Применение цифровых моделей при ведении государственного мониторинга состояния недр

А.Г.Демиденко (ЗАО КБ "Панорама") В 1989 г. окончил факультет прикладной математики Харьковского ВВКИУРВ им. Н.И. Крылова. В настоящее время — заместитель генерального директора ЗАО КБ "Панорама" по научной работе. Кандидат техническихнаук.
Г.Д.Васильев, О.В.Зеркаль, Р.В.Васильева (ФГУП "Гидроспецгеология")

  Главные задачи ведения государственного мониторинга состояния недр (ГМСН) - оперативная оценка состояния недр, прогноз изменения этого состояния во времени под воздействием динамично изменяющихся природных и техногенных факторов. Решение этих задач невозможно без знания строения геологической среды и протекающих в ней процессов. Таким образом, основой ведения ГМСН в ближайшем будущем должны стать цифровые 3D- модели изучаемых геологических объектов и территорий. Создание и ведение цифровых (3D) моделей строения геологической среды должно базироваться на анализе и обработке данных геологических, геохимических, геофизических, гидрогеологических, инженерно-геологических, дистанционных, сейсмологических и других методов исследования земной коры. При анализе протекающих в недрах процессов объем информации может увеличиваться за счет привлечения данных мониторинга других компонентов окружающей природной среды. Все эти данные одновременно и динамически способно объединить четырехмерное пространство, в котором четвертая составляющая - время. Эффективный анализ четырехмерного пространства невозможен без использования компьютерных технологий, которые позволяют не только хранить и адекватно представлять четырехмерную информацию, но и использовать ее при проведении различных расчетов. В процессе работы специалист оперирует в воображении трехмерной картиной, которую затем преобразует в двумерный срез для того, чтобы записать информацию на твердый носитель. При этом неизбежно происходит потеря части информации. До недавних пор эта потеря воспринималась как неизбежная, однако, в последнее время появилась надежда на решение этой проблемы. То, что нельзя было сделать на бумажных носителях, оказывается возможным при использовании носителей электронных.
  Программное обеспечение для решения информационно-аналитических задач, связанных с ведением мониторинга состояния недр в последние годы интенсивно используется специалистами в виде интегрированных горно-геологических информационных систем (ГГИС). По функциональному наполнению эти системы имеют много общего с традиционными ГИС, но отличаются некоторыми особенностями, основные из которых:

• изначальное ориентирование на решение ЗD-задач в связи с естественной трехмерностью геологического пространства и трехмерностью объектов изучения мониторинга и параметров, которые их характеризуют;
• применение широкого комплекса методов математического моделирования для описания строения геологической среды;
• необходимость автоматизированного создания многослойных детальных тематических карт, планов и разрезов различного масштабного ряда;
• наличие модулей или подсистем решения специальных технологических задач (от подсчета объемов и запасов до календарного планирования и оптимизации добычи);
• возможность визуализации динамических, изменяющихся во времени процессов и их наглядное графическое представление.

      Большинство ГГИС являются продукцией зарубежного производства. Они предназначены для квалифицированных специалистов, прошедших специальный курс обучения и овладевших приемами компьютерной методики построения цифровых моделей. Как правило, при эксплуатации систем требуется значительная и длительная адаптация моделей для каждого конкретного месторождения. Стоимость базового зарубежного программного обеспечения обычно составляет более 10 тыс. дол., а дополнительный комплект модулей (например, по оперативному планированию, оптимизации открытого карьера или гидрогеологии) может увеличить итоговую стоимость приобретаемого пакета до 50 тыс. дол. Реальность текущего момента такова, что для активного завоевания отечественного рынка программное обеспечение для решения задач моделирования должно стать более дешевым и мощным, иметь "дружественный" интерфейс пользователя и удобную систему помощи, а также должно позволять использовать не только информацию о строении геологической среды, но и данные, содержащиеся на цифровых топографических картах различного масштаба.
  Полнофункциональная профессиональная ГИС "Карта`2000" позволяет выполнять все виды обработки топографической информации совместно с различными типами матричных данных. Из-за специфики первоначальной ориентации ГИС на обработку топографической информации, объекты, отображаемые на топографической карте, имели двумерное представление с набором атрибутов в семантическом виде. В ходе развития системы была добавлена возможность хранения и обработки объектов 3D-типа, что позволит создавать модели геологической среды в процессе решения задач ведения ГМСН. Варианты связи пространственной и атрибутивной информации для разных типов геологических данных представлены в геореляционной или интегрированной форме. Рассеянные точки рельефа поверхности, границы раздела геологической среды, однозначно проецируемые на горизонтальную плоскость, рассматриваются как точки 2D, тогда как точки геологического опробования массива пород считаются точками 3D. Это позволяет в дальнейшем выборочно применять двумерные или трехмерные методы интерполяции, такие, как метод обратных расстояний, точечный или индикаторный кригинг, интерполяцию по сетке треугольников и т. д. [1, 2]. В результате формируются интерполяционные 2D-мoдeли поверхностей раздела среды или 3D-мoдeли геологического строения среды. Последние называют блочными, регулярными и нерегулярными моделями. Одним из вариантов регулярной блочной 3D-модели геологической среды является матрица слоев ГИС "Карта`2000".
  Матрица слоев представляет собой регулярный массив значений абсолютных высот и мощностей слоев. В отличие от матрицы высот, в одном элементе которой представлено одно значение - абсолютная высота, в матрице слоев элемент матрицы имеет набор значений - абсолютная высота, мощность 1-го слоя, мощность 2-го слоя,… мощность N-го слоя. Мощность слоя определяет его толщину, другими словами, расстояние от верхнего (кровля) до нижнего (подошва) уровня пласта. Порядок следования слоев задается относительно уровня земной поверхности. Слои не могут пересекаться, менять свое порядковое расположение и могут быть представлены в одном элементе матрицы только раз. Слои могут выклиниваться (вырождаться), т. е. мощность принимает нулевое значение. На первый взгляд кажется, что это ограничения, но на самом деле такой подход к хранению информации позволяет структурировать данные и получать информацию о геологическом строении в любой точке поверхности земли, покрываемой матрицей слоев, с максимальной эффективностью и точностью.
  Началом работы в любой ГИС является разработка вопросов стандартизации ввода и хранения информации. Логическая структура данных ГИС "Карта`2000" определяется классификатором семантической информации. Одним из важных этапов создания геологической модели является оперативное извлечение из подготовленных баз данных параметров, содержащих информацию о геологическом строении среды и/или о физических, химических и других свойствах среды. В ГИС "Карта`2000" нет жестко определенной структуры таблиц с геологическими данными. Структура геологической модели среды определяется при взаимной настройке легенды создаваемой матрицы слоев и классификатора атрибутивной информации (рис. 1). Такая методика позволяет использовать базы данных, подготовленные любой программой.

  Для четкого представления процесса построения матрицы слоев в ГИС "Карта`2000" приведем алгоритм создания матрицы по пикетам наблюдения (результатам исследования скважин). Условно процесс можно разделить на два этапа: построение триангуляции и собственно заполнение элементов матрицы. Триангуляция нерегулярного массива пикетных точек выполняется в соответствии с теоремой Делоне. При вычислении значений элементов матрицы используется уравнение плоскости, походящей через три точки. В каждом треугольнике по значениям показателя в его вершинах однозначно определяется линейная функция. Таким образом, всю поверхность, восстановленную по набору данных и триангуляции, можно представить в виде многогранника с треугольными гранями в пространстве. Имеется ряд методов, позволяющих "сгладить" эту поверхность в результате задания внутри каждого треугольника полиномиальной функции, коэффициенты которой определяются на основе численных значений частных производных в вершинах треугольника. При увеличении степени полиномов можно добиться заданной степени гладкости [3].
При заполнении матрицы слоев в части значений абсолютных высот рельефа может быть использована информация из матрицы высот, полностью или частично покрывающая участок построения матрицы слоев. При наличии матрицы высот и значений абсолютной высоты у пикетов наблюдений приоритет отдается матрице высот.
Построенная матрица слоев несет в себе всю полноту информации о геологическом строении исследуемого участка поверхности, но без эффективных средств визуализации она мало полезна. Матрица слоев является регулярным набором 3D-типа, а монитор компьютера позволяет выполнять визуализацию на плоскости с координатной привязкой 2D-типа. Для визуализации объемных тел необходим механизм пересчета координатного описания объектов 3D-типа к двумерному пространству [4]. Наглядность отображения достигается при использовании цветовой палитры для передачи информации о третьей координате. Сложность визуализации матрицы слоев состоит в том, что элемент матрицы содержит не только координату Н, но и набор значений мощностей слоев. Для визуализации матрицы слоев в ГИС "Карта`2000" предусмотрено несколько вариантов отображения: на плоскости, на плоскости указанного слоя и в виде трехмерной модели матрицы слоев.
Отображение на плоскости используется для визуализации совместно с векторной картой и для выполнения по матрице слоев расчетных задач. Матрица слоев визуализируется по тем же принципам, что и матрица высот, цветовая палитра и крап могут нести информацию о геологическом строении среды (возраст пород, состав пород и др.). При необходимости палитру цветов рельефа можно отключить, в этом случае визуализируются те слои, которые выходят на поверхность. Цветом слоя можно управлять, используя легенду матрицы.
Трехмерное отображение применяется для получения представления о геологическом строении среды. Трехмерное отображение является результатом математического преобразования 3D-модели геологической среды к двумерным координатам экрана в виде аксонометрического объема, узлам которого приписаны различные описывающие его параметры. Рельеф матрицы слоев визуализируется по тем же принципам, что и матрица высот. Слои модели геологического разреза отображаются в соответствии с цветовой палитрой и крапом, описанными в легенде матрицы (каждый слой определенным цветом). Даже объемное, но неподвижное изображение объекта является для человека малоинформативным, ему хочется рассмотреть моделируемый объект со всех сторон, а также "заглянуть внутрь" его в результате сечения модели объекта по различным направлениям. Непременным принципом полноценного "диалога" человека с компьютером является динамичность визуализации модели объекта в плоскости экрана [5]. Для реализации принципа динамической визуализации в средства 3D-изображения введены геометрические преобразования изображения: вращение вокруг центральной точки, изменение угла наклона и масштаба модели (рис. 2 и 3).

  Как видно из рис. 2 и 3, при визуализации модели возможно построение сечений от центральной точки к границам матрицы. Использование этой возможности позволяет при динамическом вращении просмотреть внутреннее строение всей модели, что является немаловажным при анализе геологического строения среды.
  Создание 3D-модели геологической среды с использованием матрицы слоев позволяет строить разрезы (профили) по произвольно выбранным направлениям. Профиль матрицы может быть произвольным или по контуру указанного объекта. Матрица слоев рассекается вертикальной плоскостью по указанной линии, и сечение визуализируется в соответствующем окне, - каждый слой отображается определенным цветом, в соответствии с легендой (рис. 4). Верхняя граница строится по рельефу земной поверхности, нижний уровень ограничен глубиной исследования. При построении профилей в различных направлениях можно получить представление о строении геологической среды.

  По матрице слоев можно выполнять расчетные операции: подсчет мощностей слоев в границах матрицы или указанных пользователем; построение сечений модели по абсолютной высоте, по кровле (подошве) любого горизонта или по произвольно заданной поверхности; построение зон соответствия (например, для выяснения расположения максимальной мощности слоя) и др.
  При изучении и анализе параметров геологической среды, изменяющихся во времени, возникают ситуации, когда размерность данных больше чем трех: например, модель, описывающая изменение уровня подземных вод во времени. С формальной точки зрения - это четырехмерная пространственная модель (XYZT), но для анализа, данные можно представить в виде набора трехмерных моделей (XYZ) при фиксированном значении параметра T. Таким образом, не изменяя структуры хранения данных, появляется возможность анализа параметров, характеризующих состояние недр и их изменение во времени. К сожалению, довольно сложно при помощи статических рисунков наглядно показать динамику изменения параметров во времени. Ее можно представить в виде фильма из отдельных эпизодов, при этом эпизодами можно управлять, применяя указанные выше геометрические преобразования и устанавливая временной интервал смены эпизодов. Благодаря динамической визуализации и простоте управления этим процессом, пользователь освобождается от запоминания большого количества данных и может полностью сконцентрироваться на анализе происходящих процессов и принятии соответствующих решений.

Методы динамической визуализации параметров, изменяющихся во времени, могут применяться в вариантах 3D- и 2D-моделей. Например, на рис. 5 представлен эпизод динамической визуализации уровня подземных вод в течение определенного периода времени. Изменение уровня подземных вод за текущий месяц отображается в разрезе голубым цветом, уровни изменения подземных вод в течение предыдущих и последующих месяцев показаны в виде линий разного цвета.
  Таким образом, матрица слоев является мощным инструментом для создания и исследования объемных моделей геологического строения среды и процессов в ней протекающих. Программно-технический комплекс ГИС "Карта`2000" позволяет существенно сократить время построения модели, ее анализа и принятия решений в зависимости от результатов исследования. И хотя от квалификации специалиста, его опыта и умения пользоваться программно-техническими средствами в значительной мере зависит качество решения задачи, данный программный комплекс предоставляет большие возможности по созданию и визуализации 3D-моделей геологической среды и процессов, обуславливающих изменение состояние недр. Более подробные сведения о ГИС "Карта`2000" можно найти в Интернет на сайте http://www.gisinfo.ru.