ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Обоснование темы и ее актуальность

2. Обзор состояния исследований по теме

3. Перечень нерешенных вопросов, цель и задачи исследования

4. Научная новизна работы

5. Практическая ценность работы

6. Основные материалы исследований и их результаты

7. Выводы по работе

8. Перспективы исследований

9. Литература

1. Обоснование темы и ее актуальность

    Донбасс является одним из наиболее старых крупных горнопромышленных районов в мире. История развития его превышает 200 лет. Здесь на площади до 15 тыс. км ² по мере увеличения глубины ведения горных работ (до 900-1300 м) и снижения уровня подземных вод под влиянием шахтного водоотлива нарастало региональное нарушение равновесия в системе "минеральный скелет горных пород - подземные воды" [1].
    Проблемы устойчивости и экологической безопасности геологической среды горнопромышленных районов Донбасса в условиях непрерывного роста комплексного влияния техногенных факторов находятся в центре внимания органов исполнительной власти, природоохранных ведомств и общественных и организаций. Негативным фактором, влияющим на состояние окружающей природной среды в результате закрытия шахт, по мнению специалистов, считается оживление тектонических разломов, участков мульдообразного проседания над горными выработками. Был сделан вывод, что техногенных подвижек земной поверхности в процессе оживления участков тектонических разломов и геодинамических зон, мульдообразных проседаний в результате затопления может оказаться достаточно для разрушения промышленных и гражданских сооружений.
    Изменение геологической среды при закрытии шахт в общем плане реализуется под влиянием двух групп процессов: обратимых и необратимых относительно первоначальных параметров верхней зоны литосферы.
    К необратимым процессам относятся:
    -  просадки дневной поверхности и подвижки породного массива в зонах прямого влияния горных работ;
    -  снижение механической прочности пород в зонах обрушения, проседания, подвижек и развития техногенной тектонической трещиноватости, а также вследствие влияния водонасыщения, выщелачивания водорастворимых минералов и др.;
    -  pразрушение региональных водоупоров, активизация миграции минерализованных вод глубоких горизонтов в поверхностные водные объекты, а также изменение структуры потоков взрывоопасных газов;
    -  развитие гидрогеомеханических напряжений и ударов вследствие затопления горных выработок и объемного распределения гидростатических давлений, результатом которых могут быть локальные землетрясения (гидрогеомеханические удары с разрушением межшахтных целиков, изолирующих перемычек, деформацией дневной поверхности и наземных сооружений) [2];
    При разработке шахт нарушаются слои залегания подземных вод что позволяет им с больших глубин подниматься на поверхность. Когда шахта работает, воду из нее постоянно откачивают в карьер. Если же шахта перестает работать, вода затапливает шахту и выходит на поверхность, затапливая огромные территории. Но это не та вода, которую берем из колодцев. Обогащенные кислородом подземные воды становятся "агрессивными" и разрушают минералы на больших глубинах, вследствие чего токсические тяжелые металлы активно входят в воду. И если такая вода выходит из шахты последствия могут быть самые тяжелые.
    Последствия затопления шахт - это региональное подтопление целых городов. В основном такая ситуация наблюдается в зоне закрытия шахт. Что это означает? Разрушение домов, подтопление важных объектов и целых заводов, - убытки огромные! Кроме того, экологические последствия. Вода, которая прошла через шахту, имеет очень высокую концентрацию соли - 30 г на литр и больше. Таким образом, мы полностью меняем биогеоценоз прирусловых заводей речек, меняем растительный покров - он просто исчезает, и мы около шахт практически имеем пустыню, где ничего не растет.
     Повышенный интерес к данной проблеме вызван ускоренным развитием современных природно-техногенных процессов, повлиявших на состояние окружающей человека природной среды вследствие массового закрытия шахт. Большинство отрицательных экологических явлений на ликвидируемых предприятиях проявляют себя не сразу, а спустя месяцы и годы после прекращения работы на них. Поэтому важно заранее предусмотреть их возможность, с тем чтобы в проектах ликвидации принять меры по нормализации экологической обстановки и включить в сметы соответствующие затраты. Однако на многих предприятиях возникают непредсказуемые явления, требующие дополнительных научно-исследовательских и проектных проработок и, соответственно, затрат. Поэтому научное изучение экологических проблем с самого начала реформирования отрасли и по настоящее время являются важнейшей задачей научно-технического обеспечения реструктуризации угольной промышленности [3].
     Ликвидация угольных шахт, которая осуществляется без учета прогнозных оценок экологических последствий в условиях недостаточного финансирования мероприятий, направленных на обеспечение экологической безопасности, по остаточному принципу, приводит к существенному осложнению экологической ситуации в угледобывающих регионах.

в начало

2. Обзор состояния исследований по теме

    В разное время работы по моделированию горно-геологческих процессов выполнялись на различном технологическом и методологическом уровне, отражающем научно-технический уровень общества. Что, в свою очередь, отражалось на качестве и эффективности прогнозных моделей.
    В Донецком государственном техническом университете (ДонГТУ) и Украинском государственном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ) исследования процессов сдвижения горных пород и земной поверхности проводятся уже несколько десятков лет. Накоплен богатый материал наблюдений процессов сдвижения на десятках наблюдательных станций практических для всех условий залегания пластов и горно-технологических ситуаций ведения очистных работ, разработаны эффективные схемы расчета и прогноза сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности [4].
    Первые научные публикации о относятся к 1997 году. Статьи, посвященные экологическим проблемам реструктуризации угольной промышленности публикуются в журналах с экологической направленностью, а также в журналах, посвященных угольной промышленности, таких как "Уголь Украины", "Уголь" (Россия)[2]. Следует отметить, что по мере накопления информации, количество статей увеличивалось. Так, в журнале "Уголь Украины" первые статьи, посвященные экологическим проблемам, связанным с реструктуризацией угольной промышленности, появились в 1997 г. Начиная с 2000 года, в изданиях появилось множество статей, посвященных данной тематике, в которых освещались различные проблемы. В их числе: статьи, посвященные разработке конкретных методик по определению сроков затопления породного массива, размеров зон подтопления, изменению химического состава шахтных вод, определению масштабов подвижек горного массива, обусловленных затоплением выработанного пространства, исследованиям проблем изменения сейсмичности территорий при закрытии шахт, разработке сети скважин за наблюдением изменения гидродинамического и гидрохимического режимов подземных вод, а также для контроля за динамикой процессов газовыделения.
    В эпоху ГИС прогнозные модели стали существенно прибавлять в подобии процессам, происходящим в объекте-оригинале - верхней зоне литосферы области ведения горных работ. Говоря о состоянии ГИС-модлирования в геологии в Украине, нужно отметить, что использование ГИС-технологий обеспечивает переход на качественно новый уровень решения геолого-маркшейдерских задач и управления процессами добычи угля. Для обеспечения решения данной задачи в Министерстве угольной промышленности Украины подготовлен отраслевой документ "Концепция развития ГИС и программа поэтапного внедрения ее на предприятиях и в организациях" и издан приказ №621 от 27.12.99, определяющий ряд мер, направленных на реализацию данной концепции[5].
     Еще десять лет назад все распространенные ГИС были двухмерными, но с ростом производительности вычислительных средств сначала стали появляться 2,5-мерные, а потом и «по-настоящему» трехмерные ГИС (2,5-мерность означает, что любой трехмерный объект корректно моделируется в плане (оси X, Y), а по высоте задается только одно значение Z, которое не может изменяться в пределах объекта)[6].
    С появлением "трехмерных" ГИС геоинформационные исследования в области прогнозирования, в том числе геологической среды, приобрели новый методологический инструмент. Позволяя использовать в полной мере потенциал исходной геокодированной информации, реализуя на сегодняшний день максимально возможный уровень ее представления для человека. Располагая такой технологией, ГИС обеспечивают комплексное и наглядное представление любой пространственно определенной информации с ее территориальной привязкой, позволяют отобразить динамику процессов и явлений, а также смоделировать их, что повышает уровень восприятия, обработки и анализа информации при подготовке материалов для принятия управленческих решений.
    Первые публикации, которые посвящены трехмерному моделированию в ГИС, начали появляться сравнительно недавно - 4-5 лет назад, главным образом в зарубежных источниках, что объясняется лидерством зарубежных производителей ГИС-программного обеспечения. Постепенно адаптировались и в нашей стране, позволив решать аналогичные модельные задачи. С привлечением современных программных средств, задачи моделирования городских территорий для целей городского планирования успешно решаются в наше время. Следует отметить активную работу в этой области ГИС-лабораторий, которые появились при технических вузах в Украине, а также России, отделениях национальных академий наук, предприятий научного коммерческого профиля, предлагающих свои услуги ГИС-технологий. Но при большом количестве публикаций, касающихся трехмерному моделированию городских территорий для целей городского планирования/архитектурных решений/кадастра, совсем (по крайней мне не встречались) отсутствуют публикации о трехмерном моделировании геологической среды для природно-социального прогнозирования (речь идет только о русскоязычных источниках). Этот вывод, как максимум, актуализирует тему работы и как минимум свидетельствует о недостатке наработок в исследуемой предметной области.

в начало

3. Перечень нерешенных вопросов, цель и задачи исследования

в начало

4. Научная новизна работы

    Комплексное исследование окружающей среды в настоящее время эффективно при использовании геоинформационных систем и технологий. В основу исследования заложен анализ природной и социальной среды как совокупности геоинформационных объектов. Такой подход приводит к появлению новой технологии - геоинформационного прогнозирования [8, 9].
    Проблема прогнозирования из-за многочисленности неуправляемых и слабо предсказуемых внешних факторов - наиболее сложная в геоинформатике [7]. Построение цифровых моделей для целей прогноза отличается от построения просто цифровой модели базы данных ГИС, и главное отличие состоит в том, что модель должна строиться не автономно, а в связи с внешней средой, взаимодействующей с ней.
    Модель называется точно идентифицируемой, если все параметры, ее описывающие, могут быть точно определены на основе собранных данных. Цель геоинформационного исследования - получить идентифицируемые модели объекта и прогнозного фона [7]. Научная новизна выполняемой работы заключается в применении трехмерного моделирования для целей прогнозирования геоэкологической среды для наглядного отображения динамики процессов и явлений, что позволит повысить уровень восприятия, обработки и анализа информации при подготовке материалов для принятия управленческих решений. В оценке гипотезы, заключающейся в возможности использования подобного моделирования для создания точно идентифицируемой прогнозной модели изменения окружающей среды.

в начало

5. Практическая ценность работы

    Прежде, чем достигнуты конкретные результаты, достаточно сложно говорить о практической ценности работы. В первую очередь, если поставленные задачи будут решены, исследования станут фундаментальной основой механизма принятия управляющих решений в геоэкологическом прогнозировании рассматриваемого региона, а разработанная методика моделирования станет инновационным методом экспертной оценки. Прогнозные карты, содержащие комплексную геосоциальную информацию, полученные на основе разработанной модели позволят предупредить негативные процессы и явления как в природно-территориальном комплексе, так и в управленческой, информационной, экономической и социальной сферах деятельности населения.
    И хотя муниципальной ГИС для г. Донецка еще нет, но ее появление скоро произойдет, что требуется все возрастающими потребностями городских служб в городском планировании, оценке земли, районировании, управлении и пр. потребностями. Не стоит забывать, что Донецк - агломерация шахтерских районов и угледобывающая отрасль лидирует в его экономической инфраструктуре, что требует четкого механизма управления промышленной городской средой. Интеграция подобных прогнозных моделей для отдельных "проблемных" районов города (а может и для всего в целом) с муниципальной ГИС станет эффективным и качественным инструментом городского планирования.

в начало

6. Основные материалы исследований и их результаты

    В проводимом исследовании материалами для получения ЦМР, ЦМС служат растровые сканированные топографические карты масштаба 1:10000 с сечением рельефа 1м Буденовского и Пролетарского районов г. Донецк и совмещенные планы горных выработок и земной поверхности рассматриваемого района, предоставляемые кафедрой Геоинформатики и геодезии. Оцифровка ведется по изображениям с разрешением 300 dpi в многоцелевом пакете ArcView 3.2. Получены тематические покрытия рассматриваемой территории, включающие:
    покрытие горизонталей, описывающих рельеф поверхности;
    покрытие изолиний отработанных угольных пластов;
    покрытие отметок горных выработок;
    покрытие зданий и сооружений;
    покрытие малоэтажной застройки;
    покрытие улиц;
    покрытие зеленых насаждений;
    покрытие железных дорог;
    покрытие линий электропередачи;
    покрытие шахтных отвалов;
    покрытие разведочных скважин;
    покрытие шахтных стволов.
    Кроме цифровых покрытий, выполняется сбор атрибутивной информации. В первую очередь с топографических карт и планов горных выработок. Эта информация на первом этапе включает количественную характеристику объектов (отметки горизонталей, изогипс, этажность домов), и качественную на втором, для создания функциональной базы данных.
    После сбора информации данные обобщают и применяют для построения моделей. Трехмерное моделирование с целью прогнозирования подразумевает создание трехмерной прогнозной модели, исследование и использование которой позволит получить информацию о возможном состоянии территории закрывающихся шахт в будущем и путях (сроках) осуществления этих состояний с целью разработки рекомендаций для принятия управляющих решений[10]. Полученные наборы данных позволяют реализовать достаточно простую стратегию целевого моделирования исходя из возможностей современных ГИС, заключающуюся в создании трехмерных моделей рельефа поверхности, угольных пластов и ситуации, что как нельзя полнее описывает текущее состояние окружающей среды.
    Возможность получения трехмерных моделей на основе собранных данных достигается при использовании современного ГИС - программного обеспечения. Для моделирования используется ГИС ArcView 3.1 с трехмерным модулем расширения 3D Analyst, включающем функции трехмерного и перспективного отображения, моделирования и анализа поверхностей. Для поддержания данных функций модуль включает в себя возможности создания и работы с триангуляционными нерегулярными сетями (TIN), наиболее подходящими для отображения и моделирования поверхностей. TIN получаем из векторных тем, содержащих покрытия рельефа поверхности и угольных пластов, и атрибутивной информации, включающей значения отметок. На основе TIN для поверхности и отработанных угольных пластов получаем их трехмерные модели с возможностью перспективного отображения и варьирования его параметрами. Подготовленная структурная основа позволяет разместить объекты ситуации, содержащиеся в созданных ранее векторных покрытиях, которые дополняют модель местности и повышают в смысле визуализации ее качество. Стоит, однако, заметить, что альтернативой этому является текстурирование исходным растровыым материалом полученной модели, что входит в функции модуля и также повышает информативность трехмерной модели, а в какой-то степени и позволяет выиграть, снижая затраты ресурсов на ее получение. Тем не менее, на практике оказалось, что растровое наложение на модели выглядит "размытым", что отрицает использование этой возможности. А к тому же наложение растра исключает дополнительную функциональность модели при замене им векторного представления ситуации. Исходя из приведенных соображений, целесообразно формировать на модели ЦМС. Для этого используется совмещение тематические покрытий ситуации с трехмерной моделью рельефа на уровне базовой высоты модели. Кроме того, объемные объекты ситуации, например, здания и сооружения также моделируются трехмерно, но без их деталировки, что не исключается с применением САПР-технологий или фототекстурирования, у чего также есть свои недостатки.
    Процесс создания трехмерной модели включает, таким образом, лишь конструирование геометрии и исключает текстурирование модели, поскольку цель - не фотореалистичное отображение городской территории, а создание прогнозной модели геологических процессов.

в начало

7. Выводы по работе

    В ходе проведения исследований, прежде всего, был выполнен поиск, сбор и анализ информации разного рода. Это информация теоретического характера, касающаяся вопросов прогнозирования в геоинформатике, концепций трехмерного моделирования, проблем территорий закрывающихся шахт. Что позволило создать определенную теоретическую базу исследования. И информация прикладного характера, позволившая разработать экспериментальную модель исследования на ограниченный район, позволившая сделать ряд ценных выводов и определить дальнейшие направления в исследовании.
    Следует сделать такие замечания. Во-первых, для достаточно обширной территории возникает трудность в получении ЦМР, связанные с трудоемкостью самого процесса оцифровывания. Во-вторых, опять же, для значительной территории возникает проблема большого объема данных, что, однако, решаемо с возможностями современной вычислительной техники, но не снимает задачу оптимизации данных и оценки точности моделирования. В-третьих, что касается исходных данных, необходимо обеспечить наличие качественных материалов, особенно материалов по горным выработкам с целью обеспечения корректной интерпретации горно-геологической информации в модели процесса. В-четвертых, если не исследовать вопрос подробнее, необходимо исключить из процесса моделирования текстурирование модели и остановится только на геометрическом моделировании.
     На основе проведенной работы был сделан шаг в достижении разведочной и казуальной (см. выше) цели исследований, определены перспективы и направления исследования.

в начало

8. Перспективы исследований

    В перспективе исследования остаются много нерешенных вопросов, касающихся получению и обработке данных, анализу точности, оптимизации формирования и структурирования источников геокодирования. Важное место в исследовании отводится разработке полнофункциональной базы данных, ее структуры.    Необходимо также оценить возможности подготовки данных фотограмметрическими методами, хотя лучшим возможным методом получения исходных данных для создания трехмерных моделей и 3D ГИС часто является стереофотограмметрия, так как из аэро- и наземных (а в последнее время и некоторых космических с высоким разрешением) стереоснимков могут быть получены и геометрия, и текстуры. Не уделено достаточно внимания моделированию поверхности и трехмерных объектов с помощью сети регулярно расположенных точек. Хотя, использование метода в некоторых работах по вопросам трехмерного моделирования[11], отличия в технологии отображения пространственной информации говорят о возможных преимуществах применения. Поскольку в городах очень часто здания строились по типовым проектам, перспективным можно считать и создание наборов моделей с типовой геометрией (библиотеки типовых моделей), а текстуры к ним брать с фотоснимков, что позволило бы расширить круг решаемых задач.

в начало

9. Литература

1. Ключковская Г. Красная вода. Газета "День", 15 апреля 2003г.

2. Экологические последствия массового закрытия шахт. Бюллетень Союза "За химическую Безопасность", Сообщение UCS-INFO.860, 16 апреля 2002 г. - (http://www.seu.ru/members/ucs/ucs-infо).

3. Результаты научных исследований по предотвращению и ликвидации отрицательных экологических последствий на горных отводах и прилегающих территориях закрываемых нерентабельных шахт и разрезов// Уголь. - 2001. - № 03. - (http://www.rosugol.ru).

4. Кулибаба С.Б. Прогноз сдвижений и деформаций подрабатываемого породного массива // Уголь Украины. - 2000. - №1. - С.41-43.

5. Грищенков Н.Н., Кулибаба С.Б. Разработка геоинформационной системы мониторинга подрабатываемых территории.

6. Иванов В. Три измерения в ГИС//Компьютерра №46 (423).

7. Цветков В.Я., Лещиков Ф.Н. Геоинформационные исследования при разработке прогнозов//Геодезия и картография. - 2001. - №2. - С. 42-44.

8. Цветков В. Я. Методы прогнозирования в геоинформационных технологиях//Информатика-машиностроение.- 1999.- № 4.-С. 44-47.

9. Цветков В. Я. Особенности гсоинформационного прогнозирования//Изд. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка.-1999.- №6.-С. 102-105.

10. Козаченко А.П., Камеристова О.Р. Геоинформационные системы мониторинга земель//Геодезия и картография. - 2000. - №5. - С. 39-43.

11. Гречищев А., Бараниченко В., Монастырев С., Шпильман А. Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий//ArcReview. - 2002. - №7. - С. 12-13.

в начало