Методика структурирования данных для информационного моделирования геологической среды
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
|
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.
Список литературы
ГОСТ
25100-95. Грунты. Классификация.
ГОСТ
21.302-96. Условные графические обозначения в документации по инженерным
изысканиям.
СП
11-105-97. Часть I. Общие правила производства работ.
СП
11-105-97. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных
геологических и инженерно-геологических процессов.
Инженерные
изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация здания и сооружений на
закарстованных территориях Нижегородской области (ТСН-22-308-98 НН), Нижний
Новгород, 1999.
МИ-2.10-18
Методологическая инструкция по качеству. Раздел 2.10. Управление процессами.
Методические указания по составлению геолого-литологической карты масштаба 1:10
000 по архивным инженерно-геологическим материалам (с применением компьютерных
технологий). - ОАО «НижегородТИСИЗ», 2007.
Соколова
И.А. Применение ГИС-технологий для районирования территории Нижнего Новгорода
по степени опасности карстовых процессов // Инженерная геология, май 2006 г.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта <http://www.bibliofond.ru>