А.Б. Кирмасов, к. г.-м. н., н.с. лаб. тектонофизики геол. ф-та МГУ,
KIRM@geophys.geol.msu.ru
ArcView, как настольная ГИС-система, использует целый комплекс средств пространственного анализа: выбор объектов по их атрибутам или пространственному положению по отношению к объектом других тем, создание буферных зон, объединение и пересечение тем (с помощью мастера пространственных операций в версии 3.2), подсчет плотности точечных объектов и статистический анализ методом ближайшего соседа, реализованные в модуле Spatial Analyst и др. Вместе с тем, при анализе пространственных данных можно привлекать «скрытые» возможности ArcView, при необходимости извлекая с помощью языка программирования Avenue полную информацию о шейп-объектах (для линий — длину, количество узлов и дуг, положение начальной и конечной точек, пересечение с другими линиями и др.)
Одной из распространенных геологических задач, применяющихся при проведении тектонических и инженерно-геологических исследований, поисках различных видов полезных ископаемых, является анализ трещиноватости породных массивов (рис. 1, а). С точки зрения ГИС-анализа данная задача представляет собой изучение закономерностей распределения линейных объектов (трещин, разрывов) на площади. Создание расширения, включающего ряд скриптов с простыми алгоритмами, позволяет существенно упростить и ускорить процедуру анализа.
 |
 |
 |
 |
|
А |
Б |
В |
Г |
| Рис. 1. Использование ArcView для анализа линейных данных: а — исходная карта, б — построение роз-диаграмм, в — плотность (густота) линий, г — радиально-концентрические элементы. | |||
Введение дополнительных атрибутов — простирания (направления) линий и их длин — позволяет с помощью конструктора запросов выбирать однонаправленные линейные объекты и манипулировать ими, группируя их в пояса (узкие зоны, трассируемые группой линейных объектов) и системы (например, ортогональная система субширотных и субмеридиональных элементов), создавать выборки объектов различной протяженности и др. Параметр кривизны может быть использован для исключения из анализа криволинейных объектов (дуги, извилистые линии).
Дальнейшее изучение может быть продолжено с помощь построения так называемых роз-диаграмм, длины лучей которых по различным направлениям пропорциональны количеству или сумме длин линий данных интервалов простираний. В результате построения роз-диаграмм можно визуально оценить характер распределения простираний выбранных линейных объектов. Использование скользящего окна при построении роз-диаграмм является эффективным средством для оценки изменения особенностей трещиноватости на площади (рис. 1, б). С помощью выборок объектов, в том числе с использованием соотношений анализируемых элементов с объектами других тем, можно проводить сравнение особенностей трещиноватости для различных совокупностей.
Как один из элементов анализа может быть привлечен такой параметр, как плотность (густота) трещиноватости. В данном случае, в зависимости от целей анализа, можно использовать количество или сумму длин линейных элементов. Легенда «Цветовая шкала» для результирующей точечной темы по атрибуту плотности позволяет представить полученные закономерности. Для построения изолиний или создания грида могут быть использованы функции Spatial Analyst (рис. 1, в).
С помощью несложного алгоритма для анализируемой линейной темы могут быть выделены также системы радиально-концентрических структур — совокупности линий, стремящихся к схождению в пределах центра выбранной области, и ортогональных им (рис. 1, г).
Приведенный набор возможных вариантов анализа, реализованный нами при создании пользовательского расширения, в сочетании со стандартными средствами пространственного анализа, показывает, что на уровне настольной ГИС программное обеспечение ArcView может быть использовано как средство анализа пространственных данных.
В следующем примере ArcView использовалась не как ГИС-система, работающая с географическими координатами, а только как средство анализа, получение пространственных атрибутов объектов в котором осуществляется с помощью языка программирования Avenue. В структурной геологии в качестве одного из методов оценки величины деформации используется так называемый метод Фрая. Предложенный в 70-х годах, он широко использовался для графического решения данной задачи. Метод Фрая основан на определении величины деформации горных пород, в которых зерна одинакового диаметра (или точечные включения) первоначально имели изотропное (равномерное) распределение. В процессе деформации минимальное расстояние между зернами увеличивается вдоль оси удлинения и уменьшается вдоль оси укорочения. Применимость метода ограничивается следующими условиями: минимальное число исследуемых объектов не менее 100 (т.е. метод статистический), деформация должна быть однородной в масштабе минимального расстояния между объектами, число объектов не должно изменяться в процессе деформации (т.е. в процессе деформации не происходит грануляции объектов или их роста), первоначальное распределение объектов в объеме должно быть изотропным.
При оценке деформации методом Фрая на фотографию (микрофотографию) шлифа — тонкого среза горной породы — помещается прозрачная пленка (калька), центр которой, помеченный крестом, последовательно помещается в центр каждого из зерен на фотографии; точками отмечаются центры ближайших зерен (фактически, выясняются средние расстояния между центрами соседних зерен по разным направлениям). В результате этой последовательной операции на диаграмме возникает “облако” точек с пониженной концентрацией точек в центре диаграммы. “Зияние” в центре диаграммы будет иметь форму круга (в случае изотропного распределения зерен) или эллипса. Соотношение длинной и короткой осей эллипса будет характеризовать величину и ориентировку осей эллипсоида деформации в данном сечении.
Для решения данной задачи средствами ArcView были использованы возможности стандартных расширений JPEG (JFIF) Image Support или TIFF 6.0 Image Support и скрипт, автоматизирующий процедуру построения диаграммы. В Виде создается точечная тема, на которой пользователем отмечаются центры зерен (рис. 2, а), затем строится диаграмма Фрая (рис. 2, б). В скрипте предусмотрены возможности построения грида плотности точек на диаграмме Фрая — максимумы плотностей позволяют более корректно оконтурить центральный эллипс (рис. 2, в). Более корректное представление результатов обеспечивает функция расчета уклонов Derive Slope модуля Spatial Analyst (рис. 2, г). Исходные данные (микрофотографии шлифов) и полученные результаты могут быть привязаны к точкам отбора образцов на геологической или тектонической карте в создаваемом проекте.
 |
 |
 |
 |
|
А |
Б |
В |
Г |
| Рис. 2. Построение диаграммы Фрая: а- исходные данные (фотография с отмеченными в точечной теме центрами зерен), б — диаграмма Фрая, в — плотность точек на диаграмме, г — представление результатов с использованием функции Derive Slope модуля Spatial Analist. | |||
Данная статья направлена на часть читательской аудитории, которая видит в ArcView лишь готовый набор средств, позволяющий создавать цифровые карты и манипулировать их объектами с помощью запросов к атрибутивным таблицам тем. Вместе с тем, ArcView обладает более широкими возможностями анализа, которые могут быть использованы при решении различных, в том числе геологических, задач.
1. Fry, N. Random point distributions and strain measurement in rocks // Tectonophysics. 1979. V. 60. P. 89-105.
2. Ramsay J.G., Huber M.I. The Techniques of Modern Structural Geology. V. 1. Strain Analysis. L., NY: Acad. Press. 1983. 307 p.
