ГИС-технологии в региональных геологических исследованиях


ГИС-технологии в региональных геологических исследованиях

М.А. Белобородов (ТОО "ЛАНЭКО")

Окончил МГРИ в 1967 г., кандидат технических наук. Производственную деятельность начинал техником в геолого-съемочной партии, завершал начальником тематической партии. Последние 20 лет занимается разработкой компьютерных технологий геологических исследований. Руководитель коллектива разработчиков ГИС ПАРК.

Истоки современного состояния и проблем использования ГИС в геологических исследованиях, как обычно, следует искать в прошлом. Геология явилась одной из первых сфер научно-практической деятельности, в которой около 40 лет назад активно начали внедряться компьютерные технологии. И, хотя в те годы еще не использовался термин геоинформационные технологии , по существу это были именно они -- технологии работы с пространственно координированными данными. Почему геология попала в число пионеров новой технологии? Ответ достаточно прост: с одной стороны, это наукоемкая отрасль, оперирующая огромными объемами эмпирических данных, вечные проблемы выбора стратегий поисков и развития горной промышленности и, связанные с этим проблемы, прогнозных оценок, с другой -- огромный экономический эффект от правильных научных и управленческих решений. Практически любые затраты на развитие средств поддержки этих решений оказывались в конечном счете оправданными. В итоге современные информационные технологии геологических исследований одной ногой опираются на картографические системы, развившиеся на базе информационно-поисковых и графических систем, другой -- на популярные в 70--80 годах автоматизированные системы обработки геологических данных, ориентированные на комплексную интерпретацию и решение прогнозных задач. Из этих истоков и появились две параллельные программы Роскомнедра по применению ГИС-технологий: программа создания Государственного банка цифровой геологической информации и программа внедрения ГИС технологий при создании Госгеолкарт масштабов 1:1 000 000 и 1:200 000. Как следствие появились проблемы, решением которых теперь вынуждены заниматься и руководители региональной геологической службы, и разработчики, и геологи--пользователи ГИС. Разумное решение невозможно без ответа на основополагающие вопросы: о роли ГИС в региональных геологических исследованиях; о соотношении ГИС и специализированных систем обработки данных (геофизических, геохимических и др.); о принципах взаимной адаптации компьютерных и традиционных технологий региональных исследований; о специфических требованиях к функциям ГИС для региональных геологических исследований.

Чему отдать приоритет: пониманию ГИС как средству накопления, хранения, отображения геоданных для фактографического и справочно-аналитического обслуживания или как средству обработки данных для получения новых знаний, при которых накопление, хранение, отображение играют вспомогательную роль? В первом случае создаются хранилища результатов завершенных исследований -- карт, прошедших издание. При этом набор методов и средств работы с данными определяется практически независимо от потребностей их будущего использования, а подстраивается под технологии, изначально не ориентированные на геологические нужды. Во втором случае ГИС рассматривается как средство для решения задач, регламентированных геологическими инструктивными и методическими документами. Такие средства должны находиться непосредственно в организациях, ведущих геологические исследования, а вопрос о создании баз геоданных решается прежде всего с позиций будущей обработки.

Обе точки зрения существуют и порождают сложности согласований и взаимодействий. А взаимодействие необходимо, ибо, с одной стороны, развернута огромная работа по созданию банков цифровой геологической информации, ориентированная в основном на первое толкование, с другой, в нормативно-методических документах уже закреплено понимание ГИС как средства комплексной камеральной обработки материалов и их анализа с целью получения нового знания и практических рекомендаций (Организация и содержание геолого-съемочных работ масштаба 1:200 000, 1995 г.). С этих позиций сформулированы требования к ГИС технологии: обеспечить ввод, контроль, хранение и отображение геологических данных; преобразование, синтез, анализ и интерпретацию координатно-привязанных данных; моделирование и распознавание природных объектов; прогноз картографируемых ситуаций и полезных ископаемых (там же). При этом исходной информацией являются всевозможные карты качественных и количественных характеристик территории, схемы дешифрирования и интерпретации геофизических данных, цифровые массивы данных геофизических и геохимических съемок, аэро- и космоснимки, фотографии и текстовые описания объектов. Таким образом, речь идет о программных системах, которые, обладая обычными для инструментальных ГИС возможностями оперирования пространственными данными, имеют также средства решения собственно геологических задач по комплексу разнородных данных.

Доказанная практикой возможность включения интеллектуальных подсистем в структуру ГИС придает ей новое качество -- способность интерпретировать пространственные данные, т. е. осуществлять переход из одной системы понятий в другую систему понятий, выражаемых в терминах целевого свойства (литолого-петрографического состава пород, координат перспективных участков, ожидаемых ресурсов полезных ископаемых и т.п.). Таким образом, включение в ГИС интеллектуальных подсистем обеспечивает многомерное районирование территорий, прогнозирование и картографирование ситуаций, планирование и оптимизацию полевых наблюдений. В этой связи возникает вопрос о соотношении ГИС и систем, специализированных по видам обрабатываемых данных.

Часто приходится слышать вопросы типа: Почему в системе нет специальных программ трансформации потенциальных полей? Есть ли возможность петрохимических пересчетов? А выделение линеаментов? А каротаж?" и т.д. и т.п. Другими словами, не сделать ли комбайн на все случаи геологической практики? . Изготовление такого комбайна представляется нецелесообразным прежде всего с позиций самого геолога-пользователя, которому пришлось бы мучиться с таким громоздким монстром. ГИС в геологии не может и не должна подменять собой специализированные системы. Очевидно в специализированном пакете обработка данных выполняется более эффективно. В то же время, выходные данные таких систем могут и должны служить входной информацией для ГИС, которая не только предоставляет инфраструктуру, средства отображения и манипулирования данными, но и является инструментом комплексной интерпретации разнотипных качественных и количественных данных. Таким образом, место и основная роль ГИС в геологических исследованиях определяются как интеграция, анализ и комплексная интерпретация разнотипных данных, разработка прогнозов, моделирование и планирование дальнейших действий, представление результатов в терминах целевого геологического свойства и в картографической форме. При таком подходе ГИС в геологии будет не только средством преобразования формы представления информации и справочно-аналитического обслуживания, а прежде всего средством достижения конечных целей геологических исследований.

Следующий важный для пользователей и разработчиков вопрос -- ГИС и традиционная технология. Процесс геологических исследований строго регламентирован, разделен на логически связанные технологические этапы. Любая новая технология может быть санкционирована только в случае ее полного соответствия требованиям существующих нормативных документов. Геологической службой постулирована невозможность ломки не только норм, но и традиций геологических исследований: используемые ГИС должные быть под них адаптированы, а ни в коем случае не наоборот (А.Ф,Морозов, А.Ф.Карпузов. Геологическое картирование и географические информационные системы, -- Отечественная геология, 1995, 11). Это не только требует от разработчиков досконального знания технологии региональных геологических исследований, но выдвигает перед ними специфические задачи большой сложности. Вместе с тем, как показывает опыт, существует и обратная связь: применение ГИС оказывает заметное влияние, дисциплинируя мысль геолога и высвечивая старые геологические проблемы в новых ракурсах.

Соглашаясь с выдвинутым условием и считая его справедливым, необходимо указать ряд отличия формализованного подхода к составлению карт камеральными способами от традиционного:

1. Отсутствуют изначально приоритетные исходные данные.

2. Объектом рассмотрения и идентификации являются стандартизированные по размерам части территории -- ячейки. Размеры ячеек меньше допустимой погрешности картографирования геологических границ и достаточно малы, чтобы считать их внутренне однородными.

3. Границы геологических тел выделяются только на заключительной стадии интерпретации, а не в ее начале.

4. Вводится новый вид картографических материалов -- карты качества отображения ситуации на геологической карте.

Сформулированные выше определение и условия порождают специфические требования к функциям ГИС. Общее требование -- обеспечить в рамках целостной технологии от проектирования до подготовки отчетных материалов возможность решения задач, конкретно перечисленных в нормативно-методических документах федеральной геологической службы. Для этого стандартные функции ГИС (накопление, редактирование, измерения, выборки, совмещение и отображение данных и т.п.) должны быть дополнены:

  • специальными аналитическими функциями (пространственная статистика, таксономия, поиск диагностических комбинаций признаков объектов, исследование связей и зависимостей, проверка однородностей выборок и т.д.);
  • функциями построения производных карт, включающими алгебраические, тригонометрические, логические и другие операции над наборами карт по произвольно задаваемой формуле обработки поточечно и в скользящих окнах, интерполяцию и построение изолиний с учетом барьеров (срывов поверхностей), расчет потенциалов и другие;
  • средствами многомерного районирования, в том числе с использованием экспертных оценок;
  • функциями идентификации -- распознавания и автоматического картографирования объектов и ситуаций по их косвенным качественным и количественным характеристикам с обучением системы на примерах или с использованием экспертных моделей;
  • функциями оптимизации решений по набору критериев качества прогнозирования и картографирования ситуаций, а также оценки стратегии полевых работ, предлагаемых пользователем-геологом;
  • встроенными в систему изобразительными средствами, предусмотренными Инструкцией по составлению и подготовке к изданию листов Государственной геологической карты: внемасштабными знаками, крапами, графическими типами линий, штриховками, индексами;
  • развитыми средствами автоматической расстановки векторной площадной нагрузки и надписей, средствами для стандартного зарамочного оформления карт.

Все эти функции должны быть реализованы в форме и терминологии, легко воспринимаемой геологом, и применимы к набору данных, регламентированному действующими инструкциями и в совокупности обеспечивать комплексную интерпретацию качественных и количественных данных.

Очевидно, система, отвечающая перечисленным требованиям, может быть создана только коллективом разработчиков, имеющим в своем составе профессиональных геологов, аналитиков, высококвалифицированных программистов и обладающим опытом создания систем интерпретации данных.

Ясно также, что такой набор требований может быть удовлетворен только в рамках векторно-растровой системы. Причем основной объем обработки должен приходиться на растровые данные. Векторные формы в основном используются на входе и выходе, а также для измерений (площадей, расстояний, периметров) и установления топологических отношений (соседства, вложенности, связности). Решение содержательных задач, связанных с изучением изменчивости свойств внутри объектов, пространственных связей характеристик объектов и интерпретацией, эффективно можно реализовать только на растровых данных.

Удовлетворение перечисленных требований позволяет относительно безболезненно встроить и эффективно использовать ГИС технологию на всех этапах геолого-съемочных работ:

1. Подготовительные работы и проектирование:

При создании базы данных по материалам ранее проведенных работ, в том числе:

-- карты: изученности, обзорные, фактического материала, геологические, полезных ископаемых, геофизические и геохимические данные, эколого-геологические материалы;

-- объектно-привязанная описательная и иллюстративная информация: кадастровые данные, описание проявлений полезных ископаемых, результаты анализов, зарисовки, фотографии шлифов и т.д.

-- создание или привязка к объектам карты существующей базы первичных данных предшественников;

-- формирование базы материалов аэрокосмических съемок.

Обработка и интерпретация материалов предшественников:

-- монтаж карт предшественников и составление карт-невязок ;

-- преобразование, статистическая обработка, фильтрация геофизических и геохимических данных;

-- составление предварительной геологической карты (карты-гипотезы) в автоматическом и интерактивном режимах;

-- составление предварительной карты закономерностей размещения и прогноза полезных ископаемых, включая выявление, оценку и картографирование рудоконтролирующих факторов и поисковых признаков, построение моделей прогнозируемых объектов, получение сравнительной, синтезированной в числовой форме, оценки перспективности для каждой точки территории, выделение перспективных участков, оценку ожидаемых ресурсов полезных ископаемых, ранжирование территории по предпочтительности поисков.

-- систематизация и обобщение эколого-геологических данных.

Планирование полевых работ -- подготовка схемы размещения полевых наблюдений и опробования.

2. Полевые работы -- возможности ГИС технологии целиком определяются доступностью необходимых аппаратных средств.

3. Камеральные работы:

-- редактирование и пересоставление карт-гипотез;

-- решение частных задач -- формационный анализ, минерагеническая специализация, пространственные связи, диагностические признаки, обработка результатов опробования, морфометрические исследования и др.;

-- картографирование участков с различными целевыми свойствами -- опасные экзо- и эндогенные процессы, степень устойчивости среды и т.д.;

-- исследование динамики эколого-геологической обстановки по ретроспективным данным;

-- оформление отчетных материалов.

Таков далеко не полный перечень задач, решаемых на основе ГИС-технологий только в одной сфере -- геолого-съемочных работах. Список можно продолжать, рассматривая другие виды региональных геологических исследований.

В заключение хотелось бы обратить внимание геологов, внедряющих или собирающихся внедрить компьютерные технологии, на опасность восприятия ГИС как некоего склада пространственных данных. На новом витке развития технологии тематическая картография, и геологическая в том числе, не должна слепо повторять уже пройденный путь: на первом шаге карта -- средство регистрации данных (что? где?), на втором -- картометрия (сколько? как?) и, наконец, на третьем -- карта -- средство выработки новых знаний. Хотя, конечно, можно на первых порах использовать компьютер просто вместо светостола, карандашей и ластика. Но если цель только в этом, стоит ли огород городить?

С автором статьи можно связаться по тел. (095) 491-71-12 или тел./факсу (095) 491-08-03.

 
 
 

Остались вопросы? Хотите узнать цены или оставить заявку?  Оставить заявку