Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Author:	Симанов, А.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України 2008
Subjects:	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12608
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий / А.А. Симанов // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2008. — С. 127-135. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-12608
record_format	dspace
spelling	Симанов, А.А. 2010-10-14T18:59:08Z 2010-10-14T18:59:08Z 2008 Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий / А.А. Симанов // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2008. — С. 127-135. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. XXXX-0017 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12608 550.831.017 Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г.) и РФФИ (грант № 07-05-96011). ru Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
spellingShingle	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий Симанов, А.А. Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
title_short	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
title_full	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
title_fullStr	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
title_full_unstemmed	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
title_sort	первичная обработка гравиметрических данных на основе гис технологий
author	Симанов, А.А.
author_facet	Симанов, А.А.
topic	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
topic_facet	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
publishDate	2008
language	Russian
publisher	Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України
format	Article
issn	XXXX-0017
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12608
citation_txt	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий / А.А. Симанов // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2008. — С. 127-135. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT simanovaa pervičnaâobrabotkagravimetričeskihdannyhnaosnovegistehnologii
first_indexed	2025-11-27T01:30:55Z
last_indexed	2025-11-27T01:30:55Z
_version_	1850791063706402816
fulltext	127 © À.À. Ñèìàíîâ, 2008 ÓÄÊ 550.831.017 Ãîðíûé èíñòèòóò ÓðÎ ÐÀÍ, ã. Ïåðìü ÏÅÐÂÈ×ÍÀß ÎÁÐÀÁÎÒÊÀ ÃÐÀÂÈÌÅÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÄÀÍÍÛÕ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÃÈÑ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ Введение. В настоящее время для обработки, интерпретации и комп- лексного анализа геолого-геофизических данных на ЭВМ, наряду с широ- ким использованием специализированных автоматизированных систем (на- пример, использующихся во всем мире программных продуктов GeoSoft), интенсивное развитие получили геоинформационные системы (ГИС) [1]. При решении практических задач заметно возрос интерес к возможностям ГИС и, главное, появилось понимание того, что многие прикладные задачи решаются значительно эффективнее с применением геоинформационных технологий. Анализ места ГИС среди других автоматизированных систем показал, что комплексная автоматизированная обработка информации в ГИС не имеет прямых аналогов с технологией обработки в других системах. В то же время геоинформационные системы сочетают в себе на разных этапах преобразования информации обкатанные элементы технологий систем ав- томатизации проектирования, экспертных систем, а также специализиро- ванных автоматизированных систем. Требуется лишь стыковка дополнитель- но используемых программных модулей, предназначенных для решения наи- более актуальных для разработчика задач, с этой интегрированной систе- мой – Геоинформсистемой [2]. Подсистема первичной обработки. В рамках описанного выше под- хода в Горном институте УрО РАН г. Пермь разработана информационно- аналитическая система (ИАС) хранения, обработки и анализа данных круп- номасштабных гравиметрических съемок на базе лицензированного про- дукта ГИС ArcGIS версии 9.0 (ESRI). Одной из важных частей созданной ИАС является подсистема первич- ной обработки гравиметрических данных, решающая следующие задачи: - первичная обработка гравиметрических данных; - введение различного рода поправок; - вычисление аномальных значений силы тяжести; - создание каталогов гравиметрических пунктов; - подготовка данных для внесения в базу данных; - построение графиков, карт и др. 128 Первичная обработка гравиметрических данных осуществляется на- бором программных модулей, реализующих увязку полевых гравиметричес- ких данных; введение различного рода поправок; вычисление аномальных значений силы тяжести с созданием каталогов гравиметрических пунктов и построение карт. Вычисление аномальных значений силы тяжести и создание ка- талога. При вычислении аномальных значений силы тяжести и создании каталогов гравиметрических пунктов используется модуль «Catalog». Алго- ритм вычисления аномалий силы тяжести включает вычисления географи- ческих координат (поскольку обычно известны прямоугольные координаты гравиметрических пунктов), нормального поля силы тяжести и собственно аномалий. Исходными данными служат массивы координат пунктов и на- блюденных значений силы тяжести. Кроме того вводятся массивы попра- вок δgр за влияние рельефа окружающей местности, вычисленные в отдель- ном модуле. Результаты вычислений представляют собой готовый каталог грави- метрических пунктов в формате shp-файла (точечная тема) со следующими атрибутивными полями: - географические и прямоугольные координаты пунктов наблюдений; - нормальное гравитационное поле; - аномалии Фая; - поправка за влияние рельефа с плотностью промежуточного слоя 2,67; - аномалии Буге для плотности промежуточного слоя 2,67 с поправкой за рельеф и без нее; - аномалии Буге с реальной плотностью промежуточного слоя с поправ- кой за рельеф и без нее. С помощью встроенных модулей ArcGis (Spatial Analyst, Алгебра карт) реализуется построение различных карт в растровых форматах GRID (рис.1). Определение топографических поправок за рельеф местности. Одной из самых трудоемких процедур при обработке результатов полевых гравиметрических измерений является введение поправок за влияния окру- жающего рельефа местности, учет которого, согласно действующей «Инст- рукции по гравиразведке», должен осуществляться в радиусе 200 км (для масштабов 1:50 000 и мельче). При традиционном подходе к определению δgр вследствие необходи- мости подготовки и ввода в ЭВМ массивов высотных отметок большой раз- мерности, особенно в центральной зоне радиусом 100–300 м, признано не- целесообразным использование вычислительных средств. Вычисление по- правки за влияние центральной зоны осуществляется вручную с использо- ванием крупномасштабных карт рельефа [3] либо материалов радиального 129 нивелирования вокруг пунктов (метод «звездочек»). Для определения по- правок в дальних зонах составляются матрицы высот, снятых вручную с то- пографических карт крупного и среднего масштабов; как правило, после вычисления значений δgр в узлах квадратной сети производится интерполя- ция значений поправок в пункты гравиметрических наблюдений. Таким образом, вся процедура учета влияния рельефа местности весьма трудоем- ка и занимает, согласно нормам, не менее половины времени камеральных работ. Кроме того, при таком подходе точность аппроксимации рельефа может быть достаточно низкой. Развитие вычислительной и периферийной техники, а также совре- менного программного обеспечения и ГИС-технологии позволяет осуще- ствить принципиально новый подход к учету влияния рельефа поверхности Земли при вычислении аномалий Буге с использованием новых источников информации. Ðèñ.1. Áëîê-ñõåìà ïåðâè÷íîé îáðàáîòêè ãðàâèìåòðè÷åñêèõ äàííûõ 130 Для определения поправок δgр за влияние рельефа местности при гра- виметрической съемке разработан отдельный модуль, который позволяет решать следующие задачи: - построение аналитической модели рельефа (АМР) на основе исход- ной цифровой модели рельефа (ЦМР) с использованием быстрого пре- образования Фурье (БПФ); - вычисление и суммирование топографических поправок δgр; - выполнение оценки точности определения топографических попра- вок. Для построения АМР, а также для высокоточного вычисления по- правки δgр необходимо использовать высокоточные цифровые модели ре- льефа большой размерности. В настоящее время основными способами получения данных о рельефе местности для решения поставленных задач являются: - топографо-геодезические работы (топографические высоты пунктов гравиметрических наблюдений, метод «звездочек»); - использование крупномасштабных топографических карт (картогра- фические высоты точек цифровой модели рельефа); - применение Internet-ресурсов. Бурное развитие спутниковой геодезии и сети Интернет в последние годы обеспечило создание принципиально новых ЦМР, отличающихся вы- сокой детальностью описания рельефа местности. Наибольшее практическое значение для разведочной геофизики полу- чил проект NASA по измерению высот земной поверхности с помощью спутникового радиоинтерферометра SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Через Интернет свободно можно получить доступ к архивам дан- ных о высотах рельефа поверхности Земли с шагом 3 угловые секунды по- чти на всю поверхность материков. В частности, для территории Пермско- го края цифровая модель рельефа, построенная по данным радиоинтерфе- рометра – ЦМРSRTM, представляет собой матрицу размером ~7000 строк, ~5000 столбцов, с расстояниями между узлами сети высотных отметок ~50 м по широте, ~90 м – по долготе. С целью оценки возможности использования ЦМРSRTM для учета влия- ния рельефа местности при гравиметрических наблюдениях нами выпол- нен ряд вычислительных экспериментов. Для трех площадей Западного Урала, характеризующихся различными типами рельефа земной поверхности и разной степенью залесенности, были определены расхождения между топографическими высотами (полученны- ми инструментальным путем для пунктов гравиметрических наблюдений) и высотами, представленными в ЦМРSRTM (табл. 1). 131 Очевидно, что среднеквадратические ошибки, характеризующие точ- ность отображения высот на ЦМРSRTM, сопоставимы с ранее полученными автором оценками для ЦМР, построенных путем векторизации карт 1:50 000 масштаба и составляющими около ±6 м (т.е. примерно 0,5 сечения горизон- талей рельефа) [4]. Результаты экспериментов показали, что ЦМР, подго- товленные средствами ГИС с использованием Интернет-ресурсов, позво- ляют получать вполне достоверные сведения о форме земной поверхности. Показатели точности описания рельефа ЦМРSRTM не ниже точности пред- ставления рельефа на государственных топографических картах масштаба 1:50 000. Следовательно, можно рекомендовать применение ЦМРSRTM в качестве исходных данных для учета поправок δgр за влияние рельефа местности в радиусе более 1 км от гравиметрического пункта, при этом погрешности определения поправок не превысят ±(0,01–0,02) мГал. Значение топопоправки в точке P (xp, yp, zp) определяется выражени- ем р p p p пар 1 δ ( , , ) σ M S i g x y z g = = ∑ , где σS – плотность промежуточного слоя; gпар – гравитационный эффект единичного параллелепипеда при плотности δ = 1 г/cм3; M – количество параллелепипедов. Вычисление gпар выполняет- ся по формуле Ремпеля [5]: 2 2 2 2 пар p p λ ( ) ( 0,5 ) ( ) ( 0,5 )g z z R d z z R d d dR  = − + + − − + − +  , где 2 2 2 p p( ) ( ) 0,075R x x y y d= − + − − ; x, y, z – координаты центра основания параллелепипеда; d – шаг матрицы высот; λ – гравитационная постоянная. Алгоритм вычисления δgр базируется на построении линейных ана- литических аппроксимаций рельефа поверхности Земли, что было впервые предложено академиком В.Н. Страховым [6]. Необходимость аппроксима- ции обусловлена объективно существующими различиями высотных отме- ток на топографических картах и высот пунктов гравиметрических наблю- дений, полученных инструментально [7]. Аналитическая модель рельефа в общем случае представляет собой не значения высот, а некоторый набор параметров сложной функциональной зависимости, которая с необходимой Òàáëèöà 1 Разница между топографическими высотами и высотами ЦМРSRTM, м Номер площади Диапазон высот, м Заселен- ность, % Минимум Максимум Среднее СКО 1 173–460 95 –46,38 34,32 –4,3 ±5,21 2 133–350 50 –27,33 25,56 1,05 ±4,92 3 10–149 25 –23,20 13,18 –2,61 ±4,06 132 точностью определяет взаимосвязь высотной отметки z произвольно задан- ной точки земной поверхности и ее горизонтальных координат x, y. Построение АМР позволяет минимизировать различия «инструмен- тальных» и «топографических» высот путем «проецирования» нерегуляр- ной сети точек измерений поля силы тяжести (xp, yp, zp) на поверхность ре- льефа, а также оптимизировать сам процесс вычислений. Ее неоспоримое преимущество – возможность восстановления значений высот рельефа z в узлах произвольной сети точек. В качестве системы аппроксимирующих рельеф функций z ≈ ψ(x, y, c0, c1,…, cn) выбираются тригонометрические функции, а далее используется представление высотных отметок z отрезком двойного ряда Фурье: 0 0 ψ( , ) exp 2π QP uv u v x y ux vyz x y С i L L= =    ≈ = − +       ∑ ∑ , где Lx, Ly – линейные размеры исследуемой площади по осям координат ОX и ОY соответственно; Cuv – коэффициенты Фурье; u = 0, 1, 2, …, P; v = 0, 1, 2,…, Q; P, Q – номера граничных гармоник спектра Фурье. При расчете коэффициентов Сuv применяется алгоритм БПФ, суще- ственно ускоряющий решение задачи на компьютере: 1 1 0 0 1 1 2π 2πexp inv exp imu M N uv mn m n С z M N N M − − = =     = − −         ∑ ∑ , т.е. двумерное дискретное преобразование Фурье сводится к последователь- ному вычислению одномерных преобразований сначала для строк, а затем для столбцов матрицы {z}. Известно, что наибольшая точность аппроксимации будет обеспечи- ваться при выборе Pmax = M/2, Qmax = N/2 [8]. Для оптимизации вычислитель- ного процесса производится усечение ряда Фурье (выбор необходимых зна- чений P<Pmax и Q<Qmax), при этом число Kotb отброшенных коэффициентов Cuv выбирают в зависимости от характеристики расчлененности рельефа – среднеквадратического отклонения (СКО) высот σ и требуемой точности ∆ вычисления топопоправок δgр. С целью определения статистической зависимости Kotb = ϕ(σ, ∆) про- изведена серия вычислительных экспериментов. Исходные данные – пять ЦМРSRTM с различной дисперсией высот (табл. 2.). В каждом цикле экспериментов выполнялась аппроксимация ЦМР двойным тригонометрическим рядом Фурье при различных параметрах P, Q и рассчитывались топографические поправки δgр в радиусе от 1 до 10 км с использованием построенной АМР. 133 Установлено, что выражение, определяющее обобщенную регресси- онную зависимость Kotb = ϕ(σ, ∆), имеет вид ln(Kotb) = a + bσ + c∆0,5, где a = –9,773, b = 0,018, c = 0,417 – коэффициенты, рассчитанные методом наименьших квадратов. Графически эта зависимость показана на рис. 2. Рассмотрим пример, демонстрирующий возможности алгоритма. Ис- пользовалась модель рельефа одной из площадей Западного Урала со сле- дующими характеристиками: размер матрицы 300×300; перепад высот 500 м; СКО высот σ ~ 150 м. В результате применения алгоритма АМР составлена на основе исходной модели рельефа по 45 гармоникам, т. е. 70% отброшен- ных коэффициентов ряда Фурье; при этом погрешность аппроксимации ±3,5 м, точность определения топографических поправок на основе АМР ±0,02 мГал (рис. 3). Òàáëèöà 2 Характеристика рельефа местности, м Номер ЦМР Минимум Максимум Среднее СКО 1 77,9 309,5 164,3 ±45,1 2 77,1 451,9 207,4 ±67,0 3 115,6 677,9 311,2 ±100,5 4 231,3 1355,8 622,4 ±201,0 5 48 1622,1 586,0 ±359,9 Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü òî÷íîñòè îïðåäåëåíèÿ òîïîïîïðàâîê ∆ îò ïîêàçàòåëÿ ðàñ÷ëå- íåííîñòè ðåëüåôà σ è êîëè÷åñòâà Kotb îòáðîøåííûõ ÷ëåíîâ äâîéíîãî ðÿäà Ôóðüå (äëÿ ïîäîáëàñòè, îãðàíè÷åííîé ðàäèóñàìè 1 – 10 êì) 134 Представленный практический пример убедительно свидетельствует, что для определения топографических поправок δgр с точностью ∆ = ±0,02 мГал в условиях Передовых складок Западного Урала, где СКО высотных отметок рельефа достигает ±250 м, достаточно осуществлять по- строение АМР с использованием не более 50 % коэффициентов Фурье. Это влечет за собой существенное (приблизительно на порядок) увеличение ско- рости вычисления поправок δgр для исследуемой территории при сохране- нии требуемой точности ∆ . Созданная для всего региона исследований аналитическая модель ре- льефа может затем многократно использоваться при вычислении поправок за рельеф на других площадях гравиметрических работ. При этом АМР ис- следуемой площади строится с учетом полученной зависимости Kotb = ϕ(σ, ∆) и с заданным шагом матрицы d. Построенная АМР может использоваться не только для определения топографических поправок δgр, но и для решения разнообразных геоморфологических задач. Оценка погрешности определения поправок за влияние рельефа мест- ности может проводиться в двух вариантах и осуществляться для всех гра- виметрических пунктов, расположенных в пределах исследуемой площади. В первом варианте с помощью генерации серий случайных чисел мо- делируются произвольно ориентированные в пространстве отклонения гра- виметрических пунктов в плане от их истинного местоположения [9]. Пред- полагается, что по каждой из координат x и y эти смещения происходят независимо, амплитуды смещений распределяются по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием M = 0 и заданным СКО высот δ. Смещения пунктов в плане приводят к появлению соответствующих оши- Ðèñ. 3. Ïîñòðîåíèå àíàëèòè÷åñêîé ìîäåëè ðåëüåôà. a – èñõîäíàÿ ìîäåëü; á – âîññòàíîâëåííàÿ ìîäåëü 135 бок высот zp этих пунктов, т. е. моделируются погрешности вычисления по- правок за влияние рельефа, обусловленные отклонениями в планово-вы- сотной привязке пунктов измерений поля силы тяжести. Во втором варианте с помощью генерации серий случайных чисел моделируются произвольно ориентированные в пространстве отклонения высот ∆z ЦМР от их первоначальных значений, т. е. исходная матрица рель- ефа осложнялась помехой ±∆z. Амплитуды отклонений высот распределя- ются по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием M = 0 и заданным СКО. В данном случае амплитуда помехи ±∆z обусловлена по- грешностями значений высот, т. е. точностью описания рельефа поверхнос- ти Земли на исходной ЦМР. Заключение. На основе созданной подсистемы (модули «Catalog», «Рас- чет топопоправок» и др.) и современных ГИС-технологий на новом уровне решается задача первичной обработки данных крупномасштабных гравимет- рических съемок, при этом все перечисленные возможности существенно упрощают технологию и снижают вычислительные затраты, что влечет за собой уменьшение трудоемкости этапа обработки гравиметрических данных. Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по ре- зультатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г.) и РФФИ (грант № 07-05-96011). 1. Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемсина Е.Н. Геоинформационные системы. – М.: Ин- форм. центр ВНИИгеосистем, 2005. – 345 с. 2. Ломтадзе В.В. Программное и информационное обеспечение геофизических исследо- ваний. – М.: Недра, 1993. – 268 с. 3. Гордин В.М. Способы учета влияния рельефа местности при высокоточных гравиметричес- ких измерениях // Обзор ВИЭМС. Сер. Регион. развед. и промысл. геофизика. – 1974. – 90 с. 4. Симанов А.А. Картографические погрешности при обработке геофизических данных: причины возникновения и оценка // Шестая уральская молодежная научная школа по геофизике: Сб. науч. материалов. – Пермь, 2005. – С. 213–217. 5. Ремпель Г.Г. Актуальные вопросы методики введения поправок, связанных с рельефом местности, с данными гравиразведки и магниторазведки // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. – 1980. – № 12. – С. 75–89. 6. Страхов В.Н., Керимов И.А., Страхов А.В. Линейные аналитические аппроксимации ре- льефа поверхности Земли // Геофизика и математика: Материалы 1-й Всерос. конф. – М., 1999. – С. 199–212. 7. Долгаль А.С., Бычков С.Г., Антипин В.В. Определение топографических поправок при гравиметрических наблюдениях на основе аналитических аппроксимаций рельефа // Гео- информатика. – 2003. – № 1. – С. 33–42. 8. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001. – 575 с. 9. Долгаль А.С. Моделирование погрешностей учета влияния рельефа при гравиметричес- кой съемке // Изв. РАН Сер. Физика Земли. – 1997. – № 8. – С. 88–93.

Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий

Institution

Similar Items