Методические основы применения математических методов для решения задач - Геоинформатика

С развитием вычислительной техники значительно расширилась область применения математических методов при обработке, оценке и анализе инженерно-геологической информации для целей прогноза. Вычислительные машины позволяют производить оперативную обработку инженерно-геологической информации в больших объемах, решать задачи, которые традиционными геологическими методами не решались из-за большой трудоемкости, причем на более объективной основе, с использованием всего фактического материала. Кроме того, внедрение ЭВМ или ПЭВМ в практику геолого-экологического картирования и съемок облегчает реализацию задачи и позволяет использовать для ее решения математические методы. Применение математических методов и ЭВМ не только вызвано возможностями их использования, но и является результатом накопления огромного объема инженерно-геологической и гидрогеологической информации при проведении комплексной гидрогеологической и инженерно-геологической крупномасштабной съемок и исследований крупных орошаемых и осушенных территорий, а также в настоящее время геолого--экологических исследованиях.

Для условий аридной зоны, например, Средней Азии, изучение изменения и прогноз основных компонентов геологической среды орошаемых и осушенных территорий особенно необходим. Обработка, изучение закономерностей, исследование пространственно-временной изменчивости и прогноз изменения основных компонентов геологической среды под влиянием орошения и осушения территории имеют важное значение для обоснования комплекса мелиоративных мероприятий в целях охраны окружающей среды и рационального использования водноземельных ресурсов геолого-экологической обстановки исследуемой территории.

Проблема инженерно-геологического прогнозирования с применением математических методов и ПЭВМ еще недостаточно изучена. Трудности, появляющиеся в связи с решением этой проблемы, вынуждает исследователей упрощать и схематизировать физическую картину инженерно-геологического объекта. Возможности широкого примененя математических методов и ПЭВМ ограничиваются не только сложностью инженерно-геологических и гидрогеологических процессов и невозможностью получения решений на математической основе, но еще и тем, что часто отсутствует четкая постановка задачи. При правильной постановке задачи должны быть указаны все вводимые информации (количественные, качественные, схемы, основы, карты и др.), которые могут быть использованы, и фактически метод ее решения, т. е. то, что в принципе может быть переложено на математический язык. Процесс формализации и подготовки информации очень трудоемкий. В настоящее время в инженерной геологии применяются методы математической статистики, теории вероятностей, теории информации, распознавания образов и моделирования с применением ПЭВМ для изучения закономерностей пространственно-временной изменчивости и прогноза основных компонентов геологической среды в связи с техногенным воздействем, в частности, орошения и осушения территорий.

Таким образом, процесс обработки геологической информации с применением математических методов и вычислительной техники состоит из следующих:

    - схематизация (типизация) и подготовка геолого-математической основы объекта исследования; - сбор, обобщение и накопление картографической и фактографической информации; - задачи и методика математической обработки информации.

Схематизация и подготовка математической основы объекта исследования начинается с анализа его геолого-литологического, геоморфологического строения и гидрогеологических и инженерно-геологических условий. Кроме того, необходима геологическая основа - геоморфолого--литологическое районирование орошаемых территорий с пространственным соотношением основных геолого-геоморфологических и литолого-фациальных компонентов. При этом следует выделить три крупные единицы различных уровней районирования:

    - районы - морфогенетические типы рельефа; - подрайоны - геологические тела, оконтуренные по стратиграфогене тические комплексы пород; - участки-инженерно-геологических тел, выделенные по литологическому строению.

Такая классификация может служить качественной и количественной геолого-математической для обработки, оценки и изучения пространственно-временной изменчивости и прогноза основных компонентов геологической среды. При составлении схемы геоморфолого-литологического районирования орошаемой територии выделению инженерно-геологических тел необходимо уделить особое внимание.

При разграничении инженерно-геологических тел в сложных условиях геолого-литологического строения, как показывает практика, наиболее важным является не учет многообразных литологических разностей пород, а выявления основных закономерностей изменения литологического строения и состава пород на сравнительно небольшие расстояния и их количественная и качественная оценки, служат основной для различных определений и расчетов.

При первичном разграничении инженерно-геологических тел используется метод статистического анализа данных о литологическом строении зоны аэрации в пределах распространения каждого генетического и возрастного типа отложений и тем самым получаются количественные оценки изменения различных литологических разностей отложений как по площади, так и в разрезе, отраженные в эпюрах. Анализ построенных эпюр позволяют объединить тождественные из них.

Выделенные геологические и инженерно-геологические тела объекта составляют геосистему, т. е. объект - это геосистема, сформированная из множества геологических и инженерно-геологических тел, находящихся во взаимосвязи, в закономерных отношениях между собой, тем самым обеспечивающих ее целостность.

Таким образом, построенная формально-логическая основа будет геолого-математической основой обработки, оценки и пространственно-временной изменчивости и прогноза основных компонентов геологической среды с применением математических методов и ПЭВМ.

Далее, в пределах выделенных геологических и инженерно-геологических телах осуществляются сбор и накопленние гидрогеологических и инженерно-геологических информациий в виде разработанных таблицах и формах. Таблицы и формы данных подготовленны так, чтобы в дальнейшем из них можно было вести информацию в базу данных, т. е. входные формы данных по шурфам, скважинам и пунктам наблюдения.

Картографическая информация, схемы, карты и др. подготавливаются на топографической основе.

В топографических картах удобно определять координаты выработок, населенных пунктов и границ геологических тел и др. В этих основах вести картографическую информацию в базу данных с помощью графических редакторов удобно для операторов.

Последовательность организации вычислительного эксперимента осуществляется следующим образом:

    - сбор и систематизация инженерно-геологической и гидрогеологической информации по исследуемому объекту; все исходные данные по объекту, полученные в результате комплексных гидрогеологических и инженерно--геологических крупномасштабных съемок и исследований, опытно-режимные наблюдения и др. исследования оформляющихся в виде разработанных вводных формах, таблицах и отчетов; - составление карты типизации геолого-литологического строения исследуемого объекта и на основе этой карты выделение геологических тел, для которых проводится первичная статистическая обработка и оценка информации; - принятие выделенных геологических тел в качестве генеральных совокупностей и проведение первичной статистической обработки и оценки инженерно-геологической информации в пределах выделенных геологических тел: исключение грубых ошибок из выборки методом "трех сигм" и - критерия, восстановление пропущенных членов выборки, изучение закона распределения и вычисление первичных статистических характеристик показателей инженерно-геологических свойств грунтов; - оценка однородности выделенных геологических тел с применением методов математической статистики и теории информации; - оценка однородности по одному показателю свойств грунтов производится с помощью статистических критериев Бартлета-В/C, Кохрана-G, Стьюдента-t, Фишера-F и Н-критерия; - оценка однородности по комплексу показателей свойств грунтов производится с помощью статистических критериев Z0 - дискриминатора, разработанного М. Е.Деминой и О. М.Калининым, VК - Родионова и методом распознавания образов; - после оценки однородности геологических тел можно рассматривать их как инженерно-геологические тела (ИГТ), которые будут служить расчетными моделями для оценки обобщенных статистических характеристик показателей инженерно-геологических свойств грунтов и их прогнозирования в связи с орошением; - в пределах однородных ИГТ вычисляются: - оценки обобщенных статистических характеристик показателей инженерно-геологических свойств грунтов, т. е. средние значения-ХI, дисперсии-I2 , среднеквадратические отклонения - I, коэффициенты изменчивости-VI, стандартные ошибки среднего значения-I , показатель точности - I , доверительные пределы

GBi и GHi (i=1,k, где k-число показателей свойств грунтов);

    - коэффициенты парной, частной и множественной корреляции между показателями инженерно-геологических свойств грунтов и их информационные веса Р(i), (i=1,k), для изучения зависимостей между этими показателями и выделения наиболее важных групп прогнозируемых признаков; - коэффициенты многомерной линейной и нелинейной регрессионной модели инженерно-геологических свойств грунтов для установления функциональных зависимостей между показателей; - коэффициенты критерия Аббе - g2 показателей свойств грунтов, для изучения их типов изменчивости в характерных направлениях.

Составляются математико-картографические модели полей показателей свойств грунтов на ПЭВМ для изучения их пространственной изменчивости (пространственный прогноз) в случае регулярной и не регулярной сети опробования методом моделирования.

Похожие статьи




Методические основы применения математических методов для решения задач - Геоинформатика

Предыдущая | Следующая