Мэтью ДеМеритт, корреспондент компании Esri
Modeling the Terrain Below
Специалист по геоинформационным технологиям и графическим отображениям Геологической службы штата Иллинойс разработала ГИС-инструменты, которые помогают визуализировать подземную геологию и поперечные разрезы на 3D картах и сценах.
С тех пор, как в 1815 году Уильям Смит создал первую современную геологическую карту, геологи отображают 3D данные на 2D картах, используя поперечные разрезы. Эти разрезы, показывающие толщи пород земной коры, напоминают вид сбоку куска слоеного пирога и дают геологам ценное представление о том, что находится под землей. Сегодня создание поперечных разрезов остается важным промежуточным шагом при визуализации подземных структур в истинном 3D представлении.
До начала широкого использования компьютеров создание динамических 3D представлений подземных структур было практически невозможным. Сегодня специалисты наук о Земле имеют гораздо больше информации о подземных структурах и располагают сложными программными комплексами для анализа и управления данными. Это открывает новые возможности создания 3D представлений подземного мира.
Недостатки ручной отрисовки поперечных разрезов
В 2007 году Дженнифер Каррелл, специалист по ГИС и графике Геологической службы штата Иллинойс (ISGS) из Института изучения прерий Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, решила усовершенствовать процесс создания поперечных разрезов на геологических картах. В то время большинство геологов все еще рисовали поперечные разрезы вручную и отдавали их Каррелл для оцифровки в среде ArcGIS, являющейся базовой ГИС-платформой Геологической службы США. Но метод на основе ручной отрисовки часто приводил к ошибкам, на исправление которых уходило много времени.
«Каждая неточность в поперечном разрезе распространяется по всей карте и обычно может быть прослежена до определенного шага ручного процесса, – отмечает Каррелл. – Например, если местоположение одного геологического контакта на поперечном разрезе смещено на 50 футов, то и последующие контакты по линии поперечного разреза скорее всего также окажутся смещены по меньшей мере на 50 футов. Идеальным решением является ввод данных в ArcGIS для автоматического создания основы поперечных разрезов». Каррелл осознавала потребность в решении, которое использовало бы комбинированный функционал собственных инструментов ArcGIS для существенного ускорения создания актуальных 2D и 3D представлений поперечных разрезов.
Разрез Xacto
С этой целью Каррелл создала в Visual Basic инструмент, генерирующий 2D профиль поперечного разреза в виде коллекции шейп-файлов полилиний и точек, который можно редактировать в цифровом виде в ArcMap и/или экспортировать в Adobe Illustrator для конечной обработки. «Сенсорные данные, например лидарные, могут дать очень точный профиль поверхности земли, а наземные геофизические методы, такие как гамма-каротаж, помогают сделать с разумной точностью оценку толщины каждого подземного слоя». Полученные поперечные разрезы можно экспортировать в виде 3D векторных объектов для просмотра и редактирования в приложении ArcGIS ArcScene (рис. 1). Каррелл назвала свой инструмент создания разрезов Xacto Section за его способность фактически нарезать кусками землю и более точно вычислять профили подземных структур.
Рис. 1. Процесс создания геологических поперечных разрезов в ArcGIS: из выходных данных программы Xacto в 2D представления в ArcMap и 3D представления в ArcScene.
Каррелл протестировала и ряд других компьютерных программ, позволяющих автоматизировать отрисовку поперечных разрезов, но нашла, что они слишком дороги или громоздки для того, чтобы их можно было легко встроить в существующий процесс картографического производства.
Лес скважин
Картографирование подземной геологии похоже на попытку сложить головоломку, в которой не хватает 90 процентов частей. Значительную часть геологических данных получают при бурении скважин для технологических целей или разведки на воду, уголь, нефть, газ и другие природные ресурсы. И при достаточном количестве проб можно отчетливо идентифицировать геологические слои.
Рис. 2. Слева: поперечные разрезы на бумажной карте; справа: поперечные разрезы, представленные в 3D в ArcScene.
Вдохновленная результатами тестирования Xacto Section, Каррелл решила создать похожие инструменты для графического отображения данных скважин, которые использовали бы преимущества функционала 3D визуализации приложения ArcScene. С помощью инструментов 3D Borehole геологи, работающие в ArcScene, могут визуализировать скважины в виде 3D «леса» вертикальных цилиндров или трубок вместо линий, используемых для их представления на 2D схеме (рис. 3, 4).
Рис. 3. В ArcScene можно сочетать 3D представления скважин с поперечными разрезами.
Рис. 4. Скважины и поверхности, интерполированные из выборок скважин.
«Инструменты 3D Borehole в ArcGIS позволяют геологу брать табличные данные скважин (атрибуты x,y,z) и представлять их в виде 3D трубок в ArcScene», – говорит Каррелл. Используя эти инструменты, геологи могут легко работать с данными протоколов бурения и геофизическими данными для их классификации и интерпретации как картографических элементов. Затем из точечных данных интерполируются поверхности и создается концептуальная рабочая модель геологических слоев в заданной области.
Вначале Каррелл создала инструмент построения поперечных разрезов преимущественно для 2D картографических процессов. А затем, по мере того, как ISGS накапливала ГИС-файлы поперечных разрезов, она начала конвертировать их в 3D и отображать их вместе с 3D скважинами в ArcScene (рис. 5). Таким образом, они стали не просто статическим картографическим продуктом, но ценными входными данными, которые можно использовать и для картографирования геологии соседних областей. «Этот переход от 2D к 3D визуализации был очень значимым для геологов ISGS, так как дал представление о глубине, требуемое для изучения сложных последовательностей отложений», – отмечает Каррелл.
Рис. 5. Слева: схема континентального ледника и нескольких связанных форм рельефа; справа: вид скважин сбоку позволяет увидеть песок и гравий (оранжевые и желтые сегменты) древней дельты и морену (голубые сегменты).
Инструменты в действии
Геологи ISGS используют эти инструменты для построения 3D моделей подземных структур в масштабе округа или региона. Например, эти модели помогают властям и коммунальным компаниям разрабатывать планы водоснабжения, в том числе в быстрорастущих районах близ Чикаго. Возможность визуализировать геологические данные в 3D представляет особую ценность для геологов при картировании отложений песка и гравия, которые являются потенциальными источниками грунтовой воды для нужд населения, сельского хозяйства и промышленности.
Поскольку геологическая история, которую можно прочесть, анализируя пробы грунта из скважин, – это и история климатических изменений, визуализация данных в 3D ценна также для исследований климата. Так, Каррелл в настоящее время работает с сотрудниками ISGS, изучающими ледниковую геологию Иллинойса. «Возможность видеть данные скважин в 3D облегчает распознавание ледниковых форм рельефа, таких как конусы выноса, дельты, озера и проливы, – говорит Каррелл. – Это помогает составить более подробную историю движения ледников в этой местности на протяжении последних двух миллионов лет».
Помимо гидрологических и климатических исследований, предложенные Каррелл инструменты используются гражданскими строителями и органами власти. Динамические представления экстента водоносных слоев или местоположения карстовых воронок, которые могут поглотить дома, помогают улучшить анализ ситуации и снизить риски. «Представление наших данных в 3D оказывает гораздо большее воздействие на аудиторию, – говорит Каррелл. – Все, что мы делаем, как геологическая служба, для повышения точности и доступности наших научных данных, идет на пользу обществу».
С тех пор, как Каррелл выложила свои картографические инструменты для ArcMap и ArcScene на обменный ресурс разработчиков (см.: codesharing.arcgis.com), они были скачаны несколько тысяч раз. Каррелл получила отзывы коллег-геологов и учреждений из Италии, Германии, Нидерландов, Аргентины, Канады и других стран. «Поперечные разрезы используются во многих науках о Земле и в городском планировании, – говорит Каррелл. – Приятно осознавать, что инструменты, которые я создала, оказались столь востребованы».
