Цифровые картографические 3D-модели для решения геолого-геофизических задач: На примере Дагестана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Кобзаренко, Дмитрий Николаевич
- Специальность ВАК РФ25.00.35
- Количество страниц 122
Оглавление диссертации кандидат технических наук Кобзаренко, Дмитрий Николаевич
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
ПОСТРОЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ЗЭ-ГИС.
1.1. Обзор зарубежных и отечественных ЗО-ГИС.
1.1.1. Переход от двумерных к трехмерным ГИС.
1.1.2. Обзор современных трехмерных геоинформационных технологий.
1.1.3. Современные 3 Р-ГИС в геологии и геофизике.
1.2. Специализированная ЗО-ГИС для геолого-геофизических задач
1.2.1. Постановка задачи.
1.2.2. Подход в построении ЗР-ГИС для геолого-геофизических задач.
1.2.3. Геоинформационые технологии на этапах преобразования и визуализации данных.
1.2.4. Время - четвертое измерение в мониторинговых задачах.
ГЛАВА 2. ЦИФРОВЫЕ КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ЗО-МОДЕЛИ
ПОСТРОЕНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ).
2.1. Базовые алгоритмы, заложенные в основу ЗО-ГИС и цифровой картографической ЗО-модели.
2.1.1. Особенности визуализации ЗР-изображений.
2.1.2. Алгоритмы триангуляции объектов типа точка и кривая.
2.1.3. Цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона.
2.1.4. Алгоритм обрезки произвольного объекта произвольным полигоном на основе триангуляции.
2.2. Построение цифровой картографической ЗО-модели.
2.2.1. Структура и файловая организация модели.
2.2.2. Подготовка исходной информации для построения модели.
2.2.3. Преобразования векторизованной и атрибутивной информации в единую структуру модели.
2.3. Использование библиотеки OpenGL для визуализации цифровой картографической ЗБ-модели.
2.3.1. Формирование и вывод геометрических объектов средствами OpenGL.
2.3.2. Световые и цветовые эффекты ЗЭ-визуализации.
2.4. Примеры разработанных цифровых картографических 3D-моделей и их характеристики.
2.4.1. Модель «Центральная часть Дагестанского клина».
2.4.2. Модель «Город Махачкала».
2.4.3. Модель «Республика Дагестан».
2.5. Программное обеспечение построения и визуализации цифровой картографической ЗБ-модели.
2.5.1. Программные модули и структура программного комплекса.
2.5.2. Программные утилиты преобразования данных и система трехмерной визуализации.
ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ЗЭ-МОДЕЛЕЙ В ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ (ПОСТРОЕНИЕ И ИНТЕГРАЦИЯ ТЕМАТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ).
3.1. Построение и интеграция модуля визуализации геологического строения земной коры.
3.1.1. Структура и файловая организация модуля.
3.1.2. Предварительная обработка и преобразование исходной информации в структуру данных модуля.
3.2. Построение и интеграция модуля визуализации температурного поля земной коры.
3.2.1. Структура и файловая организация модуля.
3.2.2. Предварительная обработка и преобразование исходной информации в структуру данных модуля.
3.3. Моделирование температурного поля Махачкалинского месторождения термальных вод в условиях антиклинальной складки, осложненной тектоническими нарушениями.
3.4. Интеграция в модель данных дистанционного зондирования, экспедиционного материала и очагов землетрясений.
3.4.1. Модуль визуализации очагов сейсмических событий.
3.4.2. Обработка и интеграция данных экспедиционного материала.
3.4.3. Обработка и интеграция данных дистанционного зондирования на примере снимков спутника NOAA.
3.5. Моделирование динамики приповерхностного температурного поля во время землетрясения 1999 года в Дубках по спутниковым данным NOАА.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Геоинформатика», 25.00.35 шифр ВАК
Мониторинг теплового поля Восточного Предкавказья на основе дистанционного зондирования и наземных измерений: На примере Дагестана2004 год, доктор технических наук Булаева, Нуржаган Маисовна
Геоинформационное моделирование в задачах оценки распределения геотермальных ресурсов2011 год, доктор технических наук Кобзаренко, Дмитрий Николаевич
Аппаратно-программный комплекс обработки цифровых карт территориального комплексного кадастра природных ресурсов Красноярского края2003 год, кандидат технических наук Савельев, Андрей Сергеевич
Методика и технология оперирования геолого-геофизическими данными в геоинформационных пакетах2004 год, кандидат геолого-минералогических наук Шилина, Галина Васильевна
Методика обработки данных дистанционного зондирования земли для геоинформационного обеспечения геолого-геофизических исследований2009 год, кандидат технических наук Худяков, Сергей Степанович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровые картографические 3D-модели для решения геолого-геофизических задач: На примере Дагестана»
Актуальность. Тенденция все более широкого внедрения географических информационных систем (ГИС) в науки о Земле (география, геология, экология, почвоведение и т.д.), также как и в тесно связанные с ними социально-экономические науки (экономика, история и т.д.), приводит к повышению эффективности и дальнейшему развитию геоинформационных методов исследований, которые базируются на новой науке -геоинформатике [25].
Одним из первых толкование геоинформатики как науки дал Н.С. Сербенюк [31]: «Геоинформатика - понятие, обозначающее автоматическую переработку пространственно-временной информации о геосистемах различного иерархического уровня и территориального охвата». Всякую науку определяют ее предмет и метод исследования. Геоинформатика, как и география, исследует те же объекты, т.е. природные, общественные и природно-общественные геосистемы (предмет геоинформатики), но со своими методами и средствами: путем создания и изучения цифровой информационной модели геосистемы (метод геоинформатики).
В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы, причем слово «географические» обозначает в данном случае не столько «пространственность» или «территориальность», а скорее — комплексность и системность, заложенные в ГИС. Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую сможет опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная с малых научных лабораторий и заканчивая органами государственного управления [3].
ГИС, являясь программно-информационной базой, позволяет не только придать наглядность исходным геолого-геофизическим данным и результатам на географическом пространстве, но и обеспечить новый уровень решения большинства геофизических задач в трехмерном пространстве, органически соединяя пространственную спутниковую и точечную наземную информацию различных видов.
Работа выполнялась в соответствии с плановой научной темой лаборатории региональной геотермии Института проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН (2001-2003гг.) «Мониторинг современных геодинамических движений и приповерхностных температурных полей Восточного Предкавказья и прилегающей шельфовой зоны Каспия» при дополнительной финансовой поддержке гранта РФФИ №01-05-64540 «Аэрокосмический мониторинг современных геодинамических движений и приповерхностных температурных полей на территории Дагестана и прилегающей к ней шельфовой зоне Каспия» и гранта молодых ученых (мае) №02-05-06238.
Цель работы. Разработка основы специализированной географической информационной системы для решения геолого-геофизических задач способной комплексно визуализировать структурированные данные в пространстве и во времени на картографической основе.
Основные задачи. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
- разработка подхода в построении ГИС для решения геолого-геофизических задач;
- разработка структуры, базовых технологий построения и визуализации цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей;
- разработка алгоритмического и программного обеспечения.
Научная новизна. Предложены новый подход в построении и новые технологии в программно-алгоритмической реализации специализированной географической информационной системы для решения мониторинговых геолого-геофизических задач в виде цифровой картографической ЗО-модели и ее тематических модулей.
Защищаемые положения:
1. Предложенный подход в построении географической информационной системы на базе цифровой картографической ЗО-модели и ее тематических модулей позволяет рассматривать земную кору как сложную систему и проводить ее комплексное изучение в рамках геоинформационного моделирования.
2. Разработанная цифровая картографическая ЗО-модель является гибким и универсальным инструментом для интеграции и комплексной визуализации разнородного геологического материала в отличие от ЗО-систем общего назначения и обеспечивает решение широкого круга прикладных задач.
3. Разработанные тематические модули цифровых картографических ЗО-моделей позволяют проводить анализ закономерностей распределения температурного поля и других геополей по глубинам, исследовать в динамике геофизические поля, в частности, моделировать распространение очагов землетрясения и приповерхностного температурного поля.
Практическая ценность: Результаты работы могут быть использованы в программно-алгоритмической реализации ГИС-технологий и инструментов для мониторинговых задач в науках о Земле с целью изучения глубинных структур и полей и исследования их взаимосвязей. Кроме того, их можно использовать в системе образования по геоспециальностям для наглядной демонстрации глубинных структур и полей.
В рамках постановления Правительства Республики Дагестан «О создании геоинформационной системы защиты территории и населения Республики Дагестан от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (№56, от 3 марта 2003г.) Институтом проблем геотермии (лабораторией региональной геотермии) Дагестанского научного центра РАН предложена программа «Комплексный мониторинг тепловых полей Республики Дагестан на базе ЗЭ-геоинформационных технологий, дистанционной информации и геофизического банка данных», которая включена в общую программу в Министерстве по чрезвычайным ситуациям Республики Дагестан на 2004-2006гг.
Фактический материал. В работе использован следующий фактический материал:
1. Космические снимки ЫОАА по Кавказу за январь-февраль 1999 года.
2. Общегеографическая карта Республики Дагестан масштаба 1:500000 и окрестности Махачкалы масштаба 1:200000.
3. План города Махачкалы масштаба 1:25000.
4. Данные глубоких скважин (геологические срезы и термограммы), пробуренных в разное время производственными организациями «Дагнефть» и «Дагбургеотермия».
5. Данные экспедиционных работ по приповерхностной термосъемке на опытном полигоне Манас-Ачису (2002г.).
6. Данные по сейсмическим событиям на территории Восточного Предкавказья за период 1969-2002гг. (источники: сейсмическая станция «Махачкала», оперативные каталоги ЦОМЭ ГС РАН).
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на конференциях:
1. Всероссийская научно-практическая конференция «Применение материалов дистанционного зондирования Земли в интересах социально-экономического развития России», Элиста, 18-22 апреля 2001.
2. Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Физические проблемы экологии», Москва, МГУ, 22-24 мая 2001.
3. Научно-практическая конференция «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия», Махачкала, 2001.
4. II Республиканская научно-практическая конференция «Информационные и телекоммуникационные системы: интегрированные корпоративные сети», Махачкала, 10-12 октября 2001.
5. Научно-практическая конференция «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа», Махачкала, 2-5 сентября 2002.
6. Всероссийская научная конференция «Геология, Геохимия и Геофизика на рубеже XX и XXI веков», Москва, 8-10 октября 2002.
7. Международная конференция «GIS in geology», Государственный геологический музей им.Вернадского РАН, Москва, 13-15 ноября 2002.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликованы 4 работы и 5 материалов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 2 таблицы.
Похожие диссертационные работы по специальности «Геоинформатика», 25.00.35 шифр ВАК
Разработка и создание информационно-аналитической системы хранения, обработки и анализа гравиметрических данных2008 год, кандидат технических наук Симанов, Алексей Аркадьевич
Разработка и исследование алгоритмов интерполяции однозначных поверхностей и их использование при построении цифровых моделей рельефа2001 год, кандидат технических наук Фукс, Александр Львович
ГИС в решении задач корреляции разломно-блоковых структур и сейсмичности Алтае-Саянской складчатой области2008 год, кандидат геолого-минералогических наук Краснораменская, Татьяна Геннадьевна
Математическое моделирование пространственного положения геообъектов и интервальное оценивание его точности2011 год, кандидат технических наук Суханов, Сергей Иванович
Автоматизация технологии цифрового картографирования на базе геоинформационных систем2000 год, кандидат технических наук Денисов, Александр Николаевич
Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Кобзаренко, Дмитрий Николаевич
Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:
1. Предложен подход в построении специализированной трехмерной ГИС для мониторинговых геолого-геофизических задач на базе цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей.
2. Разработаны оригинальные алгоритмы, которые заложены в основу построения цифровой картографической ЗЭ-модели: цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона и алгоритм обрезки произвольного объекта невыпуклым полигоном на основе триангуляции.
3. Разработаны структура и базовые технологии построения цифровых картографических ЗЭ-моделей. Построены 3 цифровые картографические ЗЭ-модели: цифровая картографическая ЗЭ-модель центральной части Дагестанского клина (на основе карты масштаба 1:200000), цифровая картографическая ЗЭ-модель Республики Дагестан (на основе карты масштаба 1:500000), цифровая картографическая ЗЭ-модель города Махачкалы (на основе плана города масштаба 1:25000).
4. Разработаны технологии построения тематических приложений цифровых картографических ЗЭ-моделей для визуализации данных геологического строения, температурного поля и сейсмических очагов в пространстве.
5. С помощью геоинформационных технологий, основу которых составляет цифровая картографическая ЗЭ-модель, представлено распределение температур на различных срезах по глубине, по кровлям отдельных литолого-стратиграфических комплексов и на профильных разрезах на примере Махачкалинского месторождения термальных вод.
6. На примере распределения приповерхностного температурного поля во время землетрясения в Дубках по спутниковым данным >ЮАА показана возможность динамического моделирования в рамках цифровой картографической ЗЭ-модели и ее тематических модулей.
В работе не рассмотрено построение цифровой модели рельефа и других поверхностей с помощью триангуляции Делоне. В дальнейшем планируется провести работу по изучению и возможной интеграции данного подхода построения ЦМР в цифровую картографическую ЗО-модель. Безусловно, триангуляция Делоне дает большой выигрыш в скорости, однако регулярная сетка очень удобна в геометрических расчетах. Возможно, мы придем к разработке подхода, в котором будут использоваться данные и триангуляционной сетки Делоне, и регулярной сетки.
Имеется также множество недоработок в программном обеспечении. Разработанный пакет программ пока не пригоден для практического использования сторонними пользователями. Это из-за объективных причин. Для разработки мощного программного продукта требуются большие ресурсы, которые были весьма ограничены. Однако в данной работе удалось реализовать и наглядно продемонстрировать разработанный подход в построении ЗЭ-ГИС.
На основе результатов проделанной работы в лаборатории региональной геотермии ИПГ ведется разработка ГИС-проекта регионального масштаба: «Трехмерный электронный атлас Республики Дагестан». В основу проекта заложена цифровая картографическая ЗО-модель Республики Дагестан, построенная на основе карты масштаба 1:500000.
114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кобзаренко, Дмитрий Николаевич, 2004 год
1. Амирханов Х.И., Суетное В.В., Левкович Р.А., Гаирбеков Х.А. Тепловой режим осадочных толщ. Махачкала: Даг.кн.изд., 1972, 230с.
2. Беленко О.В., Мальцев К.А. Применение 3-х мерного моделирования в гидрогеологических исследованиях // Научно-технический журнал «Георесурсы», №2(10), 2002, С.33-34.
3. БерлянтА.М. Геоиконика. М.: Астрея, 1996,208с.
4. Берлянт A.M., Ушакова JI.А. Картографические анимации. М: Научный мир, 2000, 108с.
5. Берлянт A.M. Виртуальные геоизображения. М: Научный мир, 2001, 52с.
6. Берлянт A.M. Геосемиотика и визуализация геоизображений // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №1-2(33-34), 2002, С.27-29.
7. Булаева Н.М., Тупик Н.В.У Кобзаренко Д.Н., Пономарева НЛ. Сбор и визуализация сейсмологической информации // Материалы НПК «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия», Махачкала, 2001, С.42-44.
8. Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я. Визуализация тепловых полей на основе первичных данных // Тезисы докл. XVI науч.-прак. конф. по охране природы Дагестана, Махачкала, 2001, С.224-225.
9. Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я., Османов Р.Ш.
10. Пространственно-временная модель для анализа сейсмособытий //
11. Материалы научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа», 2-5 сентября, 2002, Махачкала, С.219-220.
12. Булаева Н.М., Кудрявцева К.А,, Кобзаренко Д.Н., Аскеров С.Я. Трехмерное моделирование и анализ теплового поля Махачкалинского месторождения термальных вод // Журнал «Физика Земли», №6, 2004 (в печати).
13. Васильев ГД.У Демиденко А.Г., Зеркаль О.В., Васильева Р.В. Применение цифровых моделей при ведении государственного мониторинга состояния недр // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №1(28), 2001.
14. Гридин В.И.у Дмитриевский А.Н. Системный анализ — основа методологии аэрокосмического изучения нефтегазоносных регионов // Сб.: Системный подход в геологии. М.: изд. МИНХ и ГП им.Губкина, 1983, С.47-49.
15. Демиденко А.Г., Карась С.И., Григорьев О.В. Методика повышения трансформирования растров // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации, №1-2(33-34), 2002, С.24-26.
16. Желтое С.Ю., Инвалев A.C., Кирьянов K.P., Степанов A.A. Особенности реализации 3D ГИС // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №5(12) 1997.
17. Кашик A.C., Голосов C.B. Система комплексной интерпретации и динамической визуализации геофизических данных // Материалы третьей конференции ГИС-Ассоциации «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях», Москва, 18-20 апреля, 2000.
18. Кобзаренко Д.Н. Цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона для прикладных задач геоинформатики // Журнал «Геоинформатика», №1,2004, С.
19. Королев Ю.К., Тихонова Н.М. Различные модели пространственных данных // материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», Москва, 24-27 февраля, 1997.
20. Краснов М.В. OpenGL графика в проектах Delphi. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2000. 352 с.
21. Курлович Д.М. ГИС-моделирование и прогнозирование в геоморфологии // Московское представительство THALES.
22. Лобанов В.А. ГИС в гидрологии // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №2(29)-3(30), 2001.
23. Лурье И.К. Основы геоинформатики и создание ГИС. М: МГУ, 2002, 140с.
24. Морозов O.A. Компьютерные технологии в геофизике (обзор материалов Международной геофизической конференции) // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, №3(15), 1998.
25. Полшков Е.А. Особенности ГИС-технологий при математическом моделировании геоэкологических объектов // материалы 5 всероссийского форума ГИС-Ассоциации «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес», Москва, 1-5 июня, 1998.
26. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001,600с.
27. Сафаралиев Г.К., Булаева Н.М., Кобзаренко Д.Н., Тупик Н.В. Использование системы трехмерной визуализации для задач мониторинга среды // Тез.докл Третьей Всероссийской НПК «Физические проблемы экологии», Москва, МГУ, 2001, С.218-219.
28. Сербенюк С.Н. Картография и геоинформатика и их взаимодействие. М: МГУ, 1990, 157с.
29. Френсис Хил. OpenGL программирование компьютерной графики. С.-Пб.: Питер, 2002, 1081с.
30. Шикин Е.В.у Боресков А.В. Компьютерная графика. Полигональные модели. М: Диалог-МИФИ, 2001,461с.
31. Bai Tian, Peter L., Alexander С, 3D modeling and visualization of geologic and environmental data using GIS and GMS // http://www.esri.com.
32. BRGM annual report 1999, 44p.
33. BRGM annual report 2000, 47p.
34. BRGM annual report 2001, 51 p.
35. Evans ARoberts G, Dodson A. and others Applications of augmented reality: visualizing geology // International conference «GIS in geology», extended abstracts, Vernadsky State Geological Museum of RAS, Moscow, 13-15 november, 2002, P.40-43.
36. Ford S. The first tree-dimensional nautical chart I I http://www.esri.com.
37. Khutorskoy M.D., Podgornykh L.V., Gramberg I.S., Leonov Yu.G. Thermal tomography of the Western-Arctic Basin and oil-gas forecasting // In book
38. The Earth's Thermal Field And Related Research Methods» edrs: Yu.Popov, M.Khutorskoy, D.Korobkov, MSGPU, Moscow, 2002, P.l 19-122.
39. Nancy Kerr Dei Grande. Airborne temperature survey maps of heat flow anomalies for exploration geology // Geothermal Resources Council Bulletin, V.14, No.3, March, 1985.
40. Tronin A. A. Thermal infrared satellite data for seismic area research (Japan, China and Europe) // In book «The Earth's Thermal Field And Related Research Methods» edrs: Yu.Popov, M.Khutorskoy, D.Korobkov, MSGPU, Moscow, 2002, P.280-285.
41. Zakharov M.Yu., Loupian E.A., Mazurov A.A. Program for AVHRR Data Processing on a Personal Computer // Earth Research from Space, N4, 1993, P.62-68.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.