авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Теория и практика создания геоинформационной системы в инженерной геологии

-- [ Страница 3 ] --

Ежегодно различными организациями и ведомствами расходуется большое количество средств на производство геолого-гидрогеологических исследований, инженерно-геологических изысканий, изучение и прогнозирование неблагоприятных процессов и явлений, проектирование, эксплуатацию зданий и сооружений, планирование мероприятий по рациональному использованию природной среды. Проводится значительный комплекс полевых работ, определений физико-механических свойств грунтов, анализов состава подземных вод, выполняются большие объемы съемочных, специальных геофизических, геодезических и прочих исследований. При этом обрабатывается значительное количество информации.

Отсутствие стандартов, регламентирующих сбор, хранение, поиск и выдачу информации, сильно затрудняет системное повторное (многоразовое) использование полученных материалов, приводит к искусственному завышению объемов вновь планируемых исследований, увеличению сроков выполнения и удорожанию инженерно-геологических изысканий и исследований, и, как следствие, происходит дальнейшее удорожание проектирования и строительства. Такое положение приводит к недостаточной геологической обеспеченности мероприятий по защите и рациональному использованию природной среды.

Изложение теоретических основ построения ГИС в инженерной геологии, базирующееся на опыте, полученном в процессе создания ряда систем, в последнее десятилетие иллюстрирует трудности, с которыми столкнулись разработчики на разных стадиях создания ГИС, и способами их преодоления.

Некоторые исследователи очень упрощенно представляют себе реализацию таких систем, считая что наличие современной вычислительной техники является достаточным условием создания ГИС. Поэтому, приступая к созданию и разработке ГИС, стараются сразу решить задачу ввода информации, её хранения и выдачи, не учитывая и не рассматривая основных принципов построения ГИС, и игнорируя общесистемные требования к обеспечивающей части ГИС. Это впоследствии приводит к большим трудностям в реализации информационного обеспечения, которому не уделялось должного внимания, и, как результат, опровержению расчета на мгновенный эффект от внедрения системы после приобретения соответствующего оборудования. Как показывает опыт, такая постановка исследований, кроме известной дезориентации, как разработчиков, так и заказчиков ГИС, ничего не дает.

Геологическая среда в совокупности с проектируемым зданием (сооружением) представляет собой ПТС. Подход, при котором рассматривается исследования геологической среды в инженерной геологии, с точки зрения организации ПТС при проектировании ГИС, является единственно правильным направлением подобного исследования. Оценка геологической среды без учета возможных воздействий проектируемого (эксплуатируемого) здания (сооружения) в объеме функционирования ГИС является тупиковым направлением проектирования и создания ГИС, и сводит функциональную часть к подобию информационно-поисковой системы.

Целью создания ГИС в инженерной геологии является обеспечение перманентного и оперативного анализа геологической среды по выбранным критериям оценки, выполнение моделирования и прогноза интересующих показателей, процессов или явлений в пространстве и времени, оптимизации отдельных компонент и систем управления ПТС и последующей оценкой рационального использования мероприятий технического освоения.

Есть два непротиворечивых направления разработки ГИС:

  • «разработка от нулевого уровня» – формирование ГИС на базе наличной, заведомо неполной информации о геологической среде и её изменениях;
  • «разработка от конечного уровня» – формирование ГИС на базе содержательной инженерно-геологической (геосистемной) модели природного объекта, т.е. на базе наличной и «последующей» информации. Получение «последующей» информации, требования к её составу и объёму, определяется структурой и свойствами изучаемой ПТС.

Разработку ГИС необходимо проводить одновременно в двух направлениях, что позволяет предусмотреть гибкость структуры обеспечивающей части системы в плане добавления новой информации, новых программных модулей и увеличения технических средств без существенного изменения структуры системы и ограничить количество показателей геологической среды или элементов информационного обеспечения, согласно наличной информации. Такой подход позволит ускорить создание ГИС и исключить возможность построения громоздкой системы.

Очевидно, что «разработка от нулевого уровня» в теоретическом и методологическом аспекте значительно проще, поэтому основное внимание будет уделено второму направлению создания ГИС в инженерной геологии – «разработке от конечного уровня».

Разработка ГИС в инженерной геологии на современном этапе должна вестись одновременно двумя путями на базе теоретико-методических основ, выработанных в процессе построения ГИС «от конечного уровня».

В качестве основного теоретического принципа, разработки ГИС в инженерной геологии выдвинут системный принцип конкордантности или согласованности (В.К.Епишин, В.Н.Экзарьян, 1978_г), который включает выполнение трех обязательных условий:

  1. Моделирование ПТС и конструирование её функциональной части осуществляется на базе единого специального понятия «системы».
  2. Структура функциональной и обеспечивающей частей любой ГИС в инженерной геологии должна быть определенным образом согласована с функциональной структурой ПТС.
  3. Выбор комплекса технических средств и разработка проблемно-ориентированного программного обеспечения ГИС должны соответствовать целям и задачам ПТС и ГИС.

Необходимость введения принципа «конкордантности» в практику разработки инженерно-геологических ГИС вызвана специфичностью природных объектов – их закрытостью, в отличие от ГИС управления производством, когда разработчику полностью известна конструкция производства.

В соответствии с принципом конкордантности, под «системой» следует понимать совокупность упорядоченного набора множеств:

  • материала, из которого она конструируется;
  • форм, которые должен принять этот материал согласно целям;
  • структуры, отображающей связи выделенных форм;
  • функционирования, происходящих в системе.

Таким образом, общие концептуальные модели ПТС и ГИС едины, чем выполняется первое обязательное условие принципа конкордантности, и записывается в виде:

S = < M, O, C, П > (1)

где М – материал, О – формы, С – структура, П – функционирование, < > знак эмерджентности.

Второе обязательное условие принципа конкордантности согласованность структуры функциональной и обеспечивающей частей ГИС со структурой ПТС, обеспечивается единством концептуальной модели (1) для обеих систем.

При этом, как будет изложено далее, структура функциональной части ГИС полностью соответствует основным целевым задачам ПТС, а обеспечивающая часть ГИС в инженерной геологии согласовывается с ПТС на основе соответствия элементов структуры ПТС, элементам информационной базы ГИС.

Например, геологические индексы отложений, литологическое описание грунтов, показатели их состава, строения и свойств, химический состав подземных вод и другие характеристики геологической среды являются одновременно элементами структуры ПТС и элементами информационной базы ГИС. Под элементами следует понимать некоторые единицы (характеристики, показатели и т.д.), которые согласно поставленным целям и задачам, неделимы в рамках данного исследования.

Третье обязательное условие принципа конкордантности реализуется путем оптимизации функциональной структуры ГИС по внутрисистемным критериям эффективности, надежности, простоты и удобства эксплуатации.

В результате строится итоговая концептуальная модель функционирования ГИС в различных режимах её эксплуатации.

Построение операционной модели разработки ГИС, сводится к выделению очередей создания самой ГИС. Критериями выделения очередей являются целевые задачи ПТС, иерархия и сроки их выполнения.

«Принцип конкордантности» имеет первостепенное значение для эффективной разработки, а в последующем и эксплуатации, ГИС в инженерной геологии. Необходимость предварительного построения ПТС обусловлена особенностями геологической среды и необходимостью её типизации для целей создания ГИС. При этом рациональный путь типизации геологической среды – по комплексу признаков или таксонов.

Наибольший интерес в этом направлении представляют разработки И.С.Комарова, В.Т.Трофимова, Г.А.Голодковской и др., нашедшие широкое применение в практике инженерно-геологического районирования и типизации геологической среды крупных регионов России. В 2009 году Институтом Геоэкологии РАН (В.И.Осипов) выполнена работа по инженерно-геологическому районированию г.Москвы, которая может рассматриваться в качестве информационного обеспечения при проектировании ГИС.

Методология создания ГИС в инженерной геологии представляет собой систему конкретных последовательных процедур (методов и операций), структура которых подчинена принятой технологии инженерно-геологических и гидрогеологических работ при установленном порядке их выполнения и контроля. Задать методологию в указанном смысле значит описать в виде единой нормативной модели процесс создания ГИС и её информационно-программную техническую базу.

В качестве методологической основы проектирования, разработки и эксплуатации ГИС в инженерной геологии, а также комплексирования и взаимоувязки с другими подсистемами (принцип совместимости), выбрана «общая теория систем», как наиболее адекватная поставленным задачам.

В целом, системный подход позволяет соотнести знания и представления, сложившиеся ранее, и значительно дополнить и систематизировать их. Следовательно, не отрицая традиционных методов исследования, системный подход позволяет более комплексно, многопредметно и целенаправленно подойти к изучению, прогнозированию и управлению геологической средой существующих и проектируемых ПТС.

Изучением геологической среды, как компонента создаваемых и функционирующих ПТС, на протяжении многих лет занимаются ведущие кафедры Инженерной геологии высших учебных заведений страны: МГУ им.М.В.Ломоносова (заведующий кафедрой, профессор В.Т.Трофимов), МГРИ-РГГРУ (заведующий кафедрой, профессор В.В.Пендин), МИСИ-МГСУ (заведующий кафедрой, профессор А.Д.Потапов), Санкт-Петербургского Горного института технического университета (заведующий кафедрой, профессор В.В.Антонов) и др.

При переходе на проектирование ГИС информацию, проходящую через «систему», следует определять в качестве информационных потоков.

Основными задачами обследования существующей системы информационных потоков являются:

  1. изучение системы информационных потоков, их состава и направленности;
  2. исследование методов получения, хранения, обработки и передачи материалов, в том числе предыдущих исследований;
  3. изучение форм представления, полученных в процессе работ материалов, их содержания и порядка заполнения;
  4. определение методико-организационной последовательности выполнения работ;
  5. выявление этапов и видов работ, подлежащих автоматизации;
  6. выявление целевых задач, поставленных перед изучением ПТС, реализация которых в настоящее время не осуществляется и т.д.

Результаты изучения существующей системы инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований, проводящихся в пределах ПТС, представляется в виде информации, включающей:

  • схему информационных потоков;
  • описание используемых методов получения, хранения, обработки и передачи инженерно-геологических и гидрогеологических данных и степень их автоматизации;
  • принятые формы представления материалов исследований и их содержание;
  • перечень видов исследований, этапы и периодичность их выполнения;
  • сопоставление целевых задач, поставленных перед изучением ПТС с задачами, решаемыми с помощью используемых методов.

К общим принципам построения ГИС в инженерной геологии относятся следующие:

  1. целевой принцип – сводится к определению целей и задач ГИС, путей их решения и разработки единого технического задания (ТЗ) на создание конкретной ГИС. На первом этапе проектирования ГИС на основе обследования и анализа существующей системы документооборота (информационной системы до автоматизации) и построения структуры ПТС определяется и уточняется состав функциональных задач и требований к ГИС. На втором этапе осуществляется выбор методов решения поставленных перед ГИС задач и определение состава необходимой для этого информации. Перечень целей и задач, а также методы их решения формулируются в ТЗ на разработку ГИС;
  1. принцип единства - заключается в определении границ ПТС, исследовании основных структурных элементов, выявлении существующих связей между подсистемами одного уровня и элементами, а также между ПТС и внешней средой;
  2. принцип «черного ящика» - позволяет на основе изучения характеристик геологической среды на входе и выходе ГИС выявить перечень задач, которые может и должна решать система в разных режимах эксплуатации, и показать последовательность их решения;
  3. принцип обратной связи – позволяет построить замкнутый процесс функционирования ГИС, когда на основе вновь поступающей информации об объекте можно корректировать и изменять ранее принятые управляющие решения. При этом пользователь ГИС получает перманентные сообщения о ходе реализации его задач (или запроса), что позволяет ему оперативно реагировать на возникающие осложнения;
  4. модульный принцип построения – обеспечивает и расширяет арсенал используемых математических методов и предусматривает добавление новых программных модулей к нижнему уровню программного обеспечения ГИС, без существенной его переделки;
  5. принцип простоты эксплуатации ГИС заключается в удобстве обращения к ней, т.е. в удобстве составления задания для управляющей программы в диалоговом режиме. Это позволяет сотрудникам, не обладающих достаточными знаниями, производить формирования банка (базы) данных;
  6. принцип стандартизации и унификации геологической информации для работы с ней в режиме «оператор - ГИС» предусматривает составление унифицированного перечня качественных и количественных показателей геологической среды, соответствующих элементам структуры ПТС, создание системы классификаторов и кодирования информации для её ввода и вывода, а также разработку стандартных форм входной и выходной документации для всех стадий сбора, хранения, обработки и выдаче информации – от полевых описаний грунтов (горных пород) до эксплуатации ГИС. При этом формы выходной информации (выходные документы) должны быть максимально близки к традиционному геологическому представлению результатов исследований (таблицы свойств, разрезы, колонки по скважинам и т.д.);
  7. принцип совместимости инженерно-геологических ГИС с другими информационными системами в геологической отрасли сводится к реализации методологической, функциональной и информационной совместимости;

Методологическая совместимость обеспечивается использованием единой методической основы при составлении прогнозов изменения состояния геологической среды. Функциональная совместимость реализуется путем непосредственной связи между функциональными подсистемами ГИС и блоками функциональных подсистем разных уровней.

Информационная совместимость базируется на следующих положениях:

  • создание единой системы показателей;
  • разработка систем классификаторов и кодификаторов на базе отраслевых и региональных нормативов;
  • разработка унифицированной документации, обеспечивающей единство показателей и исключающей дублирование;
  • разработка единого технологического процесса сбора, передачи и приема исходной информации;
  • создание единой системы информационной базы, структура которой должна соответствовать структуре ПТС.
  1. принцип непрерывного развития – заключается в том, что в процессе своего функционирования любая ГИС требует постоянного совершенствования.

В основе структуры ГИС при её проектировании предусмотрено две части: функциональная и обеспечивающая (рис.1).

Рис.1 Структурная схема геоинформационной системы в инженерной геологии

Функциональная часть представлена: справочно-информационным блоком (СИБ), блоком обработки данных (БОД), прогнозно-диагностическим блоком (ПДБ). Обеспечивающая часть включает: информационное обеспечение (ИО), программное обеспечение (ПО), комплекс технических средств (КТС).

СИБ предназначен для ввода, хранения, многоаспектного поиска и выдачи информации о строении и состоянии геологической среды.

БОД осуществляет автоматизацию трудоемких ручных расчетов и построений, проводимых при обработке первичной геологической информации.

ПДБ предусматривает применение различных проблемно ориентированных программ, в том числе для построения постоянно действующих моделей изучаемой ПТС, и составление на их основе прогнозов изменения состояния геологической среды.

Постоянно действующие модели могут представляться в виде:

  • комплекса специализированных карт, построенных с помощью программируемых процессорных систем (карты рельефа различных поверхностей; карты мощности отложений; карты геолого-литологического строения по глубине или абсолютной отметке; карты изменчивости показателей физико-механических свойств грунтов и т.д.). Опыт работ по составлению таких карт уже имеется в инженерной геологии и подробно описан в работах Г.К.Бондарика, Е.Н.Коломенского и др.;
  • комплекса математических и других моделей, описывающих инженерно-геологические и гидрогеологические процессы, изменения и взаимосвязи свойств грунтов и др. В этой части следует отметить работы Г.К.Бондарика, И.К.Гавич, В.К.Епишина, И.С.Комарова, Н.В.Коломенского, М.В.Раца, Г.П.Постоева, В.Н.Экзарьяна, и др.;
  • комплекса геологических аналогов, отражающих типы взаимодействия человека с геологической средой. Создание этого комплекса базируется на теории приближенного геологического подобия, разработанной Л.Б.Розовским. Практическое применение выполнено Е.С.Дзекцером, В.В.Дмитриевым, Е.М.Пашкиным и др.

Накоплен опыт построения различного вида моделей и специализированных карт на основе применения микропроцессорной техники, но при этом системная основа имела характер единичных (локальных) расчетов по отдельным программным комплексам (Институт Геоэкологии РАН, МГСУ, НПО «Стройизыскания», ЦИГГЭ, ЦВП, ПНИИИС, и др.).

Характерным примером могут служить математические модели, описывающие оползневые процессы, процессы переработки берегов, расчеты таблиц нормативных показателей свойств грунтов, построение карт изменчивости показателей физико-механических свойств грунтов и прочие исследования (МГУ, НПО «Стройизыскания», ПНИИИС, РГГРУ и др.).

Нормальное функционирование ГИС зависит от степени проработки и правильности выбора её обеспечивающей части.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.