logo1-color

Характеристика программно-алгоритмического комплекса GEOCODE

Программно-алгоритмический комплекс GeoCODE разработан ЗАО "ГИДЭК" для обработки данных геолого-разведочных работ и геоэкологических исследований на детальном уровне – при обосновании инженерных решений на конкретных участках недр (группах участков недр).

Комплекс представляет собой фактографическую ИС, состоящую из базы данных и управляющей программы. ПАК GeoCODE позволяет проводить операции и преобразование данных (проверка и анализ данных, арифметические расчеты, ввод и/или коррекция информации); создавать выходные формы (табличное, текстовое и графическое представление данных); экспортировать данные в форматы численных моделей и геоинформационных систем.

Ключевые слова: информационные аналитические системы, базы данных, обработка данных геолого-разведочных работ, проведение операций и преобразование данных, создание выходных форм

1.Общие положения

Начиная с 1990-х годов, в связи с бурным развитием компьютерных технологий, новый импульс получил процесс разработки информационных систем (ИС), предназначенных для хранения, обработки и представления гидрогеологических данных.

В настоящее время наиболее распространенными ИС, используемыми гидрогеологическими организациями, являются разработки ЗАО "Геолинк Консалтинг" (1, 2) и ГНЦ ВНИИгеосистем (3). Данные проекты, являющиеся наиболее масштабными в области ИТ в гидрогеологии, выполнялись для государственных нужд и предназначены, главным образом, для ведения мониторинга геологической среды, а также учета запасов подземных вод и предоставления недр в пользование. Вследствие этого, они не лишены ряда ограничений, обусловленных их целевой направленностью, которые касаются как состава вводимой информации, так и возможностей управления ею.

В связи с этим ЗАО "ГИДЭК" был разработан программно-алгоритмический комплекс GeoCODE (Collection Operation Demonstration Export), предназначенный, в первую очередь, для обработки данных геолого-разведочных работ и геоэкологических исследований на детальном и локальном уровнях – при обосновании инженерных решений на конкретных участках недр (группах участков недр). В его состав входят фактографическая база данных и управляющая программа, обеспечивающая ввод, редактирование, преобразование, анализ, представление и экспорт информации. Для работы с картографическими данными в программный комплекс встроена ГИС-подсистема.

Комплекс (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009610229 от 11.01.2009 г.) постоянно совершенствуется и показал свою эффективность на объектах, находящихся в различных физико-географических, геолого-гидрогеологических и антропогенных условиях. ПАК GeoCODE использовался в таких регионах Российской Федерации, как Самарская область (Тольяттинское, Рождественское, Новокуйбышевское месторождения), регион КМВ (Минераловодский бассейн в целом и отдельные месторождения минеральных вод), г.Москва, Кемеровская область (Западно-Сибирский металлургический комбинат), Красноярский край (Красноярская группа месторождений), Волгоградская область (Камышинское месторождение) и др.

Особенностью комплекса GeoCODE является направленность на систематизацию, обобщение и анализ всей совокупности материалов, полученных по району (участку) работ при проведении гидрогеологических и других видов исследований, мониторинга окружающей среды, а также использовании недр для добычи, извлечения и закачки вод. Помимо этого, в БД хранятся и обрабатываются сведения о месторождениях (участках месторождений), перспективных и разрабатываемых участках недр, в том числе об эксплуатационных запасах подземных вод, выданных лицензиях и др.

Основополагающим принципом ПАК GeoCODE является возможность хранения и обработки фактической (первичной) информации, полученной в результате непосредственных измерений гидрогеологических (уровни, отбор, химический состав и т.д.) и других видов показателей. Это дает возможность оценить достоверность исходных данных; осуществлять обоснованный выбор методов (способов) их обобщения; оценить динамику показателей, что необходимо при оценке факторов, определяющих протекание гидрогеологических процессов.

К фактическим данным можно отнести также сведения о запасах подземных вод и лицензировании их добычи. При этом в базу данных в качестве информационных объектов вносятся протоколы экспертизы и лицензионные соглашения, а запасы и разрешенный отбор являются характеристиками этих объектов. Такая структура позволяет оценивать изменение статуса участков недр, определять легитимные (утвержденные) величины эксплуатационных запасов подземных вод и разрешенного отбора на различные моменты времени и их изменения, осуществлять контроль и учет недропользования.

Особое внимание при создании комплекса GeoCODE было уделено соблюдению таких требований к информации, как непротиворечивость (совпадение одинаковых характеристик одних и тех же объектов) и целостность (согласованность информации для связанных объектов). С этой целью была разработана структура БД, базирующаяся на строгом разграничении объектов базы данных, видов информации, входных и выходных форм. Непротиворечивость достигается уникальностью хранящейся в БД информации (отсутствием дублирования данных). Для поддержания целостности предусмотрен ряд вспомогательных процедур.

Формирование фактографической БД, помимо ввода данных непосредственно с клавиатуры компьютера, может производиться путем импорта из таблиц, специальным образом подготовленных в формате Excel. Импорт осуществляется на основе развернутого механизма, реализующего предварительную проверку вводимых данных на соответствие форматам и данным, уже введенным в базу. Также возможно заполнение таблиц (главным образом, данных о режиме и пространственных привязок) на основе процедур обработки имеющейся в БД информации.

Выборка объектов для ввода и просмотра информации и построения выходных форм осуществляется на основе механизма, позволяющего учитывать различные типы критериев. При этом для каждого типа критериев может быть использован как один признак, так и любая совокупность признаков. Например, при создании выборки скважин могут использоваться территориальные критерии (административный район, участок наблюдения), привязки к другим объектам базы (сооружение для отбора/закачки воды, объект недропользования, месторождение), характеристики скважины (назначение, техническое состояние, водоносный горизонт) и др.

Основными направлениями использования комплекса GeoCODE являются создание выходных форм, проведение операций и преобразование данных, экспорт данных в форматы численных моделей (ModFlow) и геоинформационных систем (ArcView/ArcGis). Для сохранения выходных каталогов и справок используется программа Microsoft Excel, текстовых отчетов – Microsoft Word. Для визуального анализа и графического представления данных используются программы Surfer v.8.0 и Grapher v.7.0 (Golden Software), а также Microsoft Excel.

 

2. Состав информации и структура базы данных

В фактографической БД представлены несколько типов информации, в соответствии с которыми в ее составе выделены четыре блока (раздела): блок информации об объектах базы данных, блок информации о состоянии природной среды, документальный и лексикографический блоки.

Блок информации об объектах базы данных является основным и содержит описание ее предметной области. В нем выделены две группы информационных объектов:

1) технические объекты (сооружения), предназначенные для использования недр и/или наблюдений за их состоянием. К объектам этой группы относятся пункты наблюдения (ПН) и сооружения для отбора/закачки воды (СО).

Для их характеристики используются паспортные (как постоянные, так и переменные) данные. С этими объектами связаны данные наблюдений за режимом, отражающие состояние природной, в т.ч. геологической среды.

2) природные пространственно-ограниченные объекты, являющиеся частями недр (водоносных систем), в пределах которых осуществляется либо планируется недропользование. К объектам второго типа относятся участки недр (УН) и месторождения (МПВ).

Для каждого из перечисленных 4-х типов информационных объектов в базе данных устанавливаются необходимые взаимосвязи. Так, для эксплуатационной скважины (ПН) указывается ее принадлежность к водозабору (СО), который, в свою очередь, расположен на участке недр (УН), выделенном в пределах месторождения (МПВ). Для определения уникальности объектов БД используются идентификационные показатели.

Пункт наблюдения, в общем случае, – техническое сооружение, являющееся источником информации о состоянии различных компонентов окружающей среды. ПН представляет собой единичный и, как правило, точечный объект.

В БД выделены такие типы пунктов наблюдения, как скважина, родник, колодец, дрена, метеопост, гидропост и др. Помимо этого, в GeoCODE предусмотрена возможность создания пользователем новых типов ПН ("специальные точки наблюдений"), отражающих специальные виды исследований, например, геоботанические или геофизические.

Паспортная информация о ПН подразделяется на следующие виды: постоянная (тип объекта, местоположение и координаты, данные бурения), условно-постоянная (т.е. принятая в базе неизменной - абсолютная отметка, приуроченность к водоносному горизонту), переменная (назначение, техническое состояние, оборудование, конструкция). В данном блоке хранятся также сведения о разрезе (литологическом составе пород), проведенных ГИС, результатах гидрогеологического обследования ПН и др. Программный комплекс позволяет оценить хронологию изменения основных показателей (например, технического состояния ПН).

Сооружение для отбора/закачки воды - техническое сооружение, посредством которого осуществляется использование недр. СО состоят из одного или нескольких связанных с ним ПН, вскрывающих недра (как правило, скважин), а также наземных водопроводных сооружений, которые также относятся к пунктам наблюдения. Таким образом, сооружение для отбора/закачки воды является комплексным (сгруппированным) объектом БД.

Каждое СО располагается на участке недр, предоставленном в пользование, и в обязательном порядке должно быть связано с участком недр. Согласно целевому назначению участков недр выделены три типа сооружений: водозабор, дренажный узел и узел закачки.

Объект недропользования (участок недр) – пространственно ограниченная часть недр, предназначенная для недропользования. В фактографической базе данных разделение участков недр по их назначению при эксплуатации проведено следующим образом: добыча подземных вод; извлечение подземных вод; закачка (сброс, возврат) использованных и сточных вод.

Основными характеристиками участка недр являются его назначение и цель использования недр, вид и статус участка, тип подземных вод, пространственное положение и др. С участками недр связаны расположенные на них сооружение для отбора/закачки воды, а также внесенные в документальный блок БД протоколы подсчета запасов и лицензии на пользование недрами.

Основными характеристиками месторождения подземных вод являются: тип подземных вод, геологический тип месторождения, группа сложности гидрогеологических условий и пространственное положение. Для месторождения устанавливаются связи с другими объектами БД, находящимися в его пределах, что позволяет получить всю имеющуюся о нем информацию, а также привести в соответствие однотипную информацию в связанных объектах БД.

Блок информации о состоянии природной среды включает наблюдения за режимом и результаты опробования. В нем содержится пополняемая (динамическая) информация, полученная по объектам базы данных. Результаты исследований приурочены к датам их проведения, а также – для наблюдений за режимом - к временным периодам, на которые проведено обобщение срочных данных (сутки, месяц, год).

Наблюдения за режимом могут быть введены для пунктов наблюдений и для систем недропользования. Каждому типу ПН и СН приписаны определенные параметры (показатели).

Пользователем может быть внесена в БД информация о наблюдениях за любым показателем, в том числе дополнительно введенным в список динамических параметров.

В базу данных могут быть введены следующие виды информации:

- срочные измерения на заданные время и дату;

- срочные измерения (либо обобщенные значения) на заданную дату (сутки);

- обобщенные значения за месяц;

- обобщенные значения за год.

По способам их получения данные подразделяются на два вида:

1) Прямые - непосредственные замеры (измерения) показателей на ПН (срочные данные, соответствующие определенному времени и/или дате).

2) Обобщённые: по времени и в пространстве. Обобщенные данные могут быть получены как средствами GeoCODE, так и введены оператором на основе других источников информации. Программный комплекс позволяет оценить непротиворечивость данных, полученных различными способами.

Результаты опробования включают разделы "гидрохимические показатели", "гидродинамическое опробование", "журналы опытов (наблюдений)".

Результаты химических анализов по конкретным пробам воды могут быть введены для любого пункта наблюдения.

Раздел "Гидрогеодинамическое опробование" предназначен для ввода результатов опытно-фильтрационных работ на скважине (прокачка, одиночная откачка, остановка действующей скважины): продолжительность, дебит, понижение и др.

Раздел "Журналы опытов (наблюдений)" предназначен для ввода данных, получаемых, в первую очередь, при кустовых и групповых откачках (выпусках) и др. опытах, при проведении которых одновременно ведутся наблюдения по нескольким ПН, а по каждому из ПН - за несколькими показателями.

Документальный блок содержит связанную с объектами БД информацию о результатах геологического изучения и разведки подземных вод, а также сведения о предоставлении недр в пользование.

С этой целью в этом блоке БД представлены следующие разделы:

отчетные материалы (информация об отчетах, составленных по результатам геологического изучения недр и других видов исследований);

протоколы (сведения о рассмотрении органами государственной экспертизы геологической информации и запасов полезных ископаемых);

лицензии (данные о выданных лицензиях на пользование недрами и условиях недропользования).

Лексикографический блок является вспомогательным, состоит из набора таблиц, содержащих лексические единицы, используемые для описания свойств информационных объектов. Блок включает два раздела: перечни и классификаторы.

Перечни содержат списки лексических единиц, представляющих собой названия объектов, не являющихся самостоятельными объектами БД: территориальные образования, организации, гидрогеологические подразделения и др. Общероссийские перечни (субъекты Федерации, водохозяйственные районы и др.) входят в базовый состав комплекса GeoCODE. Объектные перечни (водоносные горизонты, лаборатории, организации и др.) должны разрабатываться и вводиться пользователями самостоятельно для каждой фактографической базы данных.

Классификаторы содержат наборы характеристик информационных объектов. Они представляют собой списки типов объектов БД, их свойств, видов наблюдаемых показателей (параметров), различных методов, устройств, и т.д. Классификаторы составлены на основании литературных источников, и могут, в случае необходимости, пополняться пользователями комплекса GeoCODE.

 

3. Использование комплекса GeoCode 

В программно-алгоритмическом комплексе GeoCODE реализованы следующие основные процедуры обработки введенной в фактографическую БД информации:

- проведение операций и преобразование данных (проверка и анализ данных, арифметические расчеты, ввод и/или коррекция информации);

- создание выходных форм (табличное, текстовое и графическое представление данных);

- экспорт данных в форматы численных моделей и геоинформационных систем.

Примеры использования комплекса приведены на рис. 1.

statia-9-ris-1Рис. 1. Примеры использования комплекса GeoCODE: выбор скважин для построения разреза (А); геологический разрез (Б); геолого-технический разрез (В); расчет газового состава и газового фактора (Г); карта изолиний подошвы горизонта (Д); хронологический график уровня воды (Е).


Проведение операций и преобразование данных

В данном разделе предусмотрены различные способы обработки результатов наблюдений за режимом, данных о химическом составе подземных и поверхностных вод, а также паспортных данных и др. Целями выполнения операций являются проверка и анализ данных, получение новых видов данных на основе внесенных в БД, ввод и/или коррекция информации.

Раздел "Расчеты данных наблюдений за режимом" предназначен для обобщения переменных данных по времени и в пространстве.

Обобщение производится в направлении "дата и время – дата – месяц – год" (в результате для ПН и СН рассчитываются значения за сутки, месяц, год) и "пункт наблюдения – система недропользования" (рассчитываются значения для СН по связанным с ней пунктам наблюдения). При обобщении во времени для некоторых видов показателей, таких как осадки, объемы воды и др., определяются суммарные значения (сумма за месяц, сумма за год), для остальных – средние (среднемесячные, среднегодовые). Результаты расчетов могут сохраняться в БД.

Раздел "Гидрогеохимические расчеты" включает подразделы "Проверка проб и расчеты показателей", "Осредненный химический анализ", "Определение типа воды", "Газовый состав и газовый фактор".

"Проверка проб и расчеты показателей". Программное обеспечение позволяет производить проверки полноты анализа, на расхождение суммы катионов и суммы анионов и др. Выполняются расчеты таких показателей, как минерализация, сухой остаток, жесткость, суммарное содержание Na+K.

Процедура "Осредненный химический анализ" предназначена для обобщения данных гидрохимических опробований: для одной скважины за определенный период времени и по группе входящих в водозабор скважин для оценки качества воды в смеси, в том числе с учетом расходов конкретных скважин.

Процедуры "Определение химического типа воды" и "Газовый состав и газовый фактор" предназначены для использования при изучении минеральных вод. На основании расчета основных компонентов состава (в мг-экв-%) определяется принадлежность воды к тому или иному типу по ионному составу, а также - по величине минерализации и по биологически активным компонентам с соответствии с ГОСТ 13273-88 и МУ 2000/34.

Определение газового состава и газового фактора проводится расчетным путем на основе информации по составу растворенных и спонтанных газов с учетом условий отбора проб (давление, температура и др.).

Создание выходных форм

Комплекс предоставляет возможности создания следующих видов выходных форм: табличные данные (в том числе справки и каталоги); графики и карты; профили и разрезы; текстовые отчеты.

Раздел меню "Табличные данные" включает подразделы "Справки", "Каталоги", "Таблицы данных о режиме ". Формирование большинства справок и всех каталогов и таблиц данных о режиме предваряется выборкой объектов с использованием идентификационной информации и данных о связях различных объектов БД. Все выходные формы данного раздела сохраняются в виде файлов MS Excel.

Возможно построение справок по составу базы данных и составу информации по ПН; по характеристикам скважин и водозаборов; сведениям о разрешенном и фактическом водоотборе, об утвержденных запасах и др.

Каталоги разделены на три группы: каталоги объектов БД (ПН, СН, УН и МПВ), каталоги документов и материалов (отчетов, протоколов и лицензий), каталоги химических анализов.

Раздел "Визуализация" включает подразделы "Графики", "Карты", "Профили" и "Разрезы".

Построение графиков производится средствами Grapher v.7.0 и Excel. Оно предусматривает создание графиков зависимости динамических (в т.ч. гидрогеохимических) показателей от времени, графиков корреляционных связей и др.

Для создания карт используется Surfer v.8.0. В картографический формат выводятся точки расположения пунктов наблюдения, подписи к ним, производится автоматическая рисовка изолиний распределения выбранного параметра.

Построение геолого-гидрогеологических разрезов выполняется средствами Grapher v.7.0 и заключается в отображении – по линии, соединяющей выбранные ПН – стратиграфических подразделений и литологического состава пород, конструкций скважин и изменения значений заданных показателей на определенные пользователем периоды времени (например, уровней подземных вод).

Для формирования геолого-технических разрезов по скважинам (ГТР) используется Grapher v.7.0. ГТР включает отображение стратиграфической и литологической характеристики слоев (текстовое описание и заливка), конструкции скважины и результатов геофизических исследований.

Раздел "Текстовые отчеты" включает подразделы "Паспорт ПН" и "Результаты обследования".

Экспорт информации

Для экспорта информации в численные модели разработаны специальные процедуры, позволяющие создавать файлы, совместимые с VISUAL MODFLOW, содержащие следующие основные виды данных:

- поверхности геологических слоев (абс. отметки в точках расположения ПН с последующей интерполяцией средствами VISUAL MODFLOW);

- положение водозаборных и наблюдательных скважин;

- динамические данные по уровням подземных вод, расходам скважин и др.

Для преобразования пространственных координат из сферической системы в двумерную и для пересчета астрономического времени в модельное предусмотрены специальные процедуры.

В программно-алгоритмическом комплексе предусмотрен экспорт информации в картографическую БД. При этом экспорт объектов фактографической БД и их атрибутивных характеристик может осуществляться в файлы различного формата:

1) непосредственно в тематические слои картографической БД.

2) в файлы формата Surfer v.8.0 (Golden Software). При этом производится вывод точек расположения пунктов наблюдения и значений выбранного показателя, возможна также автоматическая рисовка изолиний его распределения.

 

Литература

  1. Гомберг И.Г., Клюквин А.Н., Рошаль А.А. Интегрированная информационная технология поддержки принятия решений с сфере управления недропользованием. "Разведка и охрана недр", 2003, №9, стр. 38-44.
  2. Рошаль А.А. Принципы и примеры создания информационных компьютерных систем управления недропользованием (в части использования подземных вод). II конференция пользователей и партнеров «Геолинка» (доклады и сообщения). М., 2001, с.20-28.
  3. Информационно-аналитическая система государственного мониторинга состояния недр (ИАС ГМСН). Подсистема подземные воды. ВНИИгеосистем. М., 2007.