Методика структурирования данных для информационного моделирования
геологической среды
Соколова И.А.
(«НижегородТИСИЗ», Нижний Новгород)
В
крупных городах безаварийное строительство возможно только при наличии полной
информации об инженерно-геологических условиях территории на всех стадиях
строительного процесса.
При
активной реконструкции города и достаточной изученности территории, необходима
систематизация уже накопленных данных. Причем ценность геологической информации
возрастает в том случае, если она увязана с планово-высотным расположением
сооружений, фундаментов, подземных коммуникаций. При этом возникают два типа
задач: связанные со сбором, организацией и хранением данных; анализа, интерпретации
и построения цифровых моделей инженерно-геологических карт.
Базовыми
элементами информационного моделирования геологических карт являются: цифровая
картографическая основа, первичные геологические данные, производные данные
материалов предшественников.
Цифровая
картографическая основа является несущей конструкцией моделирования. Она должна
сохранять преемственность от масштаба к масштабу.
Первичная
геологическая информация обеспечивает возможность создания компонентов модели в
полном объеме полевых наблюдений. При этом данные должны иметь надежную
координатную привязку и структурироваться по единым законам и понятиям.
Производные
данные материалов предшественников — это результаты обработки и интерпретации
первичных данных, представленные цифровыми моделями карт геологического
содержания, формализованными описаниями их легенд и геологических объектов, результатами
обработки геофизических, геохимических, гидрогеологических данных.
Компоненты
геологической среды, применяемые для информационного моделирования, состоят из
набора признаков в каждой точке. При инженерно-геологических изысканиях под
строительство такими точками являются скважина, дудка, шурф, точки статического
зондирования и геофизических наблюдений. По комплексу геолого-геофизических
данных требуется оценить распределение числовых или номинальных свойств
геологической среды и представить эти свойства в виде цифровых моделей
геологического строения территории.
Перевод
этого процесса в автоматизированный режим возможен при условии четкого
разграничения набора операций на те, которые будут автоматизированы, и другие, не
подлежащие автоматизации по техническим причинам.
Немаловажным
аспектом для построения информационных моделей карт является использование
цифровых моделей геологических карт предшественников, увязанных с современной
картографической основой. Необходимая информация, «снятая» с таких карт, включается
в обработку.
Вопросы
сбора, обработки и анализа данных по инженерным изысканиям уже несколько лет
успешно решаются в ОАО «НижегородТИСИЗ». На базе программного комплекса ГИС
«Карта 2005» (КБ «ПАНОРАМА») создан банк цифровых данных фонда «Инженерные
изыскания» (ГИС ГЕОТОП), который позволяет проводить анализ, интерпретацию и
построение векторных, растровых и матричных карт геологического содержания, разрабатывать
специализированные ГИС-приложения в среде Windows, решать типовые прикладные
задачи.
Организация данных
Система
организации данных позволяет строить геологические карты, прогнозировать
опасные геологические процессы (карст, оползни и т. д.), проводить поиск
информации и осуществлять мониторинг геологической среды. Степень детализации
информации зависит от стадии инженерных изысканий.
Для
городского строительства данные, как правило, представлены в масштабе 1:500.
Структура базы данных предусматривает возможность ввода инженерно-геологической
информации крупно-, средне- и мелкомасштабных работ. В зависимости от вида и
масштаба построения геологической карты проводится генерализация исходных
данных. Например, для построения геолого-литологической карты масштаба 1:10 000
мощности каждой литологической разности грунта в точке наблюдения суммируются с
учетом возраста и генезиса и записываются в отдельное поле базы данных, фрагмент
которой приведен в табл. 1.
Таблица
1. Фрагмент таблицы литологических свойств грунтов (LITOL.db)
Суммарная мощность грунта, м
|
Мощность разновидности грунта, м
|
Геологический индекс слоя
|
Наименование грунта
|
|
5
|
laQII-III
|
суглинок
|
12, 5
|
7, 5
|
laQII III
|
суглинок
|
1, 7
|
1, 7
|
tQIV
|
насыпной грунт
|
1, 1
|
1, 1
|
edQIII
|
суглинок
|
|
3, 7
|
laQII III
|
суглинок
|
12, 2
|
8, 5
|
laQII III
|
суглинок
|
Структура
данных для ввода первичной геологической информации разработана на основе
существующих нормативных документов для инженерных изысканий [1–5]. В точках
геологической среды (выработки, статика, ВЭЗ) вводятся показатели в числовом
или текстовом виде:
общие
данные (год, глубина, организация и пр.);
условия
залегания грунтов (глубина подошвы, возраст, мощность и пр.);
характеристика
грунта;
физико-механические
свойства образцов;
химические
анализы воды;
коррозионная
активность грунтов.
Для
каждого вида грунта подбирается собственный набор компонентов:
глинистые
грунты — грансостав, текстура, минеральный состав, обломочность, карбонатность,
примеси, включения, органика, консистенция;
песчаные
грунты — минеральный состав частиц, обломочность, примеси, зернистость, плотность
сложения, степень плотности, включения, органика, степень влажности;
обломочные
грунты — вид грунта и заполнителя, прочность, плотность скелета, трещиноватость,
выветрелость, включения, степень влажности;
скальные
и полускальные грунты — карбонатность, обломочность, структура, текстура, сопротивление
одноостному сжатию, выветрелость, трещиноватость, плотность скелета, включения,
наличие полостей и пр.;
техногенные
грунты — способ укладки, однородность состава, степень и метод уплотнения, степень
влажности и пр.
Расчетные
компоненты физико-механических свойств образцов грунта содержат общие сведения
(глубина и дата отбора, номер заказа и пр.), физические свойства, гранулометрический
состав, результаты срезовых и компрессионных испытаний, относительную
просадочность при нагрузках, коррозионную активность.
Расчетные
компоненты для оценки подземных вод включают данные по уровням, глубине и
условиям залегания, физическим свойствам, химическому составу, коррозионной
активности.
При
выборе расчетных параметров для характеристики геологических процессов вводятся
данные по подземным и поверхностным проявлениям, времени и интенсивности
появления.
Классификатор
Анализ
методических рекомендаций и нормативных документов позволил обобщить полный
комплекс геологических факторов, используемых при построении
инженерно-геологических карт. Структура электронного классификатора состоит из
нескольких слоев, в каждом из которых расположены характерные для данного слоя
объекты. В табл. 2 приведены типы объектов, располагаемые в каждом слое.
Таблица
2. Структура классификатора
Наименование слоя
|
Объекты
|
Генетические типы
|
Площадные объекты наиболее характерных генетических типов
четвертичных отложений Нижегородской области
|
Геологические границы
|
Линейные стратиграфические, тектонические, гидроизогипсы
|
Горные выработки
|
Типы геологических выработок (скважины, дудки, шурфы), точек
геофизических наблюдений и статического зондирования
|
Грунты
|
Инженерно-геологические виды полускальных, осадочных, техногенных
грунтов Нижегородской области
|
Геоморфология
|
Объекты геоморфологии и физико-геологических процессов и
явлений (границы террас, овраги, оползни, карстовые воронки)
|
Гидрогеология
|
Элементы гидрогеологии (родники, колодцы, гидрогеологические
подразделения)
|
Стратиграфия
|
Возраст четвертичных и коренных отложений
|
Литологические особенности
|
Наиболее часто встречающиеся литологические особенности
грунтов (затофованность, выветрелость, включения)
|
Для каждого объекта разработан код, ключ, семантика,
позволяющие осуществлять связь и проводить операции по выборке данных, построению
карт, математическим расчетам. Классификаторы карт масштабов 1:10 000 и 1:500
предназначены для построения инженерно-геологических карт, соответственно, на
стадиях создания генерального плана развития города, разработки проекта
строительства и рабочей документации. В районах развития опасных геологических
процессов при построении специализированных карт систематизируются и
добавляются дополнительные объекты слоев.
База
данных геологических карт предшественников, представленных в растровом или
векторном виде, состоит из наборов разных по масштабу карт, схем, разрезов, идентифицированных
по назначению и архивному номеру отчета.
Ввод и хранение данных
Система
ввода в банк данных фонда «Инженерные изыскания» предусматривает импорт текущей
геологической информации и ввод архивной информации с бумажных носителей.
Текущая геологическая информация представляет собой результаты обработки
первичных полевых геологических данных программными средствами, разработанными
специалистами треста. Это следующие программы: «Колонка» (создание
геолого-литологической колонки для любого масштаба карт по полевым материалам),
«Статика» (обработка данных статического зондирования), «Статистика»
(статистическая обработка лабораторных определений физико-механических свойств
образцов грунтов), «Разрез» (построение инженерно-геологических разрезов как
для площадок, так и для линейных объектов, в том числе трасс нефте- и газопроводов),
«Лаборатория» (расчеты по результатам определений физико-механических свойств
образцов, химического состава подземных вод, коррозионной активности грунтов), «Склон»
(расчет устойчивости склонов естественного происхождения).
Топографо-геодезическая
информация обрабатывается в программном комплексе CREDO (СП «Кредо-Диалог», Минск,
Республика Беларусь).
Структура
данных текущей геологической информации ориентирована на структуру банка данных
ГИС ГЕОТОП. Перевод топографической информации осуществляется с помощью
конвертора.
Для
ввода информации с отчетов разработаны паспорта точек наблюдений. Архивная
информация анализируется, приводится в соответствие с современными нормативными
документами, проверяется координатная привязка.
Для
районов развития опасных геологических процессов, например, карстовых
проявлений, предусматривается ввод дополнительной информации по зонам развития
карстовосуффозионных процессов в скважинах, поверхностным проявлениям карста
(провалы, воронки).
Карты
на бумажной основе сканируются на планшетных сканерах формата А3 (А0).
Отсканированные карты трансформируются, затем выполняется их координатная
привязка, а также векторизация в ГИС «Карта 2005».
Хранение
данных осуществляется в базе, состоящей из нескольких взаимосвязанных таблиц в
формате DB. Растры геологических карт, схем, разрезов хранятся в формате RSW, а
пользовательские векторные карты — в формате SIT.
Примеры использования данных
В
настоящее время в тресте проходит апробацию методика построения
геолого-литологической карты по данным фонда «Инженерные изыскания».
Разработана инструкция для специалистов производственно-технического отдела, проводящих
работы по систематизации и обработке архивных инженерно-геологических
материалов [6]. На один из участков города создана информационная модель
геолого-литологической карты, отражающая сведения об условиях залегания и
составе грунтов, погребенных оврагах, горных выработках, топографической
ситуации. Отработан принцип создания трехмерной матрицы грунтов, позволяющий
оперировать геолого-топографическими данными для оценки
инженерно-геологического строения территории и просматривать информацию по
любому профилю, выработке (рис. 3).
На
информационной модели карты-схемы кровли коренных отложений масштаба 1:5000
одного из участков города представлены сведения об абсолютных отметках
залегания кровли пермских образований. При проектировании зданий и сооружений, реконструкции
уже существующих объектов, аварийных ситуациях возможна оценка глубин и
крутизны залегания кровли коренных грунтов под фундаментом промышленных и жилых
объектов.
В
настоящее время дорабатывается методика построения карты районирования по
карстовой опасности. Структура данных, методика построения подробно описаны
автором в журнале «Инженерная геология» [7]. Используя данные по скважинам, карстовым
провалам, воронкам, условиям залегания отложений, уровням подземных вод, были
выделены участки разной степени устойчивости к карстовым процессам.
Разработка
методики структурирования геолого-топографических данных городской территории
является основой для создания системы нормативных документов и отраслевых
стандартов представления информации по топографо-геодезическим, инженерно-геологическим
и другим видам инженерных изысканий в едином банке данных.
Формирование
банка пространственных геолого-топографических данных, информационное
моделирование геологической среды городских территорий позволит:
повысить
качество, снизить стоимость и сократить сроки инженерных изысканий;
выбрать
участки наиболее благоприятные для строительства;
осуществить
проектирование защитных мероприятий от опасных геологических процессов (карст, оползни,
подтопление);
определить
оптимальный тип фундамента и снизить стоимость строительных работ;
вести
мониторинг геологической и топографической сред. |