Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Компьютерная технология ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Компьютерная технология ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР

Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИГеосистем)

На правах рукописи

ЧЕСАЛОВ Леонид Евгеньевич

КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВВОДА, АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЧИСЛОВОЙ И КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 04.00.12. - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1994 г.

Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем Комитета Российской Федерации по геологии и использованию недр

Научный руководитель:

Черемисина Евгения Наумовна, доктор технических наук, (ВНИИГеосистем, г.Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор АА-Никитин, (МГГА,г.Москва) кандидат технических наук, В.НДобрынин (ВИМС, гМосква)

Ведущая организация - Санкт-Петербургская

Геофизическая экспедиция (г.Санкг-Петербург)

Защита состоится 1994 г. в /ч часов на заседании

Специализированного совета Д071.10.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических геосистем, г.Москва, 113105, Варшавское шоссе, дД конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГеосистем. Автореферат разослан * 1994 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета, В.СЛебедев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современный этап научно-технического прогресса в геологии характеризуется внедрением математических методов и средств вычислительной техники. Повышение эффективности геологоразведочных работ связывают с необходимостью использования новейших достижений в области автоматизации процессов обработки и анализа информации.

Одной из основных форм хранения и представления геолого-геофизической информации выступают карты. Они играют определяющую роль в исследованиях как источник пространственных, временных и вещественных природных образований, так и в качестве формы отображения результатов исследований.

Настоящий этап в отрасли характеризуется высокой степенью применения вычислительной техники, появлением устройств ввода и вывода изображений, вплоть до получения карт полиграфического качества. В связи с этим пояатяется широкая возможность применения компьютерных технологий создания и редактирования электронных карт, анализа и синтеза новых карт, получения качественно нового поколения информационно-поисковых систем как для геолого-геофиэических исследований, так и во многих смежных областях, например, анализ экологической обстановки, землепользование и др. Для обработки и интерпретации хранящейся в цифровом виде картографической и фактографической информации необходима гибкая и эффективная система реализации вычислительных алгоритмов. Создание компьютерных технологий ввода и преобразования пространственных и атрибутивных данных для информационно-аналитического обеспечения геолош-геофизических исследований является актуальной задачей геологоразведочной отрасли.

Целью работы является разработка компьютерной технологии ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований с интеграцией пространственной и фактографической информации.

Основные задачи работы:

1. Разработка требований и создание структуры системы ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации, исходя из анализа существующих автоматизированных систем и потребностей исследовательского процесса.

2. Разработка отдельных модулей системы, реализующих

различные способы и этапы технологии ввода и обработки картографической информации и средств объединения их в единую технологию.

3. Разработка программно-технологического обеспечения иинтеграции пространственной и фактографической (атрибутивной) информации.

4. Разработка гибкой встраиваемой системы реализации вычислительных алгоритмов для обработки картографической и фактографической информации.

5. Создание компьютерной технологии ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований и апробация на практических задачах.

Научная новизна.

1. Создана технология ввода, хранения и иинтеграции картографической и фактографической информации на основе специализированных иерархических баз геолого-геофизических данных, позволяющая оптимизировать скорость доступа к информации и необходимые для ее хранения ресурсы.

2. Впервые разработана гибкая встраиваемая система, реализующая вычислительные алгоритмы путем генерации объектного кода внутри действующего программного модуля.

3. Разработан комплекс новых алгоритмов и программ, обеспечивающих: трансформацию узло-дугового представления площадных объектов в полигональные без задания координат внутренних точек контуров, компенсацию нелинейных искажений картматериалов путем топологических преобразований, эффективную реализацию координатных преобразований пространственных данных.

Защищаемые положения.

1. Созданная на единой информационной основе компьютерная технология охватывает полный цикл ввода, анализа и синтеза числовых и картографических данных, обеспечивая эффективную информационную поддержку комплексных геолого-геофизических исследований.

2. Разработанный комплекс алгоритмов существенно упрощает технологию ввода, коррекции искажений, преобразования картографических проекций и иинтеграции картматериалов.

3. Открытые информационно-обрабатывающие системы, базирующиеся на встраиваемом микрокомпиляторе, обладают простотой управления, гибкостью и высокой вычислительной мощностью.

4. Использование специализированной иерархической структуры баз пространственных данных и снятие ограничений на тип атрибутивной информации обеспечивает оптимизацию хранения и высокую скорость доступа к информации.

Реализация и апробация работы. Приведенные в диссертации разработки внедрены в Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, МГРИ, АО "Алмазы Россия-Саха", ГГП "Невскгеология" и "АмурГео", Санкт-Петербургской геофизической экспедиции.

Основные результаты работы докладывались на ежегодных научных конференциях МГРИ (Москва, 1989-1991,1994), на Всесоюзном научном семинаре им. Д.Г.Успенского "Теория и практика геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий" (Алма-Ата, 1990), на 3-м международном симпозиуме по применению математических методов и компьютерной техники в геологии, горном деле, металлургии и смежных областях (Москва, 1993), на международной конференции "Геофизика и современный мир", (Москва, 1993).

Публикации и личный вклад в решение проблемы

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором во ВНИИГеосистем (1990-1994 гг.).

По результатам выполненных исследований опубликовано S печатных работ.

Основные теоретические и технологические результаты получены непосредственно автором. Им разработана структура комплекса электронной картографии, разработаны алгоритмы и программы ряда компонент комплекса. Полностью автором спроектирован и реализован встраиваемый микрокомпилятор для обработки пространственных и фактографических данных. Реализация программного комплекса в целом производилась коллективом разработчиков под руководством автора. Создание электронных атласов осуществлялось совместно с группой сотрудников Института Геологии и геохронологии докембрия РАН, руководитель проекта - академик Рундквист Д.В. Решение задачи крупномасштабного прогнозирования оловорудных полей по материалам отдела олова ВИМСа выполнялось под руководством д.тд. Черемисиной E.H. Создание банка аэромагнитных данных по материалам Санкт-Петербургской геофизической экспедиции выполнялось совместно с научными сотрудниками ВНИИГеосистем Спиридоновым ВА. и Сухановым М.Г.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 116 страниц машинописного текста. Список литературы включает 63 наименования.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.тл. Черемисиной ЕЛ, искренне благодарит Гусева ЮА, Спиридонова ВА, Эпштейна ЛД. и других участников совместной разработки, а также к.тл. О.В.Митракову за ценные советы при обсуждении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. Автоматизация геолого-геофизических исследований и место электронной картографии. Анализ существующих технологий н систем.

Индустриализация геолого-геофизических исследований и острота экологических проблем требуют значительного роста производительности труда специалистов при решении геолого-геофизических задач. Очевидно, магистральный путь решения этой проблемы - ускорение темпов компьютеризации технологии их решения.

Особенность геолого-геофизических задач заключается в том, что основная часть обрабатываемой и выходной информации имеет либо картографический характер, либо пространственную привязку, поэтому при разработке программно-аппаратных комплексов для решения задач это находит отражение в структурах и представлении используемой информации.

К настоящему времени в мировой практике накоплен значительный опыт разработки и эксплуатации географических информационных систем (ГИС), обладающих функциями ввода, хранения, обработки, анализа, представления и получения данных, имеющих пространственную привязку, и предназначенных для компьютерных технологий решения задач геологии, геофизики, экологии, землепользования. В работе проведен анализ 20 зарубежных и отечественных ГИС или разработок, которые можно классифицировать как компоненты ГИС. Отмечено, что наиболее полные и универсальные ГИС разработаны в западных странах (ARC/INFO, Intergraph MGE, SPANS и др.). Однако наиболее серьезные разработки существуют либо для специализированного вычислительного оборудования, либо на платформе рабочих станций, которые присутствуют в российских организациях в недостаточном количестве. Отечественные разработки в силу известного отставания в области компьютеризации народного хозяйства характеризуются меньшей интегрированностью, большей ориентацией на персональные компьютеры, чем на рабочие станции и специальную аппаратуру. Тем не менее ряд отечественных подходов в развитии электронной картографии (например, ГИС ПАРК, СИНТЕКС/ТРИ, ЦКМ) не уступают зарубежным методикам и можно говорить о значительном числе разработок программных систем для геологических, геофизических и экологических исследований, не обладающих всеми формальными признаками ГИС

Наиболее емкой и универсальной формой представления исходных

данных является картографическое, потому что оно представляет средство пространственной привязки для любых видов данных. Рассмотрение отечественных и зарубежных разработок показывает, что внутреннее представление картографических данных может быть растровым, векторным и смешанным. Наиболее удобной формой для хранения и содержательной обработки является векторное представление. Эта форма используется большинством рассмотренных разработок, и для некоторых является единственной.

Производительность компьютерных технологий в огромной степени зависит от оперативности и точности преобразования исходных пространственных данных во внутреннее представление, главной формой которого является векторный формат. Подсистема ввода и корректировки пространственной информации является одной из обязательных составных частей ГИС. Большая часть рассмотренных зарубежных и отечественных разработок (ГИС ПАРК, Draw, Декарт) использует дигитайзерную технологию ввода карт. Рад зарубежных ГИС использует технологию предварительного растрового ввода с последующей автоматической векторизацией или ручным скалыванием по растру. Последнее время подобные способы ввода появляются в нашей стране (Vectory, СИНТЕКС/ТРИ, ВЕКТОР).

Схемы дальнейшей обработки и хранения полученной информации существенно зависят от решаемой задачи. Часто возникает потребность привязки к пространственным объектам разного рода фактографии, причем зачастую типы и объем этих данных нельзя определить заранее при проектировании. Наиболее массовые ГИС, в том числе Arc/INFO, используют для управления такими атрибутивными данными средства стандартных СУБД (dBASE, ORACLE), в этом случае накладываются определенные ограничения на типы информации (например, только числовая и символьная, с ограничением на число знаков). Кроме того, эффективность хранения данных в таких системах ниже, чем это было бы в специально спроектированном приложении. Обычно этот подход выбирается в силу простоты реализации и доступности большого числа средст? для управления данными, хранящимися в форматах стандартных СУБД.

Еще некоторые выводы можно сделать на основании анализа существующих отечественных и зарубежных разработок.

Как правило, большие усилия прилагаются для реализации многослойной модели электронной карты, но для одного масштаба, а

интеграция пространственных данных различного масштаба, построение иерархических картографических баз затруднено (в частности, РС-версия Arc/Info не имеет средств для создания иерархических баз данных с условной визуализацией в зависимости от масштаба).

Большая часть систем ГИС имеет в своем составе некоторые средства поддержки программирования для решения нестандартных задач. Этот подход используется довольно широко, но преимущественно для обработки пространственных данных и атрибутов признакового характера. Обработка больших объемов фактографии или растровой информации (а таковой по сути являются площадные геофизические или геохимические данные) этими средствами не предусмотрены и обычно ограничены возможностью задания весовых коэффициентов окна обработки. Эффективность реализации процедур, написанных на таких встроенных макроязыках, очень низка, ввиду того, что в них используется интерпретирующая схема языка программирования.

Одним из существенных недостатков эксплуатируемых зарубежных ГИС является отсутствие поддержки ряда картографических проекций, используемых в нашей стране. В частности, в системе Aie/Info для ввода крупномасштабных карт приходится использовать проекцию UTM, не совсем совпадающую с применяемой у нас системой координат Гаусса-Крюгера, большая часть мелкомасштабных проекций (начиная с поликонической видоизмененной) просто отсутствует.

Основные выводы формулируются следующим образом:

1. Ведущие зарубежные разработки в области ГИС, имеющие требуемые характеристики, развиваются преимущественно на платформе рабочих станций, причем стоимость матобеспечения сравнима со стоимостью оборудования.

2. Отечественные разработки, ориентированные преимущественно на PC-платформу, достигая высокого уровня в отдельных компонентах, не обеспечивают полного цикла ввода, анализа и синтеза информации, удовлетворяющего комплексным требованиям геолого-геофизических исследований.

3. Не следует ожидать спонтанного появления подобных разработок для задач отрасли, ввиду явного уклона ГИС-технологий в сторону потребностей землепользования и городского хозяйства.

4. Ориентация отрасли на Arc/Info заметно -сдерживает и переориентирует отечественные разработки, в то время, как многие неудовлетворенные потребности геолого-геофизических исследований

могли быть покрыты эффективными приложениями для РС-платформы при сохранении возможности обмена данными с Arc/Info.

ГЛАВА 2. Разработка требований и создание общей структуры системы ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации.

Проведенный анализ ГИС позволил сформулировать требования к программному комплексу ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований:

1. Использование в качестве входной информации растровых и векторных изображений карт, материалов дистанционного зондирования Земли и фактографических данных разнообразных типов, привязанных к пространственным объектам.

2. Поддержка дигитайзерной и сканерной технологии ввода картматериалов, при соблюдении совместимости получаемых материалов как по векторному формату представления пространственных данных, так и по атрибутивным данным. Совместимость по формату данных с ведущими системами САПР и ГИС

3. Включение в программный комплекс средств векторизации растровых изображений, топологических преобразований, склейки растровых и векторных изображений, совмещения разнородных изображений для верификации, коррекции и привязки хранимых данных.

4. Эффективная интеграция пространственных и фактографических данных в одной геоинформационной оболочке. Обеспечение прямых и обратных связей между системами управления пространственными и непространственными данными.

5. Поддержка распространенных картографических проекций как отечественных так и международных, при условии открытости системы и легкости пополнения новыми проекциями.

6. Возможность легкой наращиваемости новыми пользовательскими функциями по обработке пространственной и фактографической информации.

7. Создание информационного обеспечения решения прикладных геолого-геофизических задач на основе расчета формальных прогнозно-поисковых характеристик по цифровым моделям карт.

8. Поддержка изготовления высококачественных твердых копий электронных карт на современном оборудовании.

9. Ориентированность программ комплекса на распространенную вычислительную технику, совместимую с IBM PC AT.

В первом разделе проводится анализ разнообразных типов данных электронной картографии и формальных задач, специфичных для геолого-геофизических исследований.

В качестве входных данных задач ввода, анализа и синтеза информации выступают:

геологические, литологические, тектонические и другие картматериалы, содержащие аналоговую геологическую информацию.

- аналоговые геофизические материалы (например, каротажные диаграммы и т.п.).

- числовые материалы по геофизическим и геохимическим полям.

- топографические материалы, в том числе данные, имеющие географическую привязку.

- произвольная атрибутивная информация, сопровождающая пространственнопривязанные объекты.

Значительное разнообразие форм исходных данных обуславливает дифференцированный подход к переводу их в цифровую форму. Числовые данные могут быть непосредственно сразу введены в цифровом виде, часть карт вводится в векторном виде. Наиболее сложные материалы (такие как геологические карты) вводятся с помощью сканеров в растровом виде (желательно, с предварительном расслоением) и проходят последующее преобразование в векторный вид. Данные, имеющие географическую привязку, вводятся в цифровом виде и переводятся в векторный формат с учетом необходимой географической проекции. Данные произвольного содержания вводятся и обрабатываются специализированными приложениями, учитывающими специфику материалов.

Формальные задачи, характерные для геолого-геофизических исследований, отличаются от традиционных задач, решаемых ГИС-приложениями. Наиболее масштабное применение ГИС за рубежом связано с формированием и управлением земельным фондом, городским хозяйством, транспортными сетями и экологическими исследованиями. Задачи геолого-геофизических и прошозных исследований используют несколько отличный набор формальных характеристик, как-то: продуктивность, количество проявлений факторов в ячейке, количество направлений проявлений линейных факторов и др.

Для геофизических и геохимических данных широко применяется обработка данных в скользящем окне переменной формы и размера. Большое количество алгоритмов, существующих для обработки таких

данных, требует гибкой и эффективной системы реализации этих вычислительных алгоритмов.

Одним из существенных направлений современных геолого-геофизических исследований является создание электронных карт и атласов, дающих новые возможности специалистам предметной области. Такие продукты требуют гибких алгоритмов интеграции картографических и фактографических данных с включением схем условной визуализации.

Во втором разделе проводится выделение отдельных компонентов системы в соответствии с изложенными требованиями и рассмотренными выше типами данных и формальных задач.

Сканирование может осуществляться сканерами и фреймграбберами различных типов. В зависимости от устройства включаются разнообразные способы улучшения изображений: подавление высокочастотного или низкочастотного шума, удаление мелких объектов, изменение яркостных или контрастных характеристик.

Векторизация обеспечивает преобразование растрового изображения картографической видеоинформации в векторную форму. В составе данных векторного представления одного объекта, как правило, различаются геометрическая и семантическая компоненты. Различаются ручные и автоматические способы векторизации. Ручные способы фактически представляют собой использование векторного редактора. Автоматические способы обычно настраиваемы на конкретный вид объектов и, как правило, успешно распознают геометрию объектов, в меньшей степени - тип объектов и в еще меньшей - семантику объектов.

Дигитайзирование картматериалов обеспечивает непосредственное получение векторных электронных карт в результате ручного ввода всех векторных компонент карт. В отличие от сканерной технологии, в которой программы должны поддерживать лишь небольшое число стандартных растровых форматов, от программного комплекса требуется поддержка широкого спектра оборудования отечественного и зарубежного производства (БиттаСгарЫсз и др.).

Векторная склейка карт требует сравнительно простых геометрических преобразований, как правило, не сложнее проективных, поскольку векторные фрагменты получаются вследствие раздельного ввода различных фрагментов исходного плоского изображения, либо последовательных снимков поверхности, хорошо приближаемой . плоскостью (аэроснимки). В отличие от преобразования растров, которые

осуществляются при значительных вычислительных затратах, преобразования векторных объектов требуют значительно меньшего объема вычислений, однако для них существует проблема восстановления целостности объектов, оказавшихся разделенными между несколькими фрагментами.

Интеграция векторных карт представляет собой объединение различных факторов из первичных векторизованных карт. Кроме простого слияния, отдельные факторы должны быть преобразованы к единой координатной системе. Это может требовать более сложных, по сравнению с проективными, преобразований, поскольку компоненты могут быть получены с карт или снимков не только различного масштаба, но и различного координатного представления. В этих случаях используются билинейные и бикубические преобразования, однако при сильной неравномерности искажений требуется применение более сложных схем топологических преобразований, начиная с кусочно-афинных на базе триангуляции.

Поскольку разрабатываемый комплекс не предназначается для решения конкретной геолого-геофизической проблемы, а является универсальным блоком для создания технологий решения разнообразных задач, должны быть предусмотрены функции преобразования полученных векторных изображений (экспорта) в форматы, используемые программными средствами, разработанными для проблемных задач и стандартные форматы популярных САПР и ГИС, таких как AutoCAD DXF и АгсДп£о. Ввиду того, что внутренний векторный формат системы Arc/Info закрыт, для обмена с ней можно использовать форматы других систем, например MOSS или DXF. В случаях коррекции или верификации векторных данных, хранящихся в базе проблемной задачи данные из формата проблемной задачи или ГИС должны преобразовываться в формат комплекса при помощи операций импорта.

При вводе картматериалов с известной географической привязкой необходима подсистема поддержки координатных преобразований с переводом из одной картографической проекции в другую, включая географические координаты (широта, долгота). Так как далеко не всякая задача требует работы с географической привязкой, базовые компоненты системы не должны поддерживать большое количество проекций, ввиду значительного их количества и редкого употребления многих из них. Проблема преобразований проекций может быть решена с помощью встраиваемого блока произвольных вычислительных алгоритмов. При

этом без увеличения размеров задачи и без переделки может быть включено практически неограниченное количество географических проекций.

Вычисление формальных характеристик по цифровым моделям картам производится по различным типам картографических объектов (точка, область, линия). Расчет может производиться в ячейках регулярной сети или внутри заданного на картматериале произвольного контура. Поддерживается расчет широкого набора формальных характеристик, используемых в геолого-прогнозных исследованиях: расстояние, количество зон, интерполированные значения, площадь, продуктивность, количество и суммарная длина зон по азимутальным направлениям и др. С помощью встроенного в подсистему микрокомпилятора может быть произведен расчет дополнительных формальных характеристик, заданных пользователем, без привлечения программиста.

Ввод, способ хранения и обработка непространственной (атрибутивной) информации зависит от типа, обьема и цели привлечения этих данных в систему. Данные, участвующие непосредственно в обработке и решении практической задачи, приписываются пространственным объектам как атрибуты (например, значения изолиний). Для более сложных, комплексных атрибутов, сочетающих различное количество разных типов данных, должен быть применен более общий подход, связывающий пространственные данные и фактографию, состоящий в обеспечении возможности подключения и обмена информацией между пользовательскими программами обработки атрибутивной информации и графической оболочкой базы пространственных данных.

В третьем разделе приводится разработанная структура системы ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации, сформированная в соответствии с изложенными требованиями, типами используемых данных и определенными функциями.

Система состоит из 10-ти компонент, реализующих отдельные функции. Структура системы, определяющая взаимосвязь компонентов и информационные потоки между ними, приведена на рис.1. Существенным, с точки зрения эффективности использования и требований модульности системы, является некоторое дублирование функций между компонентами. Так, векторное редактирование доступно во всех компонентах системы, топологические преобразования используются на этапе ввода и при редактировании. Встроенный

Рис. 1 .Структура системы ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации для геолого-геофизических исследований.

микрокомпилятор используется в компонентах расчета формальных характеристик, топологических и координатных преобразованиях и для опытно-методической обработки числовых геолого-геофизических данных.

Таким образом, система представляет собой несколько шин данных (векторные, растровые и атрибутивные), к которым присоединены отдельные компоненты. Проведенная декомпозиция повышает функциональную гибкость системы и позволяет сократить суммарный объем программного кода. Блоки формируются группированием отдельных компонентов системы. Связь между блоками и отдельными компонентами системы осуществляется по шинам данных, которые, в свою очередь, могут быть связаны с базами долговременного хранения данных разных форматов. Система является открытой по данным и по алгоритмам (учитывая возможности встраиваемого микрокомпилятора) и допускает включение в технологическую цепочку пользовательских обрабатывающих программ. Таким образом, обеспечивается организация сценариев ввода, анализа и синтеза информации для решения конкретных геолого-геофизических задач.

ГЛАВА 3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения системы ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации.

В первом разделе описана разработка компонентов комплекса, относящихся к блоку ввода пространственных данных.

Ввод пространственных данных может производится двумя существенно различными способами, если не учитывать ввода непосредственно числовой информации по координатам объектов.

Первый способ обеспечивает прямое получение векторной информации с бумажных и других носителей при помощи дигитайзеров разного формата. При разработке системы ввода с дигитайзеров были учтены и реализованы следующие требования:

- открытость системы для включения новых моделей аппаратуры, учитывая юзможное совершенствование интерфейса;

- возможность обмена данными с широко распространенными системами САПР и ГИС;

- проектирование пользовательского интерфейса, обеспечивающего максимальную производительность работы оператора;

• включение средств векторного редактирования, расслоения и

наложения карт;

- воспроизведение контрольных образцов введенных карт на плоттерах и принтерах;

Второй, способ ввода картографической информации состоит во вводе образа карты в виде растра, его последующей обработке (фильтрация, цветовое расслоение) и векторизации. Физический ввод производится сканерами разных типов, теле- и видео-камерами и другими устройствами, обеспечивающими получение растрового файла одного из стандартных форматов (TIFF, PCX, RLC и др.).

Блок векторизации осуществляет ручную, полуавтоматическую и автоматическую векторизацию, векторное редактирование, экспорт и импорт векторных файлов в форматы САПР и ГИС. Важным элементом является доступность одновременно нескольких слоев векторной информации, с возможностью перемещения объектов между слоями.

В технологической цепочке Moiyr использоваться различные источники получения векторной информации, как полные САПР и ГИС, так и приложения, реализующие отдельные стадии ввода, например, векторизаторы (Vectory).

Во втором разделе описана разработка компонент системы для модификации . векторных изображений: редактирование,' расслоение, наложение, топологические и координатные преобразования.

Программные компоненты модификации векторных изображений присутствуют во всех блоках технологии, от ввода и векторизации изображений до геоинформационных приложений. Редактирование входит обязательным элементом во все блоки. Расслоение и наложение также присутствует во всех блоках, но широта возможностей их различна. Для этапа ввода возможно лишь перемещение содержания слоев векторной информации целиком или по-объектно. При создании электронных карт доступно группирование объектов и расслоение по группам типов. На этапе создания геоинформационного приложения можно задавать сложные зависимости для расслоения и визуализации, на основе, например, масштаба отображения.

По сравнению с существующими способами преобразования узло-душвого представления площадных картографических объектов в полигональное, примененный автором способ позволяет составлять контура без предварительного указания списка внутренних точек. Первый полигон строится на произвольно выбранном ребре с последующим обходом контура области. Критерием для выбора следующего звена

является величина угла, образованного сходящимися звеньями. Алгоритм требует предварительного составления списка узлов со всеми входящими звеньями.

Алгоритмы топологических преобразований разбиваются на простые преобразования, используемые для деформации векторных образов при наложении для компенсации искажений носителей и поворотов изображений при сканировании, и координатные преобразования.

Для компенсации искажений используются афинные и проективные преобразования. Для компенсации небольших иелинейностей применяются билинейные и бикубические преобразования. Для наложения материалов с большими нелинейными искажениями по опорным точкам, присутствующим на обоих изображениях, строится триангуляция (Делоне) и делается кусочно-афинное преобразование. Примером является наложение результатов дешифрирования дистанционных зондирований на топооснову.

Координатные преобразования делаются на основе аналитических выражений для соответствующих картографических проекций. Ввиду большого количества проекций и однородности исходных данных, при этом применяется встроенный микрокомпилятор, позволяющий с высокой эффективностью реализовывать в одном модуле произвольное количество проекций (смдиже).

В третьем разделе описан разработанный автором встраиваемый компилятор для интерактивного создания эффективных вычислительных подпрограмм.

Как отмечалось выше, ряд задач обработки и анализа числовой и картографической информации имеют высокие требования к скорости вычислений, в том числе, с плавающей точкой. В то же время, ограниченные объемы программных модулей не позволяют реализовать все известные алгоритмы обработки числовой и картографической информации. Типичными случаями являются обработка геофизических и геохимических данных в скользящем окне и задачи прямого и обратного преобразования географических координат в координаты различных картографических проекций.

Основная идея алгоритма состоит в объединении лучших сторон интерпретирующей и компилирующей схем программирования -легкости модификаций и быстроты создания новых программ в интерпретаторах и высокого быстродействия кода, получаемого с

помощью компиляторов.

Программы, содержащие пользовательские вычислительные алгоритмы, хранятся в виде текстовых файлов (могут быть организованы в библиотеку). Пользователь в процессе работы загружает один из готовых модулей или создает новый во встроенном в программу оболочку текстовом редакторе, после этого отправляет ее на компиляцию и выполнение. Встроенный микрокомпилятор генерирует объектный код, разрешая ссылки в соответствии либо с предопределенным форматом данных для программы-оболочки, либо в соответствии с описанием формата данных, сделанном в подпрограмме.

Пользовательские программы пишутся на языке, близком к стандартным процедурным языкам (Си, Паскаль). Компилятор реализован по двухпроходной схеме, первый проход содержит нисходящий синтаксический анализатор и генератор кода, второй производит разрешение ссылок и привязку к данным. В состав языка включен широкий набор стандартных математических функций, средства интерактивного контроля ошибок математических операций, не имеющие аналогов в стандартных системах программирования.

В четвертом разделе описана разработанная подсистема создания информационно-поисковых систем с интеграцией картографической и фактографической информации.

Технология позволяет по введенным и созданным цифровым картам создавать информационно-поисковые системы, содержащие наряду с пространственной, произвольное количество атрибутивной информации. При этом существенными отличиями от существующих систем являются возможность организации электронных карт в иерархическую систему и интеграция картографической и фактографической информации при отсутствии ограничений на тип атрибутивной информации.

Организация введенных цифровых карт в иерархическую геоинформационную систему происходит следующим образом. Каждый объект цифровой карты может ссылаться на другую цифровую карту более крупного масштаба. Установленные связи' фиксируются в файле специального формата и становятся элементом структуры геоинформационной системы. При этом возврат из просмотра карты более крупного масштаба происходит в ту же точку, откуда происходил вызов следующей. За счет этой технологии при сохранении всей полноты информации каждая отдельная электронная карта может создаваться и

обрабатываться отдельно. При раздельном хранении карт можно использовать более компактное и быстрообрабатываемое целочисленное представление данных, переход к представлению в виде действительных чисел происходит при операциях, требующих преобразования координат (переход из проекции в проекцию).

Другим существенным элементом технологии является система подключения внешних пользовательских приложений для любого из пространственных объектов карты. Как уже отмечалось в первой главе, традиционный подход состоит в использовании средств стандартных СУБД, что обуславливает наличие определенных ограничений на тип и объем атрибутивной информации, в особенности, когда эта информация представляет комплексные и разнородные данные (изображения, числовая и символьная информация и др.). Полное описание разнородной атрибутивной информации (если оно возможно) приводит к низкой эффективности системы оперирования данными и большим потерям в объеме.

Создание специализированных приложений полностью освобождает систему от ограничений. Подсистема связи с оболочкой, манипулирующей пространственными данными, обеспечивает прямую и обратную связь между приложением и оболочкой. Таким образом, информация об объектах, выбранных по атрибутам, передается в оболочку и наоборот. Подсистема управления памятью освобождает для приложений максимально возможное пространство, выгружая систему управления пространственными данными.

ГЛАВА 4. Технология применения системы и апробация ее на геолого-геофизических задачах.

В четвертой главе, олписана технология применения разработанной системы, обеспечивающая создание конкретных сценариев для решения практических задач, охватывающих полный цикл или отдельные операции ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации.

В первом разделе описаны следующие программно-технологические блоки, реализующие основные этапы полного цикла ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации:

1. блок ввода информации;

2. блок обработки пространственной информации;

3. блок расчета формальных характеристик по цифровым моделям

карт и поддержки решения прикладных задач;

4. блок создания информационно-поисковых систем;

Создание технологических схем решения практических задач геолого-геофизических исследований состоит в определении необходимых блоков и их компонент с формированием конкретных сценариев ввода и преобразования информации, реализованных в интерактивной графической среде.

Первым этапом технологии является ввод пространственной и атрибутивной информации. Этот этап включает дифференциацию исходных картматериалов, выбор базовых карт и ввод их с повышенной точностью путем сканирования и последующей векторизации. Способы ввода и первичной обработки второстепенных материалов определяются важностью, качеством, нагруженностью карт и имеющимися материальными ресурсами.

Этап обработки пространственной информации включает три уровня:

- технологический, включающий редактирование, снятие искажений и интеграцию картматериалов путем выполнения координатных и топологических преобразований;

- формальный, на котором производится проверка замкнутости полигонов, корректность изолинейного материала и тл.;

- содержательный, включающий смысловую проверку качества наполнения и интеграции различных слоев карт и объектов.

Цикличность этапа обеспечивает необходимую точность и достоверность построения цифровых моделей карт.

В зависимости от задачи, на третьем этапе происходит либо создание геоинформационной системы, либо расчет по цифровым моделям карт комплекса характеристик (как из набора базовых, так и определенных пользователем) и поддержки решения различных прикладных геолого-геофизических задач. Набор формальных характеристик образует пространство критериев и признаков для решения прогнозно-поисковых задач и может быть расширен путем реализации пользовательских вычислительных алгоритмов с помощью встраиваемого микрокомпилятора.

В свою очередь, технология создания геоинформационной системы включает построение иерархических баз пространственных данных; определение способа увязки баз различных уровней между собой, интеграцию картографической и фактографической информации и

создание пользовательского интерфейса конкретной информационно-поисковой системы с определением запросных и вычислительных функций.

Во втором разделе описана апробация технологии на следующих геолого-геофизических приложениях: создание макетов электронных атласов мира по минеральным ресурсам и металлогении докембрия, решение задачи крупномасштабного прогнозирования оловорудных полей и создание банка данных и решение задач по результатам аэромагнитных съемок.

В первой задаче определяющим фактором являлась эффективность интеграции разнородной фактографической и картографической информации в иерархической базе пространственных данных.

Исходными материалами для атласов были карты и накладки, содержащие геологическую и топографическую информацию, и базы данных по месторождениям соответствующих листов в форматах различных СУБД (dBASE, CLarion, FoxPro).

Топоснова и геологические границы были введены с помощью сканера АО с высоким разрешением с целью получения высококачественного векторного оригинала. Использовались автоматическая и полуавтоматическая векторизация с автоматической склейкой фрагментов дуг. Полученный векторный оригинал использовался при вводе других карт и накладок для исключения повторного ввода совпадающих элементов. Ввиду различной степени деформации носителей (майлар, пленка, калька), для наложения использовались топологические преобразования.

Большая часть картматериалов выполнена в модифицированной стереографической проекции Миллера, остальные в проекции Ламберта. Нелинейные искажения носителей потребовали применения не только аналитических формул преобразований проекций, но и применения аппроксимационных методов. Для литологических и тектонических карт проводилось построение контурного (полигонального) представления из узло-дугового. При этом применялись различные алгоритмы: выделение одиночных контуров; групповое выделение контуров без меток и с метками (с одновременным присвоением атрибутов).

Объекты факгографичеких баз данных (месторождения и рудопроявления) имели в своем составе географические координаты, по которым они были вынесены на карту. Разномасштабные карты были объединены в иерархическую базу пространственных данных (рис2).

Лист №9, М 1:10 ООО ООО, проекция Миллера. Показаны металлогенические провинции и уникальные месторождения.

Врезка к листу №9, М 1:5 ООО ООО, коническая проекция Ламберта. Геологическая карта с металлогенической зональностью и месторождениями.

Рис.2. Иерархическая геоинформационная система (атлас металлогении докембрия).

Переданные базы фактографических данных были "сцеплены" с соответствующими пространственными объектами. Таким образом, полученная система (электронный атлас) реализовывала запросы и поиск как по пространственным данным, так и по фактографии. Возможна автономная работа в обеих базах данных.

Полученные продукты (макеты элетронных атласов мира) получили высокую оценку на сессии комиссии по геологическим картам ЮНЕСКО.

При решении второй задачи в качестве исходных данных использовались литологические, структурные, тектонические, геохимические карты масштаба 1:50000. Геофизические материалы были представлены картами изолиний гравитационного и магнитного полей масштаба 1:50000. Эти карты с помощью разработанной технологии были переведены в электронный вид. С помощью встроенного компилятора выполнялись расчеты статистических характеристик и фильтрация геофизических полей. Кроме того, выполнен расчет большого набора формальных параметров по геологическим и топографическим материалам, как то: продуктивность аномалий олова, свинца и шлиховых ореолов касситерита, интерполированные значения рельефа, количество проявлений фактора в ячейке (для магматических харт), количество направлений линейного фактора в ячейке. В качестве объектов выступали элементарные ячейки размером 2x2 км.

В результате решения задачи были выделены перспективные оловорудйые площади, расположенные по периферии рудных полей, расширяя перспективы одних флангов и ограничивая перспективы других.

Третья задача характеризуется существованием исходных данных только в аналоговом виде, причем вторичном - карты изолиний. В задачу входил ввод данных в виде растрового оригинала, векторизация растровых образов и получение векторных файлов по изолиниям, присвоение атрибутов (значений) каждой изолинии, склейка векторных образов по-планшетно, сбивка материалов, перевод в систему координат Гаусса-Крюгера, пересчет на равномерную сеть и отрисовка по полученной сети контрольной карты изолиний. Полученная цифровая модель поля использовалась при решении задачи районирования территории и прогнозе алмазоносности.

Для построения технологии был проведен предварительный анализ всех стадий решения задачи как по времени выполнения, так и по

стоимости каждого этапа. Из готовых модулей системы была построена технологическая цепочка с контролем качества выходных результатов после каждого этапа.

Для каждого этапа были выделены ключевые моменты, контролирующие скорость и качество обработки материалов. При вводе первичных материалов особое значение имела правильная подготовка исходных данных. Использование сканера формата АО позволило исключить операцию растровой склейки. Отсутствие разрывов в изолиниях и использование координатных меток (крестов) вместо координатной сетки существенно ускоряет процесс векторизации растровой карты изолиний - в результате автоматической векторизации получен практически чистовой вариант. Наличие программируемого интерфейса в векторном редакторе обеспечило удобство оператора и, вследствие этого, высокую скорость ввода атрибутов (значений) изолиний.

Операция векторной склейки являлась одновременно контролем качества предыдущего этапа. Стык различных планшетов съемки потребовал увязки, выполненной с помощью микрокомпилятора. Поскольку представленные материалы находились в разных зонах и превышали 6 градусов по долготе, с помощью встроенного блока вычислительных алгоритмов были проведены пересчеты в координаты Гаусса-Крюгера для западной (3 планшета) и восточной зоны (8 планшетов), а также для широкой полосы по всей площади.

Пересчет изолиний в регулярную сеть оказался наиболее эффективным при одновременном пересчете одного-двух планшетов, при этом оптимально сочетались скорость получения результатов и контроль за качеством предыдущих этапов. Первоначально планировался шаг сети 0.5 см, однако достаточной воспроизводимости карты изолиний удалось добиться при шаге 02 см. Объем получаемых матриц при этом достиг нескольких мегабайт, что затруднило их обработку стандартными средствами. Для расчетов трансформаций и статистических характеристик по матрицам использовался аппарат встроенного компилятора, показавший свою высокую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, изложенных в диссертации формулируются следующим образом:

1. На основании выполненного обзора и анализа отечественных и зарубежных технологий ввода, хранения, обработки и представления пространственных данных для геолого-геофизических исследований

сформулированы требования к системе ввода, анализа и синтеза картографической и фактографической информации.

2. На основе выработанных требований проведена разработка структуры и определены функции отдельных компонентов системы. Разработаны средства организации иерархических баз пространственных данных для представления результатов геолого-геофизических исследований и создания геоинформационных систем.

3. Разработаны оригинальные алгоритмы трансформации узло-дугово го представления площадных объектов в полигональное, топологических и координатных преобразований векторной информации, интеграции картографических и фактографических данных, позволяющие снять ограничения на тип и объем фактографической информации.

4. Разработана и реализована оригинальная схема гибкого всграивамого микрокомпилятора, позволяющая с эффективностью превышающей традиционные системы программирования, реализовывать внутри готовых программных продуктов неограниченное количество вычислительных алгоритмов. Способ нашел широкое применение в системах массовой обработки геолого-геофизических данных.

5. Разработано программное обеспечение и технология применения системы, реализующая разнообразные сценарии ввода, анализа и синтеза числовой и картографической информации.

6.Проведена апробация технологии на материалах Санкт-Петербургской геофизической экспедиции, отдела олова ВИМСа, Института геологии и геохронологии докембрия РАН. Комплекс внедрен на предприятиях АО "Алмазы Россия' - Саха", ГГП "АмурГео", ГГП "НевскГеология", в Институте геологии и геохронологии докембрия РАН.

Основные положения диссертационной работы изложены в печатных работах:

1. Автоматизированное производственное место геолога-геофизика на микро-ЭВМ. В кн. Теория и практика геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий. Алма-Ата, 1990, стр. 10S (совместно с Гавриловым Ю.Б, Левиным A.C.).

2. Электронная картография и геоэкологические исследования. В сб. Международная конференция "Геофизика' и современный мир", Москва, 1993, стр. 23S. (совместно со Спиридоновым ВА-, Сухановым М Т.).

3. Интеграция картографической и фактографической информации средствами ГИС. В кн. "Проблемы развития морских геотехнологий, информатики и геоэкологии" (тезисы докладов). Санкт-Петербург, 1994. (совместно с Гусевым ЮА).

4. Реализация гибкой технологии в автоматизированных системах обработки геоданных. В сб. Ежегодная научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов МГТА (тезисы докладов), Москва, 1993 (совместно с Гавриловым Ю.Б.).

5. Компьютерная технология постановки и решения геологоразведочных задач на основе электронной картографии и интегрированного анализа данных. В журнале "Компьютерная графика", 1994 г. - в печати (совместно с ЧеремиСиной Е.Н. и др.).

Подписано в печать 21.04.94 г. Заказ 3 Л. N 020848, тираж 100 экз.

113105, Москва, Варшавское шоссе, 8, ВНИИ Геосистем