Проекты

Комплексные решения по разработке специализированных ГИС на основе ГИС Карта 2008

Информационно-аналитическая система гидрогеодеформационного мониторинга

Разработчик: КБ «Панорама»
Ссылки:
- Технология обработки данных мониторинга состояния окружающей среды

В составе программных продуктов КБ «Панорама» имеются все необходимые средства для построения многоуровневых распределенных автоматизированных информационно-аналитических систем. Специалистами компании накоплен значительный опыт выполнения работ по автоматизации систем мониторинга различного назначения. Примером такой системы является информационно-аналитическая система гидрогеодеформационного мониторинга (ИАС ГГД), разработанная в интересах центра государственного мониторинга состояния недр (Центр ГМСН) министерства природных ресурсов Российской Федерации.

ГГД мониторинг производится на основе сети пунктов наблюдения развернутых в различных регионах Российской Федерации. В каждом из пунктов установлены регистрирующие приборы, фиксирующие значения показателей мониторинга в автоматизированном режиме и телекоммуникационная аппаратура, обеспечивающая дистанционный контроль и сбор данных. Измеренные показатели мониторинга в виде структурированных пакетов данных пересылаются по каналам связи на сервер с использованием IP протокола и помещаются в базу данных.

Внутренняя структура базы данных может изменяться в соответствии с расширяющимся составом показателей мониторинга. При этом данные хранятся в двух информационных массивах – атрибутивном и картографическом. Атрибутивная база данных поддерживается средствами СУБД HyTech (производитель компания «НИСТ», Россия). Картографическая база данных представляет собой файловое хранилище и поддерживается средствами ГИС Сервер 2008, которые обеспечивают авторизованный доступ к векторным, матричным и растровым данным.

Программное обеспечение ИАС ГГД мониторинга реализовано с применением технологии клиент/сервер и обеспечивает:

  • построение схемы пунктов наблюдения за состоянием объекта мониторинга;
  • обработку показателей мониторинга автоматизированными методами;
  • интерактивное устранение «шумов» методами фильтрации данных;
  • потоковое построение матриц качества, формирование и отображение временных рядов матриц;
  • построение и отображение временных рядов карт изолиний;
  • отображения информации о показателях ГГД мониторинга виде графиков;
  • ретроспективный анализ данных методами мультипликации временных рядов;
  • автоматическое формирование аналитических записок и отчетов.

Полученные матрицы показателей мониторинга являются исходным материалом для дальнейшего анализа. Эти матрицы могут быть не свободны от ошибок измерения – «шума». Устранение «выбросов» и «шумов» в данных производится методами фильтрации и сглаживания. Другим вариантом повышения наглядности анализа является переход от анализа абсолютных значений показателей к их производным, например:

  • изменение значения (y = xi+1 – xi);
  • отклонение от среднего (y = xср – xi,  где xcp = 1 / n * Σxi);
  • отклонение от реперного (y = xр – xi,  где xp – значение показателя на единый отсчетный момент времени – репер);
  • относительная деформация (y = b / (b + (xр - xi ),  где xp – реперное значение показателя, b – поправочный коэффициент).

Преобразование матриц абсолютных показателей производится методами матричных расчетов и преобразований.

Для анализа данные компонуются в именованные наборы – проекты, которые включают: метаданные, DBF-таблицы и картографические модели. Картографические модели подразделяются на фоновые данные, расчетные схемы, временные ряды данных мониторинга, статические и оценочные модели. В процессе обработки и анализа применяются методы интерполяции, фильтрации, сглаживания, матричных расчетов и комплексирования данных реализованные в соответствии с методиками ВСЕГИНГЕО и Центра ГМСН.

При ретроспективном анализе данных (рис.1) используются графики показателей первичных измерений, графики геологических событий (землетрясений), временной ряд матриц и карт изолиний одного из показателей мониторинга и графики, матрицы и изолинии показателя De. Показатель De характеризует текущее состояние гидрогеодеформационного поля и отражает процессы растяжения или сжатия горных пород.

Рис.1. Ретроспективный анализ данных средствами ИАС ГГД мониторинга

Для управления составом содержимого картосхем и графиков предназначены соответствующие списки данных в левой части основного диалога программы. Наблюдения – список пунктов наблюдения, которые используются при моделировании первичных показателей мониторинга. События – список геологических событий эпицентров землетрясений), загруженных в систему. Каждому элементу в списке соответствует группа объектов на картосхеме геологических событий. De – список пространственных треугольников, составленных на основе пунктов наблюдения и используемых для моделирования показателя De.

Для управления визуализацией данных переназначены элементы управления, обеспечивающие позиционирование на шкале времени (бегунок), считывание текущих значений (курсор на графиках) и проигрывание временных рядов в режиме мультипликации (кнопка проиграть). Кроме того, есть ряд сервисных функций обеспечивающих максимально наглядное восприятие данных и их идентификацию: отображение легенды, выдача текстовой подсказки, активизация геологических событий, навигация по графикам (см. рис.2).

Рис.2. Элементы ретроспективного анализа данных

При перемещении бегунка на шкале времени в окне карты происходит синхронная смена матриц и изолиний, а также производится отображение текущих показателей из окна карты (временных рядов матриц) в нижней панели программы, а именно: координаты точки, текущий масштаб изображения карты, момент времени соответствующий текущему положению бегунка, значение из текущей матрицы первичного показателя мониторинга, значение из текущей матрицы показателя De. В процессе ретроспективного анализа данных происходит «активация» геологических событий – подсвечивание на картосхеме событий одного или нескольких землетрясений, соответствующих текущему положению бегунка на шкале времени. Для визуального восприятия передвижения «волны» изменения ГГД поля используется режим мультипликационного показа данных.

По результатам анализа можно сформировать отчеты (см. рис.3).

Рис.3. Вариант отчета, сформированного автоматизированными методами

Отчеты формируются на основании заранее подготовленных шаблонов. Шаблоны включают описательную (неизменяемую) часть и ключевые поля (изменяемая часть). Программа, по команде пользователя осуществляет поиск в шаблоне ключевых полей и вставку на их место определенных значений:

  • параметров моделирования ГГД поля;
  • изображений карт, матриц и изолиний;
  • изображений графиков различных показателей;
  • табличных данных на указанный временной диапазон.

Для подготовки изображений (карт, графиков), вставляемых в отчет в ИАС ГГД мониторинга разработаны средства фиксации текущего состоянии окна карты и окна графиков. Результаты фиксации сохраняются в формате графических файлов и доступны при формировании отчета.

В процессе автоматического создания документа по шаблону и заполнения его данными производит подмена ключевых полей на соответствующие изображения и текстовые данные. Шаблон также предусматривает вставку табличных данных (список сейсмических событий) и текстовой информации. Список сейсмических событий создается автоматически по текущему составу классов геологических событий. Если нужно вставить в отчет только информацию о событиях 4, 5 класса, то нужно снять соответствующие «галочки» в окне управления и программа выберет, только указанную информацию. Полученный автоматизированными методами отчет можно изменять и печать средствами Microsoft Word.

Применение инструментальных ГИС позволяет в сжатые сроки выполнить обработку большого объема исходной информации, преобразовать пространственные данные к удобному для анализа виду и получить оценочные модели, характеризующие процесс или явление по набору критериев установленных пользователем. Однако построение автоматизированных систем мониторинга требует создания специализированного программного обеспечения, учитывающего все аспекты технологии сбора и обработки показателей мониторинга и реализующие специализированные методики анализа данных. Программные средства КБ «Панорама» с успехом применяются в различных автоматизированных системах и обеспечивают качественное решение задач по обработке и анализу данных мониторинга.

Реализация ИАС ГГД мониторинга выполнена, в основном, на аппаратных и программных компонентах отечественных компаний. Имеющийся опыт и наработки участников проекта могут быть использованы для построения локальных и глобальных систем мониторинга окружающей среды.