Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемисина Е.Н. Геоинформатика и геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Связующая роль СОД определяется возможностью представления

геолого-геофизических данных в виде набора описаний однотипных объек-

тов: элемент – запись – массив – файл.

Программы общего назначения в СОД выполняют такие основные

функции, как ввод данных с магнитных лент и дисков, формирование файла

на этих носителях, логический контроль файлов, их исправление, печать и

транспортировку, перекомпоновку информации в записях файлов и слияние

файлов.

Эти же функции реализуют, по – существу, все известные операци-

онные системы.

В широком смысле операционная система (ОС) – это программный

комплекс, обеспечивающий поддержку работы всех программ и их взаимо-

действие с аппаратными средствами и пользователями. В конечном итоге

ОС управляет памятью, вводом-выводом, внешней памятью, взаимодейст-

вием процессов, осуществляет защиту и учет использования ресурсов памя-

ти ЭВМ. Простейшие известные ОС – однопользовательские и однопро-

граммные (MS DOS и ее аналоги). ОС универсальных ЭВМ первоначально

являлись системами пакетной обработки и задания выполнялись без вмеша-

тельства пользователя, при этом программирование осуществлялось на вы-

делении по всем задачам интервалов времени, назначении приоритетов и на

механизме прерывания. Операции ввода-вывода управляются специализи-

рованными процессами или каналами. Для обеспечения диалогового взаи-

модействия пользователя с системой здесь введены средства разделения

времени. Различные способы организации хранения и выборки данных под-

держиваются программами методов доступа. Методы доступа устройств к

каналу связи определяют скорость обмена данными между разными устрой-

ствами.

Средства виртуализации оперативной памяти позволяют расширить

количество одновременно обслуживаемых пользователей и задач, например,

ОС MVS IBM/370. ОС управляет работой до 16 процессоров и более, разби-

ваемых при необходимости на группы, и функционирующие как самостоя-

тельные компьютеры. Добавление к системе процессоров телеобработки

данных и виртуального телекоммуникационного метода доступа обеспечи-

вает работу удаленных пользователей и терминалов.

Операционная система виртуальных машин IBM/370 создает каждо-

му пользователю функциональный эквивалент компьютера с периферией и

программным обеспечением, эмулируемым на реальной вычислительной

системе. (Эмуляция – способ, позволяющий использовать ПЭВМ в режиме

терминала, работающего совместно с главной, центральной ЭВМ). Рабочие

станции (например, RISC) и суперкомпьютеры, как правило, работают под

управление многозадачной и многопользовательской OC UNIX.

Быстрый рост производительности микропроцессоров, пропускной

способности шин в локальных сетях и емкости «жестких» дисков и опера-

тивной памяти, наряду со снижением стоимости компьютеров и их компо-

нент, открывают возможности перехода на персональных компьютерах от

однозадачных к многозадачным ОС. Так, целый ряд версий ОС UNIX пере-

несен на персональные компьютеры. Многозадачную среду обеспечивает

также WINDOWS NT или ОС OS/2. Заметим, что та операционная система,

которая управляет станцией локальной сети, координирующей обслужива-

ние компьютеров этой сети, называется сетевой ОС.

Программы общего назначения в СОД и в целом любая ОС характе-

ризуются максимальной независимостью от данных. Подобная независи-

мость данных от программ чрезвычайно важна при обработке разнородных

геолого-геофизических данных.

Отметим, если по входным языкам операционные системы MS DOS и

OS/2 частично совместимы, то по выходным программам они не являются

совместимыми. Это означает, что программы подготовленные в MS DOS не

могут использоваться под управление OS и наоборот.

Основными компонентами любой ОС являются управляющая и обра-

батывающая программы. Управляющая программа обеспечивает автомати-

ческое управление вычислительной системой, организует процесс обработ-

ки данных и загружает ресурсы системы таким образом, чтобы обеспечить

ее максимальную производительность. Управляющая программа ОС орга-

низует обработку потока заданий, выполнение операций ввода, вывода и ра-

боту вычислительной системы в целом, а именно: управление данными, за-

даниями и т.д.

В состав обрабатывающей системы входят трансляторы с используе-

мых языков программирования (ФОРТРАН, КОБОЛ, PL-1)и сервисные про-

граммы. Обрабатывающая программа используется для сокращения объема

работы и времени, затрачиваемого на написание, подготовку и выполнение

программ пользователем.

Сервисные программы, входящие в состав обрабатывающей, вклю-

чают редактор связей и загрузчик, программы сортировки, обслуживания,

монитор динамической отладки и т.д.

Ресурсы системы распределены таким образом, чтобы обеспечить её

максимальную производительность.

4.2. Методно-ориентированне автоматизированные системы

обработки и интерпретации геофизических данных

Основные принципы разработки методно-ориентированных систем

обработки и интерпретации геофизических данных сформулированы В. В.

Ломтадзе следующим образом:

– решение вопросов организации данных;

– независимость данных от программ и одних программ от других;

– развитие системы при возможности взаимодействия с программами

общего назначения;

– отсутствие практических ограничений на объемы обрабатываемых

данных;

– непрерывность технологии обработки и интерпретации материалов;

– гибкость обработки, иначе возможность включения программ в граф

обработки в любой целесообразной последовательности;

– ориентация на конечного пользователя, незнакомого с особенностя-

ми операционной системы конкретной ЭВМ;

– простота и удобство языка пользователя;

– минимальная зависимость текстов программ от типов ЭВМ;

– минимальная зависимость функциональных модулей от системных.

Для реализации основных принципов в большинстве методно-

ориентированных АСОД используется технология создания систем про-

грамм в среде ФБД, включающая:

– группировку исходных, промежуточных данных и результатов обра-

ботки в файлы определенных типов;

– построение двух взаимосвязанных таблиц: элементов данных и типов

файлов, приведенных для гравиразведки в таблицах 8 и 9;

– составление основных программ, реализующих переходы от файлов

одних типов к файлам других типов;

– выделение и оформление в виде автономных подпрограмм процеду-

ры, имеющей самостоятельное значение;

– расширение системы программ за счет разработки новых программ и

подпрограмм, введение новых типов файлов.

Приведенный подход при разработке АСОД прежде всего направлен

на решение вопросов организации данных. При этом АСОД становится мало

зависящей от выбора отдельных алгоритмов, поскольку всегда можно соз-

дать новые программы, обеспечивающие более эффективный переход от

файлов одних типов к файлам других типов. При выделении типов файлов

частично или полностью конкретизируются параметры, описывающие файл:

способ кодирования массивов, т.е. принципы группирования записей в мас-

сивы, состав заглавий и записей массивов.

Изложенная технология построения методно-ориентированных

АСОД была реализована В. В. Ломтадзе на примерах систем ГРАВИПАК,

СЕЙСПАК, КОМПАК [5]. Здесь ограничимся организацией данных и тех-

нологий обработки в системе ГРАВИПАК, остающейся одной из распро-

страненных АСОД в геофизике.

Эта система создана в соответствии с приведенными выше принци-

пами методно-ориентированных систем и технологий программного обес-

печения в среде ФБД.

Программы организации долговременного хранения и поиска ин-

формации позволяют помещать гравиметрические данные в региональные

базы, а затем, при необходимости извлекать эти данные, формируя целевые

ФБД с задачей совместной обработки новых и старых материалов или мате-

риалов комплекса геолого-геофизических методов.

Вопросы организации гравиметрических данных сводятся к построе-

нию двух таблиц 10 и 11 в системе ГРАВИПАК. В последней таблице про-

иллюстрирована практически вся технология обработки материалов грави-

разведки. Файлы типа N получены при обработке рейсов, а файлы типов H и

X – по данным топогеодезических работ или GPS. Файл типа Y получается

путем слияния файлов типов H и X. Файлы типа G реализуются либо вруч-

ную по результатам первичной обработки полевых материалов, либо – пу-

тем слияния файлов типов N и Y или N, H и X. Элемент данных GT в запи-

сях этих файлов обозначает поправку за рельеф ближней зоны.

Для учета рельефа в средней и дальней зонах подготавливаются циф-

ровые модели местности в виде файлов типа M. Программа введения попра-

вок за рельеф осуществляет переход от файлов типов G и M к файлу типа G,

в записях которого получает приращение элемент данных GT. Программа

вычисления аномалий Буге реализует переход от файла типа G к файлу типа

A с печатью каталога гравиметрических пунктов. Файлы типа A после по-

строения карт передаются в региональные базы данных, и на этом заверша-

ется стандартная обработка материалов гравиразведки.

Последующие этапы обработки являются интерпретационными и ис-

пользуют представления о физике геологической модели, т.е. данные о фи-

зических и геометрических параметрах искомых объектов.

При интерпретации выполняются различные трансформации исход-

ного поля (переход от файлов типа A к файлам типа F), решение прямых за-

дач (переход от файлов типов Z, S к файлам типа U), геологическая редук-

ция (переход от файлов типов A и Z, S к файлам типа F) и, наконец, решение

обратных задач для отдельных аномалий с целью оценки элементов залега-

ния и (или) избыточной плотности геологических объектов.

На этих же принципах была построена АСОД сейсморазведки –

СЕЙСПАК.

Обработка данных сейсморазведки осуществляется с использованием

специализированных АСОД. Одна их первых систем, созданная в Централь-

ной геофизической экспедиции бывшего Министерства нефтяной промыш-

ленности, ныне Минэнерго РФ, была предназначена для ЭВМ единой серии

(ЕС ЭВМ) и получила название СЦС-3. Эта система программно совмести-

ма с зарубежными ЭВМ типа IBM 360/370 с операционной системой OS. В

1988г. СЦС-3 удостоена Государственной премии СССР и до сих пор ис-

пользуется при стандартной обработке данных сейсморазведки. На ее смену

пришла новая версия СЦС-5 для ОС WINDOWS и СЦС-5-2D для ОС UNIX.

В настоящее время в основном производителями программного обес-

печения для сейсморазведки являются зарубежные компании: Halliburton

(США) с системой ProMAX, Paradigm Geophysical Ltd с системой Focus;

CGG (Франция) с системой Integral Plus, включающая совместную обработ-

ку данных сейсморазведки и геофизических данных скважин; Mercury Inter-

national Technology (США) с системой XL. Первая версия системы ProMAX

была ориентирована на рабочие станции типа RISC и в настоящее время

применяется на достаточно мощных рабочих станциях IBM RISC-6000; SP-

2; SUN SPARC, Silicon Graphics. Eё особенностями являются возможность

работы на многопроцессорных ЭВМ типа SP2; наличие интерактивного и

(или) пакетного режима работы; быстрый ввод данных с поддержкой всех

основных форматов (SEG-Y и др.); интерактивный анализ скоростей; 3D-

миграция и т.д. Для второй по распространенности в России системы Focus

следует подчеркнуть высокую эффективность реализации параллельных

вычислений за счет распараллеливания как прикладных, так и общесистем-

ных, что особенно важно для процедур 3D-миграции до и после суммирова-

ния сейсмических трасс. Заметим, что одна из первых отечественных систем

СОС-ПС (сейсмическая обрабатывающая система переменной структуры),

созданная в 1980 в ВНИИГеофизике, была ориентирована на многопроцес-

сорные вычислительные комплексы ПС-2000, обеспечивающие параллель-

ное выполнение нескольких процедур обработки. Высокая производитель-

ность при этом достигалась именно за счет распараллеливания процесса об-

работки данных при одновременной обработке 32 или 64 сейсмических

трасс.

Системы интерпретации данных сейсморазведки, как правило, реали-

зуются совместно с обработкой и интерпретацией данных геофизических

исследований скважин и, по существу, представляют достаточно сложные

геоинформационные комплексы, рассматриваемые в главе VII.

Для технологических комплексов геофизических методов исследова-

ний таких как космо- и аэрогеофизика, морская геофизика, наземная геофи-

зика, геофизические исследования скважин в свое время был создан ряд

АСОД. Для обработки аэрогеофизических данных до сих пор эксплуатиру-

ется система АЭРОПАК (ВИРГ-Рудгеофизика). Судовая автоматизирован-

ная система сбора и обработки данных морских сейсморазведочных и дру-

гих геофизических методов ГРАД была реализована на ЕС ЭВМ.

Для оперативной обработки данных геофизических исследований

скважин была разработана система АСОИГИС (автоматизированная систе-

ма обработки и интерпретации данных геофизических исследований сква-

жин) под операционной системой OS, для ЕС ЭВМ, вначале, во ВНИИГео-

физике, а затем в Центральной геофизической экспедиции, в которой она

была преобразована в геоинформационную систему ГЕММА (см. гл. VII).

В 80-ые годы, в Казахстане, в Казахстанской опытно-методической

экспедиции и в КазВИРГ был создан широкий спектр АСОД для ЕС ЭВМ,

среди которых отметим АСОМ АГС/ЕС (Автоматизированная система об-

работки материалов аэрогеофизических съемок) и АСОМ-РГ (обработка ма-

териалов разведочной геофизики), а также методно-ориентированные АС:

АСОД – гравиразведка, АСОД – магниторазведка, АСОД – сейсморазведка.

Системы АСОД, благодаря регистрации данных комплекса геофизи-

ческих методов, или вычислениям комплекса признаков в скользящих окнах

одного поля, включали программное обеспечение по комплексному анализу

этих данных.

4.3 Автоматизированные системы комплексного анализа и

комплексной интерпретации геолого-геофизических данных.

Автоматизированные системы комплексного анализа и комплексной

интерпретации геоданных получили широкое развитие в практике геолого-

геофизических организаций, и, прежде всего, для решения прогнозно-

поисковых задач.

В основе прикладного математического аппарата АСОД комплексно-

го анализа используют методы распознавания образов с обучением на эта-

лонных объектах и методы классификации объектов на принципах самообу-

чения.

При построении АСОД комплексного анализа при наличии эталон-

ных объектов следует выделить методы: математической логики, регресси-

онного анализа, потенциальных функций, проверки статистических гипотез.

Среди методов классификации наиболее широкое применение нашли метод

главных компонент и метод К-средних (метод динамических сгущений)

Мак-Куина.

Одна из первых АСОД комплексного анализа «Кора-3» была создана

Ш.А. Губерманом в МИНХ и ГП (ныне Российский государственный уни-

верситет нефти и газа им. И.М. Губкина) для выделения нефтегазоносных

пластов по комплексу данных каротажа с установлением меры аналогии

изучаемых объектов (пластов) с эталонными (нефтегазоносными и водонос-

ными) по сочетанию различных градаций признаков. В качестве признаков

выступают показания различных зондов, а значения признаков делятся на

две – три градации. «Кора-3» производит разделение объектов на два класса

или более. На первом этапе происходит обучение на эталонных объектах

каждого класса. Значения градаций признаков кодируются «1» при наличии

данной градации у эталонного объекта и «0» при её отсутствии, т.е. каждый

эталонный объект задается набором нулей и единиц. Как эталонные, так и

распознаваемые искомые объекты характеризуются единым набором при-

знаков, а также единым порядком расположения этих признаков и их града-

ций при кодировании.

Этап обучения сводится к перебору всех возможных комбинаций

градаций признаков по три и т.д. для каждого класса. При появлении ком-

бинации, которая не менее Р раз встречается среди эталонов первого класса

(нефтегазоносные пласты) и ни разу не встречается среди эталонов других

классов (например, водоносных пластов), такая комбинация фиксируется

как сложный признак первого класса. Пороговое значение Р задается иссле-

дователем. Если один из двух сложных признаков характеризует большее

число эталонов, то первый признак информативнее второго.

На следующем этапе осуществляется непосредственно распознавание

новых неизвестных объектов, для которых проверяется, сколько сложных

признаков первого класса встретилось в искомом объекте неизвестной при-

роды и сколько в нем таких признаков других классов. Если сложных при-

знаков первого класса больше, чем сложных признаков других классов, то

объект относится к первому классу и т.д.

На первом этапе (середина 60-х годов XX века) ввиду маломощности

ЭВМ перебор комбинаций признаков ограничивался числом их сочетаний

по три, в дальнейшем число сочетаний признаков было увеличено до семи и

более.

Среди АСОД комплексного анализа, использующих средства мате-

матической логики, отметим системы ТЕСТ (ВЦ СО РАН) и АЛИСА

(ВИМС, ВНИИГеосистем), в первой использован оригинальный алгоритм

тупиковых тестов (Ю.Н. Журавлев), во второй алгоритм ГОЛОТИП (Е.Н.

Черемисина).

Система АЛИСА в дальнейшем была включена в геоинформацион-

ную систему ГИС – ИНТЕГРО (гл. VI).

На основе методов регрессионного анализа (М.М. Элланский, МИНХ

и ГП) были созданы системы РЕТР и ГЕО для количественной комплексной

интерпретации данных геофизических исследований скважин с построением

петрофизических моделей коллекторских свойств пластов. В качестве при-

мера приведем вид уравнения регрессии, связывающего признаки: плот-

ность σ глин месторождения Жетыбай (Южный Мангышлак , Казахстан) с

данными кажущегося сопротивления ρ

(каротаж КС), интенсивности ней-

тронного гамма-каротажа I

НГК

и скорости продольных волн V по акустиче-

скому каротажу.

σ = 2,28 + 0,28ln ρ

+ 0,36 I

НГК

– 0,017V

при коэффициенте множественной корреляции, равном 0,75.

Методы регрессионного анализа для построения петрофизических

моделей угленосных отложений использованы в системе АСОИ – Углераз-

ведка (ВНИГРИ-Уголь, В.В. Попов). В табл. 9 приведены данные о росте

надежности литологического расчленения по данным каротажа угленосных

скважин при различном числе методов.