.-м.н. А.В.Прокопьева (ИГБМиА СО РАН) и др.

В создании ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии» приняли участие сотрудники лаборатории компьютерных технологий Дальневосточного геологического института ДВО РАН: к.г.-м.н. М.И.Патук, М.Ю.Капитанчук, О.В.Касаткина, О.В.Красуля, Т.М.Михайлик, О.Н.Кеня, М.А.Попова, И.В.Золотарева, Л.Ю.Смирнова.

Автор выражает всем искреннюю признательность и благодарность, так как без консультаций, помощи и поддержки этих специалистов написание диссертационной работы было бы невозможным.

16

ГЛАВА 1. Пространственная информация и ГИС как механизм ее анализа

и визуализации

1.1. Пространственная информация

Пространственные данные - это данные о пространственных объектах, включающие сведения об их местоположении и свойствах, пространственных и непространственных атрибутах (Баранов и др., 1999). Обычно состоят из двух взаимосвязных частей: позиционных и непозиционных данных — описания пространственного положения и тематического содержания данных, тополого-геометрических и атрибутивных данных. Полное описание пространственных данных складывается, таким образом, из взаимосвязанных описаний топологии, геометрии и атрибутики объектов.

Пространственная информация, то есть информация об объектах, помещенных в такую пространственную систему координат, как поверхность Земли, на протяжении длительного времени воспринималась как источник проблем при организации вычислений (Шекхар, 2004). Еще в 1972 г. понятием обработки пространственных данных пользовались для обозначения деятельности небольшого, но динамичного исследовательского сообщества, члены которого занимались электронной обработкой данных для повышения производительности при составлении и редактировании карт, картографических измерениях и анализе пространственных данных. Пространственная информация богата структурами высокого уровня, и, несмотря на то, что каждая из классических моделей управления базами данных, которые стали появляться в 1960-х гг., смогла предложить в этой предметной области что-то свое, ни реляционная, ни объектно-ориентированная модель не согласуется с такой информацией в полной мере. Реляционная модель эффективно работает с топологическими отношениями, однако страдает от отсутствия средств представления сложных иерархических отношений, протяженных в пространстве; в то же время объектно-ориентированные модели справляются как с топологическими, так и с

17

иерархическими отношениями, но при этом испытывают трудности, имея дело с явлениями и вещами, которые характеризуются пространственной протяженностью.

1.2. Модели пространственной информации

Модели пространственной информации обычно объединяются в две большие группы: полевые и объектные (Шекхар, 2004).

Описание полевых моделей применительно к пространственным приложениям требует определения трех компонентов: пространственной системы координат, функций поля и набора соответствующих операций над полями (Worboys, 1995).

Пространственная система координат F-это конечная сетка, наложенная на базисное пространство. Все дальнейшие измерения выполняются на основе этой системы отсчета. Наиболее известным примером пространственной системы координат является широтно-долготная система координат земной поверхности.

Выбор разнообразных функций поля и областей определения атрибутов диктуется наличным пространственным приложением. В особых случаях, когда функции являются однозначными, а базисное пространство - евклидовой плоскостью, поля естественно рассматривать либо как поверхности, либо как изолинии, которые являются геометрическим местом точек, имеющих одинаковое значение атрибута.

Отношения и взаимодействия над различными полями определяются операциями над полями. Операции над полями отображают подмножества полей на другие поля.

При создании моделей на основе объектов основное внимание уделяется абстрактному представлению пространственной информации в виде различимых, идентифицируемых и значимых сущностей, или объектов. Все эти объекты различимы и идентифицируемы. Каждый объект имеет совокупность

Список литературы