Введение
Актуальность темы. Построение карт было и остается одним из основных инструментов при решении многих геологических задач. С развитием вычислительной техники эта работа была автоматизирована одной из первых. К настоящему времени существует множество программных продуктов, специализирующихся как на построении карт, так и включающих в себя картопострое-ние одним из модулей. При этом используется большое количество различных методов, отличающихся подходами, вычислительной эффективностью, управляющими параметрами и адаптированно-стью к решению вопросов геологического картирования.
В основном, роль вычислительных средств сводится к аппроксимации данных, а проблема структурирования информации об общей геологической задаче, технологии ее решения, месте конкретной карты в этой технологии, методах и параметрах ее построения и хранения возлагается на пользователя.
При решении единичных задач эти особенности компьютерной автоматизации не очень обременительны. Но в случае необходимости постоянного ведения задач, связанных с большим объемом картопостроения или с периодическим перестроением карт, например, при появлении новой информации, проблемы организации и хранения технологической информации становятся значительными.
Данные проблемы характерны для широкого круга геоло-
Введение 7
гических задач, например:
- при оценке и последующей переоценке ресурсов полезных ископаемых, требующих построения большого числа взаимосвязанных карт;
- при выполнении структурных построений по нескольким горизонтам;
- при выполнении работ с многовариантной картографической обработкой большого объема разнотипных и недостаточно точных данных, в частности, при анализе качества гидрохимической информации.
Таким образом, задачи создания и совершенствования программных продуктов, позволяющих пользователю не только строить карты, но и настраивать, хранить и корректировать ее взаимосвязи с другими объектами технологической цепочки в настоящее время являются актуальными.
Цель работы - разработка программных средств и подходов, обеспечивающих автоматизацию решений геологических задач, связанных с картопостроением, технология которых определяется пользователем в зависимости от целей задач, имеющихся данных, а также его представлений о модельных свойствах изучаемых объектов, приемлемости используемых методов и оптимальности последовательности действий.
Задачи исследований:
- обосновать выбор методов компьютерного картопостроения, в максимальной мере обеспечивающих реализацию модельных представлений о закономерностях пространственного изменения параметров геологических объектов и их взаимосвязей.
- осуществить разработку дополнительных и совершенствование имеющихся алгоритмов автоматизированного построения карт с учетом особенностей геологических задач, решение которых недо-
Введение 8
статочно эффективно или трудно выполнимо существующими средствами.
- определить основные геоинформационные элементы технологии решения комплексных геологических задач, связанных с карто-построением, разработать методы интерфейсного обеспечения их определения, создания и хранения и, на этой основе, автоматизировать получение конечных результатов при изменении исходных данных, отдельных технологических составляющих или их взаимосвязей.
Научная новизна и личный вклад автора. В работе впервые осуществлено обобщение математической постановки вариационной задачи картопостроения на основе аппроксимации бикубическими сплайнами. Разработаны новые методы, обеспечивающие необходимую детальность и точность построения карт при существенной неоднородности размещения фактических данных и ограниченности ресурсов вычислительной техники. Впервые решена задача моделирования поверхностей с разрывными нарушениями с использованием сплайнов на регулярных прямоугольных сетках, на основе их разномасштабной композиции в окрестности разломов. Предложены новые элементы решения задачи численного интегрирования функций двух переменных, аппроксимированных бикубическими сплайнами. Новизна работы заключается также в реализации специализированного геоинформационного объекта - иерархии технологических элементов, систематизации и формализации параметров их характеризующих, методов построения этих элементов и их взаимосвязей, что обеспечило, с одной стороны, создание удобного для пользователей интерфейсного обеспечения и, с другой, относительную простоту разработки программных средств и наращивание их функциональных возможностей. Автор принимал непосредственное участие в постановке за-
Введение 9
дач, разработке методов их решения и последующей программной реализации.
Защищаемые положения:
1. Метод обобщенной сплайн-аппроксимации, в наибольшей мере обеспечивает реализацию модельных представлений о закономерностях пространственного изменения параметров геологических объектов, что обусловлено возможностью учета косвенной информации по множеству показателей и использованием хорошо изученного аппарата уравнений математической физики.
2. Реализация в программном комплексе GST (Medium) обобщенной постановки вариационной задачи картопостроения - общего вида локальных и глобальных уравнений, с детализацией возможных типов входящих в них параметров, обеспечивает эффективное решение широкого класса геологических задач.
3. Методы композиционного построения детальных карт геологических параметров, согласованных по коэффициентам аппроксимирующего сплайна в смежных зонах, обеспечивают эффективное решение задач в условиях неоднородности размещения фактических данных и ограниченности ресурсов вычислительной техники, с контролем точности конечных результатов на промежуточных этапах вычислений.
4. Принципы интерфейсного обеспечения, заключающиеся в формализации основных объектов - таблицы, покрытия, грида, папки и их иерархии, разработка для них соответствующих методов построения и визуализации, обеспечивают возможность создания эффективных программных средств по автоматизации решения геологических задач, связанных с картопостроением.
Практическая значимость работы определяется повышением эффективности решения комплексных геологических задач, связанные с картопостроением, что обусловлено следующими осо-
^, Введение 10
бенностями разработанного программного продукта:
- Возможностью конструирования технологических цепочек для широкого круга реальных геологических задач.
- Архивизацией технологии решения геологических задач, обеспечивающей полное сохранение информации о методах и параметрах выполняемых построений.
- Автоматизацией пересчета конечного результата (и, при необходимости, всех промежуточных этапов) при внесении изменений в исходные данные.
- Сохранением технологии решения в виде «шаблона», доступного для использования в аналогичных задачах.
- Общностью математической постановки вариационной задачи картопостроения, что обеспечивает возможность вычислительной и интерфейсной реализации широкого спектра представлений о закономерностях изменения картируемых параметров и их связей с другими свойствами изучаемых геологических объектов.
- Единством методической основы решения задач построения карт, в том числе для моделирования поверхностей с дизъюнктивными нарушениями и для выполнения композиционных построений разномасштабных карт и карт, имеющих смежные области.
- Наличием встроенных специальных средств для решения конкретных задач, например, подсчета запасов углеводородов в залежах.
Реализация работы. Представленные в работе алгоритмы и подходы являются составной частью программного комплекса GST (Medium), который используется во многих геологических и нефтяных организациях и компаниях Тюменской области, а также других регионов России. С его помощью проведена оценка запасов Иусского , Котыльинского, Западно-Талинского, Восточно-Каменного, Южно-Хангакуртского, Сергинского, Западно-Ягано-
Введение 11
куртского и других месторождений нефти и газа. Выполняются построения региональных структурных карт. Комплекс активно использовался в решении задач оценки потенциальных ресурсов нефти и газа в неокомских отложениях Среднего Приобья (2004г.), а также при оценке гидроминеральных ресурсов апт-сеноманских и неокомских отложений на территории ХМАО (2002 г.). Разработанные методы и программные средства использованы в учебных курсах «Геологическое картирование», «Моделирование поисково-разведочного процесса» и «Подсчет запасов нефти и газа на ЭВМ» обучения студентов специальности «Геология нефти и газа» ТюмГНГУ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IV и V научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ЗапСибНИГНИ (Тюмень, 1979, 1981), II и VI конференциях ВМО «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Западно-Сибирской плиты и ее складчатого обрамления» (Тюмень, 1980, 1987), на всесоюзном совещании «Гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых» (Томск, 1986), на сибирской конференции «Методы сплайн-функций» (Новосибирск, 2001), на Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазонос-ность Западно-Сибирского мегабассейна» (Тюмень 2000г.), на научно-практических конференциях «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003 и 2004 гг.), «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (Ханты-Мансийск, 2001 и 2003 гг.), на международной конференции по вычислительной математике МКВМ - 2004 (Новосибирск, 2004 г.).
Фактический материал, методы исследования. Основным материалом исследования в работе являются методы компьютерного картопостроения и существующие программные средства, их реализующие. Вместе с тем, в исследованиях использовались дан-
Введение 12
ные, характеризующие как на региональном, так и на локальном уровне широкий спектр свойств геологических объектов Западно-Сибирского бассейна, в частности геометрию пластов, физико-химические свойства отложений, состав насыщающих флюидов, геотемпературный режим недр. Объем обрабатываемой информации по некоторым видам данных, например, сейсмических, достигал нескольких сотен тысяч определений.
Для моделирования свойств картируемых геологических параметров активно применялись методы аппроксимации сплайнами. В исследованиях использовались методы численных экспериментов для оценки вычислительной эффективности и достоверности существующих и разработанных в работе подходов к задаче картопостроения. Обоснование выбора методов компьютерного картопостроения и их совершенствование осуществлено на основе анализа и обобщения особенностей постановки геологических задач и математических методов их решения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы -180 страниц, рисунков - 28, список литературы - 93 наименования.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору г.м. наук А.Р. Курчикову за постоянную поддержку и внимание к работе.
За большое содействие на разных этапах исследований автор искренне признателен своим коллегам М.В. Андреевой, Н.Ю. Галкиной, М.В. Ицкович,, A.B. Коростелеву СВ. Кудрявому, Т.П. Митрохиной, Г.С. Панченко, Л.Д. Полужниковой, М.А. Понома-ревой,В.А. Саитову, A.B. Степанову, СВ. Степанову и М.Б. Теп-ляковой. Особую признательность автор выражает Б.П. Ставиц-кому за многолетнее сотрудничество, помощь и поддержку в под-
Введение 13
готовке работы.
Автор искренне благодарен В.А. Волкову, М.А. Волкову, В.Н. Гончаровой, В.Ф. Гришкевичу, В.Е. Касаткину, В.Л. Мирошниченко, Г.И. Плавнику, С.А. Предеину, В.И. Пяткову, A.A. Сидорову, А.Н. Сидорову, И.В. Сидоровой, СВ. Торопову, Н.И. Хоро-шеву, М.С. Шутову и В.М. Яковлеву за плодотворное обсуждение проблемных вопросов и методов их решения.
Важную роль сыграли критические замечания, высказанные при обсуждении работы на разных этапах ее выполнения А.Э.Конторовичем, И.И.Нестеровым и В.И. Шпильманом.
Глава 1
Современные средства компьютерного картопостроения
Построение карт, отражающих свойства геологических объектов - это сложный и многоплановый процесс, состоящий из этапов сбора данных, анализа их достоверности, построения промежуточных карт для отдельных свойств, систематизации и осмысления большого числа разнородной информации, сведения всех необходимых данных на одну карту или серию карт, картографическое оформление результатов.
В настоящее время этот процесс в значительной степени автоматизирован. Компьютерные базы данных, в том числе и графические, позволяют быстро выбирать необходимую информацию и отображать ее в удобном для пользователя виде. Модули картопостроения эффективно обрабатывают большие объемы информации но отдельным точкам и строят карты в изолиниях. Имеются мощные средства для выдачи конечного продукта высокого полиграфического качества.
Созданы и широко используются геологами достаточно универсальные программы картопостроения и картографии. В тоже время разработаны программы решающие комплексные задачи специальных классов, в которые картопостроение входит со-
14
Глава 1. Современные средства компьютерного картопостроения 15
ставным элементом. Это геоинформационные системы (ГИС) и программные комплексы по моделированию пластовых резервуаров. Имеющиеся программные продукты различаются по очень широкому спектру параметров - ценой, основным направлением решаемых задач, арсеналом интерфейсного обеспечения, наукоем-костью используемых методов, рамками их применимости, адап-тированностью к российским стандартам и по многим другим по-казателям.
Исходя из целей настоящей работы, излагаемый ниже обзор современных средств компьютерного картопостроения ведется с позиции анализа подходов к созданию комплексных программ, их применимости для решения широкого круга геологических задач, вычислительной эффективности используемых алгоритмов, предоставляемых средств создания моделей, адекватных представлению пользователя о физической природе объекта, возможности и удобства управления технологией решения.
1.1 Алгоритмы картопостроения
В данной работе под термином картопостроение понимается задача восстановления полей параметров. Методы оформления карт, в том числе и выдача их на электронные и твердые носители представляют собой другой тип задач - картографических.
В основе любого картирования лежит задача выявления пространственных закономерностей изменения параметров изучаемых объектов. Фактически при экспертном построении карт неявным образом учитывается большой объем дополнительной информации и субъективные модельные представления о поведении картируемого параметра.
Принципиальная ограниченность количества точек наблю-
Л
Глава 1. Современные средства компьютерного картопостроения 16
дения, в которых определены экспериментальные значения картируемого параметра, обусловливает отсутствие однозначного, строгого и формализуемого решения задачи восстановления поля значений параметра. Этим обстоятельством определено наличие (и использование) большого числа алгоритмов решения задачи картопостроения.
Возможны различные подходы к классификации существующих методов картопостроения. С позиции соответствия наблюденных значений модельным величинам существующие методы решения задачи картопостроения можно разделить на два класса -интерполяционные и аппроксимационные. Интерполяционные алгоритмы обеспечивают теоретически точное восстановление картируемого параметра в точках наблюдения. Аппроксимационные методы (иногда они называются сглаживающими) изначально допускают наличие некоторой погрешности в экспериментальных данных.
Каждый из существующих методов с точки зрения вычислительных затрат имеет определенные преимущества и недостатки. Как правило, производительность интерполяционных методов существенно зависит от количества данных, аппроксимационных - от размеров картируемого участка и масштаба карты. В случае большого объема данных и их равномерного распределения в пределах области построения, результаты использования различных методов фактически идентичны.
Рассмотрим более подробно основные методы, использующиеся в современных средствах картопостроения. Дальнейшее изложение ведется на основе обзора, выполненного в [87].
Глава 1. Современные средства компьютерного картопостроения
17
Рис. 1.1. Диаграмма Вороного
1.1.1 Интерполяционные методы
При построении карт вполне естественно предположение о наличии закономерности, непрерывности в изменчивости параметра, когда близко расположенные точки в определенной степени взаимосвязаны между собой. Поэтому закономерно то, что все алгоритмы построения карт в той ли иной мере базируются на использовании показателя удаленности (близости) точек наблюдения от точек, в которых производятся вычисления значений восстанавливаемой поверхности.
Метод ближайшего соседа
В математическом отношении привлекательно выглядит подход, предложенный в начале прошлого века Г.Ф. Вороным, с разделением пространства на выпуклые многоугольники (диаграмма Вороного), каждый из которых содержит только одну точку наблюдения и все другие точки внутри ячейки расположены ближе к этой точке наблюдений, чем к любой другой, лежащей вне этого многоугольника (рис. 1.1).
В простейшем варианте измеренные величины в точках наблюдения распространяются на всю ячейку в целом. Это так назы- |
