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

Подождите немного. Документ загружается.

Кроме служебной информации в этих форматах различаются поряд-

ком следования сейсмических трасс, каротажных кривых, дискретностью

измерений и т.д.

3.2. Модели баз данных

Среди моделей построения БД наиболее распространенными в геоло-

горазведке являются реляционные БД. Реляционные БД – это табличное

представление данных, обычно в виде двумерных таблиц. Каждый элемент

таблицы – это один элемент данных, повторения здесь отсутствуют, Все

столбцы таблиц – однородные, т.е. элементы столбца имеют одинаковую

природу (значения одного и того же поля, свойства, параметра и т.д.). Каж-

дому столбцу присвоены имена. В таблице нет двух одинаковых строк, по-

скольку координаты точек наблюдения разные. В операциях с таблицей ее

строки и столбцы могут рассматриваться в любом порядке, в любой после-

довательности. Все наиболее применяемые таблицы при геолого-

геофизических исследованиях: например, таблица петрофизических свойств

горных пород, таблица описания физико-геологической модели объекта

(месторождения) и т.д., удовлетворяют указанным свойствам. Подобные

таблицы называются отношением, а база данных, построенная с помощью

отношений, называется реляционной. Таким образом, реляционная БД стро-

ится из плоских наборов элементов данных (рис.3.1а). В реляционных БД

встречаются термины: домен (один столбец таблицы) и кортеж – таблица,

определяющая взаимосвязь между элементами данных. Иначе, кортеж - на-

бор взаимосвязанных величин, а файл образуется из набора кортежей.

Основные преимущества реляционных БД: простота, гибкость, точ-

ность, связность, простота внедрения, независимость данных от прикладных

программ, ясность.

БД реляционного типа являются наиболее распространенными на

всех типах ЭВМ, а на персональных компьютерах занимают доминирующее

положение.

Распространенными моделями БД в геологоразведке являются также

иерархические или древовидные структуры (см. рис.3.1б). Дерево – это ие-

рархия элементов, называемых узлами. На верхнем (первом) уровне иерар-

хии находится один узел – корень. Каждый узел, кроме корня, связан с од-

ним узлом на более верхнем уровне, называемом исходным узлом для дан-

ного узла. Ни один элемент не имеет более одного исходного. Каждый эле-

мент может быть связан с одним или несколькими элементами на более низ-

ком уровне. Такие элементы называются порожденными, а элементы, не

имеющие в конце ветви порожденных называются листьями.

Используется термин иерархический файл, т.е. такой файл, в котором

записи связаны в виде древовидной структуры. Как правило, современные

модели баз данных являются реляционно – иерархическими.

Используются так называемые сетевые модели БД, приведенные на

рис.3.1в.

В трех приведенных на этом рисунке в сетевых моделях первая (сле-

ва) имеет три уровня и для каждого узла - два исходных элемента, вторая (в

середине) – четыре уровня, третья (справа) – пять уровней.

Сетевые модели БД характерны для организации управлением геоло-

горазведочным производством на уровне экспедиции и выше.

Организация данных в БД прежде всего должна правильно переда-

вать их основное смысловое значение, или семантику, и позволять эффек-

тивно к ним обращаться. В обычной прикладной программе структура дан-

ных организуется таким образом, чтобы обеспечить удобный доступ к ним

из данной программы. БД содержит данные, которые используются множе-

ством разнообразных программ и, следовательно, при определении структу-

ры БД нельзя ориентироваться на критерии, используемые при программи-

ровании конкретных функций.

в)

б)

а)

...

... ... ... ... ...... ... ... ...

Рис.3.1. Модели базы данных: реляционная (а), иерархическая (б), сетевая (в).

При обработке геолого-геофизических данных БД характеризуется

большими и очень большими размерами выборок. Большим называется та-

кое значение, которое превосходит количество данных, обрабатываемых

одним человеком, даже если он имеет доступ к вычислительной системе.

Фактическое количество изменяется от сложности данных и решаемых за-

дач. Примером большой БД является система, содержащая сведения уже о

5000 образцах, рудных телах, месторождениях и т.д. Такая БД может, на-

пример, содержать 300 000 записей десятка или более типов. Три тысячи

сейсмических лент со стоканальной записью каждая уже образуют большую

БД.

Очень большая БД образуется, например, при сведении всех геоло-

го-геофизических данных по одному миллионному листу.

Большие массивы геолого-геофизической информации требуют ис-

пользования специальных систем для организации хранения и поиска дан-

ных. Такие системы называются информационно-поисковыми (ИПС).

ИПС, по существу, представляют БД совместно с СУБД, осуществляющих

быстрый поиск данных. Поиск данных обычно осуществляется по опреде-

ленному символу. В отличие от БД и СУБД, которые можно рассматривать

раздельно, для ИПС характерна неразрывная связь функций БД и СУБД.

В сейсморазведке в 80-ые годы при создании автоматизированной

системы обработки данных СЦС-3 широкое применение получила ИПС

«ИНЕС», при обработке и интерпретации данных (геофизических исследо-

ваий скважин) – ИПС «ГЕОКОМПАС».

3.3 Файловые базы данных

Выше приведенные определения БД, основанные на концепциях

CODASYL, а также иерархические и сетевые модели БД, вызывают серьез-

ные ограничения при хранении, поиске и обработке массовых геолого–

геофизических денных, что объясняется следующими обстоятельствами

(В.В. Ломтадзе [5]).

1) При многоэтапной и многоцелевой обработке данных трудно зара-

нее определить связи между всеми типами геообъектов и соответствующи-

ми им типами записей. При решении разных геологических задач взаимо-

связи между объектами обработки (точками наблюдений, геологически од-

нородными площадками, геохимическими и геофизическими аномалиями,

известными проявлениями полезных ископаемых и т.п.) изменяются. Соот-

ветственно изменяется принцип группирования записей, соответствующих

этим объектам.

2) Отдельная запись при обработке геолого-геофизических материа-

лов не имеет, как правило, самостоятельного значения, поэтому средства

большинства систем управления базами данных, ориентированные на поиск

и предоставление программисту единичных записей не могут удовлетворить

ни программиста, занимающегося созданием геолого-геофизического про-

граммного обеспечения, ни геолога-геофизика, как специалиста в области

обработки и интерпретации данных.

3) Реляционные БД в большей степени, чем сетевые и иерархические,

приспособлены к обработке геолого-геофизических данных, поскольку ре-

ляционную БД можно рассматривать как совокупность разнообразных таб-

лиц «объекта-свойства» (ТОС), связи между таблицами неявно определяют-

ся через общие элементы данных, например, координаты точек. Однако и

реляционная БД практически не учитывает особенности технологии хране-

ния, поиска и обработки массовых данных: а) геолого-геофизические дан-

ные хранятся в виде географически, покоординатно заданной информации,

относящейся к определенному методу, способу исследований при опреде-

ленной детальности работ – масштабе работ; б) при долговременном хране-

нии геолого-геофизические данные не модифицируются, т.к. они обычно

прошли стандартную первичную обработку; в) каждый новый фрагмент

данных должен рассматриваться как автономный (иначе ведение баз при их

реальных огромных объемах станет непосильно трудоемким), но система

поиска должна обеспечивать оперативный поиск и выбор требуемого фраг-

мента базы данных; г) технология обработки диктует необходимость дос-

тавки геолого-геофизических данных не по отдельным записям, а достаточ-

но большими порциями (сейсмическая трасса, профиль, площадь съемки и

т.п.).

С учетом отмеченных обстоятельств и особенностей технологии хра-

нения и обработки геоинформации В.В.Ломтадзе предложил синтезировать

достоинства файловых структур описания данных, информационно-

поисковых систем и реляционных БД. К достоинствам файловой структуры

относится автономия фрагментов информации, оформляемых в виде от-

дельных файлов. Достоинства ИПС заключаются в возможности смыслово-

го поиска фрагментов информации (файлов), требуемых для решения кон-

кретных задач. Наконец, достоинства реляционных баз данных состоят в ло-

гической ясности представления данных, их гибкости преобразования и т.д.,

поскольку можно "вырезать" из таблиц объекты-свойства требуемые столб-

цы (свойства) или, наоборот, "склеивать" их, формируя для прикладных

программ файлы с заданным составом записей.

Под файловой базой данных (ФБД) понимается совокупность орга-

низованных по общим принципам файлов, между которыми неявно опреде-

лены связи. Если в сетевых и иерархических базах данных объектом поиска

и обработки является запись, то в ФБД основной объект поиска и обработки

представляет файл, или же совокупность взаимосвязанных однотипных за-

писей, называемая массивом и являющаяся частью файла. В частных случа-

ях можно выполнять работу и с отдельными записями.

Выбор стандартных структур организаций данных, в которые, как в

контейнеры, или как книги на полки библиотеки, вкладывается разнообраз-

ная информация, является ключевым моментом при проектировании техно-

логии обработки массовых геолого-геофизических данных. К достоинствам

концепции банка данных относится введение понятия структуры данных и

выделение набора стандартных структур, управляемых набором стандарт-

ных программ и подпрограмм, входящих в конкретную СУБД. Такой набор

программ и подпрограмм В. В. Ломтадзе для файловых баз данных называет

системой оперирования данными (СОД), которая играет роль общесис-

темного программного обеспечения.

В ФБД выделяют четыре структуры данных: файл, массив, запись,

элемент, которые по - существу отражают все разнообразие площадной гео-

лого-геофизической информации.

Файл – обычно соответствует площади работ, т.е. иначе содержит

конкретные данные по этой площади.

Массив файла соответствует профилю или маршруту, скважине или

интервалу скважины, сейсмической трассе, кривой ВЭЗ, МТЗ или любой

другой совокупности точек наблюдения, т.е. массив содержит данные по

профилю, маршруту, скважине и т.д. Массив состоит из заглавия и записей.

Заглавие – особая запись для характеристики массива в целом.

Записи массива в совокупности образуют таблицу объекты – свойст-

ва. Одна запись соответствует одному объекту и совпадает с понятием "за-

пись" в терминах CODASYL.

Элементы записи – это характеристики, т.е. например, значения

конкретного физического поля, координаты, признаки одного объекта, т.е.

одной точки профиля, одной точки скважины, одной точки сейсмотрассы и

т.п.

Элементы заглавия какого массива – это его общие характеристики,

используемые чаще всего для координации привязки и для поиска массива в

файле. Каждый элемент заглавия и записи описывается идентификатором

(именем) Р и форматом хранения ИС, определяющим способ упаковки эле-

мента при записи на ленту или диск. Массив файла в структурном отноше-

нии аналогичен таблице реляционной базы данных, но отличается от нее в

основном наличием заглавия. Например, Р

= SMTR применительно к сейс-

мической информации означает, что массиву соответствует трасса, а код

массива содержит номер сейсмограммы (старшие десятичные цифры). Так,

SMTR 10120 означает номер сейсмограммы SM-101 и номер трассы TR-20.

Допускается расчленение массива на подмассивы. При этом подмассивы

одного массива должны иметь один и тот же код, т.е. код данного массива, и

заглавие массива содержатся только в первом подмассиве. В качестве дру-

гого примера: Р

= NL, т.е. кодом массива является его порядковый номер в

файле.

Любой файл в СОД состоит из краткого паспорта и массивов. По -

существу, имеется близкая аналогия между паспортом файла и аннотацией

книги, между массивами файла и главами той же книги. В паспорте файла

содержится имя (или название) файла, имя (обозначение) владельца партии,

экспедиции, объединения, параметр РАСК, обычно равный 1; это означает,

что данные, содержащиеся в файле, должны храниться на ленте иди диске в

упакованном виде; в случае РАСК = 0 упаковка запрещается; параметр V -

число элементов данных в заглавии каждого массива; параметр W – число

элементов данных в заглавиях каждого файла, параметр Р

, символически

обозначающий принцип кодирования массивов файла (принцип группиро-

вания записей в массивы); параметры Р

, U

, C

(j = 1 ,…,V+W) – для описа-

ния элементов заглавия и записей массивов.

Придавая параметрам Р

, V, W, Р

, U

, C

(j = 1 ,…,V+W) определенные

значения, можно формализовать представление различных геолого-

геофизических данных. Например, представление площадных данных фор-

мализуется с помощью шести видов сетей, которым и соответствуют опре-

деленные структуры файлов. Эти структуры файлов приведены в табл.6.

Таблица 6

Вид

сети

Наименование

сети

Структура и состав файла

Способ кодирова-

ния массивов фай-

ла

Элементы заглавий

массивов файла

Элементы записей

массивов файла

Отдельные объ-

екты

Код массива – его

порядковый номер

(NL) в файле

Любые общие ха-

рактеристики объ-

ектов, описывае-

мых массивом. За-

главие может осут-

ствовать

Любые количест-

венные, качест-

венные признаки

объектов и, воз-

можно, их коорди-

наты

Произвольная

неупорядоченная

То же, часто файл

состоит из одного

массива, так как

записи специально

не группируются в

массивы

ХХН, ХХК, УУК –

значения коорди-

нат X, Y, которыми

ограничен участок,

описываемый мас-

сивом (ось Х на-

правлена на север,

ось Y – на восток

X, Y, F (X, Y – ко-

ординаты объекта,

описываемого за-

писью; F – призна-

ки, которыми опи-

сан объект)

Произвольная

упорядоченная

Код массива – ХХ,

т.е. нижняя грани-

ца «полосы», в

То же

То же; в пределах

«полос» записи

упорядочены по

пределах которой

расположены точ-

ки (объекты, опи-

сываемые масси-

вом)

возрастанию Y

3 Прямоугольная

Код массива – ХХ,

т.е. координата Х

профиля, парал-

лельного оси Y

YН, DY – коорди-

ната Y начальной

точки на профиле и

шаг по профилю

Профили, отрез-

ки

Код массива NL

ХХН, ХХК, УХН,

УУК – координаты

начальной и ко-

нечной точек мар-

шрута

5 Скважины

Код массива –

СКВ 1, т.е. номер

скважины и код

интервала скважи-

ны

ZH, DZ, G – на-

чальная глубина,

шаг по глубине,

общие характери-

стики скважины и

её интервала (X, Y,

H и др.)

F или Z, F или Z1,

Z2, F

Предложенный В. В. Ломтадзе общий метод формализации массовых

геолого-геофизических данных позволяет рассматривать их обработку как

многошаговый процесс последовательного преобразования файлов.

Если для геофизического метода определены типы файлов, то много-

численные программы обработки и интерпретации данных могут разраба-

тываться независимо друг от друга. Любой переход, например, от файла А к

файлу типа В, может быть осуществлен с применением разных алгоритмов

и разных программ.

На каждом шаге последовательного преобразования файлов с помо-

щью той или иной программы выполняется переход от одного или несколь-

ких исходных файлов к одному или более, которые могут отличиться от ис-

ходных структурой и составом. Поскольку каждый шаг графа обработки оп-

ределяется именем программы, выполняющей требуемые функции, именами

исходных и создаваемых файлов и значениями параметров управления ра-

ботой данной программы (например, граничные координаты обрабатывае-

мой площади, имена используемых признаков и т.п.), то после любого шага

процесс обработки может быть прерван для визуализации и анализа проме-

жуточных результатов, принятия решения о выборе приемов и параметров

дальнейшей обработки или интерпретации.

Описанный выше подход к построению реляционно-файловых (или

просто файловых) баз данных нашел в настоящее время самое широкое

применение при создании автоматизированных систем обработки и интер-

претации геолого-геофизической информации, а также при обеспечении

программными продуктами полевых вычислительных комплексов и автома-

тизированных рабочих мест. При этом большинство программистов пред-

почитают ограничиваться тремя структурами данных: элемент, запись и

файл, полагая использование структуры массива лишним.

3.4. Взаимодействие баз геолого-геофизических данных

Общий подход формирования представления массовых геолого-

геофизических данных в среде файловых баз данных (ФБД) позволяет пе-

рейти к созданию различных типов баз и обеспечить их взаимодействие ме-

жду собой. С этой целью В.В. Ломтадзе введены следующие типы ФБД [5]:

– методная ФБД, которая образуется и существует в период сбора и

обработки материалов полевой партии или экспедиции (гравиметри-

ческой, сейсморазведочной, геохимической и т.д.). Методная ФБД

представляет собой совокупность файлов определенных типов – оп-

ределенной структуры и состава. Связи между файлами методной

ФБД неявно определяются таблицей типов файлов данного геолого-

геофизического метода, а так же принятой технологией обработки

данных. Файлы методной ФБД передаются в региональные базы дан-

ных для их долговременного хранения;

– региональная ФБД – это совокупность всех файлов, содержащих

геолого-геофизические данные по одному миллионному листу карто-

графической разграфки. Каждая региональная (архивная) ФБД име-

нуется тремя алфавитно-цифровыми символами номенклатуры листа,