Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Каня Е.В. 1 Димухаметов Д.М. 1 Коноплев А.В. 1 Спасский Б.А. 1 Лунев Б.С. 1
1 Пермский государственный национальный исследовательский университет
В статье рассмотрены этапы становления и развития геоинформационных технологий в геологии. Приведены результаты разработки инженерно-геологической модели с использованием ГИС на основании изысканий, проведенных в одном из кварталов г. Ханты-Мансийска. Выбор данных для последующей обработки с учетом характера решаемых задач и ожидаемого конечного результата проведен после предварительного анализа факторов функционирования природно-техногенной системы. Все кластеры исходных данных были адаптированы (стандартизированы) для дальнейшей обработки, сформированы в виде таблицы атрибутивов данных ArcView GIS 3.3. Итогом систематизации и обработки исходных данных является трехмерная модель природно-техногенной системы, на которой визуально отражаются все использованные кластеры. На основе модели сделаны выводы о функциональных условиях применения и ее возможностях для решения прикладных инженерно-геологических задач.
инженерно-геологические условия
инженерно-геологические изыскания
геоинформационные системы
трехмерная графическая модель инженерно-геологических условий
природно-техногенные системы
1. Галкин В.И., Середин В.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В., Копылов И.С., Чиркова А.А. Оценка эффективности технологий очистки нефтезагрязненных грунтов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. – № 6. – С. 4–7.
2. Каченов В.И., Середин В.В., Карманов С.В. К вопросу о влиянии нефтяных загрязнений на свойства грунтов // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. – 2011. – № 14. – С. 164–165.
3. Козловский С.В. Теория и практика создания ГИС в инженерной геологии: Диссертация / РГГРУ, 2011. – 313 с.
4. Козловский С.В. Принципиальная структура геоинформационной системы для решения задач инженерно-геологических изысканий // Инженерные изыскания, ОАО «ПНИИИС». – М., 2010. – № 5 – С. 12–16.
5. Распутин А.Н. Геоинформационная система оценки влияния инженерно-геологических факторов на возникновение коррозионных дефектов газопроводов ООО «Газпром Трансгаз Екатеринбург»: Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук / ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет». – Екатеринбург, 2011.
6. Середин В.В. Санация территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. – 2000. – № 6. – С. 525.
7. Середин В.В. К вопросу о прочности засоленных глинистых грунтов. Инженерная геология. – 2014. – № 1. – С. 66–69.
8. Середин В.В., Андрианов А.В. К вопросу о методике определения прочностных характеристик грунтов // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. – С. 946.
9. Середин В.В., Ядзинская М.Р. Исследование механизма агрегации частиц в глинистых грунтах при загрязнении их углеводородами // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8, часть 6. – С. 1408–1412.
10. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. – М.: Финансы и статистика, 1997. – 290 с.

Современное состояние отрасли и уровень развития информационных технологий в настоящее время позволяют решать широкий спектр прикладных задач при изучении инженерно-геологических и геоэкологических условий, проектировании и строительстве [1, 3].

Все виды инженерно-геологических изысканий и исследований сопровождаются накоплением большого объема сведений различного характера и содержания. Информация поступает в виде результатов отдельных наблюдений или измерений в необобщенном или частично обобщенном виде и не может непосредственно использоваться для получения выводов прикладного или научного характера [7, 8].

Периоды становления геоинформационных технологий тесно связаны с этапами развития вероятностно-статистических методов при изучении естественных оснований крупных инженерных сооружений и отражены в ряде работ С.В. Козловского [3, 4], А.Н. Распутина [5] и других. Определенным фактором развития ГИС (геоинформационной системы) является также и совершенствование компьютерных технологий как инструмента обработки, интерпретации и визуализации данных.

Первые попытки применения математических методов при обработке инженерно-геологической и экологической информации в СССР были в начале 50-х годов ХХ века и несколько позднее в США и некоторых странах Европы. В 1959 г. в докладе Н.В. Коломенского и И.С. Комарова на XXIII Геологическом конгрессе в Мехико была изложена общая схема использования вероятностно-статистических методов при изучении естественных оснований крупных инженерных сооружений.

На рубеже 60-х годов было обосновано и практически подтверждено использование вероятностно-статистических методов как инструмента обработки количественной и качественной информации [10].

После широкого внедрения электронно-вычислительных машин и математических методов обработки информации работы велись в направлении адаптирования, стандартизации исходных данных для использования в программируемых вычислительных системах, применяемых в инженерной геологии. В 1972 г. И.С. Комаров публикует работу «Накопление и обработка информации при инженерно-геологических изысканиях».

С 80-х годов был разработан ряд направлений, связанных с системами автоматизированной обработки и интерпретации геологических данных. В этот период в прикладной геологии появляется АИПС «Регион» (Б.А. Чумаченко и др., 1980 г.), система «ПОИСК» (А.Н. Бугаец, 1983 г.), АСОД-ПРОГНОЗ (В.И. Мишин и др., 1984 г.).

Середина 1990-х годов отмечена новым этапом развития систем комплексного анализа и прогноза (этот подход получил название «геоинформационные технологии») развития прикладных методов, организованных в систему, имеющую возможности анализа графической информации, которые получила название географической информационной системы (ГИС).

Комплексный количественный анализ информации в инженерной геологии в конце 80-х – начале 90-х годов приобретает качественно новый уровень. В этот период следует отметить работы Г.К. Бондарика (1982 г.), А.Б. Каждан (1979 г.), Е.Н. Коломенского (1985 г.), В.В. Пендина (1984 г.), и др. исследователей. Геоинформационные технологии, опираясь на методологический опыт и теоретические вопросы применения математических методов, позволяют вывести развитие инженерной геологии на принципиально новую ступень.

В настоящее время проблемы накопления, переработки и хранения инженерно-геологической информации могут быть решены на базе внедрения и совершенствования процессов автоматизации и средств вычислительной техники. На этой основе создание ГИС обеспечивает не только унифицированное хранение инженерно-геологической информации, но и решение целого спектра практических задач, связанных с ее (информации) визуализацией в виде графической базы данных, 3D моделей, создания прогнозных схем развития опасных процессов и т.д.

При производстве инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий, как правило, значительные затраты связаны с работами на разных стадиях проектирования, начиная с проработки вариантов размещения сооружений до исследования участков размещения сооружений под генеральный план [6, 10]. Часто в условиях недостатка объемной количественной и качественной информации о строении, свойствах толщ грунтов [7, 8], УГВ (уровне грунтовых вод), активности геологических процессов и т.п. расположение проектируемых объектов неоднократно изменяется, что в свою очередь приводит к дополнительным временным и финансовым потерям.

Использование ГИС для практических целей позволяет во многом оптимизировать затраты при обосновании методов и объемов инженерно-геологических работ при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов с учетом их технической характеристики, выборе вариантов их размещения. Значительный интерес данные технологии представляют и для решения ряда задач, связанных с прогнозом изменения инженерно-геологических и геоэкологических условий под действием техногенных факторов.

Для детального анализа спектра применения технологий ГИС и их возможностей проведен анализ инженерно-геологической и геоэкологической информации по изысканиям в одном из кварталов г. Ханты-Мансийска, сформированы блоки графической базы данных на изученном участке, построена трехмерная графическая модель инженерно-геологических и геоэкологических условий.

Целью работы являлась разработка инженерно-геологической модели с использованием ГИС для уточнения ее возможностей и функциональных условий применения для решения прикладных задач.

После предварительного изучения результатов инженерно-геологических работ и выделения основных факторов функционирования ПТС был проведен выбор данных для последующей обработки с учетом характера решаемых задач, ожидаемого конечного результата. В набор исходных параметров были включены:

1. Отметки рельефа поверхности. При трехмерной визуализации отметки рельефа позволяют наглядно представить пространственное положение проектируемых сооружений и выбрать наиболее удачный вариант их размещения, спрогнозировать участки развития поверхностных эрозионных процессов на исследуемой площадке, рассчитать затраты на производство планировки территории (объем грунта при подсыпке и срезке).

2. Пространственное положение существующих и проектируемых сооружений. Блок данных технической характеристики проектируемых сооружений дает возможность их пространственной визуализации с учетом габаритов, этажности и соответственно предполагаемых нагрузок на грунты.

3. Инженерно-геологические скважины являются основными точками привязки инженерно-геологической информации о литологическом разрезе, уровнях грунтовых вод (рис. 1).

4. Уровни грунтовых вод являются одной из важных характеристик условий проектирования и строительства сооружений в связи с обустройством котлованов, прогнозом подтопления территории и соответственно изменением свойств грунтов при их замачивании естественным путем или за счет техногенного воздействия, а также для проектирования дренажных систем.

5. Глубины залегания (абсолютные отметки) границ предварительно выделенных инженерно-геологических элементов являются основой для визуализации геологического строения и в конечном итоге выбора вариантов размещения сооружений, типов и глубины заложения фундаментов.

pic_53.tif

Рис. 1. Карта фактического материала (ArcView GIS)

Все кластеры исходных данных были адаптированы (стандартизированы) для дальнейшей обработки. Результаты обработки сформированы в виде таблицы атрибутов данных ArcView GIS 3.3.

Итогом систематизации и обработки исходных данных является трехмерная модель ПТС (рис. 2), на которой визуально отражаются все использованные кластеры. Важным является то, что весь массив данных при этом не является в общем смысле просто «хранилищем» архивных материалов, а представляет собой систему, позволяющую не только пополнять данные свежими изысканиями, но и оперативно их визуализировать.

Анализ созданной модели позволяет сделать следующие выводы:

1. Существует возможность экспортирования массива цифровых данных (рельеф, границы ИГЭ и т.д.) из типовых программ, используемых при производстве инженерных изысканий.

2. Возможна визуализация инженерно-геологической информации в трехмерном виде. При этом, например, возможно оперативное получение данных о грунтах «одним нажатием» в любой точке блока на любой глубине в пределах исследованной области.

3. Существует возможность хранения и пополнения цифровой базы данных по инженерно-геологическим изысканиям в графическом формате, что позволяет значительно упростить поиск и систематизацию архивных материалов для планирования работ по новым объектам.

4. Возможна оперативная предварительная проработка вариантов размещения проектируемых сооружений с учетом геоморфологических, инженерно-геологических, гидрогеологических условий, выбора типов фундаментов на основе трехмерной модели и свойств грунтов на заданных глубинах.

5. Существует возможность оценки техногенной нагрузки на среду, мониторинга опасных процессов и прогноза их развития.

6. Возможности ГИС не позволяют в автоматизированном режиме проводить ряд статистических операций. Например, выделение ИГЭ согласно ГОСТ из массива данных результатов лабораторного определения свойств грунтов.

7. Возможности ГИС в более полном объеме реализуются при обработке данных по значительным площадям и массивам данных (особенно для оценки геоморфологических условий и прогноза развития экзогенных геологических процессов).

8. Затруднительно построение инженерно-геологических разрезов, соответствующих требованиям, предъявляемым к изысканиям, в связи с чем окончательное положение границ ИГЭ на разрезах выполняется в ручном режиме. В связи с этим построение разрезов более целесообразно проводить «традиционными» методами путем экспорта из Credo в AutoCad c последующей доработкой в «ручном режиме».

pic_54.tif

Рис. 2. 3D модель участка работ

Существует возможность отслеживать и прогнозировать поведение грунтов-оснований под нагрузками от существующих сооружений, прогнозировать изменение свойств грунтов при подтоплении территорий, что важно в первую очередь при геотехнических исследованиях.

При наличии достаточного объема исходных данных с помощью ГИС возможен мониторинг и прогноз развития опасных процессов. Так, например, возможно оперативно выделить по отметкам рельефа участки, потенциально опасные для развития эрозионных процессов или подтопления. При исследовании поверхностных деформаций, связанных с карстовыми процессами или другого генезиса, возможно выделение зон их потенциального влияния на сооружения.

ГИС могут давать дополнительные возможности при районировании территорий при условии, что анализируемые критерии и факторы входят в пакет исходных данных. В этом случае построение карт проводится более оперативно, чем при «ручном» расчете граничных условий количественных показателей и т.п.

Даже с учетом некоторых технических сложностей, описанных выше, ГИС могут эффективно применяться при проведении инженерно-геологических изысканий на всех стадиях проектирования. В связи с этим разработка унифицированного программного комплекса сбора, обработки и интерпретации данных позволила бы не только решать целый ряд инженерно-геологических задач, но и создать единую пополняемую и доступную для изыскательских организаций региональную и федеральную базы данных.

Рецензенты:

Наумов В.А., д.г.-м.н., профессор кафедры поисков и разведки полезных ископаемых, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;

Осовецкий Б.М., д.г.-м.н., профессор кафедры минералогии и петрографии, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 23.09.2014.


Библиографическая ссылка

Каня Е.В., Димухаметов Д.М., Коноплев А.В., Спасский Б.А., Лунев Б.С. ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-12. – С. 2708-2712;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35420 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074