Современное состояние применения математических методов и АИС в геологии - Геоинформатика

В настоящее время успешно применяются математические методы и ЭВМ при анализе, обработке и оценке информации, при выявлении закономерностей пространственно-временной изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород, при изучении изменения и прогнозеосновных компонентов геологической (природной) среды в связи с техногенным воздействием, в частности, орошения и осушения территории.

Эти вопросы освещены в работах Н. В.Коломенского, 1959, 1968;И. С.Комарова, 1968, 1972, 1976, 1978; Д. А.Родионова, 1968, 1979,1981; Г. К.Бондарика 1968, 1971, 1976, 1981, 1991; С. П.Сидоркиной,1978, 1980, 1985; Ф. Б.Абуталиева, 1986, 1982, 1986, 1989, 1992;В. В.Пендина 1982, 1984, 1985 и др. Например, в работах Н. В.Коломенского и И. С.Комарова (1956, 1957) впервые рассмотрены вопросы обработки и обобщения материалов, характеризующих инженерно-геологические свойства грунтов, исследовалисьна основе изучения изменчивости показателей горных пород. В 1959 г. на 13 Геологическом конгрессе в Мехико они предложили общую схему применения вероятностно-статистического метода при изучении естественных оснований крупных инженерных сооружений. Эта схема применяется без больших изменений и в настоящее время. Сущность ее заключается в использовании модели случайной величины, расчленения толщ пород на инженерно-геологические элементы - условно однородные части массива горных пород.

Вопросы статистической обработки и изучения пространственной изменчивости показателей инженерно-геологических свойств грунтов в СССР развивались с применением ЭВМ. Тем самым расширялся круг решаемых инженерно-геологических задач. Так, напрмер помимо обработки и обобщения значений показателей свойств грунтов, все более важными стали вопросы определения оптимального количества проб, изучения закономерностей пространственно-временной изменчивости, неоднородности, вопросы прогнозирования свойств грунтов и др.

Исследование неоднородности горных пород и их физических свойств позволило М. В.Рацу сделать важное заключение о том, что решение прямых задач прикладной геологии (опробование, перенесение результатов опробования на массив, расчет свойств массива) должно опираться на изучение закономерностей развития неоднородности или изменчивости. Он предложил классификацию неоднородности горных пород, впервые применив термин "эффективность", объяснил неоднородность, проявляющихся в пределах одной пробы. Для описания неоднородности горных пород М. В.Рац в 1973 г. предложил структурные модели.

Интересные способы статистической оценки и обработки, анализа, понятия неоднородности и изменчивости свойств горных пород, а также многомерной статистической обработке информации даны в работах И. С.Комарова (1972, 1976).

Модельными представлениями о структуре геологических тел большое внимание уделено в работах Г. К.Бондарика (1968, 1971, 1976), где впервые сформулированы основные положения теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород и ее практическое применение. В частности, в монографии Г. К.Бондарика (1971) подробно рассматриваются вопросы распределения показателей состава и свойств горных пород в пространстве, исследования режимов изменчивости инженерно-геологических параметров, инженерно-геологического опробывания горных пород и пространственного размещения горно-буровых выработок, полевых, опытных работ и точек отбора образцов при инженерно-геологических исследованиях.

Вопросам исследования закономерностей пространственной изменчивости лессовых пород посвящена монография Г. К.Бондарика, М. И.Горальчук, В. Г.Сироткина (1976). Здесь приводится геологическая интерпритация пространственной изменчивости свойства грунтов, освещаются закономерности изменения в пространстве лессовых пород Западной Сибири, Южного Казахстана, Украины и Северного Казахстана. Рассмотрена методика построения карт машинным способом. В качестве аппроксимирующей функции экспериментальных данных использован алгебраический полином К-й степени для регулярной сети опробования.

Исследованию пространственно-временной изменчивости и прогнозированию инженерно-геологических свойств грунтов посвящено несколько диссертационных работ (докторских и кандидатских): М. И.Горальчук (1970), А. П.Бабенышева (1971), Г. А.Сулакшиной (1973), С. П.Сидоркиной (1978), Г. Р.Рашидова (1979), Л. Г.Борейко (1978), Е. Н.Иерусалимской (1980), Е. В.Гудзенчука (1983), Т. Д.Мирахмедов (1984). В этих работах на основе использования вероятностно-статистических методов и других разделов математики рассмотрены вопросы анализа данных свойств горных пород, интерпретации результатов скоростных испытаний, инженерно-геологического опробования пород, исследований и методов изучения пространственной изменчивости показателей свойств грунтов. Затронуты вопросы прогнозирования свойств грунтов. В работах С. П.Сидоркиной, Е. В.Гудзенчука и Т. Д.Мирахмедова разработано математическое обеспечение некоторых задач инженерной геологии.

С. П.Сидоркиной разработан метод моделирования полей геологических параметров на основе пространственной статистической структуры поля - его модельной автокорреляционной функции (МАКФ). Предложены разные варианты определения пространственной статистической структуры поля, а также варианты построения модели, учитывающие специфику инженерно-геологических задач, что позволяет строить модель, отражающую практически любой уровень структуры поля геологического паpаметpа. Пpиведены способы упрощения пpоцедуpы моделирования и способы сокращения затрат времени ЭВМ при пользовании прилагаемыми программами.

В работе Е. В.Гудзенчука (1983) описывается система, позволяющая проводить комплексную обработку инженерно-геологических исследований на базе ЕС ЭВМ и терминальных устройств (текстовый дисплей, графопостроитель и т. д.). Даны алгоритмы и программы построения инженерно-геологических разрезов с автоматическим выводом на графопостроитель. Им создано "рабочее место геолога", основанное на диалоговом режиме взаимодействий с ЭВМ в процессе обработки данных. Следует отметить, что разработанная система Е. В.Гудзенчука не позволяет решать задачи инженерно-геологических прогнозов орошаемых территорий, но она является системой открытого типа и может быть адаптирована для широкого класса задач, решаемых в области инженерной геологии.

В работе Т. Д.Мирахмедова (1984) разработан метод и его математическое обеспечение решения задач прогноза показателей инженерно-геологических свойств грунтов в связи с орошением территорий.

Таким образом, выше указанные работы посвящены к разработке и применению математических методов и созданию их отдельных и комплексов программ решения задач инженерной геологии на ЭВМ. Рассмотрим работы, посвященные для создания АИС - создание базы данных гидрогеологических и инженерно-геологических исследований.

АИС предназначены для хранения, обработки и многоаспектного поиска и оперативной выдачи справочной и оценочной информации объекта, а термин "база данных" обозначает совокупность данных, предназначенных для совместного использования. Следует, однако, различать термины документальная база данных (совокупность произвольных текстовых документов) и фактографическая база данных (множество сведений, хранящихся в информационной системе и удовлетворяющих фиксированной совокупности параметров). Понятие система управления базами данных (СУБД) относится к набору средств программного обеспечения, необходимых для использования фактографических баз данных.

Рассмотрим несколько работ (зарубежные и отечественные) по организации и созданию БД, СУБД и автоматизированных информационно--поисковых систем в основном применительно к задачам геологии, гидрогеологии и инженерной геологии.

Работы по созданию БД, СУБД и автоматизированных информационно-поисковых систем ведутся во многих странах, особенно интенсивно они вводятся в Канаде, США, Австралии, Японии, ФРГ, Франции, Чехословакии, Швеции, Румынии, Польши, ГДР. С 1967 г. существует КОГЕОДАТА - комитете по хранению, автоматизированной обработке и поиску геологических наук при ЮНЕСКО. Цель этого комитета состоит в выработке рекомендаций и стандартов, касающихся геологических описаний и распространений опыта в этой области.

Наибольшее внимание уделяется созданию автоматизироавнных систем по нефтяным и газовым скважинам, по месторождениям полезных ископаемых, по объектам полевых исследований, по геохимии, гидрогеологии, инженерной геологии и некоторым другим выдачам информации.

С 1967 г. в Канаде на базе ЭВМ создается национальная сеть сбор и обработки данных по месторождениям полезных ископаемых, для рудных месторождений используется 76 входных характеристик, для залежей нефти и газа - 543. Центры, собирающие информацию, пользуются стандартным программным обеспечением САФРАС. Помимо системы, включенных в национальную сеть, в Канаде имеются разработки, использующие другие принципы сбора информации по месторождениям полезных ископаемых. Например, для двух провинций Канадского щита создается банк данных специально для статистического анализа с целью прогноза месторождений, состоящих их двух массивов. Это массив геологических данных, описывающий ячейки территории размером 10 х 10 км, выделенной в соответствии с системой разграфки ТМ, и массив данных по 500 месторождениям для верхней провинции. Всего в банке данных было описано 8.5 тыс. ячеек, покрывающих территорию в 85 тыс. км2. Оба массива информационно увязаны.

Большое внимание созданию БД, СУБД и автоматизированных информационно-поисковых систем, уделяется в социалистических странах. Так в Чехословакии создан единый банк данных по месторождениям полезных ископаемых, в которых в обязательном порядке поставляют сведения геологические, строительные разрабатывающих организаций. Основной целью такой системы являются защита и рациональное использование геологической среды в пределах территорий месторождений полезных ископаемых.

В ГДР, Румынии, Польше и др. странах созданы единые системы по сбору, хранению и поиску геологической информации, в которых содержатся данные о всех выработках, их конструкциях, глубине, разрезе, глубине залегания подземных вод и т. д. При этом в Польше ни одна скважина не бурится без заключения ВЦ о возможном разрезе скважины, наличие водоносного горизонта, его характеристиках, оценки влияния проектируемой скважины на близлежащие выработки и выдачи рекомендаций по возможному режиму ее эксплуатации.

Наиболее близки по вопросам создания АИПС по гидрогеологии и инженерной геологии городских территорий работы, проводимые лабораторией управления дорожного строительства во Франции, которая в последние годы распространила свою деятельность на инженерно-геологические исследования под строительства зданий и сооружений и градостроительства.

Ими предложена система ФИДЖИ, обеспечивающая накопление информации, ее обработку и ответы на запросы и система СОКРАТ, позволяющая перейти к интегрированной организации данных. При этом база данных, которая содержит сведения различного типа, соединенные между собой в соответствии с заданными условиями, образует вместе с системой управления базой данных, обеспечивающей ее формирование, введение и эксплуатацию, так называемый банк данных. Ими разработана структура файлов инженерно-геологической информации "Изыскания на трассах и площадках" применительно к территории г. Руана, г. Бордо и нового города Мари-ла-Вам.

Разработка АИСП фактографической информации геологических исследований у нас в Союзе проводится сравнительно недавно с 1965-68 г. г. научно-исследовательскими и производственными организациями различных министерств и ведомств. Необходимость использования значительного объема научно-технической, документальной и фактографической информации приводит к создаванию целого спектора информационных систем различного назначения документографических, фактографических, документо - фактографических, прогнозно-диагностических и др.

Первоначальные разработки базировались на машинных первого поколения и перфокартном методе записи информации. С совершенствованием вычислительной техники приоритет отдается машинам 2-го и 3-го поколения, персональным и мини ЭВМ и записи информации производится на магнитные диски, магнитные ленты, и на гибкие и твердые дискеты.

Из используемых языков программирования наиболее употребляемы: Алгол, Фортран, Ассемблер, ПL1, Паскаль, Си, Бейсик и др. В ГИДРОИНГЕО (Умаров У. У., Авербург А. Л. и др.) разработан АИПС - "Мелиоративная гидрогеология" под руководством Хожибаева Н. Н. (1976 г.). Информационное содержание системы, по Умарову У. У. (1978), определяется единой информационной базой первичных гидрогеологических данных, организованных рациональным математическим обеспечением для решения комплекса задач и прогноза гидрогеолого - мелиоративных процессов под воздействием управляющих факторов с помощью постоянно-действующих моделей (ПДМ) крупных орошаемых массивов. В настоящее время разработаны ПДМ для некоторых месторождений подземных вод Узбекистана.

Система "Государственный водный кадастр (ГВК)", разрабатываемая силами Министерства геологии СССР, Госкомитета мелиорации и водного хозяйства СССР, Госкомитета мелиорации и водного хозяйства СССР, призванная сосредоточить в одном государственном фонде сведения о состоянии водных объектов, качестве и количестве содержащихся в них природных запасов вод, территориальном распределении сезонных колебаний водного стока, видах и объемах использования воды. Учету подлежат все виды поверхностных водоемов, подземные воды и ледники, внутренние моря и территориальные воды.

В институте ГИДРОИНГЕО разработан АИС ГВК "Подземные воды" для ПЭВМ типа IBM РC XT(AT) на базе СУБД dBase - 4 и АИС "Режим" для ЕС ЭВМ.

В практике разработки автоматизированных информационно-поисковых систем в инженерной геологии проводится последние 15-20 лет. При этом разработка ведется, в основном, научно-исследовательским, проектными и производственными организациями.

Например, АИПС "Инженерная геология" г. Москвы, разработана с целью комплексного изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории г. Москвы в связи с техногенным воздействием. При этом основное внимание уделяется инженерно-геологической и гидрогеологической изученности территории г. Москвы. В настоящее время действуют информационная система и ПДМ геологической среды г. Москвы как средства управления в области ее охраны и рационального использования (Пашковский, Рошаль и др. 1989).

Разработана система многофакторных двухуровенных запросов базы инженерно-геологических данных с использованием СУБД ИНЕС (А. А.Александров, 1984). Использованы результаты инженерных изысканий для строительства объектов в сложных природных условиях и применения СУБД ИНЕС позволили повышать качество информации. Область применения инженерных изысканий для строительства любых возможных объектов.

Развитие применения персональных ЭВМ для решения задач геологической отрасли в настоящее время является из основных и актуальных задач. Работа (группы авторов из НПО "Центрпрограмм систем" г. Калин): Система управления базой данных реального типа для 8-разрядной микро ЭВМ СМ-1800 (СУБД-8). СУБД-8 предназначена для создания баз данных реального типа, поддержки и манипулирования базами данных небольшого и среднего объема.

Состав и содержание баз данных определяет пользователь СУБАД-8 обеспечивает автоматизацию основных функций обработки данных, а именно: создание баз данных; добавление, обновление, удаление содержимого баз данных; управление направлением поиска в базах данных (позицирование); генерацию отчетов с автоматическим выполнением арифметических операций на уровне записи и получении итоговых сумм по группам записей; вывод на экран и печать описи баз данных и переменных; экранное конструирование видиограмм с широким спектором операции на полном экране (форматирование экрана); вычисление по заданным арифметическим и логическим выражениям. Технические средства системы: 8-разрядная ЭВМ СМ-1800, процессор с емкостью 64 Кбайт, гибкий МД, алфавитно-цифровой видеотерминал, АЦПУ.

В работе Муратова Е. Н. (1988) описываются состав БД и поисковые возможности автоматизированного банка данных. Приводятся примеры использования различных команд поисковой системы. Руководство предназначенного для пользователей Централизованной системы автоматизированного обмена информацией.

Лапиным А. А., Садоновым Т. А. (1988) разработана система управления базами данных для микро ЭВМ и персональных компьютеров. Подсистемное управление БД типа РБДМ представляет собой программное средство создания и эксплуатации БД на основе микро ЭВМ или персональных ЭВМ. Программа подсистемы РБДМ выполнена на языке программирования макроассемблера (микро-2) в операционной системе РАФОС.

К основным принципам и методикам разработки автоматизированных систем в инженерной геологии посвящены работы И. С.Комарова, В. Н.Экзарьяна (1984, 1985). Им разработана фактографическая информационно--поисковая система в инженерной геологии, на основе использования системного подхода.

Работы Ф. Б.Абуталиева и др. (1986,1989) посвящены разработке АИС в инженерной геологии с последующей обработки и оценки информации. И. Хабибуллаевым и Т. Д.Мирахмедовым (1990) разработаны структуры АИС городских территорий и городских агломераций.

В настоящее время, появились работы приуроченные для решения геолого-экологических задач - создание мониторинга геологической среды. В. Н.Экзарьяном и О. Н.Ковалевой разработана АИС-ТЗО Москвы. На примере АИС-ТЗО Москвы показана методика построения инфологической и даталогической моделей и структуры информационного обеспечения. Рассмотрены отдельные разработки промышленных СУБД, являющихся ядpом пpогpаммного обеспечения АИС. Приведено описание функционирования АИС-ТЗО Москвы в справочном режиме на базе СУБД ФОБИН.

К вопросу автоматизации и методике создания АИС геолого-экологического мониторинга посвящены последние работы автора(1991,1992).

Похожие статьи




Современное состояние применения математических методов и АИС в геологии - Геоинформатика

Предыдущая | Следующая