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

Подождите немного. Документ загружается.

J = log

(100/2

+ 1) = Iog

101 = Iog

1,58 · 2

= 6,7

≈

Если время нарастания входного сигнала больше 0,1 с, то скорость

передачи информации с учетом формулы (1.8)

≈⋅⋅⋅==+== 1,05,02/)7100()2/100()12/100(log)2/100(/

JTTTJ

пр

δδδβ

7000≈

дв.ед./с(бод).

Следовательно, семиразрядный преобразователь с частотой преобра-

зования

=7000 бод удовлетворяет заданному условию измерения.

Теперь дополним заданное условие тем, что регистрирующее устрой-

ство контролирует не один, а 20 каналов одновременно при той же допус-

тимой погрешности

и с тем же временем нарастания сигнала. Тогда ско-

рость передачи информации будет равна

14000020

ββ

бод. При этом

время, необходимое на одно преобразование, соответственно уменьшается,

а именно, для одного канала

17000/7/ ===∆

пр

мс, а для 20 каналов

05,0140000/7/

===∆

мс = 50 мкс.

Пример 2. Рассчитаем, какое время необходимо на одно преобразо-

вание в цифровой сейсмостанции с регистрацией 48 основных и двух вспо-

могательных каналов при двухбайтовой записи сейсмических колебаний (1

байт = 8 бит).

Очевидно, что J =16 бит (дв. разрядов). Пусть в одну секунду произ-

водится регистрация 500 чисел одного канала и, следовательно, скорость

передачи информации составляет 500·16=8000 бод, а для 50 каналов соот-

ветственно

=400 000 бод. Отсюда искомое время на одно преобразование

400000/1/1 ==∆

пр

=2,5 мкс.

Возможность работы многоканальных приборов зависит от длитель-

ности одного преобразования и его скорости. Длительность преобразования

характеризуется временем преобразования аналоговой непрерывной вели-

чины в цифровой код. Это время определяет "пропускную способность"

преобразователя или допустимую скорость передачи информации, одну из

важнейших характеристик преобразователей. Если преобразователь имеет

малую длительность преобразования

, а измеряемые процессы допускают

сравнительно невысокие скорости преобразования, то число каналов

пр

Tn ∆≤ /

. Так, пропускная способность может оказаться недостаточной,

если при заданных допустимой погрешности и времени изменения сигнала

увеличить число каналов, не меняя скорости передачи информации. Точ-

ность измерений при этом понижается.

Большинство реальных физических и геохимических процессов из-

меняются во времени с разной скоростью. При этом часть измеряемых па-

раметров достигает определенных установившихся значений и, следова-

тельно, контролировать их можно значительно реже. В последнем случае

важно получить лишь информацию об отклонении данного параметра от за-

данного значения, определяемого точностью измерений и допустимым диа-

пазоном. Информация о постоянстве измеряемой величины будет избыточ-

ной. Эту избыточную информацию можно отбросить и не подавать на вы-

ходные устройства.

Иначе говоря, устранение избыточности информации позволяет бо-

лее эффективно использовать каналы связи при регистрации данных.

Абсолютная избыточность информации D

абс

определяется как

разность между полным количеством информации H

mах

, когда значения из-

меряемой величины принимаются равновероятными, и полезным количест-

вом информации Н, когда учитывается избыточность информации, т. е.

имеющаяся неравновероятность значений измеряемой величины: D

aбc

max

– H. Часто используют понятие относительной избыточности:

отн

max

– H)/ H

max

= 1 – H/ H

max

(1.9)

При этом информацию можно выражать в любых мерах, в том числе

– элементарных. В качестве иллюстрации понятий D

aбc

и D

отн

приведем сле-

дующий пример.

Пример 3. Для рассмотренного выше примера 1 предположим, что

изменение измеряемой величины с погрешностью 0,5% для одного из кана-

лов происходит за время не менее 35 с. Тогда

5,02/)7100()2/100(/

⋅⋅⋅==

∆= JTTJ

пр

= 20 бод,

т. е.

в 350 раз меньше

Избыточность информации при этом составляет

отн =

1 -

= -20/7000=0,997

Для данного канала избыточность велика, поскольку максимальная

избыточность D

отн

max

=1. Этот пример показывает, насколько неэкономично

в ряде случаев производятся передача и регистрация информации.

Существуют различные методы устранения избыточности информа-

ции, основанные на анализе частотных спектров регистрируемых сигналов,

взаимосвязи предыдущих значений с текущими (например, с помощью

функции автокорреляции). Однако в практике геолого-геофизических ис-

следований эти методы не нашли применения, поскольку их реализация

требует существенных затрат времени, связанных с необходимостью обес-

печения тех или иных приемов аппроксимации. Поэтому наиболее распро-

страненными остаются методы равномерной дискретизации регистрируе-

мых сигналов как по времени, так и по уровню (см. раздел 2.1).

1.3. Виды геоизмерений

Специфика измерений при геолого-геофизических исследованиях

приводит к понятию "геоизмерение", под которым следует понимать полу-

чение в конкретных точках геопространства значений качественных и коли-

чественных параметров среды, функционально связанных с характеристи-

ками наблюдений (измерений). К характеристикам геоизмерений В. И. Па-

хомов относит базу единичного наблюдения и область влияния измерения.

Базой единичного наблюдения называется часть геопространства, в

пределах которого при измерении происходит интегральное накопление

информации об исследуемом свойстве.

Например, при оценке содержания урана базой единичного наблюде-

ния являются штуф объемом п · 10 см

для первичных литохимических оре-

олов рассеяния, куб со стороной 0,5 м – для наземной гамма-спектрометрии,

параллелепипед со сторонами 150x150x0,5 м для аэро-гамма-спектрометрии

(аэростанция АГС-71).

Для данного определения базы наблюдаемые значения при геоизме-

рении представляют собой весовые средние в объеме, равном базе единич-

ного наблюдения при этом весовые коэффициенты являются функцией рас-

стояния от центра базы, т.е.

∫

dxrxgx )(

, (1.10)

где V – база единичного наблюдения; g (r) – весовые коэффициенты; r – рас-

стояние от центра базы до ее контура.

В соответствии с определением (1.10) значение гравитационного по-

ля представляется в виде весового среднего с коэффициентом g=A(l/r

), зна-

чение магнитного поля – в виде весового среднего с коэффициентом

g=B(l/r

), а значение содержаний по литогеохимическим пробам g = const.

Все геоизмерения в зависимости от характера базы единичного на-

блюдения подразделяются В. И. Пахомовым на две группы: с постоянной и

переменной базами.

К первой группе относят геоизмерения, базы единичного наблюдения

которых постоянны и не изменяются от точки к точке измерения. Это – ли-

тогеохимические, радиометрические, петрохимические и петрофизические

измерения. В состав первой группы относят измерения, значения которых

определяются суперпозицией составляющих от природных объектов разных

размеров. Вследствие этого базой единичного наблюдения рассматриваемых

геоизмерений является вся Земля в целом, к таким измерениям относятся

значения естественных потенциальных полей: гравитационного, магнитно-

го, электромагнитного, теплового и т.п.

Вторая группа объединяет геоизмерения, для которых база единично-

го наблюдения непостоянна как по размерам, так и по форме, и изменяется в

зависимости от условий измерений от точки к точке. Это геофизические по-

ля с искусственными источниками возбуждения: геофизические исследова-

ния скважин (каротаж), гидролитохимия, гидрогеохимия. Так, при измере-

нии наведенных электромагнитных полей база единичного наблюдения не-

постоянна и зависит от геоэлектрических условий конкретных участков гео-

пространства.

Помимо базы единичного наблюдения каждое геоизмерение характе-

ризуется областью влияния измерения, под которой понимается мини-

мальная по размерам часть геопространства, характеризующая масштаб-

ность выделяемой неоднородности исследуемых полей.

По размерам область влияния в верхнем пределе совпадает с базой

единичного наблюдения, а в нижнем – стремится к нулю.

В различных видах геоизмерений имеем разное соотношение между

базой единичного измерения и областью влияния измерения. Так, например,

при измерении гравитационного поля весовые коэффициенты обратно про-

порциональны квадрату расстояния от точки наблюдения. В то же время

гравитационное поле измеряется с некоторой точностью, т.е. имеется интер-

вал значений гравитационного поля, в пределах которого они значимо не

отличаются друг от друга. Поскольку гравитационное поле является функ-

цией объема неоднородностей, то при заданной точности для функции g(r) в

окрестности r

→

0 получим площадку с постоянными коэффициентами. Раз-

мер этой площадки определяет область влияния измерения гравитационного

поля.

Для аэрогамма-спектрометрических измерений интенсивное гамма-

излучение в точке х пропорциональна выражению

( )

dxxfe

)(

−

где f(x) – содержание радиоактивного элемента в точке х; r=r(х) – расстоя-

ние между точками х и х'.

Весовая функция при этом имеет следующий вид:

( )

errg

−

/1)(

где

– коэффициент, зависящий от характеристик детектора излучения.

Для сцинцилляционного детектора уменьшение его объема приводят

к изменению

. При увеличении объема детектора параметр

уменьшает-

ся, что приводит к увеличению базы единичного наблюдения (размера зоны

обзора).

Этот вывод подтверждает сравнение технических характеристик аэ-

рогамма-спектрометров (табл. 1).

Таблица 1

Технические характеристики аэрогамма-спектрометров

Тип

спектрометра

Технические характеристики спектрометра

Объем де-

тектора, л

Относительная ошибка опреде-

ления, %

Размер зо-

ны обзора

на высоте

75м

СКАТ-71

6,3

АГС-71

12,6

150

СКАТ-77

37,8

400

Макфар

50,3

550

Для литогеохимических исследований по первичным ореолам рас-

сеяния база единичного наблюдения и область влияния измерений совпада-

ют, поскольку область влияния при этом представляет объем пробы.

В остальных случаях область влияния измерения намного меньше ба-

зы единичного наблюдения.

Все геоизмерения по области влияния разделяются В. И. Пахомовым

на две группы: не зависящие от условий наблюдений (например, поля со-

держаний элементов по геохимическим съемкам, петрофизические измере-

ния и т.д.) и зависящие от условий наблюдений (естественные геофизиче-

ские поля, для которых наблюдается обратная корреляционная зависимость

между размером области влияния и точностью измерения).

Основные виды геоизмерений можно представить в виде табл. 2.

Геоизмерения представляют либо пространственно дискретные, либо

пространственно-непрерывные переменные (например, сейсмические коле-

бания).

Характеристики геоизмерений: база единичного наблюдения и об-

ласть влияния измерений существенным образом влияют на выбор матема-

тических моделей обработки исходной информации.

Таблица 2

Классификация методов поисков по видам геоизмерений

(по В. И. Пахомову)

База единичного на-

блюдения

Методы поисков по области влияния изме-

рения

не зависящей от усло-

вий наблюдения

зависящей от условий

наблюдения

Постоянная

А. Космофотосъемки

Литогеохимия по пер-

вичным ореолам рас-

сеяния.

Радиометрия.

Петрофизика.

Петрохимия.

Петрография.

В. Естественные потен-

циальные геофизиче-

ские поля: гравитацион-

ные, магнитные, элек-

трические, электромаг-

нитные, тепловые

Переменная

Б. Литогеохимия по

вторичным ореолам

рассеяния.

Литохимия по потокам

рассеяния.

Атмогеохимия

Гидрогеохимия.

Биогеохимия.

Г. Геофизические поля с

искусственными источ-

никами возбуждения:

электрические, электро-

магнитные, сейсмиче-

ские.

Аэрогаммаспектромет-

рия

1.4. Формы представления геоданных

При представлении измеренной или обработанной геолого-

геофизической информации можно выделить четыре основные формы: ана-

литические, табличные, графические и графовые.

Аналитическая форма обеспечивает представление геоданных в ви-

де аналитических выражений, отдельных формул или систем линейных (не-

линейных) уравнений.

Эта форма используется при известных законах поведения того или

иного физического поля, регрессионных зависимостях между различными

физическими полями или свойствами, геометрическими параметрами изу-

чаемых объектов.

Графическая форма реализует представление данных в виде кривых,

графиков, диаграмм, пространственных изображений физического поля,

рельефа местности и т.д. Графическая форма используется как при наличии

статистических данных, так и при аналитическом описании моделей объек-

тов.

Табличная форма дает представление моделей полей, объектов или

отдельных их характеристик в виде одной или совокупности взаимосвязан-

ных между собой таблиц. Данные в ячейках таблицы подчиняются опреде-

ленным правилам и законам. Так, по столбцам обычно располагаются типи-

зированные данные. Например, в качестве столбцов часто выступают коор-

динаты точек наблюдений, значения того или иного физического свойства,

физического поля, а по строкам располагаются значения физических

свойств и полей, соответствующие конкретным координатам, т.е. для кон-

кретной точки наблюдений.

Графовая форма ориентирована на представления модели в виде

графической схемы, т.е. графа. Эта форма применяется для описания струк-

туры моделей данных, процессов (алгоритмов) обработки геоданных, а так-

же для описания сложных систем, в частности систем управления предпри-

ятиями.

Схема включает элементы графа, называемые вершинами (узлами) и

ребрами (дугами). Графовая модель, как и табличная, строится по опреде-

ленным правилам. Например, каждое ребро может быть ориентировано, ес-

ли определен путь от одной вершины к другой в обоих направлениях.

Формы представления геоданных реализуются средствами компью-

терной графики. Отметим, что аналитическая форма может быть переведена

в графическую форму. Далее набор значений аргументов по аналитической

форме позволяет находить набор значений функций, что дает возможность

образовать табличную форму представления функции. Следовательно, име-

ет место прямая связь между аналитической, графической и табличной фор-

мами. Иногда удается реализовать достаточно сложные связи между графо-

вой и табличной формами, например, в теории баз данных.

1.5. Адекватность геоинформации

Геоинформатика рассматривает информацию как связанные между

собой сведения, данные, отражающие свойства геологических объектов и

процессов в природных системах и регистрируемые с применением или без

применения технических средств.

Геоинформация изменяет наши представления об объектах, процес-

сах и явлениях, происходящих в природных системах и в окружающем ми-

ре.

Существенным аспектом геоинформации является то, что геоинфор-

мация существует вне её создания, отчуждаема от него, может быть записа-

на на материальных носителях (бумаге, магнитной ленте, твердотельных

дисках и т.д.).

Для потребителя геоинформации важным свойством является её аде-

кватность.

Адекватность геоинформации – это определенный уровень соот-

ветствия, создаваемого с помощью полученной информации образа реаль-

ному геологическому объекту, процессу, явлению. От степени адекватности

информации реальному состоянию объекта или процесса зависит правиль-

ность принятия решений человеком.

Адекватность геоинформации, как и любой другой информации вы-

ражается в трех формах: семантической, синтаксической и прагматической.

Синтаксическая адекватность отображает формально-

структурные характеристики информации, не затрагивая её смыслового со-

держания.

Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций,

называют данными, поскольку при этом не имеет значения их содержатель-

ная (смысловая) сторона.

Семантическая адекватность определяет степень соответствия об-

раза объекта и самого объекта. Семантический аспект предполагает учет

смыслового содержания информации. При этом анализируются те сведения,

которые отражает информация, и рассматриваются смысловые связи.

Прагматическая (потребительская) адекватность отражает от-

ношение информации и её потребителя, соответствие информации цели

управления, например, геологоразведочным процессом, т.е. той цели управ-

ления, которая реализуется на основе соответствующей геоинформации.

Прагматические свойства информации проявляются лишь при нали-

чии единства информации, пользователя и цели управления.

Рассматривая вопросы адекватности, следует также отметить такие

важные качества геоинформации, как репрезентативность (представитель-

ность), достаточность, доступность и устойчивость. Эти качества геоинфор-

мации практически целиком определяются методикой её сбора и регистра-

ции.

Методический уровень проведения геолого-геофизических исследо-

ваний обуславливает актуальность и своевременность, точность и достовер-