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

Подождите немного. Документ загружается.

Предметом изучения геоинформатики являются геообъекты, гео-

среда, геопроцессы (природные и техногенные).

Цель геоинформатики – создание компьютерных технологий (гео-

информационных и автоматизированных систем) геологоразведочной дея-

тельности по изучению строения и эволюции Земли, прогнозу и поискам

месторождений полезных ископаемых, дальнейшей их разработкой, охране

и экологии окружающей среды.

Основные задачи геоинформатики:

– разработка технических средств сбора, регистрации и передачи гео-

информации с использованием вычислительной техники и вычисли-

тельных сетей;

– разработка методов хранения и многократного использования геоин-

формации на основе баз данных и систем управления базами данных;

– создание автоматизированных и геоинформационных систем по об-

работке и интерпретации геоданных с дальнейшим их развитием в

экспертные системы;

– разработка методов интегрированного системного анализа много-

уровневой и разнопараметровой геоинформации;

– построение информационно-аналитических систем.

В качестве технических средств геоинформатики выступают:

– цифровые и аналоговые регистрирующие устройства геофизических

и геохимических полей:

– устройства автоматической цифровой картографической геоинфор-

мации (дигитайзеры);

– автоматизированные рабочие места и полевые вычислительные ком-

плексы на базе персональных компьютеров и рабочих станций;

– экспедиционные и региональные вычислительные центры, информа-

ционно-вычислительный центр отрасли;

– локальные (на базе персональных компьютеров) и глобальные (на ба-

зе серверов) сети передачи информации.

Области исследований и применения геоинформатики, как это

следует из шифра специальности ВАК РФ 25.00.35 (геоинформатика).

– теоретические и экспериментальные исследования в области разви-

тия научных и методических основ геоинформатики;

– технические средства сбора , регистрации, хранения, передачи и об-

работки геоинформации с использованием вычислительной техники;

– геоинформационные системы (ГИС) разного назначения;

– базы и банки цифровой информации по разным предметным облас-

тям, а также системы управления базами данных;

– базы знаний по разным предметным областям;

– математические методы, математическое, информационное, лингвис-

тическое и программное обеспечение для ГИС;

– геоинформационное, картографическое и другие виды геомоделиро-

вания, системный анализ многоуровневой и разнородной информа-

ции;

– компьютерные геоизображения новых видов и типов: анимационные,

мультимедийные, виртуальные и другие электронные продукты;

– геоинформационные инфраструктуры, методы и технологии хране-

ния и использования геоинформации на основе распределенных баз

данных и знаний;

– телекоммуникационные системы сбора, анализа, обработки и распро-

странения пространственно-временной геоинформации;

– взаимодействие геоинформатики, картографии и аэрокосмического

зондирования.

Следует подчеркнуть, что геоинформатика как наука сформировалась

под влиянием идей, развитых в области информатики и системного анализа

академиками А.Н. Тихоновым, А.А. Самарским, Н.Н. Моисеевым, А.С.

Алексеевым, а в области применения ЭВМ в геологоразведке таким учены-

ми, как: Ю.А. Воронин, А.Б. Каждан, О.Л. Кузнецов, В.В. Ломтадзе, В.В.

Марченко, В.И. Пахомов, Е.Н. Черемисина и многими другими.

Геоинформатика интенсивно развивается в смежных к геологии от-

раслях: географии и геодезии, прежде всего в области разработки геоин-

формационных систем по картографии, кадастрам земельных ресурсов и го-

родов, при этом следует назвать таких видных ученых, внесших существен-

ный вклад в их развитие, как Берлянт А.М., Тикунов В.С., Иванников А.Д.,

Цветков В.Я.

Большинство рассматриваемых в настоящем учебнике понятий явля-

ется достаточно общими для различных разделов наук о Земле, в то же вре-

мя в вопросах применения геоинформатики и геоинформационных систем

(ГИС) авторы ограничиваются геолого-геофизическими приложениями, хо-

тя их прикладное значение существенно шире и ГИС-технологии уже широ-

ко используются для районирования территорий по особенностям природ-

ных условий, угодий в сельском хозяйстве, а также при строительстве,

управлении городским и региональным развитием и т.д.

ГЛАВА I. ПОНЯТИЕ О ГЕОИНФОРМАЦИИ,

ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА

Информация – это единственный неубывающий вид ресурсов геоло-

горазведочной деятельности, как, впрочем, и любой другой человеческой

деятельности. Основой получения информации является измерение или на-

блюдение. Измерение приводит к количественной информации, наблюдение

- либо к количественной, либо к качественной. Измерение геофизических и

геохимических полей обеспечивает количественные данные. Геологические

наблюдения могут носить либо количественный, либо качественный харак-

тер (например, наличие или отсутствие метасоматоза, фиксация определен-

ного цвета пород и т.д.). Однако как количественная, так и качественная

информация могут быть выражены в логарифмических или энтропийных

мерах. Геоинформация – любые сведения, данные, отражающие свойства

объектов в природных системах и измеряемые без применения или с приме-

нением технических средств.

1.1. Измерение информации

Измерение – это процесс получения информации, заключающийся в

нахождении значения физической величины опытным путем с помощью

специальных технических средств.

Результат измерения – это именованное число, которое представ-

ляет собой сообщение или элемент измерительной информации.

Измерительная информация – это полученные при измерениях зна-

чения физической величины или количественные сведения о каком-либо

свойстве объекта или явления.

Для того чтобы выразить информацию в логарифмических или эн-

тропийных мерах, проведем следующее рассуждение.

Допустим, что мы измеряем магнитную восприимчивость образцов

горных пород. Если при этом величина и диапазон изменения магнитной

восприимчивости горных пород неизвестны и можно с равной вероятностью

предполагать любое ее значение, то говорят, что нет информации о данной

системе, о данной ситуации.

Если получено некоторое количество информации, позволяющее

уточнить возможные пределы изменения магнитной восприимчивости, то

неопределенность системы (или ситуации) уменьшается.

Имея достаточное количество информации для определения диапа-

зона изменения и заданную допустимую погрешность измерения, можно

разбить диапазон изменения магнитной восприимчивости на определенное

число N квантов

x∆

, равное возможному числу значений измеряемой маг-

нитной восприимчивости.

Следовательно, любое измерение можно рассматривать как систему,

состоящую из некоторого числа основных элементов (квантов) Δ х, опреде-

ляющих количество необходимой информации. Далее, накладывая ограни-

чения или исключения, можно увеличить вероятность одних значений и

уменьшать вероятность других значений, т.е. создать менее общую ситуа-

цию. Но внутри этой ограниченной ситуации (например, внутри диапазона

изменения измеряемой величины) обычно предполагают равновероятность

возможных состояний.

Количество информации может быть выражено элементарными, ло-

гарифмическими или энтропийными мерами. Элементарные единицы сход-

ны с относительными и не соответствуют рациональной форме количест-

венной оценки информации.

Для выражения количества информации в логарифмической мере

следует выбрать определенную систему счисления или код. Число возмож-

ных состояний N системы можно выразить как

N = h

где h – код или основание системы счисления; l – число разрядов в выбран-

ной системе счисления.

Тогда количество информации J, выраженное в логарифмической

мере, запишется как

hlNJ loglog ==

. (1.1)

Следовательно, логарифмическое представление информации позво-

ляет получить пропорциональную зависимость между количеством инфор-

мации J и числом, например, двоичных разрядов l.

Если N – число равновероятных возможных состояний и вероятность

каждого из них p = l/N, то

hlPPNJ loglog)/1

log(log =−===

Отметим, что если вероятности появления любого значения измеряе-

мой величины равны, то для преобразования непрерывной (аналоговой) ве-

личины в дискретную вполне достаточно определения количества информа-

ции в логарифмической форме.

Если вероятности возможных состояний системы не равны, исполь-

зуют более общую энтропийную форму определения количества инфор-

мации. При этом известная формула Шеннона учитывает не только дис-

кретный характер информации, но и вероятность появления или изменения

конкретного состояния системы:

PPH log

∑

−=

(1.2)

где Н – энтропия; Р – вероятность i-го состояния; N – число возможных со-

стояний.

В частном случае, когда все состояния равновероятны (P

= 1/N), эн-

тропия системы максимальна и равна количеству информации (1.1):

.loglog)/1log()/1log()/1(

max

JhlNNNNH ===−=−=

∑

Поскольку наиболее широко применяется двоичная система счисле-

ния, то при h=2, l=1 получаем

2log1

2max

=1 дв. ед.= 1 бит.

В двоичной системе счисления

lH =

max

, т е. максимальная эн-

тропия

max

равна числу двоичных разрядов.

Замечание. Система счисления (двоичная, восьмеричная, десятерич-

ная и т. д.) определяет конструкцию цифровых устройств, поскольку в каж-

дом разряде следует иметь столько устойчивых состояний, сколько единиц

содержится в основании системы счисления. При этом двоичная система

счислений оказывается наиболее экономичной по сравнению с другими, на-

пример, с десятичной. Этот вывод вытекает из анализа числа устойчивых

состояний системы, которые необходимо реализовать в цифровом устройст-

ве при разных системах счисления.

Например, для того, чтобы запомнить число М=5839 в десятичной

системе, надо иметь четыре десятичных разряда по десять устойчивых со-

стояний в каждом, поскольку

М = 5839 = 5 · 10

+ 8 10

+ 3 · 10

+ 9 · 10°.

В то же время для запоминания того же числа в двоичной системе

надо иметь 13 разрядов по два устойчивых состояния в каждом, т.е. всего 26

устойчивых состояний, так как

М= 5839 = 1 · 2

+ 0 · 2

+ 1 · 2

+ 0 · 2

+ 1 · 2

+ 1 ·2

+ 0 · 2

+ 0 ·

+ 1 · 2

+ 1 · 2° = 1011011001111.

Следовательно, реализация десятичной системы счисления в цифро-

вой аппаратуре по сравнению с двоичной представляет более сложную тех-

ническую задачу.

Наконец, приведем выражение для количества информации в одном

измерении. С этой целью примем, что N – число возможных равновероят-

ных значений измеряемой величины, т. е. диапазон изменения измеряемой

величины (х

тах

- х

тin

) разбивается на N дискретных значений, отстоящих

друг от друга на квант

x∆

N=(х

тах

- х

тin

x∆

+1.

Без ограничения общности примем х

тin

= 0, тогда: N = х

тах

∆

+ 1,

отсюда количество информации в одном измерении

)1 +x/(loglog

max22

∆== xNJ

двоичных разрядов (бит). (1.3)

Величина

x∆

определяет по существу значение абсолютной погреш-

ности. Поэтому, если задана допустимая относительная погрешность

процентах, то

x∆

тах

/100.

Подставляя это выражение для

x∆

в формулу (1.3), получим выра-

жение для количества информации (в двоичных разрядах) в одном измере-

нии через допустимую относительную погрешность измерителя:

+2/100(log

. (1.4)

Очевидно, что качественная информация также может быть выраже-

на в логарифмических (при равновероятных значениях исходных качест-

венных состояний) или энтропийных (при разных вероятностях исходных

качественных состояний) мерах.

1.2. Скорость передачи информации

При геолого-геофизических исследованиях находят применение все

виды измерений: статические, при которых измеряемая величина остается

постоянной (установившееся значение), динамические, в процессе которых

измеряемая величина изменяется (измеряется мгновенное значение), непре-

рывные, при которых постоянно наблюдается значение измеряемой величи-

ны, и дискретные, для которых результаты измерений фиксируются только

в некоторые заданные моменты времени. В большинстве геофизических и

геохимических регистрирующих систем производится передача информа-

ции во времени по дискретным каналам (аэрогеофизика и аэрогеохимия,

сейсморазведка, геофизические исследования скважин). В дискретных кана-

лах передачи информации используются два понятия: скорость передачи

элементов сообщения (или просто сообщения) В и скорость передачи ин-

формации

. Значение В определяется как количество элементов сообще-

ния, передаваемое за единицу времени

/1=B

, где

– длительность одно-

го элемента сообщения, например, одного байта). За единицу скорости при-

нят бод (1 бод = 1 бит/с). Так, например, дискретные телеграфные каналы

связи обеспечивают скорость передачи в 200-300 бод.

Количество информации, передаваемое в единицу времени (в одну

секунду), называется скоростью передачи информации:

TJ /=

, (1.5)

где – длительность передачи одного сообщения, в частности одного числа,

выраженного в битах. Скорость передачи информации при неограниченном

возрастании Т стремится к своему пределу. Этим пределом является пропу-

скная способность дискретного канала без помех (в бодах)

С = max

= lim(Jmax/T). (1.6)

Пусть сообщение передается со скоростью в (в бодах), тогда за время

Т можно передать п=Т/

=BT элементов. Если сообщение передается в

двоичном коде (так называемый двоичный канал), то за время Т можно пе-

редать максимальное число сообщений N=2

ВТ

. Для этого случая пропу-

скная способность двоичного канала с учетом того, что

J=logN равна

C=lim log(N/T)=lim log2(2BT/T)=B. (1.7)

Таким образом, пропускная способность двоичного канала равна до-

пустимой скорости передачи сообщения в бодах и величина В характеризу-

ет не только техническую, но и информационную возможность двоичного

канала.

Скорость передачи информации при динамических измерениях

определяется с учетом минимального времени

∆

пр

, в течение которого пе-

редается количество информации, соответствующее одному кванту

∆

(иначе - это время, затрачиваемое на преобразование одного кванта), отно-

сительной погрешности измерения

и времени нарастания сигнала Т. По-

скольку время нарастания сигнала можно выразить как T=

max

•

где

max

•

– скорость изменения сигнала, а минимальное время

∆

пр

- как

∆

пр

max

•

∆ xx , то это позволяет найти соотношение

∆

х /

∆

пр

= x

max

/T, а следо-

вательно, величину

∆

пр

можно представить в виде

∆

пр

∆

хT/ x

max

. От-

сюда для заданной относительной погрешности

( )

100/2

max

δδ

=∆

получа-

ем

∆

пр

= 2

T/100.

Окончательно выражение для скорости передачи информации при

динамических измерениях с учетом выражения (1.4) примет следующий

вид:

( ) ( )

12/100log2/100/

+=∆=

δδβ

TTJ

пр

. (1.8)

То есть, зная погрешность измерения

и время нарастания (измене-

ния) сигнала Т, можно определить необходимую скорость переда информа-

ции.

Понятие скорости передачи информации (употребляется так же си-

ноним этого понятия – частота передачи информации) необходимо для:

1) определения максимально допустимой скорости преобразования непре-

рывных величин в дискретные; 2) оценки возможностей многоканальных

систем регистрации; 3) пригодности использования конкретного преобразо-

вателя при заданной точности измерений.

Приведем несколько примеров использования формулы (1.8).

Пример 1. Пусть необходимо получить информацию о процессе в

цифровой форме с погрешностью

< 0,5% при времени нарастания вход-

ного сигнала более 0,1с.

Из формулы (1.4) определяем число двоичных разрядов, необходи-

мое для удовлетворения поставленных условий.