Применение информационных технологий при оцифровке и обработке геолого-геофизических данных

УДК 550.8.053:004 Н.А. Мазур, А.П. Легейдо

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПРИ ОЦИФРОВКЕ И ОБРАБОТКЕ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Дается краткое описание процессов оцифровки и обработки геофизических данных с помощью специально разработанного программного обеспечения, включающего такие широко распространенные программные средства, как ArcView, Surfer, R2W32 и AutoCAD. Информационные технологии применяются на разных стадиях оценки рудоносных и нефтегазоносных площадей.

Предприятие «Иркутскгеофизика» более 50 лет проводит региональные, поисковые и детализационные геофизические работы с целью изучения геологического строения, поисков и оценки рудоносных и нефте-газоносных площадей в пределах Восточной Сибири (Иркутская область, Красноярский край, республика Саха-Якутия) и Дальнего Востока (Камчатка, Амурская область) с применением различных методов сейсморазведки, электроразведки, гравиразведки и магниторазведки. За эти годы накоплен огромный фактический материал, требующий комплексного анализа и обработки с применением современных информационных технологий, что позволяет повысить качество геолого-геофизической интерпретации этих материалов.

Комплексирование методов базируется на следующих положениях:

-геофизические методы имеют свою специфику и показывают особенности строения геологического разреза;

-в реальных условиях геофизические поля связаны между собой и зависят от состава и состояния вещества;

-наиболее полная картина геологического строения выстраивается при разносторонних исследованиях комплексом методов.

Реализация комплексного анализа основана на использовании материалов потенциальных полей и сейсморазведки. В потенциальных полях - это карты и графики суммарного поля, региональные и локальные составляющие поля и их градиен-

ты, а также эффективные параметры разреза, в сейсморазведке - временные разрезы.

В процессе сопоставления материалов производится взаимная корректировка данных потенциальных полей и временных разрезов. В потенциальных полях определяются граничные условия аномалий и их связь с геологическими объектами и временным полем. На сейсмическом материале уточняется стратиграфическая привязка и проводится корректировка корреляции горизонтов по временным разрезам МОГТ, на основе данных потенциальных полей и ГИС.

С целью формирования данных в цифровом виде для дальнейшей компьютерной обработки выполняется оцифровка полевых материалов. Формирование данных в цифровом виде и приведение их к требуемым для дальнейшей работы форматам осуществляется с помощью специально разработанного программного обеспечения. Сама же векторизация производится в таких программных средствах, как ArcView, Surfer, R2W32, AutoCAD и другие. Рассмотрим процессы оцифровки и обработки данных.

Существует большое количество информационных технологий, с помощью которых возможно реализовать процесс векторизации растровых изображений: Ор-тофотоплан; Delta; MicroStation & PlantSpace & InRoads; Zulu 5.2; GTXImage CAD; IcoPen; Сканер-карта; Easy Trace; Feature Analyst; RasterID; PlanTracer; Image Analyst; I/RAS C; I/RAS B; MicroStation Descartes; Vectory; Autodesk CAD Overlay;

Spotlight Pro; Spotlight; Autodesk Raster Design; МАГИС; GTX RasterCAD; Интелфо-то; Dkard Base Line; ГЕОР; Панорама; GEO+CAD; ИГС CityCom; GeoDraw; Талка; GeoVec Office; MapEDIT; ИнГео; PHOTOMOD; Интелвек; Digitals; RasterDesk; Raster Arts; R2W32 (R2V). Рассмотрим лишь наиболее часто употребляемые. Достоинства и недостатки каждой системы рассматриваются с учетом того, что на выходе необходимо получить файл *.xyz, содержащий координаты и альтитуды изолиний, записанные в три столбца соответственно.

Оцифровка в ArcView. ArcView представляет собой законченную картографическую систему и разработана Environmental Systems Research Institute (ESRI) [2]. Шейп-файлы и слои ArcView хранятся в реальных координатах. Для того, чтобы отображать растровые данные совместно с покрытиями или шейп-файлами, производится трансформация изображения, в процессе которой координаты изображения привязываются к реальным координатам. Параметры трансформации обычно сохраняются вместе с изображением. Некоторые растровые форматы, такие как ERDAS, IMAGINE, BSQ, BIL, BIP, GeoTIFF и гри-ды хранят информацию о географической привязке в заголовке файла изображения. ArcView использует эту информацию, если она присутствует в файле. Однако другие форматы хранят эти данные в отдельных файлах формата ASCII. Такие файлы обычно относят к так называемым мировым (world) файлам, поскольку они содержат информацию о привязке изображения к реальным мировым координатам. Их можно создать любым текстовым редактором, а также с использованием команды REGISTER ГИС ARC/INFO.

Для начала необходимо сделать привязку растра. При оцифровке в ArcView привязку делают в ENVI, так как это наиболее удобно. С помощью данного программного продукта создается так называемый мировой файл.

Если такой файл существует, Arc-View производит трансформацию изобра-

жения к реальным мировым координатам. По существу, трансформация является аффинным преобразованием с 6 параметрами в следующей форме:

x1 = Ax + By + C, y1 = Dx + Ey + F, где x1 = рассчитанное значение координаты x карты для пиксела; y1 = рассчитанное значение координаты y карты для пиксела;

x = номер столбца пиксела изображения; y = номер строки пиксела изображения; A= шкала x (размерность пиксела в единицах измерения карты по оси x);

B, D = параметры вращения (rotation terms);

C, F = параметры точки отсчета (translation terms); координаты карты x,y для центра верхнего левого пиксела;

E = обратная шкала y (размерность пиксела в единицах измерения карты по оси y).

Шкала y (E) является обратной, поскольку координаты точки отсчета изображения и географическая система координат различны. Точка отсчета изображения находится в верхнем левом углу, в то время как координатная система карты - в нижнем левом. Порядковый номер строки изображения увеличивается по направлению вниз, а значение координаты y - по направлению вверх.

Параметры трансформации хранятся в мировом файле в следующем порядке: 20.17541308822119 - A 0.00000000000000 -D 0.00000000000000 - B -20.17541308822119 -E 424178.11472601280548 -C 4313415.90726399607956 - F После привязки начинается этап оцифровки, в результате которой с помощью необходимого модуля получается файл с расширением *.gen, хранящий в себе информацию обо всех оцифрованных изолиниях.

Недостатки: структура файла с расширением *.gen не соответствует требуемой для дальнейшей обработки; Arc-View не является самостоятельной системой для оцифровки и требует применения

дополнительных приложений.

Достоинства: широкие возможности (позволяет использовать для оцифровки объекты разного типа, например, линии, точки, полигоны); важной особенностью является поддержка полноценной работы со слоями, базами данных, а также с внешними файлами (*.xls, *.txt и т.д.).

Оцифровка в Surfer. Программа Surfer разработана Golden Software, Inc. Представляет собой многофункциональную геоинформационную систему [3].

Оцифровка в Surfer производится в относительных координатах, а затем выполняется пересчет координат в необходимую систему.

Первый этап. Производится оцифровка точек привязки, координаты которых записываются в специальный файл с расширением *.bln. Также в этот файл вручную записываются географические координаты этих точек.

Второй этап. Координаты оцифрованных изолиний записываются в отдельные файлы так же с расширением *.bln. После оцифровки всех изолиний необходимо сделать ряд операций: во-первых, в каждом файле подписать в третьем столбце альтитуду (высотную отметку изолиний), во-вторых, соединить все файлы в один. После проведенных операций производится пересчет из относительных координат в географические с помощью специально разработанной программы «Переход от одной декартовой системы координат к другой» и разработанной специалистами партии Комплексного анализа Геоинформационного центра (ГИЦ) «Иркутскгеофи-зики». Приложение также рассчитывает угол поворота карты относительно старой системы координат. Программа позволяет достаточно быстро получить исходный файл в той форме, которая используется в дальнейшей работе.

Недостатки: процесс оцифровки заметно осложнён множеством этапов, и созданием большого количества файлов. Работа со слоями доступна лишь в частичной форме.

Достоинства: может использоваться

как самостоятельное средство для оцифровки, но с применением одного дополнительного модуля; позволяет использовать для оцифровки объекты разного типа (например, линии, точки, полигоны).

Оцифровка в AutoCAD. Система AutoCAD разработана американской фирмой Autodesk в начале 80-х годов и предназначена не только для черчения, но и для формирования трехмерных моделей [1].

Широкое распространение системы в России началось с десятой версии, которая работала в операционной системе MS DOS, существовала как в английском, так и русском вариантах (как, впрочем, и в других национальных модификациях).

Данный программный продукт используется при оцифровке карт графиков, карт изолиний, топографических карт и т.д. на цифровом столе (рис.1). После оцифровки получается файл с расширением *.dxf, который в дальнейшем с помощью специального приложения преобразуется в *.dat.

Рис 1. Система оцифровки карт и графиков

Отличительной особенностью этого программного пакета является возможность работы через командную строку. Действия абсолютно всех инструментов

можно продублировать через командную строку, а некоторые выполняются только так. Операция привязки выполняется при помощи специального алгоритма, вызываемого через командную строку. Привязка может осуществляться по произвольному количеству точек (минимальное количество - 2 точки). AutoCAD поддерживает три метода преобразования координат: аффинное, полиномиальное и ортогональное.

Недостатки: этап оцифровки, можно сказать, производится вслепую, так как карта находится на цифровом столе, а результат векторизации выводится на монитор компьютера, что не позволяет сразу выявить ошибки оцифровки.

Достоинства: на выходе получаем файл с необходимой структурой для дальнейшей обработки; может использоваться как самостоятельное средство для оцифровки; позволяет использовать для оцифровки объекты разного типа (например, линии, точки, полигоны).

Оцифровка в R2W32. Программа R2W32 (или R2V) компании Able Software не требует особых специальных навыков работы и не нуждается в наличии больших технических ресурсов. Регистрация (привязка) растровых данных производится минимум по четырем опорным точкам. Для того, чтобы выбрать опорную точку, достаточно поставить флажок на пункте Select Control Points меню Vector, затем с помощью мыши указать необходимую точку и в появившемся окне ввести координаты той системы, в которую необходимо перевести растровое изображение. Для дальнейшей работы с изображением после выделения опорных точек в необходимой системе координат нужно выбрать команду Geo-Coded Coordinates меню View. R2V способна работать с растровыми изображениями, а также воздушными и спутниковыми фотоснимками.

Векторизация растровых изображений в данном программном продукте может производиться вручную, полуавтоматически и автоматически. Для полуавтоматического и автоматического режимов

оцифровки требуется перевести цветное изображение в черно-белый вариант.

Недостатки: при работе с данным программным продуктом не было выявлено каких-либо существенных недостатков.

Достоинства: на выходе получаем файл с необходимой структурой для дальнейшей обработки; может использоваться как самостоятельное средство для оцифровки; позволяет использовать для оцифровки объекты разного типа (например, линии, точки, полигоны).

Обработка данных. Оцифровку аналоговых магнитограмм можно производить двумя путями: на цифровом столе (рис. 1) и с помощью устройства ввода «RAT». Оцифровка производится с помощью программы AutoCAD, в которой формируется файл *.dxf. Файл *.dxf передается на вход программы 'grin*.exe', создающей файлы *.tim и *.nor, которые сохраняются в базе данных и в дальнейшем идут в процесс автоматизированной увязки поля, при помощи авторского программного обеспечения. Файлы типа *.nor содержат информацию координатной привязки и имеют структуру: Ni; ti; Х^ Yi, где Ni -номер ориентира, ti - время регистрации ориентира, Хi и Yi - координаты ориентира. Файлы типа *. tim содержат данные о значении наблюденного поля и имеют структуру: ti; Ti, где Ъ-время замера, Тг измеренная интенсивность магнитного поля.

Полученные файлы двух типов синхронизируют значения напряженности поля и координатную привязку точек наблюдения при их регистрации посредством общего параметра ti..

Оцифровка карт графиков ведётся на цифровом столе. Карты графиков представляют собой графики, совмещенные с линиями профилей, нанесённых на топографические трапеции. Они имеют выдержанный горизонтальный масштаб в двух направлениях. В итоге также имеем файлы *.tim и *.nor, которые сохраняются в базе данных и в дальнейшем увязываются.

Оцифровка графиков аналогична вводу карт графиков. Различие только в

координатах для калибровки листа на столе. Результат - файлы *.tim и *.nor.

Оцифровка карт изолиний ведётся на цифровом столе. Результат в виде файла с расширением *. xyt. Его структура: X, Y, Z, Т, где X, Y - прямоугольные координаты, Z - высота полёта или альтитуда местности, Т - значение магнитного поля или любого другого параметра. Этот файл не нуждается в увязке и сохраняется в базе данных.

После оцифровки производится просмотр введённого материала. Допущенные ошибки исправляются. Вся оцифрованная информации для целей безопасности информация сохраняется на архивных и резервных CD-дисках емкостью 700 Мб.

Оцифрованный материал разделен на объекты. Каждому объекту присвоено индивидуальное имя, объект содержит описание (файл *.txt), координаты внешних границ участка (файл *.con), файлы исходного представления материала (*.ini) и собственно данные. Структура данных со-

ответствует записи значения для каждой точки.

Комплекс существующего программного обеспечения позволяет решить основные геологические задачи, состоящие в учете физических неоднородностей разреза, пропускаемые при исследованиях волновыми методами, выделять физические границы в межпрофильном сейсмическом пространстве на основе данных потенциальных полей, что в конечном итоге повышает качество геологических построений.

Библиографический список

1. Смирнов Д. В. Методические указания к изучению курса «AutoCAD 2004 rus», Москва, 2004.

2. ArcView GIS software's JPEG image extension is based in part on the work of the Independent JPEG Group. Copyright 19911997 Thomas G. Lane.

3. Surfer - руководство пользователя,

2003.

Иркутский государственный технический униферситет ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» Рецензент А.Г.Дмитриев