Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Цифровые картографические 3D-модели для решения геолого-геофизических задач

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кобзаренко, Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ

ПОСТРОЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ЗЭ-ГИС.

1.1. Обзор зарубежных и отечественных ЗО-ГИС.

1.1.1. Переход от двумерных к трехмерным ГИС.

1.1.2. Обзор современных трехмерных геоинформационных технологий.

1.1.3. Современные 3 Р-ГИС в геологии и геофизике.

1.2. Специализированная ЗО-ГИС для геолого-геофизических задач

1.2.1. Постановка задачи.

1.2.2. Подход в построении ЗР-ГИС для геолого-геофизических задач.

1.2.3. Геоинформационые технологии на этапах преобразования и визуализации данных.

1.2.4. Время - четвертое измерение в мониторинговых задачах.

ГЛАВА 2. ЦИФРОВЫЕ КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ЗО-МОДЕЛИ

ПОСТРОЕНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ).

2.1. Базовые алгоритмы, заложенные в основу ЗО-ГИС и цифровой картографической ЗО-модели.

2.1.1. Особенности визуализации ЗР-изображений.

2.1.2. Алгоритмы триангуляции объектов типа точка и кривая.

2.1.3. Цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона.

2.1.4. Алгоритм обрезки произвольного объекта произвольным полигоном на основе триангуляции.

2.2. Построение цифровой картографической ЗО-модели.

2.2.1. Структура и файловая организация модели.

2.2.2. Подготовка исходной информации для построения модели.

2.2.3. Преобразования векторизованной и атрибутивной информации в единую структуру модели.

2.3. Использование библиотеки OpenGL для визуализации цифровой картографической ЗБ-модели.

2.3.1. Формирование и вывод геометрических объектов средствами OpenGL.

2.3.2. Световые и цветовые эффекты ЗЭ-визуализации.

2.4. Примеры разработанных цифровых картографических 3D-моделей и их характеристики.

2.4.1. Модель «Центральная часть Дагестанского клина».

2.4.2. Модель «Город Махачкала».

2.4.3. Модель «Республика Дагестан».

2.5. Программное обеспечение построения и визуализации цифровой картографической ЗБ-модели.

2.5.1. Программные модули и структура программного комплекса.

2.5.2. Программные утилиты преобразования данных и система трехмерной визуализации.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ЗЭ-МОДЕЛЕЙ В ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ (ПОСТРОЕНИЕ И ИНТЕГРАЦИЯ ТЕМАТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ).

3.1. Построение и интеграция модуля визуализации геологического строения земной коры.

3.1.1. Структура и файловая организация модуля.

3.1.2. Предварительная обработка и преобразование исходной информации в структуру данных модуля.

3.2. Построение и интеграция модуля визуализации температурного поля земной коры.

3.2.1. Структура и файловая организация модуля.

3.2.2. Предварительная обработка и преобразование исходной информации в структуру данных модуля.

3.3. Моделирование температурного поля Махачкалинского месторождения термальных вод в условиях антиклинальной складки, осложненной тектоническими нарушениями.

3.4. Интеграция в модель данных дистанционного зондирования, экспедиционного материала и очагов землетрясений.

3.4.1. Модуль визуализации очагов сейсмических событий.

3.4.2. Обработка и интеграция данных экспедиционного материала.

3.4.3. Обработка и интеграция данных дистанционного зондирования на примере снимков спутника NOAA.

3.5. Моделирование динамики приповерхностного температурного поля во время землетрясения 1999 года в Дубках по спутниковым данным NOАА.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Цифровые картографические 3D-модели для решения геолого-геофизических задач"

Актуальность. Тенденция все более широкого внедрения географических информационных систем (ГИС) в науки о Земле (география, геология, экология, почвоведение и т.д.), также как и в тесно связанные с ними социально-экономические науки (экономика, история и т.д.), приводит к повышению эффективности и дальнейшему развитию геоинформационных методов исследований, которые базируются на новой науке -геоинформатике [25].

Одним из первых толкование геоинформатики как науки дал Н.С. Сербенюк [31]: «Геоинформатика - понятие, обозначающее автоматическую переработку пространственно-временной информации о геосистемах различного иерархического уровня и территориального охвата». Всякую науку определяют ее предмет и метод исследования. Геоинформатика, как и география, исследует те же объекты, т.е. природные, общественные и природно-общественные геосистемы (предмет геоинформатики), но со своими методами и средствами: путем создания и изучения цифровой информационной модели геосистемы (метод геоинформатики).

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы, причем слово «географические» обозначает в данном случае не столько «пространственность» или «территориальность», а скорее — комплексность и системность, заложенные в ГИС. Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую сможет опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная с малых научных лабораторий и заканчивая органами государственного управления [3].

ГИС, являясь программно-информационной базой, позволяет не только придать наглядность исходным геолого-геофизическим данным и результатам на географическом пространстве, но и обеспечить новый уровень решения большинства геофизических задач в трехмерном пространстве, органически соединяя пространственную спутниковую и точечную наземную информацию различных видов.

Работа выполнялась в соответствии с плановой научной темой лаборатории региональной геотермии Института проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН (2001-2003гг.) «Мониторинг современных геодинамических движений и приповерхностных температурных полей Восточного Предкавказья и прилегающей шельфовой зоны Каспия» при дополнительной финансовой поддержке гранта РФФИ №01-05-64540 «Аэрокосмический мониторинг современных геодинамических движений и приповерхностных температурных полей на территории Дагестана и прилегающей к ней шельфовой зоне Каспия» и гранта молодых ученых (мае) №02-05-06238.

Цель работы. Разработка основы специализированной географической информационной системы для решения геолого-геофизических задач способной комплексно визуализировать структурированные данные в пространстве и во времени на картографической основе.

Основные задачи. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- разработка подхода в построении ГИС для решения геолого-геофизических задач;

- разработка структуры, базовых технологий построения и визуализации цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей;

- разработка алгоритмического и программного обеспечения.

Научная новизна. Предложены новый подход в построении и новые технологии в программно-алгоритмической реализации специализированной географической информационной системы для решения мониторинговых геолого-геофизических задач в виде цифровой картографической ЗО-модели и ее тематических модулей.

Защищаемые положения:

1. Предложенный подход в построении географической информационной системы на базе цифровой картографической ЗО-модели и ее тематических модулей позволяет рассматривать земную кору как сложную систему и проводить ее комплексное изучение в рамках геоинформационного моделирования.

2. Разработанная цифровая картографическая ЗО-модель является гибким и универсальным инструментом для интеграции и комплексной визуализации разнородного геологического материала в отличие от ЗО-систем общего назначения и обеспечивает решение широкого круга прикладных задач.

3. Разработанные тематические модули цифровых картографических ЗО-моделей позволяют проводить анализ закономерностей распределения температурного поля и других геополей по глубинам, исследовать в динамике геофизические поля, в частности, моделировать распространение очагов землетрясения и приповерхностного температурного поля.

Практическая ценность: Результаты работы могут быть использованы в программно-алгоритмической реализации ГИС-технологий и инструментов для мониторинговых задач в науках о Земле с целью изучения глубинных структур и полей и исследования их взаимосвязей. Кроме того, их можно использовать в системе образования по геоспециальностям для наглядной демонстрации глубинных структур и полей.

В рамках постановления Правительства Республики Дагестан «О создании геоинформационной системы защиты территории и населения Республики Дагестан от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (№56, от 3 марта 2003г.) Институтом проблем геотермии (лабораторией региональной геотермии) Дагестанского научного центра РАН предложена программа «Комплексный мониторинг тепловых полей Республики Дагестан на базе ЗЭ-геоинформационных технологий, дистанционной информации и геофизического банка данных», которая включена в общую программу в Министерстве по чрезвычайным ситуациям Республики Дагестан на 2004-2006гг.

Фактический материал. В работе использован следующий фактический материал:

1. Космические снимки ЫОАА по Кавказу за январь-февраль 1999 года.

2. Общегеографическая карта Республики Дагестан масштаба 1:500000 и окрестности Махачкалы масштаба 1:200000.

3. План города Махачкалы масштаба 1:25000.

4. Данные глубоких скважин (геологические срезы и термограммы), пробуренных в разное время производственными организациями «Дагнефть» и «Дагбургеотермия».

5. Данные экспедиционных работ по приповерхностной термосъемке на опытном полигоне Манас-Ачису (2002г.).

6. Данные по сейсмическим событиям на территории Восточного Предкавказья за период 1969-2002гг. (источники: сейсмическая станция «Махачкала», оперативные каталоги ЦОМЭ ГС РАН).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на конференциях:

1. Всероссийская научно-практическая конференция «Применение материалов дистанционного зондирования Земли в интересах социально-экономического развития России», Элиста, 18-22 апреля 2001.

2. Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Физические проблемы экологии», Москва, МГУ, 22-24 мая 2001.

3. Научно-практическая конференция «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия», Махачкала, 2001.

4. II Республиканская научно-практическая конференция «Информационные и телекоммуникационные системы: интегрированные корпоративные сети», Махачкала, 10-12 октября 2001.

5. Научно-практическая конференция «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа», Махачкала, 2-5 сентября 2002.

6. Всероссийская научная конференция «Геология, Геохимия и Геофизика на рубеже XX и XXI веков», Москва, 8-10 октября 2002.

7. Международная конференция «GIS in geology», Государственный геологический музей им.Вернадского РАН, Москва, 13-15 ноября 2002.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликованы 4 работы и 5 материалов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 2 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Кобзаренко, Дмитрий Николаевич

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Предложен подход в построении специализированной трехмерной ГИС для мониторинговых геолого-геофизических задач на базе цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей.

2. Разработаны оригинальные алгоритмы, которые заложены в основу построения цифровой картографической ЗЭ-модели: цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона и алгоритм обрезки произвольного объекта невыпуклым полигоном на основе триангуляции.

3. Разработаны структура и базовые технологии построения цифровых картографических ЗЭ-моделей. Построены 3 цифровые картографические ЗЭ-модели: цифровая картографическая ЗЭ-модель центральной части Дагестанского клина (на основе карты масштаба 1:200000), цифровая картографическая ЗЭ-модель Республики Дагестан (на основе карты масштаба 1:500000), цифровая картографическая ЗЭ-модель города Махачкалы (на основе плана города масштаба 1:25000).

4. Разработаны технологии построения тематических приложений цифровых картографических ЗЭ-моделей для визуализации данных геологического строения, температурного поля и сейсмических очагов в пространстве.

5. С помощью геоинформационных технологий, основу которых составляет цифровая картографическая ЗЭ-модель, представлено распределение температур на различных срезах по глубине, по кровлям отдельных литолого-стратиграфических комплексов и на профильных разрезах на примере Махачкалинского месторождения термальных вод.

6. На примере распределения приповерхностного температурного поля во время землетрясения в Дубках по спутниковым данным >ЮАА показана возможность динамического моделирования в рамках цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей.

В работе не рассмотрено построение цифровой модели рельефа и других поверхностей с помощью триангуляции Делоне. В дальнейшем планируется провести работу по изучению и возможной интеграции данного подхода построения ЦМР в цифровую картографическую ЗО-модель. Безусловно, триангуляция Делоне дает большой выигрыш в скорости, однако регулярная сетка очень удобна в геометрических расчетах. Возможно, мы придем к разработке подхода, в котором будут использоваться данные и триангуляционной сетки Делоне, и регулярной сетки.

Имеется также множество недоработок в программном обеспечении. Разработанный пакет программ пока не пригоден для практического использования сторонними пользователями. Это из-за объективных причин. Для разработки мощного программного продукта требуются большие ресурсы, которые были весьма ограничены. Однако в данной работе удалось реализовать и наглядно продемонстрировать разработанный подход в построении ЗЭ-ГИС.

На основе результатов проделанной работы в лаборатории региональной геотермии ИПГ ведется разработка ГИС-проекта регионального масштаба: «Трехмерный электронный атлас Республики Дагестан». В основу проекта заложена цифровая картографическая ЗО-модель Республики Дагестан, построенная на основе карты масштаба 1:500000.

114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кобзаренко, Дмитрий Николаевич, Москва

1. Амирханов Х.И., Суетное В.В., Левкович Р.А., Гаирбеков Х.А. Тепловой режим осадочных толщ. Махачкала: Даг.кн.изд., 1972, 230с.

2. Беленко О.В., Мальцев К.А. Применение 3-х мерного моделирования в гидрогеологических исследованиях // Научно-технический журнал «Георесурсы», №2(10), 2002, С.33-34.

3. БерлянтА.М. Геоиконика. М.: Астрея, 1996,208с.

4. Берлянт A.M., Ушакова JI.А. Картографические анимации. М: Научный мир, 2000, 108с.

5. Берлянт A.M. Виртуальные геоизображения. М: Научный мир, 2001, 52с.

6. Берлянт A.M. Геосемиотика и визуализация геоизображений // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №1-2(33-34), 2002, С.27-29.

7. Булаева Н.М., Тупик Н.В.У Кобзаренко Д.Н., Пономарева НЛ. Сбор и визуализация сейсмологической информации // Материалы НПК «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия», Махачкала, 2001, С.42-44.

8. Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я. Визуализация тепловых полей на основе первичных данных // Тезисы докл. XVI науч.-прак. конф. по охране природы Дагестана, Махачкала, 2001, С.224-225.

9. Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я., Османов Р.Ш.

10. Пространственно-временная модель для анализа сейсмособытий //

11. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа», 2-5 сентября, 2002, Махачкала, С.219-220.

12. Булаева Н.М., Кудрявцева К.А,, Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я. Трехмерное моделирование и анализ теплового поля Махачкалинского месторождения термальных вод // Журнал «Физика Земли», №6, 2004 (в печати).

13. Васильев ГД.У Демиденко А.Г., Зеркаль О.В., Васильева Р.В. Применение цифровых моделей при ведении государственного мониторинга состояния недр // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №1(28), 2001.

14. Гридин В.И.у Дмитриевский А.Н. Системный анализ — основа методологии аэрокосмического изучения нефтегазоносных регионов // Сб.: Системный подход в геологии. М.: изд. МИНХ и ГП им.Губкина, 1983, С.47-49.

15. Демиденко А.Г., Карась С.И., Григорьев О.В. Методика повышения трансформирования растров // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации, №1-2(33-34), 2002, С.24-26.

16. Желтое С.Ю., Инвалев A.C., Кирьянов K.P., Степанов A.A. Особенности реализации 3D ГИС // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №5(12) 1997.

17. Кашик A.C., Голосов C.B. Система комплексной интерпретации и динамической визуализации геофизических данных // Материалы третьей конференции ГИС-Ассоциации «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях», Москва, 18-20 апреля, 2000.

18. Кобзаренко Д.Н. Цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона для прикладных задач геоинформатики // Журнал «Геоинформатика», №1,2004, С.

19. Королев Ю.К., Тихонова Н.М. Различные модели пространственных данных // материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», Москва, 24-27 февраля, 1997.

20. Краснов М.В. OpenGL графика в проектах Delphi. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2000. 352 с.

21. Курлович Д.М. ГИС-моделирование и прогнозирование в геоморфологии // Московское представительство THALES.

22. Лобанов В.А. ГИС в гидрологии // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №2(29)-3(30), 2001.

23. Лурье И.К. Основы геоинформатики и создание ГИС. М: МГУ, 2002, 140с.

24. Морозов O.A. Компьютерные технологии в геофизике (обзор материалов Международной геофизической конференции) // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №3(15), 1998.

25. Полшков Е.А. Особенности ГИС-технологий при математическом моделировании геоэкологических объектов // материалы 5 всероссийского форума ГИС-Ассоциации «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес», Москва, 1-5 июня, 1998.

26. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001,600с.

27. Сафаралиев Г.К., Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Тупик Н.В. Использование системы трехмерной визуализации для задач мониторинга среды // Тез.докл Третьей Всероссийской НПК «Физические проблемы экологии», Москва, МГУ, 2001, С.218-219.

28. Сербенюк С.Н. Картография и геоинформатика и их взаимодействие. М: МГУ, 1990, 157с.

29. Френсис Хил. OpenGL программирование компьютерной графики. С.-Пб.: Питер, 2002, 1081с.

30. Шикин Е.В.у Боресков А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели. М: Диалог-МИФИ, 2001,461с.

31. Bai Tian, Peter L., Alexander С, 3D modeling and visualization of geologic and environmental data using GIS and GMS // http://www.esri.com.

32. BRGM annual report 1999, 44p.

33. BRGM annual report 2000, 47p.

34. BRGM annual report 2001, 51 p.

35. Evans ARoberts G, Dodson A. and others Applications of augmented reality: visualizing geology // International conference «GIS in geology», extended abstracts, Vernadsky State Geological Museum of RAS, Moscow, 13-15 november, 2002, P.40-43.

36. Ford S. The first tree-dimensional nautical chart I I http://www.esri.com.

37. Khutorskoy M.D., Podgornykh L.V., Gramberg I.S., Leonov Yu.G. Thermal tomography of the Western-Arctic Basin and oil-gas forecasting // In book

38. The Earth's Thermal Field And Related Research Methods» edrs: Yu.Popov, M.Khutorskoy, D.Korobkov, MSGPU, Moscow, 2002, P.l 19-122.

39. Nancy Kerr Dei Grande. Airborne temperature survey maps of heat flow anomalies for exploration geology // Geothermal Resources Council Bulletin, V.14, No.3, March, 1985.

40. Tronin A. A. Thermal infrared satellite data for seismic area research (Japan, China and Europe) // In book «The Earth's Thermal Field And Related Research Methods» edrs: Yu.Popov, M.Khutorskoy, D.Korobkov, MSGPU, Moscow, 2002, P.280-285.

41. Zakharov M.Yu., Loupian E.A., Mazurov A.A. Program for AVHRR Data Processing on a Personal Computer // Earth Research from Space, N4, 1993, P.62-68.