Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Концепция создания региональных геологических ГИС

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Наумова, Вера Викторовна

Введение.;.

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

1.1. Пространственная информация.

1.2. Модели пространственной информации.

1:3. Геоинформационные системы и системы управления пространственными базами данных.

1.4. Общие понятия о ГИС.

1.5. Классификация ГИС.

1.6. Модели данных ГИС.

1.7. Техническое и программное обеспечение ГИС.

Глава 2. ГИС - перспективный подход для решения задач региональной геологии.

2.1. Применение математических методов и компьютерных технологий в геологии.

2.2. ГИС в геологии.

2.3. Основные проблемы применения ГИС в геологии.

2.4. Региональные геологические ГИС.

2.5. Опыт применения ГИС в региональной геологии.

2.6. Концепция создания региональных геологических ГИС.

2.6. ГИС-технологии для целей региональной геологии.

2.7. Выводы.

Глава 3. Проектирование ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии».

3.1. Цель и задачи ГИС-проекта.

3.2. Геотектоническая основа ГИС-проекта.

3.3. Металлогеническая основа ГИС-проекта.

3.4. Формальная постановка задачи.

3.5. Содержание картографических слоев.

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

3.7. Программные средства для реализации ГИС.

3.8. Выводы.

Глава 4. Предварительные цифровые карты и базы данных.

4.1. Цифровая географическая карта Северо-Восточной Азии.

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

4.3. Цифровая карта и БД месторождений полезных ископаемых.

4.4. Цифровая карта и БД россыпей полезных ископаемых.

4.5. Цифровая карта и БД металлогенических поясов СевероВосточной Азии.:.

4.6. Выводы. ф

Глава 5. ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника СевероВосточной Азии».

5.1. Информационное содержание ГИС.

5.2. Функциональные возможности системы.

5.3. Решение информационно-поисковых задач.

5.4. Пользовательский интерфейс.

5.5. Выводы.

Глава 6. Анализ информации ГИС и ее представление конечным пользователям.

6.1. Подготовка к печати и печать цифровых карт.

6.2. Публикация ГИС на CD и в Интернет.

6.3. Анализ картографической информации ГИС.

6.4. Анализ атрибутивной информации.

6.5. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Концепция создания региональных геологических ГИС"

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.

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:

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 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 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).

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 СевероВосточной 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 СевероВосточной Азии» позволит геологам:

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.

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 СевероВосточной 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 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. Barselona, 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 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.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Наумова, Вера Викторовна

2.8. Выводы:

1) Выделены основные этапы применения математических методов и компьютерных технологий в геологии: а) применение методов математической статистики, распознавания образов и др. математических методов для решения геологических задач; б) математическое моделирование геологических процессов; в) реализация экспертных систем; с) создание геологических баз данных; д) создание геологических ГИС.

2) Описаны основные проблемы применения ГИС-технологий для целей региональной геологии: а) определяющей трудностью применения ГИС-технологий в геологии является сама специфика геологической информации, практика геологических описаний, размытость, нечеткость, запутанность и противоречивость применяемых классификаций и терминологических схем, которая восходит не только к субъективной истории геологической науки, но и к реальной сложности природы геологических объектов; б) специфические сложности стандартизации использования ГИС для создания карт геологического содержания возникают из-за различий в названиях стратиграфических подразделений, в геологических терминах и за счет отсутствия стандартизированных условных обозначений.

3) Из всего множества геологических ГИС выделен класс «Региональные геологические ГИС», который характеризуется следующими свойствами: а) ГИС этого класса создаются на глобальном, субрегиональном, национальном и региональном территориальных уровнях; б) информационной основой для подобных ГИС является региональная геологическая информация; в) масштаб карт: 1 ООО ООО и мельче; г) ГИС этого класса предназначены для решения задач региональной геологии, региональной металлогении и т.п.

Создание региональных геологических ГИС имеет свои особенности, отличные от других геологических ГИС.

4) На основе анализа созданных в последнее время ГИС этого класса выделены общие черты региональных геологических ГИС: а) региональные геологические ГИС по своим функциональным возможностям являются либо совокупностью цифровых карт в ГИС-формате, либо информационно-поисковыми системами; б) в последнее время программные продукты ESRI являются базовым стандартом для создания региональных геологических ГИС во многих странах мира; в) все региональные геологические ГИС-проекты строятся с использованием базового топографического (географического) слоя; г) все анализируемые ГИС-проекты имеют тематическую слоевую структуру; д) региональные геологические ГИС содержат два блока информации: цифровые карты и небольшие базы данных атрибутивной информации; е) анализируемые ГИС содержат как векторные, так и растровые карты; ж) в геологических региональных ГИС практически отсутствует блок анализа информации.

5) Отмечены современные тенденции в развитии региональных геологических ГИС: а) создатели ГИС уделяют большое внимание различным аспектам визуализации геологической информации.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Наумова, Вера Викторовна, Иркутск

1. Ю.сеноман-кампан (96 72 млн. лет);11.маастрихт-олигоцен (72 24 млн. лет);12.миоцен-четвертичный (24 0 млн. лет).• тектонические события;• географический регион;• литературные ссылки;• дата последней модификации.

2. Основные взаимосвязи в системе

3. Взаимосвязей между атрибутами объектов в системе не установлено.

4. Таким образом, концептуальная модель данных анализируемой системы апроксимируется реляционной моделью данных (Атре, 1983).

5. Достоинства принятой реляционной модели данных:

6. Непроцедурные запросы. Поскольку в реляционной схеме понятие навигации отсутствует, запросы не стоятся на основе заранее определенной структуры. Благодаря этому они могут быть сформулированы на непроцедурном языке.

7. Месторождения полезных ископаемыхs