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

Подождите немного. Документ загружается.

метров геофизических полей к точкам земной (водной) поверхности или

околоземного пространства.

Кроме того, необходимо обеспечить непрерывное измерение уклоне-

ния воздушного или морского судна от линии заданного пути.

Для большинства видов геофизических съемок среднеквадратичная

погрешность определения плановой геофизической привязки параметров

физических полей σ

зависит от масштаба съемки М и определяется как

m/М, где m = (0,8 ÷ 1,0) · 10

-3

, что соответствует 0,8 ÷ 1,0 мм масштаба от-

четной карты. В соответствии с этой формулой вычисляются допустимые

значения погрешностей плановой геофизической привязки, приведенные в

таблице 5 [12].

Таблица 5

Требования к точности плановой привязки измерений при проведении

геофизических съемок.

1.000 000

1:200 000

1:50 000

1:25 000

1:10 000

1:5 000

, м

800 - 1000

160 - 200

40 - 50

20 - 25

8 - 10

4 - 5

Точность пилотирования (судовождения) носителей геофизической

аппаратуры определяется точностью фактического местоположения судна и

точностью его навигационной проводки, т.е. точностью выдерживания суд-

на при заданном маршруте.

Обе составляющие независимы и обычно распределены по нормаль-

ному закону, поэтому суммарная среднеквадратическая погрешность пило-

тирования:

=, где

– погрешность навигационной проводки. Полагают,

что 3

∑

=(0,33 – 0,5) ∆L – межмаршрутное расстояние, а ∆L связано с мас-

штабом съемки М как ∆L = 0,01/М, отсюда

∑

= (1,1 – 1,66)·10

-3

/М.

При σ

получаем

= (0,8 – 1,2) 10

-3

/М, т. е. значения привязки в

таблице 6 несколько увеличиваются.

Так, для масштаба 1:1 000 000

∑

=8 –12м.

В настоящее время системы спутниковой радионавигации являют-

ся универсальным средством, обеспечивающим необходимую надежность и

точность привязки измерений наземных, морских и аэрогеофизических съе-

мок любого масштаба [12]. Системы спутниковой (космической) навигации

– это среднеорбитальные сетевые системы на высотах порядка 20 тыс. км

над поверхностью земли. Роль опорных навигационных точек выполняет

орбитальная сеть спутников, движущихся вокруг Земли по известному во

времени закону с периодом обращения около 12 часов и непрерывно излу-

чающих радиосигналы, которые синхронизированы между собой во време-

ни.

Информация для системы спутников НАВСТАР передается кадрами,

длительностью 30 с каждый при скорости передачи данных 50 бит/с. Другой

распространенной системой является ГЛОНАСС с той же скоростью пере-

дачи данных.

Серия искусственных спутников Земли НАВСТАР является основой

системы глобального позиционирования (GPS). GPS – информационная

технология точного определения положения объектов на земной поверхно-

сти.

Наиболее известными современными комплексами для морских гео-

физических работ являются комплексы МАРС и СНАРК (НПО «Южмор-

геология» и НИПИ «Океангеофизика»), аэрогеофизические комплексы КАС

и ПОТОК, созданные в ВИРГ – Рудгеофизике, а также ЛОЦМАН (ГНПП

«Аэрогеофизика»).

В состав морского измерительно-навигационного комплекса МАРС

входят измерительные модули: магнитометрический, гравиметрический и

сейсморазведочный датчики океанологической информации и навигацион-

ная аппаратура, управляемые ЭВМ. Погрешность определения координат в

прибрежной зоне составляет 10-15м. Отметим аналогичный, но более со-

вершенный комплекс СНАРК.

Многоканальный измерительно-навигационный аэрогеофизиче-

ский комплекс КАС, созданный в 1999г., обеспечивает проведение аэро-

гамма-спектрометрических (U, Th, K и суммарный канал), и аэроэлектро-

разведочных по методу сверхдлинноволнового радиокип (два канала) гео-

физических исследований. С измерением высот местности (баровысотомер)

этот комплекс включает восемь каналов и управляется единой бортовой

ЭВМ IBM PC/AT-486.

Навигационно-геофизические функции комплекса реализуются путем

кодового спутникового индикатора АБРИС, созданного фирмой «Транс-

Марин» (С-Петербург) на базе датчика G-12 системы НАВСТАР. При заме-

не этого датчика на модель GG-24 той же фирмы используются системы

ГЛОНАСС и НАВИГАТОР.

Электромагнитное поле сверхдлинноволновых радиостанций преоб-

разуется в электрические сигналы двумя магнитными антеннами. Цифровые

аэрогеофизические комплексы размещаются на самолете АН-2 или вертоле-

те МИ-8, скорость которых 160-180 км/ч и 110-140 км/ч.

Помимо указанных выше геофизических измерений осуществляются

аэро- и космофотосъемки, которые являются средством сбора и регистра-

ции информации в виде изображений (аэро- и космоснимки).

Съемки из космоса с космических кораблей СОЮЗ и орбитальных

станций САЛЮТ проводятся в видимой и ближней инфракрасной области

спектра в диапазоне 0,3-4,1мкм, инфракрасной области (до 1000мкм) и ра-

диоволновом диапазоне (от сантиметров и выше).

Телевизионные системы, работающие в видимой и инфракрасной

областях, имеют преимущество перед фотографическими, поскольку пере-

даются по радиоканалам и не требуют возвращения пленки на Землю.

Их недостатки – невысокая разрешающая способность, которая по-

вышается за счет цифровой обработки изображений.

Фотографические системы обеспечивают регистрацию снимков с

наибольшим разрешением на местности, позволяют проводить съемку в ви-

димом диапазоне и в несколько более узких спектральных интервалах. Ус-

ловия фотографирования зависят от ряда факторов (освещенности местно-

сти, состояния атмосферы, метеообстановки, времени года). Для большин-

ства регионов благоприятны условия съемки при небольшом объеме снеж-

ного покрова, скрывающего многие ландшафтные индикаторы и оттеняю-

щего рельеф местности.

Количество информации, получаемой с космоснимка (аэроснимка),

зависит от разрешающей способности фотографирующей системы, фотоап-

парата, объектива, оптических свойств земной поверхности, возможностей

фотопленки и её обработки. Все эти показатели взаимосвязаны и определя-

ют одну из главных особенностей снимка – высокую плотность ландшафт-

ной информации. Один из основных показателей снимка-коэффициент

спектральной яркости, определяемый как отношение интенсивности излу-

чения, отраженного от поверхности в пределах спектрального интервала, к

интенсивности излучения, рассеянного полностью отражающей поверхно-

стью в тех же условиях.

Космоснимки характеризуются масштабом, разрешающей способно-

стью и разрешением на местности.

Масштаб фотоснимка прямо пропорционален фокусному расстоя-

нию объектива и обратно пропорционален высоте полета. В зависимости от

масштаба снимка находится и его разрешающая способность, которая пред-

ставляет собой число черно-белых штрихов на отрезке в 1мм, раздельно

фиксируемых на фотоснимке.

Разрешение на местности ∆ равно наименьшему размеру воспро-

изводимых объектов на снимке: ∆=m/2n. Кроме того, космоснимки характе-

ризуются обзорностью (отношение сфотографированной площади к визу-

ально наблюдаемой площади, она связана с масштабом фотоизображения и

размером кадра), детальностью (возможность фотосъемки воспроизводить и

различать предельно минимальные детали местности) и генерализацией

(степень обобщения спектральных и геометрических характеристик ланд-

шафта), определяемой разрешающей способностью фотоаппаратуры, влия-

нием атмосферы и фотоматериалами.

Наиболее эффективными являются многозональные аэро- и космо-

съемки с помощью фото- и телевизионной техники. Их преимущество опре-

деляется большим количеством диапазонов, изображениями в определенных

зонах спектра, характеризующих наибольший контрастностью, возможно-

стью обработки снимков как в различных диапазонах спектра, так и в их

комбинациях. При многозональной съемке расширяется объем извлекаемой

информации за счет большего (4-6 и более) числа снимков на одну и ту же

территорию и за счет более высокого разрешения на местности в узких зо-

нах спектра.

Отметим, помимо указанных видов аэрокосмосъемки, применение

инфракрасной съемки с регистрацией теплового излучения земной поверх-

ности в трех диапазонах: ближнем (0,76- 1,4мкм), среднем (1,4- 3,0мкм) и

дальнем (3,0- 1000мкм).

Инфракрасная съемка эффективна при картировании термально-

контрастных поверхностей, термальных источников, нефтегазовых залежей,

полиметаллических сульфидных руд, подземных вод.

Наконец, находит применение и радиолокационная съемка с регист-

рацией на микроволновом диапазоне радиосигналов, отраженных от по-

верхностных объектов (радиолокаторы устанавливают на самолетах). Ра-

диолокационная съемка не зависит от времени и метеоусловий. Изображе-

ние определяется степенью шероховатости поверхности, формой объектов,

углом падения луча и физическими свойствами отражающей поверхности.

Такая съемка наиболее эффективна при решении структурных задач в гео-

морфологии и тектонике.

Фототелевизионные комплексы подводной регистрации также

обеспечивают сбор информации в виде изображений. Изображение здесь

образует единую систему: водная среда – иллюминатор – светофильтр –

объектив – фотопленка – источник света. Основное влияние на качество

изображения оказывает водная среда.

В условиях океана при светосиле оптики 3,5 оптимальная дистанция

съемки 3,5-4м. Сбор информации осуществляется с буксируемого фотогра-

фического комплекса «Мир» и фототелевизионного комплекса «Нептун»

путем маршрутной съемки дна океана с дистанции 2-8м от объектива до

глубины 600м при скоростях до 1,5 узлов.

Основными геологическими задачами, решаемыми с помощью под-

водной регистрации, являются поиски и разведка месторождений желези-

сто-марганцевых конкреций, сульфидных руд и фосфоритов.

Вопросы для самоконтроля.

1. Приведите выражения для шага дискретности измеренных

данных по уровню и по времени

2. Перечислите недостатки квантования (дискретности) сигна-

лов по уровню и по времкни.

3. Основные приемы преобразования аналоговых сигналов в дис-

кретные.

4. Опишите структурные элементы многоканальной цифровой

геофизической аппаратуры.

5. Основные параметры цифровых геофизических станций.

6. Назовите современные типы цифровых сейсморазведочных,

электроразведочных и каротажных станций.

7. Основные виды геофизических исследований со спутниковой на-

вигацией.

ГЛАВА III. БАЗЫ ГЕОДАННЫХ

Большие объемы первичной геоинформации, регистрируемой на че-

тырех уровнях наблюдения (космос – воздух – земля (море) – скважина)

требуют организации их хранения в памяти ЭВМ по специальным правилам

и принципам, позволяющим осуществлять многократное к ним обращение с

целью использования данных для обработки и интерпретации, выборе стра-

тегии дальнейших прогнозно-поисковых или разведочно-эксплуатационных

работ, принятия по результатам обработки и интерпретации оптимальных

управленческих решений.

При этом важно, чтобы организация данных и их хранение в различ-

ных технических средствах (персональные компьютеры, рабочие станции,

супер-ЭВМ) отличились бы единой технологией, обеспечивая возможность

их использования для решения различных геологических задач. Указанные

проблемы обуславливают рассмотрение понятия базы данных, различных

типов баз данных и их взаимодействия между собой.

3.1. Понятие о базе данных

Описания данных и отношений между ними определяют двумя

типами: логическое и физическое. Физическое описание данных обеспечи-

вается способами физической записью данных на внешних носителях (маг-

нитных лентах, дисках, дискетах и т.д.) и представляет способ хранения ин-

формации на этих носителях.

Логическое описание данных указывает на то, в каком виде данные

представляет себе пользователь, программист, и задача геоинформатики со-

стоит именно в анализе логического описания геоданных и их взаимоотно-

шений между собой для дальнейших операций хранения, передачи и обра-

ботки.

Согласно определениям Ассоциации по языкам систем обработки

данных (CODASYL) выделяются следующие описания данных.

Байт – наименьшая адресуемая группа битов (8 битов).

Элемент данных – наименьшая единица поименованных данных,

которая может состоять из любого количества битов или байтов. Элемент

данных – это любая (одна) характеристика изучаемого объекта, в том числе

и его координаты, элемент имеет имя (идентификатор).

Агрегат данных – поименованная совокупность элементов данных,

выделяют два типа агрегатов: вектор – одномерная упорядоченная совокуп-

ность элементов (например, название района работ, номер профиля, номер

точки наблюдения образуют агрегат данных) и повторяющаяся группа - со-

вокупность векторов, встречающихся несколько раз подряд. Например, если

данные описываются таким образом, что сначала указываются номера про-

филей, а затем, номера точек, т.е. повторяется пара: профиль–точка, про-

филь–точка и т.д.

Запись данных – поименованная совокупность элементов или агрега-

тов данных. Совокупность элементов описывается так, как это представля-

ется программисту, причем логическая запись может не совпадать с физиче-

ской, поскольку логическая запись состоит из элементов, расположенных в

других физических записях.

Элементы записи – это характеристики (признаки, координаты) одно-

го объекта, в частности, одной точки наблюдения. Каждая запись описыва-

ется именем (идентификатором) и форматом хранения, определяющим спо-

соб упаковки элемента записи на ленту, диск, дискету, при чтении из базы

данных программист может полностью прочитать логическую запись.

Файл – поименованная совокупность всех экземпляров логических

записей заданного типа. Если запись представляет описание различных ха-

рактеристик объекта или точки наблюдения, то файл – эта совокупность тех

же характеристик по нескольким объектам или по профилю наблюдений,

т.е. файл – это матрица – таблица исходных данных.

База данных – совокупность записей различного типа, содержащая

перекрестные ссылки, или иначе – это совокупность экземпляров различных

типов записей и отношений между записями и элементами, агрегатами. БД –

это также совокупность матриц-таблиц (файлов) и программ, определяющих

отношения между типами данных.

База данных, по другому распространенному в геофизике определе-

нию, – это совокупность массивов данных на внешних носителях и про-

граммных средств доступа к ним, где под массивами подразумеваются и за-

пись, и файлы. Действительно, геофизические, геохимические и геологиче-

ские пакеты программ оперируют с данными разных типов: полевые наблю-

дения, информация об изучаемом объекте и системе наблюдений; промежу-

точные результаты обработки; параметры обработки; программно - сформи-

рованные изображения выводимых результатов и т.д.

Следовательно, БД – это совокупность логически взаимосвязанных

файлов данных определенной организации.

Физическая организация БД, в отличие от логической, – это физиче-

ское представление данных и их расположение на запоминающих устройст-

вах.

База данных организуется таким образом, что данные собираются

однажды и централизованно хранятся так, чтобы они были доступны всем

специалистам-программистам, желающим их использовать. Одна из важных

черт БД – независимость данных от особенностей прикладных программ,

которые их используют. Это означает, что изменение значений данных или

особенностей их хранения на физических носителях не требует изменения

прикладных программ.

В понятие БД включается система управления базой данных

(СУБД), предназначенная для выполнения операций по обработке данных в

прикладных программах. СУБД просматривает описание физической орга-

низации БД и определяет какую физическую запись (записи) требуется счи-

тать, при этом СУБД выдает операционной системе ЭВМ команду чтения

требуемой записи.

Иначе, СУБД представляет собой совокупность лингвистических и

программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместно-

го использования БД многими пользователями.

Нередко понятия БД и СУБД объединяют в одно понятие банк дан-

ных.

Понятие базы данных неразрывно связано со структурой ее построе-

ния (выделяют иерархические, сетевые и реляционные БД), языком манипу-

лирования данными и языком описания данных.

Язык описания данных (ЯОД) – средство объявления СУБД тех

структур, которые будут использоваться при обработке. ЯОД включается в

программное описание ЭВМ. ЯОД для логического описания должен иден-

тифицировать типы данных (элемент, запись, файл), т.е. присваивать имя

каждому типу данных.

Язык манипулирования данными (ЯМД) – это интерфейс (стыковка)

между прикладной программой и СУБД. ЯМД включает ряд программ,

осуществляющих открытие или закрытие файла, замену или удаление от-

дельных записей из файла (или самого файла), передачу в рабочую область

программы содержимого указанного элемента данных и т.д.

Все данные в БД заносятся в определенном формате.

Формат – способ представления данных в БД или на внешнем носителе.

Различают векторный и растровый форматы.

Например, форматами представления и обрабртки цифровых изобра-

жений для векторной графики являются JGES, DXB, DXF, CGM, для рас-

тровой графики – PCX, GIF, JPEG, TIFF, для передачи данных дистанцион-

ного зондирования: BIL, BIB, BIP, BSQ, одним из распространенных форма-

тов представления данных сейсморазведки является SEG-Y (Society Explora-

tion of Geophysists), а данных геофизических исследований скважин – LAS и

LIS – форматы.