Высшее профессиональное образование основы геоинформатики вдвух книгах

Вид материала

Книга

Содержание Дистанционное зондирование при геологической съемке и реше­нии других задач. Решение задач геологического прогнозирования. Практическое применение и перспективы.

Подобный материал:

• Должностная инструкция менеджера по персоналу 00. 00. 0000, 61.54kb.
• Наименование реализуемых программ, 40.13kb.
• Учебное пособие практикум по конкурентным стратегиям, слияниям и поглощениям Кафедра, 1849.76kb.
• Утверждено ученым советом дгу 26 января 2012 г., протокол, 78.34kb.
• Программа вступительных испытаний по литературе на экзамене по литературе поступающий, 270.11kb.
• Апк агропромышленный комплекс; впо высшее профессиональное образование; гоу государственное, 760.98kb.
• Высшее экономическое образование за 3 года 4 месяца для лиц, имеющих среднее и высшее, 28.87kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами делопроизводства, 140.91kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами арм, 121.8kb.
• «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», 30.45kb.

Тематические карты. ЦМ тематических карт создаются на ос­нове геологических карт соответствующего масштаба и имеют за­дачей исследование определенных закономерностей развития зем­ной коры или минералоресурсной базы для определенной террито­рии. Среди тематических карт можно выделить структурно-форма-ционные, литолого-фациальные, тектонические, гидрогеологичес­кие, металлогенические и минерагенические, другие виды карт. Со­здание таких карт не является самоцелью, вся введенная информа­ция в дальнейшем должна использоваться для решения различного типа прогнозных задач, определения перспектив того или иного района в отношении определенного типа полезных ископаемых или для выводов о закономерностях развития земной коры.

Геолого-экономические карты. Наибольшее развитие среди те­матических карт получили геолого-экономические карты. В общем

312

виде цифровые модели карт состоят из следующих слоев [К. Г. Ста-феев, 2002]:

1. Минерагенический: размещение минерагенических зон и руд­
   ных районов для определенных видов полезных ископаемых. Зоны
   и районы должны быть тесно увязаны с главными геотектониче­
   скими элементами.
   
2. Минералоресурсный: размещение месторождений с указа­
   нием их геолого-промышленных типов, масштабов, степени ос­
   военности, способа отработки и экономических показателей.
   
3. Промышленный: размещение горно-добывающих и перера­
   батывающих предприятий, как действующих так и строящихся,
   их обеспеченность разведанными запасами, сведения о грузопе­
   ревозках минерального сырья, центрах и объемах его потребле­
   ния, данные об экспорте и импорте.
   
4. Административно-экономическое районирование: вся инфор­
   мация привязывается к экономическим и административным рай­
   онам страны.
   
5. Инфраструктурный: пути сообщения, магистральные трубо­
   проводы и др.
   

Цифровые модели геолого-экономических карт как составных частей информационно-аналитических систем являются важным элементом минералоресурсной экономической оценки различных по масштабу территорий, начиная от ЦМ геоэкономической кар­ты мира в целом. Далее идут ЦМ геолого-экономических карт Рос­сийской Федерации, федеральных округов и экономических рай­онов, отдельных субъектов федерации, ЦМ геолого-экономичес­ких карт горно-промышленных районов. В настоящее время на­коплен определенный опыт по созданию цифровых геолого-эко­номических карт, которые уже хорошо зарекомендовали себя в качестве мощного средства минералоресурсного анализа.

Цифровые геолого-экономические карты обладают большими преимуществами перед их бумажными аналогами. Применение компьютерных технологий при создании геолого-экономических карт позволяет оперативно учитывать меняющуюся экономичес­кую обстановку и вносить необходимые изменения (т.е. цифровая модель карты является динамической системой). Появляется воз­можность количественного моделирования с использованием про­странственных связей объектов и их экономических характерис­тик. Используя многовариантные модели, можно выбрать опти­мальный вариант планирования, что значительно облегчает при­нятие управленческих решений, дающих определенный экономи­ческий эффект.

Специфической особенностью ЦМ геолого-экономических карт является большое количество внедренных объектов: различных Диаграмм, графиков, таблиц. Как правило, функциональные воз­можности используемых ГИС недостаточны для создания необхо-

313

димой деловой графики. Графические и табличные внедренные объекты создаются в других системах (например, Microsoft Excel) и затем экспортируются в систему ЦМ геолого-экономической карты с использованием обменных форматов.

Карты изолиний, площадные и объемные модели подсчета запа­сов полезных ископаемых. В этой области применения ГИС-техно-логий в геологии можно выделить два класса задач поверхностно­го и объемного моделирования: простые и сложные.

К группе простых геологических задач относится проблема моделирования поверхности, построенной по данным наблюде­ний по нерегулярной сетке точек. В качестве показателей здесь могут выступать химические составы горных пород, абсолютные отмет­ки почвы или кровли геологических тел, высота, глубина залега­ния, температура, давление и др. Обычно поверхность представ­ляется в виде функции от двух переменных: P=f(x,y)₉ где Р — значение показателя в точке с координатами (хиу). При компью­терной обработке данных создается цифровая модель (ЦМ) по­верхности, в которую входит форма представления исходных дан­ных и способ, позволяющий вычислять значение функции в за­данной точке путем интерполирования, аппроксимации или эк­страполяции.

Среди основных способов пространственного моделирования можно выделить: интерполяцию на основе триангуляции Делоне, интерполяцию с помощью аналитических сплайнов (Х)-сплайнов), обобщенную средневзвешенную интерполяцию, кусочно-полино­миальное сглаживание, кригинг.

В качестве программного обеспечения для решения задач про­странственного моделирования используются специальные раз­работки типа MAG, SURFER и др. Ряд полномасштабных ГИС имеют специальные модули для построения карт изолиний и по­верхностного тренда.

К группе сложных задач относятся подсчеты запасов полезных ископаемых и другие информационно-аналитические задачи, ко­торые в силу своего пространственного характера могут решаться с помощью ГИС. Однако специфика решения этих задач требует создания специальных систем, которые иногда называют горно-геологическими информационными системами. Последние по фун­кциональным задачам имеют много общего с традиционными ГИС, но имеют также ряд функциональных особенностей. К их числу принадлежит изначальная ориентировка на решение объем­ных задач, поскольку информация по строению месторождений в недрах имеет трехмерный характер. Далее в этих системах широко применяются комплексы методов математического моделирова­ния для числового описания строения рудных тел. В ГИС этого профиля имеется ряд специальных модулей, необходимых для создания промежуточных крупномасштабных планов и разрезов в

314

автоматическом режиме, для решения специальных задач подсче­та объемов и запасов, создания календарного планирования и оптимизации добычи. Предусматривается также возможность ви­зуализации динамических моделей для наглядного представления результатов работ.

Этот вид работ является чрезвычайно важным в условиях ры­ночной экономики, когда величина запасов на месторождениях становится переменной и зависит от цены на металл или другую товарную продукцию. Поэтому важно иметь в распоряжении объем­ную ЦМ месторождения, чтобы оперативно учитывать колебания конъюнктуры по тому или другому виду минерального сырья.

Установлено, что увеличение стоимости добычи на 10— 15 % обусловлено недостаточной точностью оконтуривания рудных тел при подсчете запасов. Еще на 10— 15 % стоимость возрастает из-за разубоживания руды в процессе добычи, которое происходит также из-за неправильного оконтуривания рудных тел.

Целый ряд зарубежных и отечественных горно-геологических систем применяются в практике информационного обслужива­ния, подсчета запасов и организации горных работ на месторож­дениях полезных ископаемых (Geoblock, Geostat, Datamine, Micromine, microLYNX, Minescape, Surpac, Vulcan и др.). Основ­ные задачи, которые решаются в этих системах, связаны с гео­метризацией месторождений, подсчетом запасов, планировани­ем горных работ и т.д.

Одним из вариантов решения этих задач была разработка мето­дики совместной работы программ Geoblock 1.2 и ГИС Maplnfo 4.0 [П. В. Васильев, Е. В. Буянов, 2000]. Программа Geoblock имеет расширенный набор средств моделирования, предоставляя воз­можность подсчета запасов различными способами: среднеариф­метическим или суммарным, разрезов, треугольников Болдыре­ва, объемной палетки Соболевского, регулярных блоков, тетра­эдров. Методика подсчета запасов по способу разрезов (вертикаль­ных или горизонтальных) предусматривает следующую последо­вательность действий: 1) выделение рудных интервалов вдоль сква­жин и борозд опробования; 2) расчет координат проб по данным инклинометрии и маркшейдерских замеров; 3) оконтуривание руд­ных тел и блоков; 4) определение средневзвешенных показателей в заданных контурах; 5) подсчет запасов руд и компонентов.

База данных детальной и эксплуатационной разведок форми­руется в Microsoft Excel или Access. Наиболее трудоемким являет­ся процесс ввода первичной информации с колонок документа­ции скважин и журналов опробования горных выработок. При даль­нейшей обработке первичных данных появляются дополнитель­ные таблицы, образующие БД объемных геологических моделей. В программе Geoblock в качестве специальных БД пространствен­ных данных используются: Hole — керновые или бороздовые про-

315

бы с координатной привязкой; Point 2D —3D — координаты дву­мерных и трехмерных точек; Polygon — трехмерные полигоны и полилинии; Tin — сети треугольников по поверхности раздела, удовлетворяющие критерию Делоне или образованные с учетом линий связок и бровок; Solid — оболочки или каркасы тел, опи­сываемые полигонами.

Grid2D-3D — регулярные двумерные и трехмерные решетки для подготовки блочных моделей, Mesh2D-3D — сети конечных элементов, состоящие из треугольников и тетраэдров. Деление на 2D и 3D типы обусловлено последовательным функциональным подходом к решению задач геометризации, принятым в програм­ме Geoblock, которая производит расчет инклинометрии, выде­ление рудных интервалов, трехмерную визуализацию, подсчет объемов и запасов. Все базы данных первичной информации, спра­вочников и пространственных данных реализованы в виде связан­ных групп реляционных таблиц формата СУБД Paradox или dBase. Таблицы размещаются в отдельных директориях, что позволяет упорядочить информацию и облегчить работу пользователя с боль­шим разнообразием генерируемых сеток.

После проверки табличных данных, которые можно отобра­зить в системе Geoblock в виде наглядных графиков, производятся требуемые расчеты. При многовариантном подсчете запасов учи­тываются заданные параметры промышленных содержаний по­лезного компонента. В диалоговом режиме выполняется выделе­ние рудных интервалов с использованием значений минимально­го промышленного содержания, минимальной мощности рудно­го прослоя и максимальной мощности прослоев пустой породы. Рассчитываются координаты проб вдоль разведочных пересече­ний, которые отражаются в картографическом окне. Затем при необходимости система координат может быть повернута на оп­ределенный угол для представления проекций скважин на плос­кость YZвдоль заданного геологического разреза. После выполне­ния этой операции скважины разреза могут быть импортированы в обменный формат MIF/MID Maplnfo для дальнейшего оконту-ривания рудных тел.

Оконтуривание рудных тел проводится в ручном режиме в сре­де Maplnfo для каждого вертикального или горизонтального сече­ния. Кроме того, создается поле Хс координатой плоскости вер­тикальных разрезов. Для корректного оконтуривания надо точно совмещать вершины полигонов рудных тел с контактами рудных интервалов по скважине или борозде, выполнять последователь­ную трассировку границ вложенных объектов и не допускать на­ложения полигонов. Затем слои с полигонами преобразуются в обменный формат MIF/MID Maplnfo. Полигоны вместе с атрибу­тивными характеристиками импортируются в программу Geoblock. Программа использует поле Хдля размещения разрезов, т.е. пос-

316

ле экспорта и совмещения полигонов с набором скважин в кар­тографическом окне может быть показана трехмерная блок-диаг­рамма месторождения.

Для определения средневзвешенных значений показателей по выделенным контурам используется процедура логического пере­сечения полигонов. Все пробы, входящие в рудные интервалы, участвуют в подсчете средневзвешенных значений данного конту­ра. Параллельно определяются площади контуров.

В результате применения описанных выше методов создается комплект карт, характеризующих достоверность и точность суще­ствующих геолого-разведочных материалов. Использование их в сочетании с комплектом традиционных геоинформационных мо­делей обеспечивает повышение качественного уровня примене­ния ГИС в горном деле и геологии.

Дистанционное зондирование при геологической съемке и реше­нии других задач. Основной целью обработки дистанционных ма­териалов в процессе создания госгеолкарты является выделение площадных и линейных структур в рисунке земной поверхности на снимках из космоса, их геоморфологическая и ландшафтная интерпретация и установление индикационного значения этих факторов для выявления и распознавания геологических объектов. Основной методический подход достижения этой цели базирует­ся на сочетании экспертных и компьютерных методов обработки, трансформаций и межканальных преобразований исходных дан­ных, перечень которых регламентирован соответствующими тре­бованиями к дистанционным материалам госгеолкарт.

Наиболее уверенно по данным дистанционных съемок фикси­руются морфоструктурные или геоморфологические элементы рельефа, такие, как массивы, хребты, гряды, межгорные и пред­горные депрессии и впадины, поверхности выравнивания, а так­же глубинные разломы (линеаменты) и кольцевые структуры. Де-шифровочными признаками линеаментов являются спрямленные границы участков с различным рисунком и тоном изображения, прямолинейные формы рельефа, закономерно ориентированные и сгруппированные в зоны, спрямленные участки эрозионной сети, узкие зоны аномального тона изображения, связанные с особен­ностями почвенно-растительного покрова и т.д. Особый интерес при дешифрировании материалов дистанционных съемок пред­ставляют кольцевые, дугообразные, изометричные формы релье­фа и гидросети, отражающие кольцевые структуры.

Решение задач геологического прогнозирования. Целью геоло­гического прогнозирования является предсказание наличия мес­торождений полезных ископаемых на данной территории на ос­нове ее геологического строения.

Методической основой решения геолого-прогнозных задач на основе ГИС-технологий является моделирование процесса их по-

317

становки и решения. Необходима предварительная формализация понятий, связанных с прогнозом месторождений полезных иско­паемых, таких, как задача, объект, область исследования, про­гнозные критерии и признаки.

В качестве исходных материалов при моделировании прогноз­ных задач используются ЦМ государственных геологических карт, ЦМ геофизических, геохимических, дистанционных карт, пред­ставления о моделях геолого-промышленных объектов прогнози­руемого оруденения.

Технология решения прогнозных задач на основе ГИС включает:

• расчет прогнозных характеристик по ЦМ карт для формиро­
  вания таблицы «объект-свойства»;
  
• расчет производных прогнозных характеристик с помощью
  статистических преобразований;
  
• комплексный анализ данных и решение прогнозной задачи.
  

На основе этой технологии производится прогностическая оцен­ка территорий на различные виды минерального сырья и постро­ение прогнозно-минерагенических карт в цифровой форме и на бумажных носителях.

Практическое применение и перспективы. По состоянию на те­кущий момент широкое внедрение ГИС-технологий в различные сферы наук о Земле приобретает характер устойчивой тенденции. Геоинформационные технологии в геологии являются весьма важ­ным инструментом для решения производственных и научных за­дач, связанных как с развитием минерально-сырьевой базы, так и с познанием закономерностей развития земной коры.

Рыночный вариант развития минерально-сырьевой базы тре­бует разработки новых технико-экономических решений для по­лучения максимальной прибыли при минимальных затратах. Од­ним из таких решений является применение высокопроизводи­тельных технологий, в частности, компьютерных геоинформаци­онных систем для проектирования, анализа и наглядного отобра­жения результатов. Применение ГИС позволяет решать следую­щие задачи:

• каталогизация и управление природными и производствен­
  ными минерально-сырьевыми ресурсами;
  
• планирование землепользования, анализ пригодности зе­
  мель, районирование и комплексная оценка территорий при раз­
  работке месторождений полезных ископаемых;
  
• оптимизация промышленной инфраструктуры, планирова­
  ние и оптимизация перевозок, организация новых транспортных
  маршрутов;
  
• управление распределенным хозяйством (энергосети, тру­
  бопроводы, дорожное хозяйство);
  
• осуществление анализа и проведение прогнозирования раз­
  личных процессов на основе имеющихся данных;
  

318

• обеспечение информацией руководства при стратегическом
  планировании и принятии решений;
  
• оптимизация размещения горно-добывающих и обогатитель­
  ных предприятий, распределение зон их влияния;
  
• экологический мониторинг, оценка и прогнозирование со­
  стояния окружающей среды при разработке месторождений по­
  лезных ископаемых;
  
• получение картографической продукции высокого качества;
  
• распечатка необходимой информации в удобных для анали­
  за формах и масштабах.
  

Помимо решения задач, непосредственно связанных с форми­рованием и воспроизводством минерально-сырьевой базы (МСБ), технологии ГИС занимают важное место в организации информа­ционного обеспечения для разработки и реализации минерально-сырьевых программ федерального и регионального уровня и обеспечения информацией частных отечественных и иностран­ных инвесторов. Управленческие решения по промышленному освоению минеральных ресурсов обычно подразделяются на два класса: 1) оценка минерально-сырьевой базы, ее масштабов, ка­чества, доступности и эффективности; 2) проектирование и вы­бор эффективных производственных инвестиционных и текущих решений. Оценка МСБ должна проводиться в двух направлениях: статическом и динамическом. Задача статического анализа заклю­чается в оценке уровня (среднего значения) показателей состоя­ния МСБ и разброс вокруг среднего значения. Оценка динамики МСБ определяет направления и темпы ее развития. ГИС-техноло-гии все чаще выступают как средство создания информационных блоков для решения управленческих задач федерального, регио­нального и локального уровней.

Вопросы геолого-экономического моделирования решаются путем создания компьютерной картографической системы для аналитической базы федеральных минерально-сырьевых программ и лицензирования объектов геологического изучения и добычи полезных ископаемых. Система должна обеспечивать получение сравнительной конъюнктурной оценки (приоритетности) терри­торий (субъектов федеративных договоров) и конкретных объек­тов для ведущих полезных ископаемых по показателям федераль­ных минерально-сырьевых программ и реквизитам лицензий.

Объектами моделирования в системе являются субъекты РФ. Ее информационное обеспечение осуществляется за счет показа­телей минерально-сырьевой базы, минерально-сырьевых про­грамм, системы лицензирования.

Анализ состояния добычи, производства, запасов полезных ископаемых и перспектив их выявления в территориальном ас­пекте позволяет найти рациональное сочетание федеральных и местных минерально-сырьевых интересов.

319

Полномасштабные ГИС мало подходят управленцам из-за их сложности в применении, высокой стоимости программного и компьютерного обеспечения и функциональной избыточности. Потребности недропользовательских организаций наилучшим об­разом удовлетворяются не созданием отдельных проектов в ГИС, а разработкой пользовательских приложений к геоинформацион­ным системам в виде специализированных информационных па­кетов, независимых от материнских ГИС.

Один из основных этапов обеспечения и воспроизводства ми­нерально-сырьевой базы заключается в проведении геолого-съе­мочных и поисковых работ преимущественно в масштабах 1: 200 000 и 1: 50 000. Многочисленная геологическая информа­ция, получаемая в результате этих работ, систематизируется и обобщается в виде большого количества баз данных. Технология ГИС позволяет решать целый ряд содержательных задач, напри­мер создавать двух- и трехмерные модели: карты, разрезы, объем­ные блок-диаграммы и т.д. С помощью ГИС можно делать более обоснованные выводы о наличии на исследованной территории месторождений полезных ископаемых, с большей достовернос­тью оценивать величину прогнозных запасов на различные виды полезных ископаемых.

Большие задачи можно решать с помощью технологии ГИС на основной стадии формирования минерально-сырьевой базы — соб­ственно геолого-разведочной. Именно на этой стадии минераль­но-сырьевая база получает достаточно достоверные экономиче­ские оценки как по качеству минерального сырья, так и по его количеству, что определяется переходом в более высокие катего­рии запасов: от прогнозных к балансовым. Параллельно оценива­ются и другие экономические параметры, определяющие рента­бельность отработки месторождений.

Базы данных и ГИС на стадии геолого-разведочных работ можно использовать для: 1) выделения перспективных участков и выделе­ния слепых рудных тел на месторождении; 2) выбора оптимальной сети геолого-разведочных работ; 3) автоматизации построения пла­нов, разрезов, графиков и пр.; 4) создания объемных простран­ственных моделей месторождения; 5) подсчета запасов в трехмер­ном пространстве произвольной формы и т.д. В качестве примера можно указать на использование геоинформационной системы в геолого-экономическом анализе месторождений меди на Южном Урале. Эта система объединяет в себе инструменты блочного моде­лирования с возможностью проведения многовариантного подсче­та запасов высокой точности и трехмерного геологического моде­лирования. Программа позволяет создавать экономические модели с учетом конкретных рыночных условий.

На стадии промышленного освоения месторождений ГИС всту­пают в область решения экономических, технических и техноло-

320

гических задач. Собственно геологические задачи отступают на второй план. Соответственно меняются и типы содержательных задач, решаемых в технологии ГИС. Стадия промышленного ос­воения месторождений является промежуточной между фазами разведки и добычи минерального сырья и включает в себя пред-проектные обоснования, проектирование и строительство горно-обогатительных и горно-химических комбинатов, обустройство нефтяных и газовых скважин, прокладку нефте- и газопроводов, ЛЭП и т.д. Решение пространственных задач имеет основной це­лью оптимальное размещение элементов инфраструктуры буду­щего горно-добывающего предприятия: жилого комплекса, ТЭЦ или ЛЭП, водовода, отвалов, обогатительной фабрики и т.д. по отношению к добычным горным выработкам, транспортной сети. При крупных размерах месторождений, например для угольных бассейнов, технология ГИС позволяет устанавливать места опти­мального размещения стволов шахт, карьеров, а также решать целый ряд других пространственных задач.

Крупные нефтегазодобывающие и горнорудные компании ис­пользуют ГИС для планирования своей деятельности с целью по­лучения максимальной прибыли при минимальных затратах. Обыч­но цифровые карты входят органичной составной частью в геоин­формационные системы, в которых содержится геологическая, эко­номическая, промысловая, инфраструктурная и другая информа­ция. В качестве примера можно привести структуру геолого-эконо­мических данных, используемых в работе нефтегазодобывающей компании [П.Г.Ермак, 1999]. Базы данных объединяют обзорную карту «Территория геолого-экономических интересов нефтегазодо­бывающей компании» масштаба 1:1 000 000— 1:200 000, карту зон деятельности предприятий компании масштаба 1 : 200 000 — 1:50 000, карты участков структурных подразделений компании масштаба 1:100 000 и крупнее. Содержание крупномасштабных карт определяется стоящими перед ними задачами. На картах отражают­ся топооснова и общегеографические характеристики территории (гидрография, рельеф, растительность, климатические характери­стики), инфраструктурные элементы (населенные пункты, грани­цы административных образований, транспортные магистрали и объекты, инженерные трассы и объекты — ЛЭП, ГРЭС, ТЭЦ и Др., магистральные трубопроводы), сельскохозяйственные терри­тории, базы стройиндустрии, земли государственного лесного фонда. Геологическая составляющая карт включает изученность террито­рии разными методами, структурные и литолого-петрографичес-кие характеристики территорий, размещение известных месторож­дений углеводородов, размещение перспективных структур и мес­торождений других полезных ископаемых, лицензионные участки Компании и других недропользователей. Промысловая составляю­щая карт включает размещение нефтедобывающих подразделений,