МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГАРКУША Ігор Миколайович

УДК 004.94:004.925.8:550.8.013:004.67

КОМП’ЮТЕРНА ТЕХНОЛОГІЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО

ТРИВИМІРНОГО ГЕОЛОГІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність 05.13.06 – автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бусигін Борис Сергійович, Національний гірничий університет, завідувач кафедри геоінформаційних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Назаренко Володимир Михайлович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри інформатики, автоматики і систем управління;

доктор технічних наук, доцент Приставка Пилип Олександрович, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри математичного забезпечення ЕОМ.

Провідна установа:

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 18 ” травня 2007 року о “ 14 ” годині на засі-данні спеціалізованої вченої ради К .051.01 при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49044, м. Дніпропетровськ,
просп. К. Маркса, 35, корп. 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Козакова, 8.

Автореферат розісланий “ 12 ” квітня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук С.В. Земляна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку гірничо_геологічного напряму все більш важливу роль грає спеціалізоване програмне забезпечення (ПЗ). Воно входить до складу автоматизованих робочих місць фахівців різних рівнів. Останнім часом у цьому програмному забезпечені, яким часто виступають геоінформаційні системи (ГІС), почали використовувати тривимірне моделювання геологічних середовищ. Найбільш відомими в цій області є праці таких вчених, як А.А. Аузін, В.А. Букринський, Б.С. Бусигін, А.А. Глухов, В.В. Глазнєв, В.В. Єршов, І.В. Лісніченко, В.М. Назаренко, М.В. Назаренко, С.Л. Нікулін, А.А. Омельченко, О.П. Приставка, П.О. Приставка, С.А. Хоменко, А.А. Шоломицький, E.J. Cowan, R.K.Kevin Sprague, EricKemp та інших.

Задача створення комп’ютерного тривимірного уявлення геологічних об’єктів (рудних тіл, покладів) є досить актуальною. Це викликано, насамперед, тим, що фахівцеві, який володіє тільки двовимірними представленнями, наприклад, паперовими копіями геологічних розрізів та планів, досить складно відразу уявити об’ємну картину досліджуваного середовища. Цей недолік допомагає усунути (або в значній мірі знівелювати) тривимірне представлення об’ємної картини геологічного середовища на екрані монітора комп’ютера.

Потреба у вітчизняному програмному забезпеченні для вирішення гірничо-геологічних задач, у тому числі пов’язаних зі складним тривимірним моделюванням геологічних середовищ, в Україні вкрай висока. Для вирішення задач моделювання просторових об’єктів розроблені спеціальні методи, які стосовно гірничого напряму діяльності розглядаються при геометризації родовищ. Певне місце серед них займають такі, які дозволяють при моделюванні уявити основну форму, що характерна в цілому для рудних тіл, покладів. Мова йде про створення каркасних тривимірних моделей геологічних об’єктів (ГО). Існуюче програмне забезпечення, яке має у своєму складі інструменти для створення таких моделей, дозволяє фахівцеві отримувати їх через досить великий проміжок часу. Тому розробка нових методів автоматизованого тривимірного каркасного моделювання рудних тіл, покладів, які дозволять за відносно короткий термін отримати такі моделі засобами спеціалізованої геоінформаційної системи, що входитиме до складу автоматизованого робочого місця (АРМ) геолога (геолога-інтерпретатора, провідного геолога), є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією проводилася на кафедрі геоінформаційних систем Національного гірничого університету в рамках науково-дослідної теми: “Розробка методологічних і теоретичних основ та створення методів опису структури геолого-геофізичних карт” № Д/Р 0105U000501. Результати дисертаційних досліджень використані в проектах геологічного завдання 37__“Докучаївське родовище” та 57-(60)-3 “Геологопрогнозне картування масштабу 1:50000 Сорокінської зеленокам’яної структури з оцінкою золотого зруденіння”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності обробки геологорозвідувальних даних у процесах створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів завдяки подальшому розвитку методів отримання таких моделей та розробці спеціалізованої геоінформаційної системи для автоматизації процесів тривимірного моделювання геологічних середовищ.

Для досягнення мети в роботі вирішені такі задачі:

1) досліджені структури геологорозвідувальних даних для формування бази геологічних даних (БГД);

2) розроблений метод для створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів за інтервальними даними проб свердловин;

3) розроблений алгоритм керування тривимірним відображенням досліджуваних даних;

4) розроблена нова ГІС “КОНТУР”, що є програмною складовою АРМ фахівця організації гірничо-геологічного профілю інструменти якої дозволяють створювати геологічні розрізи, погоризонтні плани та тривимірні каркасні моделі рудних тіл, покладів;

5) розглянутий автоматизований процес моделювання рудних тіл, покладів, який включає підготовку геологорозвідувальних даних та розроблений метод створення тривимірних каркасних моделей з їх представленням на екрані монітора комп’ютера;

6) розроблені програмні інструменти, які дозволяють проводити підготовку даних для друку та друк вертикальних геологічних розрізів і погоризонтних планів згідно з вимогами українських геологорозвідувальних експедицій.

Об’єктом дослідження є процес автоматизованого створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів.

Предметом дослідження є моделі, методи та інформаційні технології створення тривимірних моделей рудних тіл, покладів, зокрема каркасних моделей.

Методи дослідження базуються на загальній методології наукового пізнання, методах дискретної математики, теорії алгоритмів, методах комп’ютерної графіки та геометрії, геометризації родовищ математичного аналізу, кластерного аналізу, теорії і практики системного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше одержано модель автоматизованого робочого місця геолога на базі розробленої геоінформаційної системи, що дозволило визначити множину операцій з геологорозвідувальними даними для процесів автоматизації тривимірного моделювання подання в цифровій та друкованій формах геологічних вертикальних розрізів і погоризонтних планів.

2. Розроблено модель рудних тіл, покладів, яка на відміну від існуючих оперує комплексом даних про просторове розташування свердловин, геометрію інтервалів проб свердловин, геометрію перерізів, просторові зв’язки між перерізами, що дозволило визначити множину керуючих параметрів для процесу автоматизованої побудови тривимірних каркасних моделей.

3. Розроблено метод створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів, який відрізняється від відомих застосуванням модифікованого агломеративного ієрархічного алгоритму та алгоритму просторового аналізу розташування перерізів, що дозволило автоматизувати процес побудови таких моделей.

4. Набула подальшого розвитку архітектурна складова інформаційної технології, яка дозволяє ефективно вирішувати комплекс задач, що пов’язані з обробкою, аналізом та візуалізацією просторових геологорозвідувальних даних, інструментами геоінформаційної системи.

Практичне значення одержаних результатів полягає в доведенні теоретичних положень до конкретних інженерних методик, алгоритмів та програм, які безпосередньо дозволяють автоматизувати процеси створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів. Розроблено інформаційну технологію та автоматизоване робоче місце геолога на базі спроектованої спеціалізованої геоінформаційної системи “КОНТУР”.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено: в геологорозвідувальній експедиції (ГРЕ) № КП “Кіровгеологія”; у пошуково-зйомочній експедиції (ПЗЕ) № 57 КП “Кіровгеологія”; у Дніпропетровський геофізичній експедиції (ДГЕ) “Дніпрогеофізика”. Елементи програмування, які застосовані при розробці геоінформаційної системи “КОНТУР”, використані у процесі навчання студентів за спеціальностями 7.080407 та 7.080404.

Особистий внесок здобувача. У ході проведеної дослідної роботи було опубліковано вісім праць [1 – ]‚ п’ять з яких – у фахових виданнях. Чотири роботи що опубліковані у фахових виданнях виконані у співавторстві. Одна робота яка опублікована у співавторстві, є довідниковим посібником.

Особистий внесок здобувача в роботах: [1] – розроблений та досліджений метод створення тривимірних каркасних моделей ГО, розглянуті основні етапи процесу створення таких моделей; [2] – розроблений та досліджений новий метод просторової інтерполяції на різних наборах двовимірних даних; [4] – досліджено використання ActiveX компонента ESRI MapObjects 2.0 при побудові ГІС; [5] – досліджено ринок спеціалізованого ПЗ для створення та обробки цифрових моделей поверхонь та тривимірного моделювання в гірничо-геологічній сфері; [6] – проведений аналіз моделей даних у ГІС, форм представлення об’єктів, організації просторових даних, огляд світових стандартів та форматів; [8] – проведений огляд технологій побудови тривимірних моделей геологічних середовищ.

У ході дослідження отримано свідоцтво [9] про реєстрацію авторського права на розроблену ГІС “КОНТУР” у співавторстві з проф. Б.С. Бусигіним. Особистий внесок здобувача при розробці ГІС “КОНТУР” – спроектована та закодована програма перевірки геологорозвідувальних даних на наявність помилок оператора при введенні; розроблена підсистема тривимірного моделювання та візуалізації даних, до складу якої входять модулі, що забезпечують реалізацію методу автоматизованого створення тривимірних моделей ГО, а також розроблені підсистема підготовки документів до друку інтерфейс користувача та створені вихідні програмні коди модулів.

Усі результати, які винесені на захист, отримані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові та практичні результати і положення дисертаційної роботи були представлені й обговорювалися на наступних наукових конференціях:– 

Міжнародна конференція "Проблеми та перспективи застосування геоінформаційних технологій у гірничий справі" (Дніпропетровськ, 2002).– 

Міжнародна конференція "Проблемы и перспективы урановой промышленности Казахстана" (Алматы, 2004).–

Міжнародна конференція "Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти" (Київ, 2005).– 

Міжнародна науково-практична конференція "Проблеми комплексного освоєння гірничодобувних регіонів" (Дніпропетровськ, 2005).– 

Семінар "Стан та перспективи використання вітчизняних геоінформаційних систем (ГІС) на підприємствах гірничого профілю"Кривий Ріг, 2005).– 

Міжнародна конференція "Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти" (Київ, 2006).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у восьми працях: 5 статей в наукових фахових журналах і збірниках, довідниковий посібник, 2 тези конференцій. Отримано свідоцтво про реєстрацію авторського права на розроблену ГІС.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел та 7 додатків. Повний обсяг роботи становить 170 сторінок, у тому числі 127 сторінок основного тексту, 22 сторінки додатків, 87 рисунків та 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й основні задачі досліджень, визначено предмет, об’єкт і методи дослідження, показано наукову новизну результатів дисертації та їх практичну цінність, наведено дані про публікації і особистий внесок здобувача, відомості про апробацію та структуру роботи.

У першому розділі розглянуто стан задачі тривимірного геологічного моделювання. Надано інформацію про ПЗ у гірничодобувній промисловості, яке використовується для проведення тривимірного моделювання геологічних середовищ, та роль ГІС у цьому процесі. Відзначено внесок українських і російських вчених у вирішенні проблеми тривимірного моделювання ГО. Розглянуто основні моделі представлення рудних тіл, покладів. На основі матеріалів літературного огляду сучасного стану тривимірного моделювання ГО, де наведено підходи щодо автоматизації процесів створення комп’ютерних тривимірних моделей ГО (КТМГО), проведено аналіз головних аспектів побудови АРМ на базі ГІС. Обгрунтовано мету, сформульовані задачі та зроблені висновки щодо необхідності проведення дослідження з автоматизації створення тривимірних моделей ГО та вибору технології програмування тривимірної графіки.

Проведений огляд моделей представлення рудних тіл, покладів виявив два їх різновиди. Перша модель полягає в тому, що числове значення деякої властивості в просторі надр можливо розглядати як функцію від просторового розташування точки або центру елементарного об’єму. Наприклад, для деякого плоского перерізу, який має постійну відмітку z, чисельне значення функції буде залежати від зміни аргументів x та y і виражатися функцією топографічного порядку , тобто модель рудного тіла, покладу можна створити з подібних плоских перерізів. Друга модель представляє собою множину вертикальних перерізів (контурів), які повинні будуватися з урахуванням інтервальних даних проб свердловин. На базі другої моделі фахівці створюють, так звані, КТМГО. У літературі зазначається, що завдяки таким підходам створення КТМГО фахівець може отримати уявлення про основну форму рудних тіл, покладів, яка характерна в цілому для даних тіл. Програмні рішення, що дозволяють будувати подібні КТМГО, присутні майже у всіх відомих ПЗ як закордонних (GemCom, Micromine, Surpac, Vulcan), так і вітчизняних (K-MINE, ГеоМарк, Самара тощо). Однак слід зазначити, що процес створення подібних КТМГО – трудомісткий, може потребувати великого проміжку часу і за якістю не завжди задовольняє геолога. Крім того, закордонне ПЗ дуже дороге і не відповідає вимогам державних стандартів щодо підготовки друкованих матеріалів про будову геологічного середовища.

Таким чином, є актуальним розробка нового методу, який дозволить проводити автоматизовану побудову КТМГО за відносно короткий проміжок часу. Крім того, оскільки створення КТМГО потребує певної попередньої підготовки спеціальної обробки даних, то це призводить до розробки цілої системи, а саме АРМ геолога, яке буде базуватися на ГІС.

У другому розділі проведена розробка теоретичних засад дослідження. Представлена модель АРМ геолога (геолога-інтерпретатора, провідного геолога), при описі якої наведено безліч операцій, що виконуються над наборами геологорозвідувальних даних для автоматизації процесів моделювання геологічного середовища. Розроблена модель представлення рудних тіл, покладів, яка оперує комплексом даних про розміщення свердловин, враховує геометрію інтервалів проб свердловин, геометрію перерізів, а також просторові зв’язки між перерізами. Визначена адекватність пропонованої моделі перерізів рудних тіл, покладів. Описана структура дослідження автоматизованого тривимірного моделювання ГО, логічна схема та зроблені висновки щодо розроблених теоретичних положень.

Користуючись стандартом основних термінів та визначень на автоматизовані системи, а також CASE-методологію, представимо модель АРМ геолога-інтерпретарора таким чином. Нехай існує множина М, в яку входять такі елементи: , де К – комп’ютер; П – множина програмного забезпечення, яке вирішує необхідне коло конкретних виробничих завдань; ПП – множина периферійних пристроїв; Д – множина даних; О – множина операцій з даними. У свою чергу множина даних , де зГрМ – множина зовнішніх графічних матеріалів; зТМ – множина зовнішніх табличних даних; БГД – множина баз геологічних даних (можуть бути локальними або зберігатимуться на комп’ютері, який є сервером БГД і підключений до комп’ютерної мережі). Множини зГрМ та зТМ можуть включати різні матеріали, які надані у друкованому та в цифровому вигляді. Множину периферійних пристроїв можна записати так: , де ПрВВ – множина пристроїв уведення інформації, наприклад, клавіатура, маніпулятор “миша”, сканери; ПрВ – множина пристроїв інформації для виводу, наприклад, монітор, принтер, плотер та ін. АРМ призначено для розв’язання локальних задач користувача, яким у даному випадку виступає геолог-інтерпретатор або провідний геолог. Однією з головних задач розроблюваного АРМ є тривимірне моделювання геологічного середовища.

У розділі наведено основні операції, які складають множину О, та проведено їх деталізацію, що вкрай необхідно для виконання моделювання тривимірного геологічного середовища, а саме наведені діаграми деталізації таких процесів: створення гирл свердловин, свердловин, інтервалів проб свердловин, моделі рельєфу земної поверхні, магістральних ліній, профілів, отримання КТМГО.

Далі розглянемо модель представлення рудного тіла, покладу, яка необхідна для подальших розрахунків щодо побудови каркасної КТМГО. Вхідними для моделі є дані проб свердловин деякої робочої ділянки. Вміст якого-небудь корисного компонента, наприклад Au, у пробах носить стохастичний характер. Оскільки конкретна проба знаходиться між двома відмітками глибин, то фактичними для побудови моделі будуть інтервальні дані проб, які у тривимірному просторі мають координати початку та кінця. Нехай маємо деяку множину свердловин і множину інтервалів проб свердловин з вмістом корисного компонента, наприклад Au: , де кожний елемент представлений як деякий вектор: , і направлений уздовж осі свердловини. Тут () – -свердловина;
, – точки початку та кінця вектору:, , .

Розглянемо, що із себе представляють вхідні дані при графічному зображенні. На рис. , а наведений план розміщення гирл свердловин на деякій робочій ділянці, де гирла свердловин виділені в групи. Будемо називати їх профілями. На рис. 1, б представлений фрагмент побудованої проекції профілю в площині XOZ, на яку винесено 10 свердловин тестової робочої ділянки, відображена лінія рельєфу по зазначеному профілю. Передбачається, що на базі раніше проведеного фахівцем-геологом аналізу літологічних та тектонічних шарів порід (на рисунку не показані) деяка множина інтервалів буде віднесена до рудного тіла. Ці інтервали (рис. 1, б) виділені контуром, тобто маємо множину профілів, де до кожного профілю () віднесено одну чи більше множин інтервалів, , де .

а

б

Рис. 1. Свердловини у просторі: а – приклад виділених у групи по профілях (прямокутні ділянки) даних (гирла свердловин) у площині ХОУ;
б – свердловини та інтервали проб у площині XOZ

Інтервали проб згруповані один до одного на визначеній відстані, тобто вони один відносно одного є геометрично "найближчими сусідами". Як відомо, відстань, що визначається за принципом "найближчого сусіда", обчислюється так:, де – мінімальна відстань між групами та ; – відстань між двома об’єктами із зазначених груп. Розглянемо випадок, коли інтервальні дані простягаються вздовж профілю за напрямком із заходу на схід та розташовані вздовж осі свердловини на деякій глибині. Отже, для визначення приналежності до групи будуть важливі відразу два напрямки – напрямок у площині XОY і напрямок у площині XОZ, тобто повинні існувати відразу два граничних значення для визначення належності до групи. Таким чином будуть існувати деякі два параметри та , значення яких будуть використані при генеруванні просторових груп інтервалів проб свердловин . Крім того, може бути введений додатковий параметр , значення якого буде вказувати на деякий спосіб обчислення відстаней. Тоді маємо першу функцію яка необхідна для формування :

(1)

де – інтервали що відносяться до профілю . Оскільки множина інтервалів також містить вектори, де , то можна сформувати нову множину точок, де, , таких, що, якщо, або, якщо, тобто маємо деяку функцію перетворення в:

. (2)

Множиною є контрольні точки для проведення процесу інтерполяції при отриманні вузлів контуру перерізу.

Подальший аналіз призвів до визначення таких функцій, що повинні існувати для перетворень просторових координат точок, з яких буде складатися модель рудного тіла, покладу:

; (3)

; (4)

, (5)

де – множина основних перерізів в моделі; – множина зв’язків перерізів; та – параметри, що задають кількість вузлів інтерполяції; – найбільша допустима відстань для утворення зв’язку між перерізами; – найбільш припустимий кут зв’язку; – кількість проміжних перерізів у моделі, які необхідно утворити між основними.

Поверхня КТМГО може бути представлена за допомогою елементарних фрагментів , які являють собою трикутники або чотирикутники. Для їх отримання необхідно мати інформацію про зв’язки , а також координати вузлів граничних кривих кожної пари , тобто елементарні фрагменти будуть формуватися функцією вигляду

. (6)

Після її виконання маємо КТМГО.

У цілому модель представлення рудного тіла, покладу по перерізах можна описати складною функцією – залежністю між множинами L, та кінцевою множиною елементарних фрагментів тіла ГО.

Основною задачею, яка підлягає автоматизації у процесі створення КТМГО, є визначення та побудови перерізів цієї КТМГО. Оскільки при створенні каркасних КТМГО геолог користується виключно своїми знаннями та власним досвідом і у різних геологів побудовані КТМГО можуть відрізнятися, то основним об’єктом, який потребує визначення адекватності, буде саме переріз. Вважаємо, якщо виконуються такі умови (при ):

, (7)

то ймовірність p віднесення та до однієї групи буде дорівнювати 0,5. Значення 0,5 обумовлене тим, що достовірно говорити про належність та одному рудному тілу або покладу можливо лише після того, коли буде вибрана вся порода на ділянці між та , що залягає на глибині інтервалів та . Однак близьке розташування інтервалів проб свердловин та дає геологу впевненість, що все ж таки ці інтервали можуть належати одному перерізу рудного тіла або покладу на деякий час, коли були пробурені свердловини та , тобто факт належності може існувати і може не існувати, але точно встановлено факти існування на деякій відстані та . Визначимо критерій адекватності для випадку моделювання перерізів ГО. Нехай існує коефіцієнт KP, який буде визначений як відношення кількості (n) випадків групування та , що задовольняють умовам (7), до кількості (N) випадків групування з урахуванням значень параметрів , та , які задав фахівець:. Оскільки відстань між свердловинами за різними може відрізнятися, а значення параметрів , та задані для отримання всієї КТМГО, то коефіцієнт KP необхідно обчислювати для процесу групування за кожним профелем . Таким чином, якщо значення або дуже близьке до 1, то це буде свідчити про оптимальність величин параметрів , та , тобто маємо коректний для геолога варіант оконтурювання інтервалів проб свердловин у випадку вибраної моделі. Як оцінка адекватності моделі виступає степінь відповідності результатів, що отримані по розробленій моделі, даним експерименту або тестової задачі. Для експерименту був сгенерований тестовий набір даних і були обчислені відстані між інтервалами та визначені перерізи. Дані були розбиті за трьома профілями. До кожного профілю входило по чотири інтервали, які були розташовані один від одного у площині XOY на певній відстані. Був обчислений коефіцієнт KP для кожного профілю, який склав: KP1=0,5; KP2=1; KP3=1. Таким чином, після алгоритмічної побудови та створення програми треба використати тестові набори даних для отримання перерізів ГО та обчислення коефіцієнтів KP1, KP2, KP3, значення яких не повинні відрізнятися від отриманих по розробленій моделі.

У третьому розділі описано етапи виконання розробленого методу автоматизованого каркасного моделювання ГО, розв’язання задач щодо формування груп просторових інтервалів на принципах, які було розглянуто в розділі 2, алгоритм створення перерізів тривимірних тіл ГО. Наведено структури даних, які використуваються в алгоритмі, блок-схему алгоритму; алгоритм створення точок тривимірного простору, за якими повинні будуватися границі перерізів тривимірних тіл, а також пояснюється механізм формування зв’язків між перерізами. В кінці розділа наведені висновки.

Процес реалізації методу представлений схемою на рис. 2.

Рис. 2. Схема реалізації методу автоматизованого створення КТМГО

В основі розробленого методу лежить 4-етапний процес з одним підготовчим етапом, який проводиться фахівцем вручну і полягає в перерозподілі множини на множину, де, ,; M – загальна кількість підмножин з перегрупованими відібраними інтервалами. Який з інтервалів віднести до якої множини вирішує безпосередньо фахівець-геолог. Критерієм віднесення є належність свердловин до однієї групи – профілюрис. ). На першому етапі здійснюється формування множин, кожна з яких виступає як множина, де , K – загальна кількість нових сформованих груп інтервалів на i_й множині . Верхній індекс <XZ> означає, що дії проводяться в площині XOZ із застосуванням модифікованого агломеративного ієрархічного алгоритму. В результаті виконання першого етапу отримуємо XYZ_координати геометричних границь областей тривимірного простору, до яких надходять інтервали множини, тобто реалізується функція (1). На другому етапі здійснюється аналіз просторового розташування відібраних інтервалів. Визначаються мінімальні відстані між геометричними границями множин , реалізуються функції (2) та (3). На третьому етапі створюються й аналізуються лінії зв’язку, що є свого роду "скелетом" тривимірних тіл. Побудова зв’язків ґрунтується на результатах другого етапу. Координати початків та кінців зв’язків – це деякі геометричні координати між парами отриманих множин. На цьому етапі реалізується функція (4). На четвертому (заключному) етапі будується тривимірна модель. На базі раніше виявлених XYZ-координат геометричних границь груп (перший етап), що входять у кожну з множин, створюються контури перерізів. Потім ці перерізи об’єднуються за знайденими зв’язками. На цьому етапі реалізовані функції перетворення (5) та (6). Слід зазначити, що до початку першого етапу створення тривимірної моделі користувач повинен визначитися зі значеннями вхідних параметрів.

Четвертий розділ присвячений розробці інформаційної технології на базі ГІС “КОНТУР”. У ньому розкриті мета та задачі інформаційної технології побудови КТМГО. Показана роль в технології інструментарію ГІС, який використовується для рішення поставлених задач. Проведені класифікація та аналіз геологічних даних, які планується застосовувати в ГІС і які є необхідними для побудови КТМГО. Наведені основні вимоги для побудови БГД. Описана методика виявлення помилок при введенні оператором вхідних геологорозвідувальних даних, що складають БГД і використовуються при створенні моделей геологічних середовищ. Представлен склад архітектури локальної геологічної ГІС та відображені основні концепції технології проектування та програмування ГІС “КОНТУР”. Наведені результати створення КТМГО та оцінка адекватності моделей перерізів рудних тіл, покладів, а також аналіз чутливості моделі залежно від різних значень вхідних параметрів. За даними використання ГІС “КОНТУР” як програмної складової АРМ зроблені висновки.

Основна мета розробленої інформаційної технології – це представлення побудованих КТМГО, вертикальних геологічних розрізів та погоризонтних планів як у цифровому вигляді, так і у друкованому для фахівця [3]. Оскільки до створення тривимірних моделей можуть бути отримані різні двовимірні подання геологічного середовища, то представлена технологія надає можливість будувати вертикальні геологічні розрізи, погоризонтні плани та отримувати їхні друковані копії. Описана інформаційна технологія базується на розробленій ГІС “КОНТУР”. На рис. графічно зображені етапи пропонованої інформаційної технології.

Рис. 3. Етапи інформаційної технології на базі ГІС “КОНТУР”

Один із важливіших етапів запропонованої інформаційної технології – перевірка фактичних геологорозвідувальних даних, які вводяться в таблиці оператором комп’ютера, на помилки введення. Нехай маємо таблицю з координатами гирл та імен свердловин , таблицю даних інклінометрії свердловин та таблицю з якими-небудь інтервальними даними проб по свердловинах . На основі практичних спостережень за найбільш розповсюдженими різновидами помилок які роблять оператори комп’ютера при формуванні табличних даних було зроблене таке визначення елементів множини помилок введення E: – повторювані імена свердловин в ; – невідомі імена свердловин, які зустрічаються в і ; – відсутні значення вертикальних і(або) дирекційних кутів в ; – помилкові введення значень відміток “ВІД” та “ДО” інтервалів у ; – відсутність значень у полях даних , та або ж присутність у них нечислових значень; – помилки при введенні значень глибин свердловин в або .

Нехай є деяка множина символів C={‘.’, ’,’, ’_’, ‘–’, 0, 1,...,9, A, B, ... , Z, a, b, ... , z, А, Б, ... , Я, а, б, ... , я}, що включає символи, припустимі у використанні імен свердловин та множина R дійсних чисел. Крім того, існують такі множини:, , , , , , , де – i-й запис даних у відповідних таблицях , і (І – множина цілих чисел);; – ім’я свердловини; – глибина свердловини; – відстань від гирла свердловини; – зенітний кут; – дирекційний кут; – відмітка “ВІД” інтервалу проби; – відмітка “ДО” інтервалу проби. Оскільки імена свердловин присутні як у , так і в , то приймаємо, що це незалежні різні множини. Також відомо, що імена свердловин в таблицях та можуть повторюватися, а в – вони унікальні. Тому будемо розрізняти ці множини як, де – j-е унікальне ім’я свердловини в межах таблиці. Були сформульовані такі правила , виконання яких свідчить про наявність у наборах даних .

;

;

;

;

.

Якщо відомо j-е () унікальне ім’я свердловини в межах таблиці  і існує множина, а також відомо, що значення відміток "ВІД" та "ДО" інтервалів не можуть перевищувати значення глибин свердловин а значення "ВІД" перевіряємого інтервалу не може бути менше відмітки "ДО" попереднього, то тоді маємо такі правила:

,

де.

Таким чином, перевіряючи набори записів таблиць (координати гирл та імен свердловин), (дані інклінометрії свердловин) та (інтервальні дані проб) на умови збігу з представленими еталонами помилок (, , , , ,), система видає такий результат: якщо яке-небудь правило задовольняє поставленим умовам, то це означає, що в наборах записів таблиць виявлена помилка яку зробив оператор комп’ютера при введенні даних.

При реалізації основної програми ГІС “КОНТУР” та програми тривимірної візуалізації були використані два протилежних підходи – при розробці головної програми ГІС на основі проведеної декомпозиції по типах шарів була створена ієрархія класів, методи яких дозволяють здійснювати різні операції з об’єктами шарів даних, а при розробці візуалізатору тривимірних даних GIS_Contour_3DViewer використовується технологія DLLLink Library).

У результаті розробки методу автоматизованої побудови КТМГО на мові програмування Visual С++ була створена програма Create3DModel за допомогою якої отримані перерізи ГО за тестовими даними з розділу 2. Після експерименту для кожного профілю були обчислені коефіцієнти KP, значення яких повністю співпали з прогнозованими по розробленій моделі. Розроблена програма тестувалася на платформі з операційною системою MSXP SP2, процесором AMD Duron з тактовою частотою 1,2 ГГц та 1 Гб ОЗП. Продуктивність програми на зазначеній платформі: обробка вихідного набору інтервальних даних кількістю 875 тривала 7 секунд. Таким чином було створено 36 основних полігональних перерізів (границь кластерів), 166 полігональних перерізів (включаючи 36 попередніх), 14 поліліній (зв’язків перерізів), 42 полігональних фрагментів поверхонь тривимірних тіл. На рис. 4 та 5 наведені приклади побудови тривимірних моделей рудних тіл. На побудову КТМГО (рис. 5) за допомогою австралійського ПЗ Micromine із застосуванням ручного створення перерізів фахівець затратив приблизно 4 години а за розробленою інформаційною технологією – близько 5 секунд. Таким чином ефективність створення КТМГО приблизно зросла у 2880 разів.

У додатках наведено: архітектурна схема ГІС “КОНТУР”; приклади фрагментів геологічних розрізів, які побудовані інструментами ГІС “КОНТУР”; інтерфейс програми перевірки на помилки оператора при введенні вхідних геологорозвідувальних даних; інтерфейси користувача програм Create3DModel та GIS_Contour_3DViewer (головні вікна програм); результуючі комп’ютерні тривимірні моделі рудних тіл, покладів; плани розташування використаних свердловин для експерименту, який був направлений на дослідження чутливості моделей КТМГО; документи про використання результатів дисертаційної роботи.

а |

б

Рис. 4. Тривимірна каркасна модель рудних тіл: а – основні перерізи та зв’язки; б – основні та додаткові перерізи та зв’язки

а |

б

в |

г

Рис. 5. Результат автоматизованої побудови тривимірної частини геологічного середовища Вільногірського ГЗК: а – з відображенням рельєфу;
б – з відображенням свердловин та рудних пластів; в – модель рудних пластів;
г – перерізи тривимірних тіл

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено нове вирішення актуальної науково-технічної задачі – розробка методу та нової інформаційної технології на базі ГІС, яка направлена на автоматизацію робочого місця геолога (геолога-інтерпретатора, провідного геолога) з метою підвищення ефективності обробки наборів геологорозвідувальних даних у процесах створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів, вертикальних геологічних розрізів та погоризонтних планів тривимірного моделювання геологічного середовища.

Основні наукові та практичні результати роботи:

1. Сформульовані та обґрунтовані вимоги до процесу групування у тривимірному просторі інтервальних даних проб свердловин, що дозволило визначити основні керуючі параметри процесу створення перерізів рудних тіл, покладів.

2. Розроблено метод для вирішення задачі автоматизованого створення тривимірних каркасних моделей рудних тіл, покладів, який базується на тому твердженні, що перерізи належать до одного тривимірного тіла та об’єднуються між собою, якщо виконується низка умов за які в дослідженні були прийняті найбільш допустима мінімальна відстань між перерізами та найбільш допустимий кут для побудови зв’язків.

3. У ході дослідження була отримана модифікація агломеративного ієрархічного кластеризуючого алгоритму, дії якого задовольнили вимоги відносно групування інтервальних даних проб свердловин. В основу модифікації покладено твердження про необхідність використання порогових значень за двома напрямами – один контролює відстань між свердловинами, другий – відстань між інтервалами проб уздовж осі свердловин. Це дозволяє контролювати форми перерізів, про що свідчать результати експериментів.

4. При дослідженні методу автоматизованого створення тривимірних моделей ГО було встановлено як поводить себе ця модель при зміненні її вхідних параметрів а саме виявлено пряму залежність між цими параметрами та кількістю отриманих груп-перерізів тривимірних тіл. При зростанні вхідних керуючих параметрів (двох порогових значень) кількість груп на профіль зменшується, що пояснюється все більшим залученням інтервальних даних в єдину групу. Зменшення вхідних керуючих параметрів призводить до протилежних наслідків – кількість груп на профіль зростає.

5. Розроблений метод моделювання тривимірних каркасних моделей дозволяє уявити основну форму, яка характерна в цілому для рудного тіла, покладу, що досліджується.

6. Використовуючи методи об’єктно-орієнтованого проектування та програмування, методи системного програмування та після проведення аналізу кола даних і зіставлення їх з відповідними типами шарів була розроблена ГІС “КОНТУР”, яка є програмною складовою АРМ геолога. Її інструменти дозволили сформувати дані для подальшого застосування у програмі Create3DModel, яка реалізує методи отримання КТМГО. Крім того, була розроблена програма GIS_Contour_3DViewer, яка має пошаровий спосіб відображення в 3D даних різних типів.

7. Практичне застосування методики виявлення помилок оператора комп’ютера при введенні первинних фактичних геологорозвідувальних даних дозволило виявити такі помилки у вихідних даних Докучаївського та Майського родовищ України, що в свою чергу значно підвищило якість цих даних.

8. Розроблена інформаційна технологія впроваджена в ГРЕ-37 та ПЗЕ-57 КПКіровгеологія" та ДГЕ “Дніпрогеофізика” а також може бути використана в будь-якій організації гірничо_геологічного профілю для підвищення ефективності й якості обробки та ведення геологічної документації, для переходу до безпаперової технології отримання геологічних розрізів та погоризонтних планів, автоматизованого створення КТМГО за інтервальними даними проб свердловин. Результати дисертаційної роботи використані у навчальному процесі кафедри геоінформаційних систем Національного гірничого університету.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1. |

АНОТАЦІЯ

Гаркуша І.М. Комп’ютерна технологія автоматизованого тривимірного геологічного моделювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню та розробці інформаційної технології автоматизації тривимірного моделювання рудних тіл, покладів, процесів отримання вертикальних геологічних розрізів та погоризонтних планів.

Розроблений метод для автоматизованого створення тривимірних моделей рудних тіл, покладів базується на вдосконаленому агломеративному ієрархічному алгоритмі "найближчого сусіда". Метод потребує в якості вхідних даних використовувати інтервальні дані проб свердловин. Дані групуються по запропонованому алгоритму та формують, так звані, образи груп, за якими створюються перерізі тривимірного тіла.

Представлена структура та виконано описання інформаційної технології на базі розробленої ГІС "КОНТУР". Особливість цієї технології – це використання методики контролю вхідних геологорозвідувальних даних, яка дозволяє встановити до шести різновидів помилок які робить оператор комп’ютера при введенні даних. Це в свою чергу дає можливість формувати коректні бази геологічних даних і створювати надійні цифрові представлення об’єктів.

Ключові слова: тривимірні геологічні моделі, геоінформаційні системи, тривимірна графіка, геометризація родовищ, геологічний розріз, переріз рудного тіла.

ANNOTATION

GarkushaComputer technology of the automated three-dimensional geological modeling. – Manuscript.

Dissertation submitted towards the Technical Science Candidate Degree on “Automatic Management System and Advancing Information Technologies”, Speciality: № 05.13.06 – National Mining University, Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to research and development of computer technology of automation of three-dimensional geological modeling – modeling of three-dimensional models of ore bodies, deposits. The method of the automated creation of three-dimensional models of geological objects which is based on the advanced agglomerative hierarchical algorithm of "the nearest neighbour" is developed. The method as entrance data uses interval data of tests of chinks. Data are grouped on the offered algorithm and form, so-called, images of groups on which sections of a three-dimensional body are created.

In work the structure is presented and the description of information technology on the basis of developed the GIS "CONTOUR" is resulted. Feature of this technology is a technique of the control of entrance prospecting data which allows to find out up to six versions of errors.

Key words: three-dimensional geological models, geoinformation systems,