Элементы геоинформационных систем и технология создания цифровых мар

УДК 622.1: 528.74: 681.3.01(075.8)

К29

Рецензенты:канд. техн. наук, доцент (ПГТУ) В.Б. Замотан, канд. техн. наук, доцент (ООО «Недра») Г.П. Шаманский

Катаев А.В., Кутовой С.Н., Киселев А.О., Кислухина С.А.

К29 Элементы геоинформационных систем и технология создания цифровых маркшейдерских планов средствами MAPINFO: Учеб, пособие для студен­ тов IV курса специальности МДиГИС и ПГ/ А.В.Катаев, С.Н. Кутовой, А.О. Киселев, С.А. Кислухина, Перм. гос. техн. университет, Пермь, 2000,122 с.

ISBN 5-88151-252-9

Учебное пособие представляет собой справочное руководство по решению практиче­ ских задач, иллюстрирующих возможности MAPINFO по созданию маркшейдерских планов. Кроме того, здесь рассмотрены общие вопросы, позволяющие понять концепцию геоин­ формационных систем при работе с пространственными объектами.

Учебное пособие снабжено подробными комментариями и большим количеством ил­

люстраций и предназначено для самостоятельного изучения студентами специальностей МДиГИС и ПГ.

УДК 622.1: 528.74: 681.3.01(075.8)

технический университет, 2000

Введение

Работа с планами и картами давно стала важной частью деятельности горного инженера-маркшейдера. До недавнего времени они содержались на бу­ мажной (или пластиковой) основе. Дополнительно к планам много данных хра­ нилось в виде ведомостей, каталогов, описаний и иных бумажных документов (например, ведомость вычисления запасов в выемочных блоках, каталог коор­ динат пунктов и др.).

Широкое распространение ЭВМ во всех отраслях не обошло и службы горнодобывающих предприятий. Десяток лет назад использование компьюте­ ров при работе с планами и картами ограничивалось хранением их электрон­ ных образов, простейшим редактированием и выводом на плоттер. Для хране­ ния ведомостей, каталогов и анализа информации отдельно использовались системы управления баз данных (СУБД).

В последнее время создан принципиально иной класс компьютерных сис­ тем - географические информационные системы (ТИС). Географическими их именуют только потому, что эти системы хранят и обрабатывают пространст­ венные или географические данные.

1.ГЕОШФОРМАВДОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1.Общие сведения

Под ГИС понимают определенным образом организованную совокуп­ ность аппаратного и программного обеспечения, а также персонала, предназна­ ченную для ввода, хранения, обработки, анализа и визуализации пространст­

венно привязанной информации. С такой информацией связаны не только гео­ дезические и маркшейдерские службы предприятий, но и природоохранные ор­ ганизации, органы правопорядка, пожарные и т.д.

Использование ГИС за рубежом резко возросло в 90-х годах. В России и республиках бывшего СССР внедрение ГИС началось с 1990-1992 годов.

Многие программные продукты широкого применения могут обрабаты­ вать пространственные данные. Например, в чертежных пакетах AutoCAD или SURFER можно вычерчивать топографические планы или поверхности. В лю­ бой СУБД можно составить таблицы с атрибутивной информацией и выпол­ нить разнообразные запросы к БД. Подобные программные продукты, которые ограничивались бы только отображением карт либо работой с базами данных, могут использоваться для решения немногих задач маркшейдерской службы горного предприятия. Существенным отличием геоинформационных систем являются объединение графической и атрибутивной информации и наличие возможности осуществлять пространственные операции с данными. В зависи­ мости от мощности ГИС это могут быть запросы различной сложности как к графическим объектам, так и к базе данных, оверлейные операции, создание буферных зон, анализ графов (сетей'! и моделирование.

Запросы к различным графическим объектам являются одной из главных задач любой геоинформационной системы. Самый простой из них - это, когда оператор мышью выделяет объект на карте. При этом открывается связанная с объектом запись атрибутивной таблицы.

Оверлей - наложение или пересечение объектов на карте. Что на что на­

кладывается или что с чем пересекается, задается при организации запроса. Пе-

$

ресекающиеся или накладывающиеся объекты на карте выделяются.

Буферные зоны предназначены для оценки влияния объектов друг на дру­ га. При этом вокруг объекта создается зона определенной ширины. Эта опера­ ция используется, например, при проектировании автодорог для оценки их вредного влияния на окружающую природу. При проектировании карьеров с

использованием буровзрывных работ буферная зона строится для определения

границы разброса осколков пород при взрыве. Ширина буферной зоны (или ра­

диус для точечных объектов) может быть постоянной или зависеть от значения приписываемого объекту атрибута (буферизация с взвешиванием).

Анализ сетей - это группа аналитических операций, позволяющая решать

классические оптимизационные задачи на графах, включая задачу коммивоя­ жера, и определять кратчайшие пути.

Задачи моделирования и анализа поверхностей (например, рельефа), их первых и вторых производных (крутизна склона, характеристика выпуклости и вогнутости поверхности) сложны, поэтому часто разрабатываются специальные

средства пространственного моделирования.

Например. Рассмотрим таблЛ, содержащую среди прочих пространст­

венные данные - координаты X, У и Н:

Подготовим запросы к таблЛ:

Какова средняя отметка кровли пласта? Какова средняя мощность пласта?

Чему равно среднее значение координат скважин?

Эти запросы не являются пространственными, чтобы ответить на них не требуется использовать пространственные операции с графической информа­ цией. Даже ответ на последний запрос будет подготовлен только средствами СУБД.

К пространственным можно отнести запросы такого типа:

Сколько скважин находится внутри полигона, оконтуренного на электрон­ ном плане?

Какова средняя мощность пласта в пределах запасов категории А, оконту­ ренной на электронном плане?

Какие скважины находятся вне контура промплощадки?

Ответить на эти запросы можно, только пользуясь электронным планом, связанным с базой данных. Именно геоинформационные системы легко отве­ чают на подобные запросы.

Геоинформационные системы не хранят карты, планы и разрезы в тради­ ционном смысле, они хранят данные, на основе которых можно создавать нужное изображение и выводить требуемую для конкретных целей табличную (атрибутивную) информацию. Эта информация хранится в виде характеристик объекта или атрибутов в базе данных. Электронный план какого-либо горизон­ та не дает подробную информацию о горных выработках. Чтобы узнать ширину выработки, площадь сечения, номер участка, который проходил выработку, нужно запросить базу данных.

1.2. Фермы представления пространственных объектов

План или карга являются графической моделью объектов реальной жизни или явлений окружающей среды. Они несут в себе разные типы информации:

■пространственные данные, отражающее положение и форму объектов;

■описательные (атрибутивные) данные об этих объектах.

Сложная пространственная информация на картах и планах может быть

разделена на множество элементарных картографических объектов. К ним от­

носятся следующие:

■точечные для столбов, опорных пунктов, скважин, точек опробования и т.п. (нульмерные объекты);

■линейные для границ, дорог, трубопроводов (одномерные объекты);

■полигоны (замкнутые фигуры) для административных территорий, геологи­ ческих или эксплуатационных блоков и других площадных объектов (двух­ мерные объекты),

■поверхности длх отображения рельефа местности, поверхностей топогра­ фического порядка при геометризации месторождений полезных ископае­ мых, геофизических и иных полей (трехмерные объекты);

■ячейки регулярных пространственных сетей и элементы разрешения изо­

бражений (пиксели) для растровых изображений.

Первые четыре типа картографических объектов ориентированы на их векторное представление. Векторная форма представления картографической информации предполагает описание каждого элементарного объекта в виде точки, вектора или набора векторов.

Множество точечных объектов (пунктов опорной сети либо скважин и т.п.) может быть представлено в векторном формате в виде последовательности записей, каждая из которых содержит три характеристики: номер объекта (идентификатор), значение координаты X и значение координаты У:

N XN W

Множество линейных объектов (бровок уступов, разведочных линий, от­ каточных путей и т. п.) может быть представлено последовательностью коор­ динат точек, описывающих любую кривую совокупностью линейных отрезков - векторов. Линейный объект может быть представлен номером (идентификато­ ром), координатами X и У точек линейного объекта и признаком, выделяющим объект из всей совокупности записей линейных объектов. Таким признаком может являться метка (например, слово END). Иногда это делается путем по­

мещения за идентификатором числа, показывающего количество точек линей­ ного объекта. Например:

обходаполигона (например, почасовой стрелке) диктуется стандартами, тех­ ническимиусловиями и принимается общей для всей работы.

Рис.З. Список координат для картографических объектов типа «полигон»

Растровое изображение (bitmap) - снимок местности или отсканированная карта,всего лишь прямоугольная матрица точек (или пикселей экрана). Растро­ вое изображение может быть черно-белым штриховым, черно-белым полутоно­ вым и цветным. Черно-белое штриховое растровое изображение может быть представлено координатами каждой точки и их яркостью. Яркость точки будет равна 0 для белого фона карты и 1 для черного изображения. На рис.4 изобра­ жен растровый фрагмент карты.

При сильном увеличении участка реки (рис.5)заметно, что она изобра­ жается совокупностью черных квадратов - пикселей. Фон карты изображен та­ кими же пикселями белого цвета.

Для полутоновых изображений яркость может принимать непрерывный ряд значений (до 256). Для цветных изображений помимо яркости указывается цветовой тон и чистота цвета.

Таким образом, штриховое черно-белое изображение преобразуется в би­ нарный растр, полутоновое черно-белое и цветное - в многоуровневый растр.