Разработка геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений: на примере Кузбасса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Митина, Надежда Викторовна

• Митина, Надежда Викторовна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Митина, Надежда Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

1.1. Геоинформационный подход в решении задач природопользования.

1.2. Обоснование геоинформационного подхода в решении геохимических задач.

1.3. Структура геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ФОРМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ХРАНЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ДАННЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И СОЗДАНИЕ ИНТЕРАКТИВНОГО ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.1. Построение базы данных "Геохимия угольных месторождений".

2.2. Разработка интерактивного прикладного программного обеспечения.

ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА ПЕРВИЧНЫХ ГЕОДАННЫХ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ АНОМАЛЬНЫХ ЗАМЕРОВ В УГЛЕПРОБАХ.

3.1. Аномальность геохимических данных.

3.2. Обработка первичных геохимических данных.

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ДАННЫХ УГЛЕЙ.

4.1. Обзор современных методов обработки и анализа данных.

4.2. Статистическая обработка геохимических данных.

4.3. Интеллектуальный анализ геохимических данных.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ АНАЛИЗА ГЕОХИМИЧЕСКИХ ДАННЫХ УГЛЕЙ.

5.1. Обзор современных ГИС-систем.

5.2. Комплексный анализ геохимических данных углей на основе ГИС -системы ArcView.

5.3. Подсчет запасов химических элементов на основе ГИС - системы Surfer.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений: на примере Кузбасса»

Актуальность работы. Кузбасс является крупнейшим угледобывающим регионом России. Однако экономическая эффективность освоения угольных месторождений определяется не только энергетической и технологической ценностью углей, но и их ресурсным потенциалом - комплексами ценных примесей или экологически опасных химических веществ. Эти комплексы в результате обогащения и промышленного использования углей накапливаются в отходах и выбрасываются в атмосферу, что с одной стороны, создает серьезные экологические проблемы, а с другой - приводит к потере ценнейшего минерального сырья. Поэтому вполне естественен интерес к задаче комплексного изучения минерально-сырьевой базы угольной отрасли.

С этой целью необходимо создание информационных систем для комплексного исследования углей и выявления месторождений с промышленным содержанием ценных металлов и опасным содержанием токсичных и радиоактивных химических элементов. Применение традиционных методов обработки данных не обеспечивает требуемой в современных условиях природопользования степени глубины и детализации получаемой информации. С развитием новых информационных технологий появилась возможность разрабатывать принципиально новые системы анализа геоданных. Так, информационные системы, ориентированные на интеллектуальную обработку данных и их пространственное отображение на основе цифровых карт, используются все шире и уже доказали свою эффективность и работоспособность во многих областях человеческой деятельности.

Предварительная специальная обработка исходной информации, комплексный анализ и интерпретация геоданных, отображение полученных результатов в виде графиков, поверхностей и электронных карт могут служить качественной и продуктивной основой научных исследований. Интеграция геохимического и геоинформационного подходов, методов интеллектуальной обработки баз данных, соответствующего математического и компьютерного программного обеспечения, адаптируемых к конкретным особенностям геохимических задач, обеспечивает создание качественно нового инструмента автоматизированного геохимического исследования угольных месторождений.

В связи с вышеизложенным разработка геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений является актуальной научной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института угля и углехимии СО РАН на 2001-2003 гг. Проект 5.1.18: "Разработка комплексной методологии геоэкологического мониторинга угольных бассейнов". Задание: "Объектно-ориентированные модели горно-технологических информационных систем".

Целью работы является разработка геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений.

Идея работы заключается в интеграции современных средств создания баз данных, методов их интеллектуального анализа и географических информационных систем.

Задачи исследований: разработать геоинформационную модель для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений, основанную на интеллектуальном анализе данных и ГИС-системах; создать формальные модели хранения геохимической информации, адекватно описывающие структуру геоданных и связи между ними; разработать интерактивное прикладное программное обеспечение, реализующее обработку геохимической информации; разработать методику интеграции прикладного программного обеспечения, современных методов анализа данных и ГИС-систем с целью комплексного исследования геохимических показателей углей.

Методы исследований: теоретические основы проектирования баз данных и объектно-ориентированного программирования для разработки интерактивного прикладного программного обеспечения; методы математической статистики и извлечения "знаний" из баз данных для установления закономерностей в геоданных и исследования их структуры; методы машинной графики, общей теории множеств и обработки изображений для представления результатов исследований; методы системного анализа для создания интегрированной информационной среды.

Научные положения, выносимые на защиту: геоинформационная модель для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений обеспечивает создание качественно нового инструмента исследования, основанного на интеллектуальном анализе данных и ГИС-системах; формальная модель хранения геоданных позволяет создать универсальную структуру и связи для обработки, анализа и отображения геоинформации; интеграция прикладного программного обеспечения, методов интеллектуального анализа данных и географической информационной системы обеспечивает комплексный анализ геоинформации.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным использованием методов построения геоинформационных систем; корректным применением математической обработки геоданных и методов извлечения "знаний" из баз данных; представительным объемом проанализированных данных геохимических исследований кузнецких углей (геохимические показатели 555 углепроб по 164 пластам и участкам, по 69 шахтам и углеразрезам с 30528 определениями на 55 химических элементов); опытной проверкой геоинформационной системы в Институте угля и углехимии СО РАН для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений Кузбасса.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые разработана геоинформационная модель для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений; построена формальная модель хранения геоданных, позволяющая организовать процессы обработки, анализа и отображения геохимической информации; создан новый способ выявления закономерностей комплексного накопления химических элементов и угольных объектов им соответствующих, основанный на использовании методов интеллектуального анализа данных и географических информационных систем; разработан методический подход построения геоинформационной системы для хранения, обработки, анализа и отображения геоданных.

Личный вклад автора состоит в: разработке геоинформационной модели для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений; реализации формальной модели хранения геоданных и разработке компьютерных программ в среде Delphi 7.0 для интерактивной обработки геоинформации; исследовании современных программных методов обработки, автоматизированного анализа данных и географических информационных систем и установлении класса прикладных пакетов для решения геохимических задач; интеграции программных компонентов, методов интеллектуального анализа данных и географической информационной системы для обеспечения комплексного анализа геоинформации.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволяют: на основе разработанной геоинформационной модели создавать геоинформационные системы разного назначения и тематического содержания; повысить уровень автоматизации геохимических исследований углей и обеспечить адекватное описание геохимических явлений; выделить первоочередные объекты (угольные месторождения или отдельные пласты) с позиций комплексного накопления химических элементов и исследовать их географическое размещение; выявить рациональные направления комплексного освоения угольных месторождений и комплексной переработки углей.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются в лаборатории геоинформационных технологий и математического моделирования систем и процессов угледобычи Института угля и углехимии СО РАН при проведении научных исследований геохимического профиля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на XXIX конференции студентов и молодых ученых КемГУ (Кемерово, 2002); II и III региональных научно-практических конференциях "Информационные недра Кузбасса" (Кемерово, 2003-2004); Всероссийской научной конференции "Наука и образование" (Белово, 2003); Х1Л Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 2003); V и VI Международных научно-практических конференциях "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2003-2004); V Международной научной конференции "Наука и образование" (Белово, 2004).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе в 1 монографии.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 60 рисунков и список литературы из 68 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Митина, Надежда Викторовна

Выводы по главе

Интеграция базы данных и методов их обработки с географической информационной системой создает качественно новый инструмент исследования геохимических свойств углей и обеспечивает комплексный анализ геоинформации.

На основе ГИС-технологий, реализованных в системе ArcView, разработана методика построения цифровых геохимических карт и схем, позволяющая провести исследование вертикальной и латеральной изменчивости размещения химических элементов в углях. Например, выявлено, что перспективными по содержанию алюминия являются угольные месторождения Бачатского, Прокопьевско-Киселевского, Беловского, Кондомского, и Томь-Усинского геолого-экономических районов.

С использованием ГИС-системы Surfer исследована возможность подсчета запасов химических элементов в угольных пластах. Установлено, что по имеющейся редкой сетке геохимических замеров невозможно прогнозировать отсутствующие значения в данных и построить корректную модель запасов химических элементов в угольных пластах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, содержится решение задачи разработки геоинформационной системы для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений, имеющей существенное значение в области создания геоинформационных систем недропользовательского направления, как одного из разделов геоинформатики.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Геоинформационная модель для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений, которая содержит в качестве основных компонентов базу геоданных, состоящую из 17 взаимосвязанных таблиц; интерактивное прикладное программное обеспечение, в составе которого четыре функциональных блока; пакеты прикладных программ анализа данных (Statistica, StatGraphics, WizWhy, See5, Miner3D Excel), адаптированные к решению геохимических задач; географические информационные системы (ArcView, Surfer), обеспечивает создание качественно нового инструмента исследования.

2. Формальная модель геохимических данных, на основе которой разработана база геоданных с целью хранения большого количества информации о проведенных наблюдениях (геохимические показатели 555 углепроб по 164 пластам и участкам, по 69 шахтам и углеразрезам с 30528 определениями на 55 химических элементов), позволяет организовать процессы обработки, анализа и отображения геоинформации.

3. В рамках интерактивного прикладного программного обеспечения реализован набор функций и методов манипулирования геохимической информацией - редактирование справочников, ввод и редактирование данных по углепробе, контроль качества исходной геоинформации и вывод заранее определенных отчетных форм.

4. Интеграция прикладного программного обеспечения, методов интеллектуального анализа данных и географической информационной системы позволяет получить ранее неизвестные закономерности комплексного накопления химических элементов в виде многомерных зависимостей и отобразить их в трехмерное пространство и на цифровую карту. С использованием системы выявлены правила совместного накопления ниобия и радиоактивных элементов (Ш и 20.00. 100.00, ТН ю 7.24. 24.34, и ¿у 6.10. 16.10) в углях кемеровской свиты и угольные объекты им соответствующие (шахта Завьяловская (пласт III), разрез Сибиргинский (пласт VI), разрез Бачатский (пласт Горелый), шахта им. Шевякова (пласт XI)). На основе ГИС-технологий разработана методика построения цифровых геохимических карт и схем, позволяющая проводить исследование вертикальной и латеральной изменчивости размещения химических элементов в углях.

5. Геоинформационная система позволяет проводить исследование геохимических свойств угольных месторождений с целью рациональной утилизации отходов добычи и комплексной переработки углей. На основе выполненной работы выявлено, что перспективными по содержанию алюминия являются угольные месторождения Бачатского, Прокопьевско-Киселевского, Беловского, Кондомского, и Томь-Усинского геолого-экономических районов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Митина, Надежда Викторовна, 2006 год

1. Потапов В.П., Рыбак Л.В., Клебанов А.Ф. Методология создания интегрированных информационных систем для угольной промышленности (на примере Кузбасса) Информационные недра Кузбасса: Труды научнопрактической конференции. Кемерово: КемГУ, 2003. 25-33.

2. Нифантов Б.Ф., Потапов В.П., Митина Н.В. Геохимия и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных элементов в кузнецких углях. Перспективы переработки. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАП, 2003.-108 с.

3. Пифантов Б.Ф. Кузнецкий бассейн Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник. М.: Педра, 1996. 96 140.

4. Юзвицкий А.З., Станкус В.М., Шаклеин С В и др. Угольные ресурсы России и их рациональное использование Минеральные ресурсы России. Экономика и управление, 1996. JV» 3. 11-20.

5. Арбузов СИ., Ершов В.В., Поцелуев А.А. и др. Редкие элементы в углях Кузнецкого бассейна. Кемерово, 2000. 245 с.

6. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. Учебное пособие для вузов спец. "Маркшейдерское дело". М: "Высшая школа", 1973. 287 с.

7. Потапов В.П. Современные методы построения информационных систем в горном деле Сборник трудов IV республиканской научно-технической

8. Митина Н.В. Информационная модель Сборник трудов углевмещающего молодых комплекса КемГУ, Кузнецкого бассейна ученых посвященный 60-летию Кемеровской области. Кемерово: Полиграф, 2002. -Т.2.-С.97-99.

9. Митина Н.В. Информационное обеспечение геохимии углей Кузнецкого бассейна Информационные недра Кузбасса. Труды научно-практической конференции. Кемерово: КемГУ, 2003. 56-57.

10. Калянов Г.Н. CASE технологии. Консалтинг при автоматизации бизнес процессов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Горячая линия Телеком, 2000. 320 с.

11. Грэй П. Логика, алгебра и базы данных: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1989.-360 с.

12. Вендров A.M. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем: Учебник. М.: Финансы и статистика, 2000. 352 с.

13. Вендров A.M. CASE технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1998.-176 с.

14. Наумов А.Н., Вендров A.M., Иванов В.К. и др. Системы управления базами данных и знаний. М.: Финансы и статистика, 1991. 348 с. 21. Р. Ахаян, А. Горев, Макашарипов. Эффективная работа с СУБД. СанктПетербург: изд-во Питер, 1997. 697 с. 22. А.А. Сахаров. Концепции построения и реализации информационных систем, ориентированных на анализ данных СУБД, 1996. №4. 55-70.

15. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi

16. Руководство разработчика баз данных. М: "Нолидж", 1999. 560 с.

17. Федоров А.Г. Создание Windows приложений в среде Delphi. М.: ТОО фирма "Компьютер Пресс", 1995. 287 с.

18. Архангельский А.Я. Язык SQL в Delphi 5. М.:ЗАО БИНОМ", 2000.-208 с.

19. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 232 с.

20. Клер В.П., Ненахова В.Ф., Сапрыкин Ф.Я. и др. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщь СССР. Закономерности "Издательство концентрации элементов и методы их изучения. М.: Наука, 1988. 256 с.

21. Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых при разведке угля и горючих сланцев. Отв. Редактор К.В. Миронов. М: Наука, 1987. 137 с.

22. Митина Н.В. Геоинформационная система комплексного исследования геохимии кузнецких углей Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции. Кемерово: ННЦ ГН ИГД им А.А. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК "Экспо-Сибирь", 2004. 48-49.

23. Митина Н.В. Геоинформационая модель интегрированного анализа геохимических данных кузнецких углей Материалы V Международной научной конференции "Наука и образование". Белово: "Беловский полиграфист", 2004. 551-552. 31. Д. Мейер. Теория реляционных баз данных. М.: Издательство Мир, 1987. 608 с.

24. Потапов В.П. Новые тенденции в развитии баз для угольной промышленности Сборник трудов международной научно-практической конференции посвященной 275-летию Российской отрасли академии наук "Экологические проблемы угледобывающей в регионе при переходе к устойчивому развитию". Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. 127-132.

25. Митина Н.В. Создание информационной системы геохимии углей Кузнецкого бассейна Сборник трудов второй областной научной конференции "Молодые ученые Кузбассу". Кемерово: "Фирма Полиграф", 2003. 250-252. 35. В.П. Боровиков, И.П. Боровиков. STATISTICA статистический анализ и обработка данных в среде Windows. Издание 2-е, стереотипное. М.: Информационно издательский дом "Филинъ", 1998. 608 с.

26. Девис Дж. Статистика и анализ геологических данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1977.-571 с.

27. Аронов В.И. Методы математической обработки геологических данных на ЭВМ. М.: Недра, 1977. 168 с. 38. В.В. Александров, Н.Д. Горский. Методы обработки многомерных данных. Л.: Машиностроение, 1987. 239 с.

28. Боровиков В.П. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. 2-е изд. СПб.: "Питер", 2003. 688 с.

29. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе STATISTICA в среде Windows. М "Финансы и статистика", 1999.-382 с.

30. Introduction to Data Mining and Knowledge Discovery. 2"* edition, by Two Crows Coфaration. -1998. P. 31. 42. B. Корнеев, A. Гарев, Васютин, В. Райх. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации. М "Полидж", 2000.

31. Потанов В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 180 с.

32. Киселев М., Соломатин Е. Средства добычи знаний в бизнесе и финансах. Открытые системы, 1997. JSfs 4. 41-44.

33. Алферов М.В. Разработка алгоритмов комплексного анализа деятельности угольных предприятий с применением метода нейронных сетей.

34. Shapiro Arnold. Classification Data Mining methods. DBMS Journal v. 10. N10 1998.-P 47-56. 48. E.L. Goodvin. Data Mining Tecnology. Data Mining and bCnowledge Discovery Journal. V.

36. Ming-Syan Chen and Jiawei Han and Philipp S.Yu. Data mining: an overview from a database perspective. IEEE Trans. On Knoweledge And Data Egineering. Vol

37. Issue 6. Dec-1996. -P. 866-883. 50. http://www.statsoft.com

38. Митина H.B. Применение методов исследования структуры данных для выявления особенностей пластовых месторождений Материалы всероссийской научной конференции "Наука и образование". Белово: "Беловский полиграфист", 2003. 483-488.

39. Потапов В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий. Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 1999.-211с.

40. Потапов В.П. Методы извлечения знаний и современные технологии хранения данных для угольной промышленности Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности". Новокузнецк, 1999. 1721.

41. Митина Н.В. Применение методов Data Mining для выявления закономерностей комплексного накопления химических элементов в углях Кузбасса Информационные недра Кузбасса. Труды III региональной научно-практической конференции. Кемерово: КемГУ, 2004. 67-68.

42. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. 287 с.

43. Surfer 1, Golden Software, Inc., Help, 1999.

44. Хохряков B.C. Геоинформациоиный метод математического моделирования //Физ.-матем. проблемы разработка полезных ископаемых СО АН СССР. Новосибирск, 1986. 5. 89-94.

45. Хохряков B.C. Проблемы геоинформатики как приоритетного направления в горных науках Доклады международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения" (Мельниковские чтения, Екатеринбург, 6-8 июля 1998 г.). Т.

46. Екатеринбург, 1998. 24-31.

47. Митина Н.В. ГИС геохимии углей Кузнецкого бассейна Материалы XLI Международной научной студенческой конференции "Студент и научнотехнический прогресс": Информационные технологии. Новосибирск: НГУ,2003.-С.24.

48. Kerry К.Е., Hawick К.А. Spatial inteфolation on distributed, high-performance computers. Technical Report DHPC 015, University of Adelaide, 1997.

49. Харбух Дж., Бонэм-Картер Г. Моделирование на ЭВМ в геологии. М.: Мир, 1974.320 с.

50. Митина Н.В. Технология обработки геоданных для комплексного исследования геохимии кузнецких углей Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции. Кемерово: ННЦ ГП ИГД им А.А. Скочинского, ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК "ЭкспоСибирь", 2003. 132-134.

51. Митина Н.В, Геоинформационная система для комплексного исследования геохимических свойств угольных месторождений Вестник КузГТУ, 2006. 5 69-71.