Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий

Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г.) и РФФИ (грант № 07-05-96011).

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	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126082025-02-09T14:52:55Z Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий Симанов, А.А. Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г.) и РФФИ (грант № 07-05-96011). 2008 Article 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 ru application/pdf Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
spellingShingle	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних Симанов, А.А. Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
description	Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН (по результатам конкурса научных проектов молодых ученых и аспирантов 2007 г.) и РФФИ (грант № 07-05-96011).
format	Article
author	Симанов, А.А.
author_facet	Симанов, А.А.
author_sort	Симанов, А.А.
title	Первичная обработка гравиметрических данных на основе ГИС технологий
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
publisher	Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних
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 pervičnaâobrabotkagravimetričeskihdannyhnaosnovegistehnologij
first_indexed	2025-11-27T01:30:55Z
last_indexed	2025-11-27T01:30:55Z
_version_	1849905183521243136
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