Арифулов Расул Чингизович, ОАО «Центргеология», г. Москва, e-mail: arifulov@gmail.com
Creation of digital models for geological maps with using of personal GDB: some prospects
Несмотря на переход к использованию геоинформационных технологий при составлении геологических карт масштаба 1:200000 — 1:1000000, принципы картографирования не претерпели каких-либо значительных изменений. Можно констатировать, что создаваемые цифровые модели карт не предназначены для автоматизированной обработки и пространственного анализа данных, а по-прежнему предназначены только для визуализации. Область применения программного обеспечения при их составлении ограничивается организацией рабочих материалов, отдельными функциями пространственного анализа и оформлением готовой картографической продукции. Конечной продукцией государственной геологической карты в настоящее время по-прежнему является 2D карта, представляющая собой проекцию выхода на поверхность геологических образований, прослеженных и зафиксированных в результате геологической съемки и использования вспомогательных методов изучения.
Для решения многих практических задач недропользования такие карты малопригодны и требуют дополнительной доработки. К таким задачам относятся, в частности, составление карт прогноза полезных ископаемых, ресурсного потенциала подземных вод, то есть результирующая картографическая продукция, используемая при оценке экономических показателей в ходе региональных геолого-съемочных и поисковых работ. Для построения таких карт, наряду с границами выходов на современную поверхность различных геологических формаций (стратифицированных, интрузивных, метаморфических) и тектонических элементов, нужно иметь проекции площадей распространения этих формаций и структурных элементов под чехлом перекрывающих отложений. Наличие таких слоев является также обязательным для создания гидрогеологических карт, на которых объектом картографирования является водоносный горизонт, вне зависимости от того, имеет он выходы на дневную поверхность или скрыт под вышележащими горизонтами.
Цифровые модели карт, имеющих многослойную структуру в вертикальном разрезе, можно условно назвать – 2.5D (рис. 1). Они могут рассматриваться как промежуточный вариант при переходе к картам 3D. Примером создания цифровой 2.5D модели, выполненной в формате персональной базы геоданных (в среде ArcGIS), может служить гидрогеологическая карта территории Курской магнитной аномалии, выполненная в 2008 году ОАО «Центргеология».
Рис. 1. А) 2D и Б) 2.5D — представление геологической карты.
Цифровая модель содержит в себе классы объектов по 37 горизонтам, представленных в виде площадей и границ их распространения. В дальнейшем они используются в качестве основы для создания производных тематических классов объектов в составе специализированных гидрогеологических карт: гидродинамической, гидрогеохимической и других. Данная работа является в некоторой степени опытно-методической, поскольку в настоящее время создание 2.5D цифровых геологических моделей не регламентируется нормативными документами и требованиями при составлении государственной геологической карты РФ.
В настоящее время складывается противоречиваякартина. При наличии практической необходимости отсутствуют нормативы и методическое сопровождение для 2.5D геологического и гидрогеологического картографирования с использованием ГИС-технологий. Вместе с тем, развивается направление 3D геологического картографирования регионального масштаба, нашедшее массу сторонников. Однако очевидно, что для полноценного 3D картографирования не только отсутствуют геологические данные в необходимом объеме, но и сама модель данных, и программная среда недостаточны для реализации этого направления.
Достоверность и адекватность проведения границ на геологической карте не подвергается сомнению, пока не ставится задача увязывания их с геологическими разрезами, построенными по данным буровых скважин. При этом сразу становится очевидным достаточно условная рисовка границ на геологической карте и необходимость их корректирования. Это в полной мере касается проведения геолого-параметрических показателей в плане. Они, как правило, проводятся достаточно условно. Существенной проблемой при картографировании геологических стратифицированных толщ и гидрогеологических подразделений является и несопоставимость точности в горизонтальном и вертикальном масштабе (рис. 2, 3).
Рис. 2. Проблемы 3D картографирования.
Рис. 3. Пример решения частных задач 3D картографирования в среде ArcGIS.
Вторая серьезная проблема – недостаточное количество представительных данных для полноценного трехмерного картографирования. Сеть геологических наблюдений при этом должна быть на порядок плотнее, чем в случае простого 2D картографирования, что обусловлено необходимостью детального послойного изучения всей толщи, используя картировочное бурение скважин и геофизические методы исследования.
Частной, но важной задачей является создание 3D моделей для отдельных гидрогеологических горизонтов (толщ) при решении практических вопросов определения направления и относительной интенсивности подземного стока, а также морфологии и объемов локальных гидродинамических депрессий.
На данный момент построение объемных геологических моделей с достаточной точностью возможно только для территорий с относительно простым геологическим строением. А в условиях складчато-разрывной тектонической обстановки описать геологическое строение территории имеющимися на сегодняшний день стандартными средствами геоинформационного программного обеспечения крайне сложно. Для этого требуется использование специализированного программного обеспечения и широкое применения геостатистических методов.
В области специализированного программного обеспечения, предназначенного для оконтуривания рудных тел и подсчета запасов, используются цифровые модели данных, основанные на объемных пространственных ячейках. По сути, это модель 3D GRID. Цифровые модели в таких случаях строятся по плотной сети разведочных скважин, а стоимость изучения геологического строения на равной по площади территории на несколько порядков выше стоимости изучения при региональных работах.
Имея в виду все перечисленные особенности, представляется возможным создание только локальных 3D моделей геологического/гидрогеологического содержания для хорошо изученных территорий с постоянно действующей сетью мониторинга геологической среды.
Коренное отличие 2.5D геологической модели строения недр от 3D модели заключается в отсутствии в первой модели информации о точном местоположении геологического объекта в вертикальной координате, то есть она содержит достаточно условное положение кровли и подошвы горизонта в заданной точке. Но даже создание модели типа 2.5D может быть с достаточной точностью реализовано только в условиях субгоризонтального залегания стратифицированных комплексов. На территориях со сложным геологическим строением эти построения всегда многовариантны и приблизительны из-за высокой дифференциации масштаба и строения геологических объектов.
Как только речь заходит о геологических объектах сложной морфологии (полифациальные интрузии, палеовулканические постройки, зоны меланжа и др.), то возможность оконтуривания этих объектов на глубине выходит за рамки регионального геологического картирования. Изучение их глубинного строения связано с привлечением дорогостоящего комплекса буровых и геофизических работ. Это в полной мере относится и к комплексам осадочных и метаморфических пород в областях коллизионной складчатости и покровной тектоники, например в Северо-Кавказском, Уральском и других наиболее значимых сырьевых регионах России. Решение подобных задач возможно при условии проходки больших объемов глубокого (и сверхглубого) бурения и широкого комплекса геофизических исследований.
В плане математического аппарата ГИС название 2.5D модель – это условность, фактически это конечно просто 2D модель, но модель многослойная. Важно отметить существенное отличие в понимании структуры 3D моделей с точки зрения традиционного подхода ГИС, основанного, прежде всего, на инженерных сооружениях и коммуникациях, и с точки зрения моделирования геологической среды. Коренные отличия заключаются в морфологическом разнообразии и пространственной дискретности геологических объектов по сравнению с объектами индустриальными. Каждый геологический объект уникален и не может быть заранее алгоритмизован в виде графического примитива или уравнения.
В то же время, геологическое строение территории можно было бы описать в воображаемой 3D модели, которая должна представлять собой согласованную пару классов объектов в базе геоданных. Один из классов должен описывать пространственное положение и атрибуты границ геологических объектов, а второй – объем и атрибуты геологических тел (образований).
Класс объектов, описывающий геологические границы, в плане геометрии должен представлять собой поверхности со свойствами TIN-модели. В ней должна быть реализована возможность произвольного расположения ячеек в нерегулярной модели триангуляционной сети в XYZ координатах, например, перпендикулярно поверхности рельефа. Кроме того, математическая модель этого класса должна допускать закручивание поверхности в вертикальной и горизонтальной плоскости, подразумевающее различные деформации, несогласия и опрокинутые залегания геологических объектов (толщ, горизонтов и др.).
Класс объектов, описывающий объем геологического тела, должен характеризовать непрерывное покрытие отдельных изометричных тел с изменчивой морфологией. При этом в базе геоданных должны быть реализованы функции объемной пространственной топологии между этими классами объектов, что обеспечит корректность геологической модели в целом.
Пока не будет создана подобная пространственная модель данных, не будет и возможности реализации полноценного 3D регионального геологического картографирования.
В настоящее время структурированное хранение 2D и 2.5D цифровых моделей карт геологического содержания возможно осуществить в формате персональных баз геоданных (на программной платформе ESRI). Это обусловлено рядом причин. Во-первых, контейнер хранения .mdb обеспечивает переносимость массива данных на файловом уровне, сохраняя при этом его структуру. То есть набор (комплект) карт может быть реализован в виде одного файла данных. Хранение в формате базы геоданных позволяет обеспечить пространственное и координатное соответствие данных, размещенных в разных «слоях» (классах объектов), описать свойства классов и типов объектов, используя комментарии в метаданных и псевдонимах (алиасах), см. рис. 4, 5.
Рис. 4. Наборы классов гидрогеологической карты в базе геоданных ArcGIS.
Рис. 5. Вид готовой к печати гидрогеологической карты, состоящей из наборов классов базы геоданных, собранных в составные .lyr-файлы.
Во-вторых, в цифровой модели большинство площадных геологических объектов представляют собой тип покрытия, то есть комплекс площадных и линейных объектов с единым пространственным местоположением узлов, но с разной атрибутивной составляющей. В цифровой модели данных прежнего ArcInfo для рабочих станций данным типам геологических объектов полностью соответствовало покрытие (cover). В модели базы геоданных при картографировании геологических образований необходимо создавать пары согласованных слоев (площадной + линейный). При их создании вначале необходимо проводить границы объектов линейного класса, а затем уже на их основе замыкать полигоны и вносить таблично-атрибутивные данные. Такая последовательность обеспечивает их согласованность между собой.
Такая согласованность возможна только при соблюдении топологических правил при электронном картографировании. Наличие встроенного механизма контроля топологии является еще одной важной причиной для использования ArcGIS.
Заключение
Оценивая перспективу развития геоинформационных технологий с учетом текущего состояния работ по геологическому изучению недр, можно с высокой степенью уверенности утверждать, что основным направлением современных работ должен быть обязательный и повсеместный переход к созданию 2.5D моделей геологических карт. С одной стороны, это обеспечит текущую потребность для решения задач оценки и прогноза месторождений полезных ископаемых, а с другой создаст геологическую основу для перехода к региональному геологическому 3D картографированию. Оно станет реальным после создания цифровой модели карты, отвечающей задачам трехмерного картографирования геологического строения. Развитие этого направления также потребует решения организационных и методических вопросов, касающихся унификации цифровых геологических моделей и единых классификаторов.
