Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика и технология унификации и обработки данных в прикладных ГИС-ориентированных системах

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Методика и технология унификации и обработки данных в прикладных ГИС-ориентированных системах"

485401

ЮОН ЕГОР МИХАЙЛОВИЧ

МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ УНИФИКАЦИИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В ПРИКЛАДНЫХ ГИС-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 25.00.35 - Геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 033 12

Москва, 2011г.

4854015

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИгеосистем)

Научный руководитель: Чесалов Леонид Евгеньевич

доктор технических наук (ВНИИгеосистем, Москва)

Официальные оппоненты: Никитин Алексей Алексеевич

доктор технических наук, профессор (РГГРУ, Москва) Приезжев Иван Иванович доктор технических наук (компания «Шлюмберже», Москва)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное научно-производственное предприятие «Российский федеральный геологический фонд» (ФГУ НПП «Росгеол-фонд», Москва).

Защита состоится 24 февраля 2011г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д.216.011.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем в конференц-зале ВНИИгеосистем по адресу Варшавское шоссе, д.8, Москва, 117105 тел.(095) 954-37-28, факс(095) 958-31-11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгеосистем.

Автореферат разослан 22 января 2011г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук ^ В.В. Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие геоинформационных технологий, с момента появления первых систем до настоящего времени, привело к созданию большого количества программных комплексов, различающихся по функционалу и решаемым задачам. Одновременно, отсутствие обобщенной методики использования современных технологических средств ГИС допускает применение пользователями и разработчиками информационных систем всего спектра специализированного программного обеспечения без учета унификации создаваемых цифровых информационных ресурсов и соответствия разрабатываемых прикладных систем составу и сложности используемого ГИС-инструментария, включая технологии организации взаимодействия пространственных и атрибутивных данных. Вследствие этого интенсивное внедрение геоинформационных технологий в природопользование с начала 1990 годов привело к появлению большого числа геологических информационных ресурсов в составе ГИС-проектов, сформированных в различных инструментальных средах, слабо приспособленных для многоцелевого использования и решения комплексных задач более высокого уровня; и наряду с этим, - к созданию многокомпонентных прикладных информационных систем, в которых формирование рабочих мест ГИС осуществляется по остаточному принципу - после независимой разработки базы данных системы без учета реализации аналитических функций.

Таким образом, актуальной является задача систематизации принципиальных подходов к созданию прикладных ГИС-ориентированных систем в недропользовании и разработки программно-технологических средств для унификации формирования цифровых информационных ресурсов, их комплексной аналитической обработки и использования.

Целью работы является разработка методико-технологи-ческих решений и программных средств унифицированного формирования, комплексной обработки и использования информационных ресурсов в прикладных ГИС-ориентированных системах в области недропользования.

Основные задачи работы.

1. Анализ методических подходов к формированию, представлению и многоцелевому использованию геоданных в прикладных информационных системах.

2. Разработка методико-технологических решений по стандартизации структур хранения и представления геологических данных, адаптированных к международным стандартам.

3. Разработка технологических средств взаимодействия различных ГИС-сред.

4. Разработка алгоритмического и программно-технологического обеспечения комплексной обработки геофизических данных при решении задач геолого-геофизического моделирования, с возможностью интеграции в состав ГИС-ориентированных систем.

5. Апробация разработок при решении задач геологического картопостроения, формирования и ведения цифровых геологических информационных ресурсов, интерпретации геофизических данных.

Научная новизна.

1. Разработана и применена методика использования концептуальной модели международного формата представления геологических данных ОеоБаМЬ для описания структур геологической информации, используемых в России.

2. Разработаны программно-технологические решения, обеспечивающие возможность взаимодействия различных ГИС-сред на основе конвертации ГИС-проектов.

3. Разработано новое алгоритмическое и программно-технологическое обеспечение модуля решения обратной задачи гравираз-ведки.

Практическая значимость.

Практическая значимость настоящих исследований заключается в создании методико-технологических решений для унификации процедур формирования цифровых информационных ресурсов, их аналитической обработки и многоцелевого использования на основе ГИС-технологий. Полученные решения обеспечили разработку макета национальной геолого-картографической информационной системы с созданием единого полимасштабного покрытия территории Российской Федерации и ее континентального шельфа, с возможностью интеграции цифровых геологических карт в международные

проекты на основе международных стандартов. С использованием разработанных технологических средств реализована Картографическая информационно-поисковая система Государственного банка цифровой геологической информации (КИПС ГБЦГИ). Реализованные вычислительные алгоритмы включены в блок обработки и интерпретации геолого-геофизических данных специализированной «ГИС-INTEGRO».

Защищаемые положения.

1. Разработанный методический подход и единая структура представления геологической информации, опирающиеся на международную модель GeoSciML, обеспечивают унификацию описания и обмен данными, их интеграцию в единую систему.

2. Предложенные программно-технологические средства обеспечивают взаимодействие различных ГИС-сред на основе конвертации ГИС-проектов с полноценной передачей стилей, правил визуализации, структуры проекта.

3. Созданные алгоритмы и программные средства обеспечивают повышение точности численного решения обратной задачи гра-виразведки и реализуют механизм интеграции аналитических модулей в ГИС-ориентированные системы.

Реализация и апробация работы. Приведенные в диссертации разработки докладывались на 15 научных и научно-практических конференциях, в том числе на научно-практической конференции «Основные направления совершенствования организации МПР России по формированию и использованию государственных информационных ресурсов в области геологии и природопользования» (Москва, 2007), конференциях пользователей программных продуктов ESR1 и ERDAS в России и странах СНГ (Го-лицыно, 2006 - 2010), на рабочем семинаре по информационным технологиям при производстве геологоразведочных работ (Москва,

2007), на 33 Международном геологическом конгрессе (Осло,

2008), на VIII, IX международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2008, 2009 гг.), на рабочем совещании по проблемам создания карт масштаба 1:200 000 (второго поколения) (С-Петербург, 2009) и др.

Разработки апробированы при создании макета национальной геолого-картографической информационной системы и создании с ее

помощью единого полимасштабного геологического покрытия территории Российской Федерации и ее континентального шельфа (ФГУП ВСЕГЕИ), создании Картографической информационно-поисковой системы Государственного Банка Цифровой Геологической Информации (КИПС ГБЦГИ), а также при изучении глубинного строения земной коры по региональным профилям с применением «ГИС-INTEGRO».

Публикации и личный вклад в решение проблемы. Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2006-201 Orr.

Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, 5 из них в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 106 страниц машинописного текста. Список литературы включает 79 наименований.

Диссертация выполнена под научным руководством д.т.н. JI.E. Чесалова, которому автор выражает глубокую признательность, а также искренне благодарит д.т.н. проф. Черемисину E.H., к.т.н. Митракову О.В., к.т.н. Любимову A.B., к.т.н. Суханова М.Г. за консультации и неоценимую помощь при создании данной работы; д.т.н. Финкелынтейна М.Я., д.т.н. Галуева В.И., Толмачеву Е.Р., к.т.н. Маркова К.Н., Бисеркина И.А., Диковского И.А. и других участников совместных исследований за помощь в реализации совместных проектов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ технологических средств и подходов к формированию, представлению и многоцелевому использованию геоданных в прикладных информационных системах

В данной главе рассмотрены основные технологические средства и методические подходы к созданию прикладных информационных систем, применяемые в сфере природопользования.

В первом разделе рассматриваются два подхода к разработке информационных систем (ИС), содержащих компоненту ГИС (Географическая Информационная Система).

Первый подход, условно называемый СУБД-ориентированным (Система Управления Базами Данных), заключается в том, что пространственная привязка реализуется стандартным набором алфавитно-цифровых типов данных, функционал системы включает в себя ограниченное число ГИС-функций. Основным интерфейсом пользователя является таблично-текстовое представление данных.

Процесс разработки информационной системы в данном случае происходит следующим образом: сначала разрабатывается структура базы данных и интерфейс доступа к ней. Далее, для решения задач представления пространственной информации в систему встраивается рабочее место ГИС на базе промышленного ГИС-комплекса.

К достоинствам данного подхода относится возможность обслуживания больших массивов данных и электронных документов, а также быстрота и простота разработки системы.

Недостатком данного подхода является то, что встроенное таким образом рабочее место ГИС обеспечивает лишь простейшие функции визуализации данных. Дальнейшее расширение ГИС-функционала требует существенной доработки, а то и полной переработки информационной системы в целом.

Второй подход, ГИС-ориентированный, заключается в том, что пространственная привязка реализуется специализированным типом данных, который допускает выполнение сложных пространственных операций. Основным интерфейсом пользователя является картографическое представление объектов, опирающееся на весь набор как пространственных, так и атрибутивных данных.

Процесс разработки информационной системы в данном случае подразумевает создание ГИС-проекта в рамках стандартной геоинформационной системы. Данный проект обеспечивает визуализацию и работу с взаимоувязанной пространственной и атрибутивной информацией. Далее ГИС-проект может быть подключен к внешней базе данных для обеспечения визуализации дополнительных атрибутивных данных.

Недостатками данного подхода являются:

• Существенные затраты на организацию динамической двусторонней связи ГИС с атрибутами во внешних базах данных;

• Сложность работы с большими массивами данных и электронных документов, по которым необходимо уметь строить выборки и агрегированные показатели.

К достоинствам относится обширный функционал, предоставляемый геоинформационными системами для решения задач пространственного анализа и цифрового моделирования, а также возможность работы с плохо структурированными данными в условиях слабой формализации задач.

При выборе подхода к созданию информационных систем необходимо учитывать тип данных (пространственно-привязанные или непривязанные) и их приоритетность в зависимости от решаемых задач.

В связи с этим, автором предлагается использование ГИС-ориентированного подхода при решении задач, использующих картографическое представление информации и опирающихся на широкий функционал пространственного анализа данных. В работе определяется методика использования данного подхода для решения геологических задач.

Во втором разделе автором анализируются отечественные и международные логические модели представления геологических данных, с использованием которых обеспечивается формирование и ведение геологических информационных ресурсов.

Формирование информационных ресурсов в сфере недропользования осуществляется большим числом организаций, с использованием разнородных, зачастую плохо согласованных словарей и справочников, собственных структур предоставления информации, предназначенных для решения конкретных прикладных задач. Реше-

ние задачи их унификации может быть обеспечено за счет использования современных отечественных и международных логических моделей представления геологической информации. Наиболее перспективной в настоящее время является логическая модель языка GeoSciML (Geological Science Markup Language) развиваемая широким сообществом ученых - геологов по всему миру.

Концептуальная модель GeoSciML создана как универсальный формат обмена геологическими данными в условиях, когда каждая организация, каждый источник данных имеет свою структуру, свое представление и исполнение.

Геологическая составляющая схемы опирается на геологическую терминологическую модель и отталкивается от понятий геологического объекта, геологической структуры, материала образца, а также понятия скважинной информации, заимствованного из языка XMML (exploration and Mining Markup Language). Достоинствами данной модели являются:

• Открытость и доступность, в том числе посредством сети Интернет;

• Достаточно высокая глубина проработки модели;

• Поддержка ведущими геологоразведочными организациями мира.

К основным недостаткам можно отнести ориентацию на европейские и североамериканские модели представления геологических данных, а также отсутствие русскоязычных словарей и справочников.

Из анализа существующих логических моделей следует, что в современных условиях возможно адаптировать и использовать модели международных форматов представления геологических данных GeoSciML для описания структур геологической информации, используемых в России.

В третьем разделе рассматриваются промышленные настольные ГИС-комплексы, используемые для создания прикладных ГИС-ориентированных систем в сфере недропользования.

К основным ГИС-комплексам, задействованным в создании прикладных ГИС-ориентированных систем и формировании геологических информационных ресурсов (ГИР), могут быть отнесены инструментальные средства ESRI (ArcView, Arclnfo, ArcGIS), Maplnfo; специализированные системы ГИС ПАРК, ГИС INTEGRO,

а также средства удаленного (web) доступа к информационным ресурсам (ESRI ArcIMS, ArcGIS Server, UMN MapServer). Эти системы содержат развитые средства для работы с пространственной информацией, позволяют работать с серверами промышленных баз данных, а также включают в себя средства для расширения функциональности. Большинство из них ориентировано на специалиста-технолога и требует от пользователя определенных знаний и навыков работы с ГИС.

Отечественные системы, такие как ГИС ПАРК, ГИС INTEGRO, ГИС Панорама, являются специализированным продуктом для решения геоинформационных задач. Специализированные ГИС имеют ориентировку на специалиста-геолога и позволяют ему автоматизировать свою работу в привычных для него условиях.

Анализ настольных ГИС-комплексов показывает, что для обеспечения унификации технологий представления геологических данных невозможно использовать один универсальный ГИС-комплекс. В связи с этим актуальной является также разработка методики передачи представления пространственной геологической информации из одной ГИС-среды в другую.

Глава 2. Методика унифицированного формирования, обработки и представления геоинформации в ГИС-ориентиро-ванных системах

Данная глава посвящена разработке методики унифицированного формирования и представления геоинформации в ГИС-ориентированных системах, а также методическим вопросам разработки специализированного программного обеспечения для конвертации ГИС-проектов и обработки геофизических данных.

В первом разделе дается определение ГИС-ориентированной системы, определяются ее основные функции и задачи, решаемые в сфере природопользования, формулируются основные положения методического подхода к унификации представления данных на базе ГИС-ориентированных систем.

ГИС-ориентированная система - информационная система, предназначенная, в первую очередь, для представления и обработки

пространственной информации с преобладанием задач пространственного анализа и цифрового моделирования при ориентации интерфейса пользователя на ГИС. Она обеспечивает возможность создания информационного ресурса, основанного на пространственно-привязанных данных. ГИС-компонента имеет приоритет, а СУБД выступает второстепенным элементом и может использоваться для хранения геоданных.

Основные классы геологических задач, для решения которых целесообразно применение ГИС-ориентированных информационных систем:

• Формирование и ведение цифровых геологических информационных ресурсов, включая обеспечение унифицированного доступа к данным для организаций отрасли.

• Геологическое картопостроение, включая накопление и представление данных полевых, скважинных наблюдений и результатов их интерпретации с созданием новых картографических материалов.

• Геолого-геофизическое моделирование, включая специализированную пространственную обработку данных, вкупе с атрибутивными, и их комплексное представление в виде оценочных и прогнозных моделей.

В большинстве случаев, ГИС-ориентированная ИС опирается на специализированный промышленный ГИС-комплекс. При этом, для разных задач наиболее приспособлены различные продукты - не существует возможностей создания универсального продукта, способного качественно решать все возможные задачи. Таким образом, на передний план выходит задача унификации представления и обмен данными между различными ГИС-ориентированными системами.

Унификация представления данных в ГИС-ориентированных системах включает в себя основные направления:

• Унификация применяемых моделей хранения и представления геоинформации и их привязка к международным моделям представления геоданных;

• Разработка интерфейсных средств взаимодействия между различными ГИС-средами;

• Внедрение прикладных аналитических модулей в состав ГИС-ориентированных систем.

Задача унификации описания и, следовательно, беспрепятственного обмена данными, используемыми в области геологии и природопользования, обеспечивается за счет использования стандартизированного формата и концепции его формирования в качестве базового для разработки на его основе собственных структур тематических данных.

Во втором разделе автором формулируется методика унификации описания геологических и недропользовательских данных на базе стандартизированного открытого языка Оео8аМЬ.

Организация недропользовательской информации на базе ОеоБаМЬ подразумевает ее объединение вокруг географического положения объектов недропользования со сквозной масштабной характеристикой геологоразведочных работ. Это означает, что базовым элементом иерархии системы является объект недропользования, который может относиться к одной из стадий проведения геологоразведочных работ, и имеющий неизменное географическое положение. Наследование объектов между уровнями иерархии системы обеспечивается на основе последовательного увеличения масштаба, т.е. один объект работ, проходя последовательно каждую из стадий, получает все более детальную пространственную привязку и все более увеличивающийся масштаб.

Таким образом, можно определить основные правила перехода объекта от уровня к уровню:

1) пространственное расположение объекта каждого последующего уровня должно полностью принадлежать территории объекта предыдущего уровня;

2) масштабность работ увеличивается от уровня к уровню, обеспечивая непрерывное увеличение детализации работ;

3) одному объекту работ может соответствовать несколько объектов работ более низкого уровня.

Кроме этого, объект на каждой из стадий объединяет в себе некоторый набор информации, который условно можно разделить на несколько групп: общая географическая информация, экономическая и природноресурсная информация, сведения об изученности, целевая геологическая информация (целевая геологическая модель, описываемая в терминах международного формата Сео8с5МЬ). Очевидно, что подобная информация, указанная перед началом геологоразве-

дочных работ является обоснованием для выполнения работ на конкретной стадии изучения объекта недр. Аналогичная по составу информация, представленная после выполнения работ на соответствующей стадии исследования, является критерием качества выполненных работ и обоснованием для перевода объекта на следующую стадию исследования.

Таким образом, сведения о работах на различных стадиях изучения недр организуются в единую структуру, а также привязываются к модели Оео8с1МЬ.

Отсюда следует первое защищаемое положение: Разработанный методический подход и единая структура представления геологической информации, опирающиеся на международную модель Сео8с1МЬ, обеспечивают унификацию описания и обмен данными, их интеграцию в единую систему.

В третьем разделе описывается разработанная автором методика взаимодействия разнородных ГИС-сред, обеспечивающая унификацию технологии представления данных между различными системами.

Принципиальная возможность преобразования проектов из одной ГИС-среды в другую обеспечивается применением общего подхода к формированию проектов в современных ГИС, основными положениями .которого являются:

• послойное представление пространственных данных в проекте;

• послойное представление стилей отображения геоданных в проекте;

• раздельная организация пространственных данных и стилей их отображения;

• использование стандартизированных проекций и механизмов трансформаций;

• использование стандартизированных цветов и палитр.

Чтобы не определять правила преобразования проектов при переходе от одной конкретной среды к другой, наиболее логичным решением является выбор промежуточного формата, который будет служить передаточным звеном при конвертировании проектов (рис. 1). Поскольку в настоящее время осуществляется серьезный прорыв в области передачи данных через Интернет, а также интенсивное развитие луеЬ-картографии, целесообразно использование в

качестве промежуточного \уеЬ-ориентированного формата. Это позволит перейти на качественно новый уровень интеграции разнородных картографических ресурсов на базе сети Интернет.

Рис. 1. Схема взаимодействия разнородных ГИС-сред

В четвертом разделе рассмотрены методические вопросы решения отдельных задач аналитической обработки данных в среде ГИС-ориентированной ИС, а также методика использования унифицированных средств обработки геофизических данных в составе ГИС-ориентированных систем. Описана методика обработки геофизических данных с решением обратной задачи гравиразведки, модернизированной и дополненной автором.

Механизм интеграции прикладных аналитических алгоритмов, включая алгоритм решения обратной задачи гравиразведки, обеспечивается, в первую очередь, за счет создания блоковой архитектуры, разделяющей процессы получения/передачи данных ГИС-ориентированной средой и аналитической обработки данных. Это позволяет реализовать независимую разработку алгоритмического обеспечения с подачей на вход структурированной необходимым образом информации.

В настоящей работе для решения обратной задачи используется аппарат спектральных преобразований, начало использования которого в геофизике начинается с работ В.Н.Страхова, А.А.Никитина, и базируется на численной реализации построения распределений

физических параметров среды по данным гравиразведки, магнитометрии и сейсморазведки, разработанной И.И. Приезжевым.

В общем случае, выражение для спектра физического параметра на глубине г выглядит следующим образом:

0(4,^,2)= ^ 1 Ф(^2,0) . 2&>*г>*)-. (1)

2=0

Данная формула впервые получена Кобруновым А.Н. и Варфо-ломеевым В.А. для гравитационных полей и считается фундаментальной для понимания многозначности решения обратных задач потенциальных полей.

Это означает, что, используя в качестве 2{со\, со г, г) произвольную функцию, зависящую от глубины, можно получить такое распределение физического параметра С((0\, со2, т), которое будет строго удовлетворять измеренному полю а>2, 0). Существенным тео-

ретическим ограничением является существование обратного преобразования Фурье для С(о1\, озг, г).

Для каждого элемента спектра для глубины от 2 = 0 до 2 = 2\ можно рассчитать частотную характеристику оператора трансформации, которая в частном случае имеет вид:

Н{(ох,(о2,2,п) = 1 (^1)П+12ГрГ*е->*, (2)

М[о\,а)2) \п

соответствующий полосовому фильтру для фильтрации поля от источников на глубине г.

Применив данный оператор для каждого слоя до глубины 2\ и использовав обратное преобразование Фурье, получим объемную модель распределения эффективной плотности.

В целях подавления паразитных помех, возникающих в процессе вычисления эффективной плотности, наиболее целесообразной является методика комбинированного использования разработанного алгоритмического обеспечения и средств решения обратной задачи по Приезжеву, встроенных в программный комплекс Совсас!.

Для этого с использованием разработанного обеспечения необходимо построить объемную плотностную модель, на которой выделяются основные аномалии, соответствующие аномалообра-

зующим объектам, и определить их основные характеристики: положение центра аномалии, положение боковых границ, положение верхней кромки. После этого обнаруженные и частично локализованные объекты выносятся на разрез, соответствующий решению обратной задачи гравиразведки по Приезжеву в ПК Коскад. Поскольку решение обратной задачи по Приезжеву имеет лучшую разрешающую способность по глубине, но большую помехонасы-щенность, такой шаг позволит выделить на разрезе только аномалии полезного сигнала. После этого остается определить положение центра аномалии по глубине и положение нижней кромки аномало-образующего объекта.

На основании данных методических разработок также был сформирован алгоритм построения комплексной геофизической модели в общем случае, когда в качестве части спектра, зависящей от глубины, используется произвольно задаваемая функция а>], со2, г). Единственным теоретическим ограничением является существование обратного преобразования Фурье для спектра физического параметра на глубине г. В рамках рассматриваемой методики, в качестве функции 2{со\, со2, г) использовались данные сводной блоковой гра-вимагнитной модели, заданной в виде куба атрибутов.

Глава 3. Алгоритмическое и программно-технологическое обеспечение унификации и аналитической обработки данных

В данной главе рассматривается программно-технологическое обеспечение унифицированного формирования, представления и многоцелевого использования информационных ресурсов в ГИС-ориентированных системах, разработанное автором в соответствии с предложенной методикой, а также описываются алгоритмы обработки и объемной интерпретации данных гравиразведки при решении обратной задачи в среде ГИС-ориентированной ИС и их программная реализация.

В первом разделе рассматривается программно-технологическое обеспечение унифицированного представления геологической и недропользовательской тематической информации на базе модели КАБМ, с помощью стандартизированного языка Оео8с1МЬ.

Для обеспечения функционирования информационного ресурса в соответствии с определенной структурой данных, необходимо разработать и развернуть следующие основные компоненты:

• База геологических данных, представляющая собой основу информационного ресурса;

• Программные средства администратора и пользователя базы данных;

• Средства обеспечения удаленного доступа к данным. Средства удаленного доступа к данным включают в себя:

• Web-cepeep обработки пользовательских запросов, посылаемых браузером;

• Сервер управления приложениями по Интернет-протоколам;

• ГИС-сервер обработки и передачи пространственных данных;

• WFS-сервер, который обеспечивает передачу информации через Интернет в объектном виде.

Для того, чтобы обеспечить полноценную передачу сложных объектов по WFS, используется схема приложений: для WFS-сервера определена схема, по которой он получает и передает данные (рис. 2). Достичь наибольшей функциональности возможно с использованием программного обеспечения GIN Mediator, с помощью которого можно обеспечить не только передачу данных в стандартизированном виде (GeoSciML), но также и в виде, предложенном и разработанном пользователем.

Пользовател!

<xml> Структурированный запрос

<xml> Структурированный отклик

( GIN N

Mediator

<xsll>

запрос

<xslt>

отклик )

ч

Рис. 2. Схема прохождения запроса от пользователя к базе данных и обратно

Схема данных, используемая приложением GIN Mediator, разработана в соответствии с постадийной методикой представления геологической и недропользовательской информации и базируется на модели международного языка обмена геологическими данными GeoSciML.

Во втором разделе рассматривается технология и программное обеспечение взаимодействия разнородных ГИС-сред для унификации информационных ресурсов на уровне технологических разработок.

В соответствии с предложенной методикой, автором разработан конвертер проектов, реализующий «звездную» архитектуру. В качестве промежуточного формата автором используется тар-файл, обеспечивающий хранение стилей пространственных данных. Данный формат представляет собой одну из разновидностей текстового представления информации и используется в среде иШ^ МарБегуег. Использование шар-файла в качестве промежуточного имеет ряд преимуществ: данный формат является открытым и свободно распространяемым. Любая документация по нему доступна в сети Интернет. Он используется в среде картографического \veb-cepBepa МарБегуег и имеет хш1-представление, что позволяет с помощью хек-преобразований конвертировать его в другие варианты хш1. Кроме этого, шар-файл в текущей версии позволяет сохранить и передать не только стилевое оформление, но также и правила визуализации, и структуру проекта.

Поскольку формат является открытым и имеет доступную для изучения спецификацию, в процесс взаимодействия могут быть вовлечены также и сторонние среды ГИС, не являющиеся промышленными и широко распространенными.

Конвертер ЕБМ АгсМар - иМЫ МарБегуег основан на СОМ-технологии с использованием Агс01уес18 - СОМ-ориентированного набора компонент ЕБШ для разработки приложений. Пользователь имеет возможность определить, что делать с источниками данных, включенными в проект. Возможно два варианта:

1. Конвертер создает тар-файл в той же директории, где находится файл проекта (шх<1), соответственно, все пути к файловым источникам данных копируются из родительского проекта.

2. Конвертер создает тар-файл в указанном пользователем месте, и там же создает дубликат файловой структуры источников данных, что является более общим случаем, и позволяет адаптировать проекты, имеющие определенную файловую структуру, к другой произвольно-сформированной структуре данных.

Автором также разработан конвертер проектов Мар1пй>-МарБегуег через промежуточный формат Мар1пй) гшйтмс!. При своей относительной простоте, что является преимуществом формата МП7-

MID, формат все же существенно ориентирован на внутреннюю модель описания данных карты системы Maplnfo, что ограничивает область его применения.

В состав конвертера интегрирован также преобразователь проектов MAP-SLD, что представляет возможность преобразования стилей слоев из проектов ESRI ArcGIS 9.x, ESRI ArcView З.хх в международные открытые стандарты. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить преобразование проектов между ESRI ArcGIS, ESRI ArcView З.хх, ГИС Интегро, ИАС Конструктор.

Отсюда следует второе защищаемое положение: Предложенные программно-технологические средства обеспечивают взаимодействие различных ГИС-сред на основе конвертации ГИС-проектов с полноценной передачей стилей, правил визуализации, структуры проекта.

В третьем разделе представлен алгоритм решения обратной задачи гравиразведки в среде ГИС-ориентированной системы, а также его программно-технологическая реализация.

Алгоритм решения обратной задачи гравиразведки реализован на языке С++, в виде динамически загружаемой библиотеки (DLL -dynamic-link library) со стандартизированным интерфейсом, посредством которого расчетный блок может быть вызван. Такая конструкция позволяет обеспечить как самостоятельное использование модуля, так и оперативную интеграцию его в состав ГИС-ориентированной системы.

В основу алгоритма автором был заложен современный аппарат расчета преобразования Фурье (FFTW), который допускает работу с данными как в комплексной, так и в действительной плоскости, а также позволяет обрабатывать массивы данных произвольной длины, не обязательно кратных 2П, но также кратных Зп, 5П, и т.д.

Далее для каждого элемента спектра применяется оператор трансформации, соответствующий полосовому фильтру для фильтрации поля от источников на глубине z.

После этого алгоритм реализует обратное преобразование Фурье и формирование результатов. Последовательное применение алгоритма для каждого слоя 0 < Z < Z\ позволяет сформировать объемную послойную плотностную модель среды на базе исходного поля, что является отличием алгоритма от предыдущих реализаций

(Совсас! ЗБ^, обеспечивающим более полное восприятие рассчитанной модели.

В процессе разработки было выполнено моделирование на эталонных объектах (шар, совокупность шаров). Результаты данного моделирования показали, что решение задачи обнаружения обеспечивается заданием максимальной крутизны полосового фильтра при использовании современных алгоритмов БПФ. Это означает, что с использованием данного фильтра возможно обнаружить аномалию полезного сигнала от аномалообразующего объекта, выделить ее на фоне паразитной аномалии - помехи, и зафиксировать центр аномалии, включая ее верхнюю и боковые границы. Анализ моделей показывает, что в данном случае почти полностью подавляются паразитные аномалии. Их амплитуда составляет 3-5%, что укладывается в пределы погрешности обнаружения и позволяет уверенно выделять полезный сигнал на их фоне. Данные помехи начинают оказывать сильное влияние в случае суммарного наложения помех от четырех и более аномалий полезного сигнала одного знака.

Применение в составе алгоритма более гибких и современных механизмов реализации БПФ позволило:

• снизить общий уровень помех при решении обратной задачи

(до 20% - в процентах от уровня амплитуд аномалий);

• снизить зависимость от размерности массива входных данных;

• повысить точность локализации геометрических характеристик

аномалий.

Созданные и просчитанные модели включены в общую базу моделей ГИС-ШТЕОЯО.

Отсюда следует третье защищаемое положение: Созданные алгоритмы и программные средства обеспечивают повышение точности численного решения обратной задачи гравиразведки и реализуют механизм интеграции аналитических модулей в ГИС-ориентированные системы.

Глава 4. Результаты апробации разработанных технологических решений

В четвертой главе представлены результаты апробации разработок при создании макета Национальной Геолого-Картогра-

фической Информационной Системы (ФГУП ВСЕГЕИ), создании Картографической Информационно-поисковой Системы Государственного Банка Цифровой Геологической Информации (ФГУНПП Росгеолфонд), а также при изучении глубинного строения земной коры по опорным и региональным профилям с применением «ГИС-INTEGRO».

Первый раздел посвящен апробации созданных автором технологических разработок в процессе создания макета Национальной Геолого-Картографической Информационной Системы (НТК ИС) и созданию с ее помощью единого полимасштабного покрытия территории РФ и ее континентального шельфа.

Основное целевое назначение системы - обеспечение интеграции геологических карт в единую программно-технологическую среду и создание единого полимасштабного покрытия территории Российской Федерации и ее континентального шельфа с многопользовательским доступом к этим картам по компьютерным сетям.

Кроме этого, обеспечивается актуализация геологической карты России масштаба 1:2 500 ООО в формате ГИС с созданием базы картографируемых подразделений (краткое геологическое описание, статус, ранг, возраст, породный состав, расширенное геологическое описание, геологические отношения) по материалам листов ГК-1000/3.

Структура системы состоит из следующих основных компонент:

• База данных НГК ИС, реализованная на основе СУБД Oracle;

• Программные средства администратора и пользователя НГК ИС;

• Средства обеспечения удаленного доступа к данным НГК ИС. Средства удаленного доступа к данным включают в себя:

• Web-сервер обработки пользовательских запросов, посылаемых браузером (Apache);

• Сервер управления приложениями на базе Apache Tomcat;

• ГИС-сервер обработки и передачи пространственных данных (UMN MapServer);

• WFS-сервер, в роли которого выступает также UMN MapServer.

Для обеспечения полноценного функционала передачи данных посредством WFS-сервера использовано промежуточное приложение

GIN Mediator, обеспечивающее всю полноту представления схемы данных НГК ИС в составе схемы GeoSciML.

С использованием созданных автором разработок также осуществлена адаптация структуры базы данных макета национальной геолого-картографической системы к стандарту GeoSciML.

Во втором разделе рассматривается разработка Картографической информационно-поисковой системы Государственного банка цифровой геологической информации (КИПС ГБЦГИ). Система создана с целью автоматизации учета и контроля первичных и производных документированных цифровых геологических информационных ресурсов.

При разработке КИПС ГБЦГИ реализован следующий подход: хранение пространственных данных и атрибутики обеспечивается серверной базой данных, но при работе с ГИС пространственная информация помещается в обновляемое периодически или по запросу временное хранилище (база геоданных). Вся картографическая информация (топооснова, тематические карты, карты-подложки) представлена в соответствующих ГИС-форматах и хранится в виде файловой структуры данных на стороне клиента.

КИПС ГБЦГИ состоит из трех взаимосвязанных компонентов:

• реляционной базы данных, содержащей метаданные по геологическим отчетам о результатах проведения ГРР, первичной и производной цифровой информации, а также пространственную информацию (MS SQL Server 2008);

• клиентского интерфейса к базе данных, обеспечивающего ввод, просмотр и редактирование данных, выполнение запросов и поиск данных по их атрибутивным и пространственным характеристикам (MS Access 2003);

• ГИС-клиента для представления данных средствами электронной картографии (ESRI ArcGIS 9.x).

Система разработана в соответствии с требованиями к проектированию и разработке ГИС-ориентированных систем, сформулированными в настоящей работе, и обеспечивает как простую визуализацию тематических данных средствами электронной картографии, так и возможности углубленного пространственного анализа хранящихся данных.

Система прошла этап апробации и передана в эксплуатацию в ФГУП Росгеолфонд. Опробование системы на предоставленном материале (более 2500 отчетов) показало, что она обеспечивает учет первичных и производных цифровых данных, представляемых в ГБЦГИ Росгеолфонда, и удобный графический доступ к накопленным цифровым ГИР для различных категорий пользователей. Предусмотрена передача системы в территориальные фонды геологической информации для решения аналогичных задач, а в перспективе и интеграция с ее помощью ГИР ГБЦГИ, полученных из территориальных фондов, на федеральном уровне.

Web-картографическая составляющая КИПС ГБЦГИ разработана с целью предоставления Интернет-доступа к ГИР ГБЦГИ как государственным и муниципальным органам, так и обществу в целом. Функционал подсистемы обеспечивает оперативный и наглядный поиск на электронной карте, запрос нужных геопространственных данных из фондов ГБЦГИ, а также оценку степени покрытия территорий этими данными.

Рабочее место пользователя web-ГИС КИПС ГБЦГИ реализовано на основе стандартной программы интернет-броузера. При этом не требуется установки на рабочем компьютере пользователя специального программного обеспечения. Внедрение web-ГИС КИПС ГБЦГИ обеспечило существенное увеличение скорости передачи информации от первичного ввода в систему до момента ее доведения до конечного пользователя.

В процессе разработки web составляющей КИПС ГБЦГИ с использованием авторских разработок осуществлена интеграция базы метаданных первичной геологической и геофизической изученности ГБЦГИ в состав системы СОБР Роснедра.

В третьем разделе представлены результаты апробации созданных автором алгоритмов решения обратной задачи гравиразвед-ки, одного из ведущих методов комплексного геофизического исследования среды.

Разработанные автором алгоритмы и технологические средства были апробированы в процессе выполнения работ по созданию пространственных комплексных физико-геологических моделей строения земной коры юго-востока Западной Сибири и юга Восточной Сибири по данным геофизических исследований (МОВ-ОГТ и МТЗ)

на опорных (1-СБ, 3-СБ) и региональных геолого-геофизических профилях и площадных гравимагнитных съемок.

В качестве исходных данных использовалась регулярная сеть потенциала силы тяжести для площади юго-востока Западной Сибири (Обская и Надым-Тазовская синеклизы, Приенисейская и Кулун-дино-Кетская моноклизы), юга Восточной Сибири (Байкитская ан-теклиза, часть западного борта Тунгусской синеклизы и Саяно-Енисейская синеклиза) а также зоны сочленения - Енисейской аккреционно-коллизионной системы (Енисейский кряж). Шаг сети по профилям и пикетам составил 2 км. Размер сети составляет 666 профилей по 997 пикетов в каждом.

По результатам обработки данных гравиметрии была построена трехмерная модель распределения эффективных плотностей на площади более 900000 кв. км (рис. 3). Основная трехмерная модель представляет собой куб данных с глубиной 50 км, и шагом по глубине 1 км. Вспомогательная модель - шаг 2 км, глубина - 60 км.

Анализ и интерпретация полученных результатов показали высокую корреляцию построенной объемной плотностной модели с данными других методов (сейсморазведка, электроразведка, и т.д.), что позволило обеспечить переход к построению комплексной объемной модели строения земной коры.

Методные модели по опорному профилю 1 -Об Объемная модель эффективной плотности

Модель зффеетивной плотное«*

„ г ~ * . гМш1 Эк №.

ттаттш

Рис. 3. Модель эффективной плотности, плотностная модель по профилю 1-СБ, сеть разрезов эффективной плотности по площади юго-востока Западной Сибири - юга Восточной Сибири в среде

ГИС-ШТЕСЯО

В свою очередь, анализ и интерпретация комплексной геофизической модели глубинного строения территории позволили перейти к формированию прогнозно-поисковых критериев на основные виды полезных ископаемых.

Заключение

В процессе исследований разработаны методико-техноло-гические решения для унифицированного формирования, комплексной обработки и использования информационных ресурсов в прикладных ГИС-ориентированных системах. При этом получены следующие результаты:

1. Проанализированы методические подходы к формированию, представлению и многоцелевому использованию геоданных в существующих прикладных информационных системах, содержащих ГИС-компоненту, технологические средства их реализации и стандарты представления геологической информации.

2. Предложены новые методико-технологические решения по стандартизации структур хранения и представления геологических данных, адаптированных к международным стандартам.

3. Разработаны технологические средства взаимодействия между различными ГИС-средами (АгсС18, Агс\Че\у, Мар1пй), ГИС-ШТЕОКО, МГС), обеспечивающие полноценную конвертацию ГИС-проектов.

4. Разработано и включено в состав ГИС-ШТЕвНО алгоритмическое и программно-технологическое обеспечение для решения обратной задачи на основе комплексной интерпретации геолого-геофизических данных.

5. Проведена апробация разработок при решении задач геологического картопостроения, формирования и ведения цифровых геологических информационных ресурсов, геолого-геофизического моделирования.

Основные положения диссертационной работы изложены в опубликованных работах:

1. Картографическая информационно-поисковая система Государственного банка цифровой геологической информации. // Геоинформатика: журнал. М., 2007. № 3. (Соавторы: Блискавицкий A.A., Ковтонюк Г.П., Боголюбский А.Д., Мерецкова Т.Ф.).

2. Интеграция приложений ESRI ArcMap, MS Access, MS SQL Server в картографической информационно-поисковой системе ГБЦГИ на основе СОМ-технологии. // Геоинформатика: журнал. М., 2008. № 1. (Соавторы: Блискавицкий A.A., Боголюбский А.Д., Мерецкова Т.Ф.).

3. Increasing the reliability of estimation of mineral resources due to improvement of organization data about it. // 33 Международный Геологический Конгресс, тезисы конференции. Осло, 2008.

4. Интеграция и представление информации в картографической информационно-поисковой системе ГБЦГИ. // Геоинформатика: журнал. М., 2009. № 2. (Соавторы: Блискавицкий A.A., Боголюбский А.Д., Мерецкова Т.Ф.).

5. Веб-доступ к картографической информационно-поисковой системе (КИПС) ГБЦГИ. // Геоинформатика: журнал. М., 2009. № 4. (Соавторы: Блискавицкий A.A., Боголюбский А.Д., Суханов М.Г.).

6. Новые возможности картографической информационно-поисковой системы (КИПС) ГБЦГИ: интеграция и обеспечение качества данных, веб доступ. // Геоинформатика: журнал. М., 2010. № 2. (Соавторы: Блискавицкий A.A., Боголюбский А.Д., Суханов М.Г.).

Подписано в печать 15.01.2011 г. Заказ № 1. Тираж 100 экз. Отпечатано во ВНИИгеосистем - Варшавское шоссе 8, Москва, 117105