Использование геоинформационных систем для картирования зон микросейсмической активности

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2006 г. Выпуск 4. С. 16-23

УДК 004.922

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КАРТИРОВАНИЯ ЗОН МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

К.С. Алсынбаев, Я.С. Суляев, О.М. Шорин

Основной технологический процесс, в котором реализуются преимущества визуализации, - геофизический анализ сейсмических данных. Важным является интеграция в единой сцене двумерных и/или трехмерных разнородных данных: геофизических наблюдений, геологических факторов, топографических карт, космоснимков, моделей рельефа. В данной работе картирование рассматривается в более широком смысле, затрагивая вопросы создания картографического продукта, динамической 2D- и ЭБ-визуализации. С аспектами визуализации тесно смыкаются вопросы совместного пространственного анализа, в том числе с применением сложных автоматизированных средств.

Задачи пространственного анализа и визуализации традиционно решаются различными программными средствами: линейка Landmark (GeoProbe, Open Vision, DecisionCpase, 3D DrillView), Surfer, линейка ArcGIS, MapInfo, ERDAS Imagine, ENVI и другие.

Вместе с тем возникают следующие проблемы:

• минимизация количества используемых средств и интерфейсов;

• создание и внедрение в инструментарий собственных функций;

• интеграция разнородных данных в единой системе координат.

Результатом разработки является программный продукт «ГИС для геологогеофизических исследований» (ГИС ГГИ). Данная система разрабатывалась с использованием технологии Microsoft .NET Framework и среды разработки ArcGIS Engine. ГИС ГГИ реализована в виде дополнительных функций для стандартного интерфейса ArcMap ArcGIS (рисунок 1), а также в виде самостоятельного облегченного модуля со специализированным интерфейсом. В данной работе описаны технологические цепочки использования встроенных средств ArcGIS и вновь разработанных функций для реализации задач визуализации зон микросейсмической активности.

Рис.1. Главное окно облегченной (мобильной) подсистемы ГИС ГГИ

Разработка системы картирования и визуализации на основе средств ArcGIS осуществлялась в следующих направлениях:

• решение вопросов интеграции сложившихся методов построения систем координат для данных геофизических наблюдений со стандартными географическими системами координат (СК) и картографическими проекциями;

• импорт трехмерных массивов геолого-геофизических данных (кубов) в набор трехмерных точек (шейп-файл) и решение возникающих при этом проблем со скоростью отрисовки больших объемов геоданных;

• импорт двумерных массивов геолого-геофизических данных (поверхностей) в растровые геопривязанные данные;

• внедрение разработанных программных модулей в приложения ArcGIS [4];

• разработка облегченной версии ГИС на основе библиотеки ArcObjects среды ArcGIS Engine.

1. Форматы данных

1.1. Инклинометрия скважин

Формат хранения данных инклинометрии скважины представлен в таблице 1.

Таблица 1

Формат хранения данных инклинометрии скважины

Скважина 4431 куст 604

X Y Z

+ север + восток глубина

- юг - запад по верт.

0 0 29.99

0 0 289.82

0.09 0.53 299.81

0.07 -1.08 309.79

0.15 -1.66 319.77

0.56 -2.36 329.74

1.14 -3.18 339.69

1.86 -4.09 349.62

Значения последовательных позиций скважины представлены в относительных смещениях от устья скважины на запад и на север. Принцип организации прямоугольной системы координат близок к принципу организации полевой прямоугольной системы координат, причем ось Х направлена с юга не север, а Y - с запада на восток.

1.2. Растровые данные

При анализе геологических, геофизических, петрофизических, коллекторных и продуктивных свойств залежи, а также сведений об отдельных объектах разработки используется алгоритм проецирования полученных данных на двухмерную поверхность для последующей интерпретации. Например, слайс латерального распределения, импеданс среды, накопленное значение энергии сейсмической эмиссии, скоростные характеристики среды, рельеф поверхности и фундамента осадочного чехла и т.д. - все перечисленные параметры являются непрерывными, что позволяет получить растровое изображение при их проецировании на двухмерную поверхность.

Существует большое разнообразие растровых форматов, позволяющих хранить не только яр-костные характеристики пикселя, но и географическую привязку, причем специализированные форматы (такие как geotiff) позволяют хранить несколько слоев. На рисунке 2 приведен пример формирования растрового изображения на основе имеющихся данных.

1 1 1 1 1 1 і 1 і 3

1 1 1 1 і 2 2 2 3 3

1 1 1 1 1 L. 2 1 І- A

1 1 1 1 1 Cell Property Ce 1 color

1 1 1 1 1 1 Tree cover Brown

1 1 1 1 2 Golf course Green

1 1 1 1 1 3 Lake Blue

1 1 1 1 1 і 2 3 1 ! ' ГI

1 1 1 1 1 і 2 * * 2 1

1 1 1 1 1 і 2 2

Рис. 2. Пример формирования растрового изображения.

1.3. Данные 3D сейсморазведки

На сегодняшний день возможно описывать геологические модели с очень высокой степенью детальности. Следует учесть, что современные методы обработки разнородной геоло-го-геофизической информации позволяют формировать колоссальные по объему и потенциальной детальности банки данных. В частности, важнейшей информационной основой для нефтяной геологоразведки обычно служат результаты обработки ЭБ-сейсморазведки, сформированные, как правило, в кубы данных (рисунок 2). Последние, по сути, являются технологически удобной формой упаковки разнородной информации, открывающей возможность для построения различных по целям и качествам моделей флюидодинамики[7].

2. Структура ГИС ГГИ

Система представляет собой комплекс программного обеспечения ориентированного на интегрированный подход при анализе данных различных форматов, описанных выше, что позволит максимально полно описать исследуемую область. Структура ГИС ГГИ предполагает наличие двух компонент модуля администратора и мобильной (облегченной) подсистемы.

В качестве модуля администратора используется готовое программное решение фирмы ESRI в составе модулей ArcGIS Desktop (ArcMap, ArcCatalog и др.) и его расширения - 3DAnalyst (ArcScene, ArcGlobe и др.). Приложение ArcMap обеспечивает общее управление данными, 2D-визуализацию и картографирование, преобразование стандартных систем координат и проекций, двумерный пространственный анализ с использованием средств Overlay с доступом через интерфейс ArcTools. Приложение ArcCatalog обеспечивает поиск и управление пространственными данными. Модуль 3DAnalyst обеспечивает интерполяцию векторных данных и построение трехмерных поверхностей рельефа и геофизических полей, некоторые функции пространственного 3D-анализа (расчеты растров уклонов, объемов), приложениия ArcScene и ArcGlobe обеспечивают динамичную 3D-визуализацию трехмерных векторных данных (инклинометрии скважин, кубов микросейсморазведки), растровых данных с возможностью добавления космоснимков или геофизических полей на цифровую модель рельефа. При необходимости модуль 3DAnalyst обеспечивает генерацию презентационных мультимедиа-материалов, например, 3D-облеты территорий. Наличие других модулей расширения ArcGIS, таких как SpatialAnalyst, GeostatisticalAnalyst, средств ArcInfo Worstation, существенно расширяют возможности по обработке и анализу. Административная компонента обладает функциональной полнотой геоинформационной системы и предназначена для интеграции в офисных условиях разнородных данных, подготовки картографических композиций, печати картографических материалов.

Мобильная (облегченная) подсистема позволяет в полевых условия работать с заранее подготовленными (в модуле администратора) проектами на интересующие территории. Также она обеспечивает возможность подключения к проекту вновь полученных данных непосредственно на исследуемой территории. Данная подсистема реализована на высокоуровневом языке программирования C# с использованием классов и компонент библиотеки ArcObjects (ArcGIS Engine): axMapControl, axSceneControl, axTOCControl и др.

В настоящее время функции построения картографических и 3D-проектов, преобразования инклинометрии, геофизических кубов и растров, перепроецирование векторных данных из местных систем координат в инвариантные осуществляется в модуле администратора

ГИС ГГИ. Однако стоимость лицензии мобильной компоненты составляет 600 у.е., а Arc-MAP и 3D Analyst - 5000 у.е., что позволяет широко использовать её на мобильных установках и компьютерах, а также на рабочих местах геологов и геофизиков.

3. Используемые технологии и комплексы программ

Использование в качестве модуля администратора наиболее функционально полной гео-информационной системы ArcGIS (одна из всемирно признанных ГИС) обусловлено следующими факторами:

• возможность конфигурировать ГИС как на персональном, так и корпоративном уровне;

• способность расширения функционала ГИС различными программными модулями;

• использование открытой технологии многопользовательского управления ГИС-данными;

• развитые ГИС-инструменты для создания и представления двух- и трехмерной географической информации;

• предусмотрен широкий инструментарий работы с данными дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Для разработки мобильной подсистемы ГИС ГГИ используется технология Microsoft .NET Framework, которая представляет модель программирования для платформ .NET [1]. Основными компонентами .NET Framework являются общеязыковая среда выполнения (CLR) и библиотека классов .NET Framework, включающая ADO.NET, ASP.NET и формы Windows Forms. .NET Framework предоставляет среду управляемого выполнения, возможности упрощения разработки и развертывания, а также возможности интеграции со многими языками программирования. .NET Framework представляет новую компьютерную платформу, упрощающую разработку приложений в распределенной среде Интернета.

Библиотека классов .NET Framework представляет коллекцию многократно используемых типов, которые надежно интегрируются с общеязыковой средой выполнения. Библиотека классов является объектно-ориентированной; она предоставляет типы, из которых управляемый код пользователей может выводить функциональные характеристики. Это не только делает типы .NET Framework простыми в использовании, но также уменьшает время, затрачиваемое на изучение новых средств .NET Framework. Кроме того, компоненты независимых изготовителей могут легко объединяться с классами .NET Framework. Классы коллекций .NET Framework реализуют набор интерфейсов, которые можно использовать для разработки пользовательских классов коллекций. Пользовательские классы коллекций будут без затруднений объединяться с классами .NET Framework.

ArcGIS Engine [5] - новый программный продукт для разработчиков, появившийся в семействе ArcGIS 9. Он предоставляет набор встраиваемых компонентов ArcObjects, лежащих в основе программного обеспечения семейства ArcGIS. Данный продукт предназначен для создания пользовательских настольных картографических и ГИС-приложений, встраивания новой функциональности в уже существующие приложения. Приложения, созданные при помощи ArcGIS Engine, могут соответствовать диапазону от простых картографических вьюеров до развитых ГИС-программ с возможностями редактирования и анализа, по функциональности сопоставимых со стандартными настольными продуктами ArcGIS Desktop.

ArcGIS Engine может быть использован для следующих целей[2]:

• встраивание ГИС-функциональности в собственные приложения;

• эффективное построение и распространение ГИС-приложений;

• обеспечение доступа к расширенной ГИС-функциональности из простых приложений;

• встраивание функций ГИС и картографии в другие приложения;

• построения кросс-платформенных приложений при помощи C++ и Java.

ArcGIS Engine обеспечивает стандартную среду с широким набором возможностей, позволяющих разработчикам сосредоточиться на решении задач организации, а не на построении ГИС-функциональности «с чистого листа».

4. Алгоритмы конвертации различных форматов данных

4.1. Построение инклинометрии скважины в ГИС ГГИ

В ГИС ГГИ разработан мастер импорта данных инклинометрии скважины (рисунок 3 а), согласно формата их хранения, описанного выше. Данная функция создает на основе входных данных шейп-файл из трехмерных точечных объектов. Оператор должен знать координаты устья скважины в инвариантной системе координат (СК) полигона. Данная функция доступна как в модуле администратора, так и мобильной подсистеме.

В ов***ты

|0 \PtO|ectV*J_4466 гс ВыхООКМ ЯМОС объектов zi $

|0 \Prcwd\r*J_44« іЧ> $

Нвчмчм >.ОООМ*аты

X [787S57659S527 Т |й69187 816414

Выкопав системе •ооонлг

|G«j»i_Kiu9e«.WGS84_72_60 0

[5

3 Л

J Cencri [ Параметры [ Пошл» справку» [

а б в

Рис.3. а) Мастер импорта данных инклинометрии скважины; б) мастер импорта растровых данных;

в) мастер импорта 3В-куба сейсмической эмиссии.

4.2. Импорт растровых данных

В системе предусмотрен импорт произвольных тематических растровых данных в формат геопривязанных растров: Imagine, geoTIFF, GRID. Данная функция позволяет добавить к ArcGIS проекту результаты тематической обработки и интерпретации исходных данных.

Мастер импорта (рисунок 3б) предполагает использование специализированного формата представления данных (таблица 2), однако позволяет подключать стандартные растровые изображения (tiff, jpg, bmp) с указанием параметров привязки вручную.

Таблица 2

Специализированный формат представления данных___________________

Структура заголовка специализированного формата представления данных

int1e dX Положение по оси Х точки О

int1e dY Положение по оси У точки О

Float Longitude Долгота точки О

Float Latitude Широта точки О

int1б Width Ширина растра в пикселях

int1б Height Высота растра в пикселях

шиб stepX Шаг сетки по X

шиб stepY Шаг сетки по У

int1e BaseHeights Базовая высота относительно нулевого уровня по 2.

int1e PixelSize Размер пикселя в метрах

Float MinValue Минимальное значение массива

Float MaxValue Максимальное значение массива

Структура тела специализированного формата представления данных

Float Value Данные тела бинарного файла - двумерный массив значений растра

Оператору при использовании данной функции в работе с файлом предустановленного формата необходимо указать только входные и выходные имена файлов, остальные параметры устанавливаются автоматически. При импорте растровых файлов стандартных графических форматов необходимо ввести вспомогательные параметры вручную. Данная функция доступна как в модуле администратора, так и мобильной подсистеме.

4.3. Импортирование трехмерного куба сейсмической эмиссии

Предполагается, что данный куб хранит в каждом своем элементе значение энергии, фиксируемой комплексом микросейсмических датчиков и интерпретируемой программным обеспечением. Структура исходного файл данными представлена в таблице 3.

Таблица 3

Структура файла трехмерного куба сейсмической эмиссии____________________

Структура заголовка файла трехмерного куба сейсмической эмиссии

Float Longitude Долгота точки О

Float Latitude Широта точки О

Float dX мещение по оси Х левого верхнего угла относительно точки О

Float dY Смещение по оси У левого верхнего угла относительно точки О

Float dZ Смещение по оси Ъ левого верхнего угла относительно точки О

int16 Width Ширина куба в пикселях

int16 Height Высота куба в пикселях

int16 Zheight Глубина куба в пикселях

int16 stepX Шаг сетки по X

int16 stepY Шаг сетки по У

int16 stepZ Шаг сетки по Ъ

Структура тела файла трехмерного куба сейсмической эмиссии

Float Energy Данные тела бинарного файла куба - трехмерный массив значений

Мастер импорта 3D-куба (рисунок 3в) создает шейп-файл точечных объектов с X, Y и Z-координатами. Атрибутивная таблица также содержит поле «Function», в котором хранится значение энергии для каждой преобразованной точки куба. Оператор может указать границы для данного поля, и в этом случае будут импортированы только те точки, значения энергии которых попадают в указанный интервал. Такой подход позволяет не перегружать полученный слой точечных объектов и сократить время преобразования. Данная функция доступна как в модуле администратора, так и мобильной подсистеме. Результаты импорта данных приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Результаты импорта инклинометрии скважины, растровых данных и 3D-куба сейсмической эмиссии.

Рассматриваемый в статье подход в первую очередь ориентирован на использование готовых решений фирмы ESRI, как коробочных программных продуктов ArcGIS Desktop, так и специализированных независимых ГИС, построенных на основе использования библиотеки классов ArcObjects (ArcGIS Engine) для создания единого интегрированного рабочего пространства при разностороннем анализе данных геолого-геофизических исследований. Однако существуют ограничения на использование вышеописанного подхода, связанные с возможностями используемого программного продукта (например, скорость прорисовки элементов куба в ArcMap и ArcScene значительно падает при одновременном отображении более 2 млн. объектов[3]), но интенсивное развитие решений фирмы ESRI позволяет говорить о скором решении подобного рода ограничений.

Разработка облегченного (мобильного) программного комплекса[6], использующего для отображения геоданных компоненты библиотеки ArcObjects, позволит, в первую очередь, использовать передовые решения в области ГИС, а также закладывать в приложения собственную бизнес-логику, ориентированную на решение специализированных задач.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке из средств комплексного проекта 2005-РИ-00.0/009/202 «Разработка комплексной технологии поиска и разведки углеводородов в сложно построенных, глубокозалегающих месторождениях» в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы в соответствии с государственным контрактом № 02.467.11.7008 от 10.11.2005 г. между Югорским научноисследовательским институтом информационных технологий и Федеральным агентством по науке и инновациям Российской федерации и договором №05-427-ЮГУ (НИР) от 14.11.2005 г. на выполнение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ между ЮНИИ ИТ и Югорским государственным университетом.

ЛИТЕРАТУРА

1. http://msdn.microsoft.com - описание технологии .NET.

2. http://www.esri.com - сайт ГИС ассоциации и компании ESRI.

3. http://edndoc.esri.com - сайт документации по программным продуктам компании ESRI.

4. http://www.mi-perm.ru/gis/programs/slice3d/index-rus.html - сайт программного продукта Slice3D, группы разработки GIS-LAB.

5. ArcGIS Engine Developer Guide // ESRI Press, 2005

6. Суляев Я.С, Шорин О.М, Алсынбаев К.С Возможности использования коммерческих ГИС для поддержки геофизических исследований перспективных месторождений // тезисы III Международной научно-практической конференции «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования», г. Ханты-Мансийск 2006 г.

7. Мадатов А.Г., Середа А.-В.И. (МГТУ, кафедра высшей математики и программного обеспечения ЭВМ). Формирование рациональной структуры бассейновой модели среды // Всероссийская научно-техническая конференция «Наука и образование - 2002», г. Москва 2002.