Содержание

• Введение
• АКТУАЛЬНОСТЬ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ГОРНОГО ДЕЛА
• 1.1 Роль компьютерного моделирования в решении прикладных и научных задач
• 1.2 Понятие компьютерного моделирования
• 1.3 Компьютерное моделирование в горной промышленности
• ПОНЯТИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
• 2.1 Основная характеристика ГИС
• 2.2 Методы и технологии моделирования в ГИС
• ПРИВЯЗКА КОСМИЧЕСКОГО СНИМКА В QGIS
• Выводы
• Список источников

Введение

Техногенное вмешательство человека при освоении и эксплуатации земных недр нарушает равновесие окружающей среды, как правило, крайне неблагоприятным образом. Проблемы безопасного проведения работ по освоению подземного пространства и возведения в нем сооружений диктуют необходимость проведения разнообразных фундаментальных и прикладных исследований. Количество и острота проблем, порождаемых техногенным вмешательством, как с точки зрения безопасности при создании и эксплуатации подземных сооружений, так и с точки зрения экологии природной среды, существенно опережает накопление опыта решения или хотя бы их нейтрализации непосредственной практикой горного дела. Статистика катастрофических явлений в горном деле настоятельно требует развития представлений о поведении массива при техногенном воздействии и тщательного выбора подходов для адекватного описания поведения массива горных пород.

С развитием вычислительной техники все важнее становится роль компьютерного моделирования в решении прикладных и научных задач. Для проведения компьютерных экспериментов создается подходящая математическая модель и подбираются соответствующие средства разработки программного обеспечения. Выбор языка программирования оказывает огромное влияние на осуществление полученной модели.

АКТУАЛЬНОСТЬ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ГОРНОГО ДЕЛА

1.1. Роль компьютерного моделирования в решении прикладных и научных задач

Традиционно под моделированием на ЭВМ понималось лишь имитационное моделирование (ИМ). Можно, однако, увидеть, что и при других видах моделирования компьютер может быть крайне полезен, за исключением разве физического моделирования, где компьютер вообще-то тоже может использоваться, но, скорее, для целей управления процессом моделирования. Например, при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов - построение математических моделей по экспериментальным данным - в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы, благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов, широкое развитие приобрело компьютерное, структурно-функциональное моделирование. Положено начало использованию компьютера даже при концептуальном моделировании, где он используется, например, при построении систем искусственного интеллекта.

Таким образом, мы видим, что понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении, учитывающем сегодняшние реалии.

1.2. Понятие компьютерного моделирования

Моделирование – процесс построения и использования модели. Под моделью понимают такой материальный или абстрактный объект, который в процессе изучения заменяет объект-оригинал, сохраняя его свойства, важные для данного исследования.

Компьютерное моделирование как метод познания основано на математическом моделировании. Математическая модель (ММ)– это система математических соотношений (формул, уравнений, неравенств и знаковых логических выражений) отображающих существенные свойства изучаемого объекта или явления.

Компьютерное моделирование (КМ) является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий, или могут дать непредсказуемый результат. Логичность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала ( или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

Основная задача любой модели, в том числе компьютерной—это получить данные об объекте исследования, используя определенные теоретические выкладки и компьютерные расчеты, не проводя при этом дорогостоящие эксперименты. Хотя полученная модель может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель – точную копию оригинала – бывает абсолютно нереальной задачей[1].

1.3. Компьютерное моделирование в горной промышленности

Задачей компьютерного моделирования геомеханических процессов и явлений является получение качественных и количественных оценок изучаемого явления в натурных условиях при его замене физической моделью, переходе в описании к математической модели и реализации последней компьютерными методами.

Решение задач геомеханики в компьютерной реализации состоит из четырех этапов и представляет собой:
- физическую постановку, включающую в себя формулировку типа задач из геометрических соображений; выбора физической модели с указанием сил, действующих в массиве;
- описания структурно-механических особенностей массива и приведение необходимых количественных оценок механических свойств горных пород;
- математическую постановку задачи и запись полной (замкнутой) системы уравнений в соответствии с заранее определенными физическими уравнениями, описывающими поведение среды;
- компьютерную реализацию математической системы уравнений с помощью собственных программных продуктов или использовании имеющихся, позволяющих решить математическую систему уравнений с варьированием различных параметров;
- проверку и анализ результатов, выводы на основании полученных решений.

Применение компьютерных методов в геомеханике позволяет адаптировать и дать распространение методам математического моделирования для изучения сложных геомеханических процессов. Несомненным преимуществом компьютерного моделирования является возможность учёта и варьирования множества параметров, участвующих в математической постановке. Безусловно, необходимо осознавать рамки эффективного использования тех или иных решений при моделировании реальных процессов. Использование компьютерных методов эффективно и оправдано в случае изучения механических процессов, моделирование которых очень трудоемко или практически невозможно провести с помощью других подходов в соответствии с построенной моделью.

ПОНЯТИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

2.1. Основная характеристика ГИС

Современные геоинформационные системы (ГИС) представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой – обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы. На основе анализа целей и задач различных ГИС, функционирующих в настоящее время, более точным следует считать определение ГИС как геоинформационных систем, а не как географических информационных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто географических данных в таких системах незначителен, технологии обработки данных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии. Итак, ГИС – автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. В ГИС осуществляется комплексная обработка информации – от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций. Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные. В отличие от автоматизированных систем управления (АСУ) в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.[2]

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных справочно-информационных систем и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой – существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС. Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы, системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы(АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п. Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС. Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах. Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании невстречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой форме. Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации. Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте применения, так как используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование. Как системы массового пользования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС-технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные. Как уже говорилось, в ГИС используются технологические достижения и решения, применимые в таких автоматизированных системах как АСНИ, САПР, АСИС, экспертных системах. Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но с другой стороны, процессы моделирования в ГИС и в какой-либо из вышеприведенных АС весьма близки. АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотрена как подмножество этой системы. На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, и т.д. На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально-экономических данных (как и в АСУ) технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видео баз данных, а также комплексный подход к принятию решений. На уровне представления ГИС дополняет технологии АСУ применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государственной власти и т.д. Таким образом, в ГИС принципиально решаются все задачи, выполняемые прежде в АСУ, но на более высоком уровне интеграции и объединения данных. Следовательно, ГИС можно рассматривать как новый современный вариант автоматизированных систем управления, использующих большее число данных и большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь использующих методы пространственного анализа (см. рис. 1)[2].

2.2. Методы и технологии моделирования в ГИС

В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования:
1. Семантическое – на уровне сбора информации;
2. Инвариантное – основа представления карт, за счёт использования специальных библиотек, например, библиотек условных знаков и библиотек графических элементов;
3. Эвристическое – общение пользователя с ЭВМ на основе сценария, учитывающего технологические особенности программного обеспечения и особенности обработки данной категории объектов (занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции);
4. Информационное - создание и преобразование разных форм информации в вид, задаваемый пользователем (является основным в подсистемах документационного обеспечения).

При моделировании в ГИС можно выделить следующие программно-технологические блоки:
1. Операции преобразования форматов и представления данных. Имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. Преобразование форматов осуществляется с помощью специальных программ-конверторов (AutoVEC, WinGIS, ArcPress).
2. Проекционные преобразования. Осуществляют переход от одной картографической проекции к другой или от пространственной системы к картографической проекции. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространённые в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и её параметрах получить довольно сложно. Это определяет преимущество отечественных разработок ГИС, содержащих наборы нужных проекционных преобразований. С другой стороны, широко распространённые в России разнообразные методы работы с пространственными данными нуждаются в анализе и классификации.
3. Геометрический анализ. Для векторных моделей ГИС-это операции определения расстояний, длин ломаных линий, поиска точек пересечения линий; для растровых – операции идентификации зон, расчёта площадей и периметра зон.
4. Оверлейные операции: наложение разноимённых слоёв с генерацией производных объектов и наследованием их атрибутов.
5. Функционально-моделирующие операции:
• расчёт и построение буферных зон (применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озёр, при определении зон загрязнения вдоль дорог);
• анализ сетей (позволяют решать оптимизационные задачи на сетях – поиск путей, аллокация, районирование);
• генерализация (предназначены для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленностью);
• цифровое моделирование рельефа (заключается в построении модели базы данных, наилучшим образом отображающей рельеф исследуемой местности)[4].

2.3. Базовые компоненты ГИС

Любая ГИС включает в себя следующие компоненты:
1. Аппаратная платформа (hardware);
2. Программное обеспечение (software);
3. Данные (data);
4. Персонал.

Аппаратная платформа в свою очередь состоит из следующих частей:
1. Компьютеры (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК),
2. Средства хранения данных (винчестеры, компакт-диски, дискеты, флэш-память),
3. Устройства ввода информации (дигитайзеры, сканеры, цифровые камеры и фотоаппараты, клавиатуры, компьютерные мыши),
4. Устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи).

«Сердцем» любой ГИС являются используемые для анализа данные. Устройства ввода позволяют конвертировать существующую географическую информацию в тот формат, который используется в данной ГИС. Географическая информация включает в себя бумажные карты, материалы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, адреса, координаты объектов, собранные при помощи систем глобального позиционирования GPS (Global Position System), космических спутников или цифровой географической информации, хранимой в других форматах.

Если говорить о программном обеспечении ГИС, то следует отметить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, такими как, послойное картографирование, маркирование, кодирование геоинформации, нахождение объектов в заданной области, определение разных величин, но очень сильно различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач, решаемых пользователем.

Программный продукт ARC/INFO – это одна из первых профессиональных ГИС, ориентированная на работу с пространственной информацией, хранимой в базе данных. В результате её внедрения произошел настоящий переворот в цифровой картографии и в способах работы с пространственной информацией. ARC/INFO состоит из базового комплекта программ и дополнительных модулей, которые могут приобретаться отдельно в дополнение к базовому комплекту. Базовый комплект программного обеспечения представляет собой полнофункциональную ГИС для работы в различных прикладных областях. Он поддерживает весь цикл работ по созданию и использованию ГИС от ввода данных и их редактирования до организации информационных запросов анализа пространственной информации и подготовки чистовой картографической продукции в виде твердых копий.[5]

ARCVIEW GIS - система, которая предназначена для отображения, редактирования, пространственного анализа, поиска и управления геопространственными данными. Это программное средство, как и ARCINFO, разработано фирмой ESRI.

Одна из привлекательных особенностей ARCVIEW GIS – включение в пакет программ подсказчиков (Мастеров). Эти подсказчики облегчают использование множества новых инструментов и полезны как для новичков, так и опытных пользователей. Добавлены инструменты для создания координатных сеток и рамок карты (управление интервалами, типами линий, типом рамок).

Средства геообработки и анализа ARCVIEW позволяют проводить такие сложные пространственные операции с географическими данными как создание буферных зон вокруг картографических объектов, вырезка, слияние, пересечение, объединение тем и присвоение данных по местоположению.

К другим усовершенствованиям относятся расширение диапазона поддерживаемых дат промежутке от 5 млн. 800 тыс. лет до нашей эры до 5 млн. 800 тыс. лет нашей эры, что иногда требуется для геологических, археологических и т.п. приложений), возможность оцифровки карт на дигитайзере в потоковом режиме.

AutoCAD Map 2000 – высокоточное программное обеспечение для создания цифровых карт и осуществления геоинформационного анализа, включающее все функциональные возможности базового продукта AutoCAD. Содержит все необходимые средства и эффективные функции для изготовления картографической основы и обработки географической информации.

Поддерживает любые графические форматы, осуществляет экспорт данных во все популярные программы обработки географической информации. Обеспечивает мгновенное получение дополнительных данных для геоинформационного проекта через сеть.

AutoCAD Map 2000 предоставляет разработчикам более 2 тысяч глобальных координатных систем (более 100 из них новые). AutoCAD Map 2000 дает наилучшие инструменты для быстрого и точного скалывания карт с бумажных носителей. Скалывание карт значительно ускоряет перевод бумажных карт в цифровую форму. Программное обеспечение включает мощные средства для формирования запросов, изменения свойств, пространственного анализа и отличное управление выводом на печать.

Комплекс CREDO предназначен для обработки материалов изысканий, проектирования объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, разведки, добычи и транспортировки нефти и газа, создания и ведения крупномасштабных цифровых планов городов и промышленных предприятий, подготовки данных для землеустройства, решения многих других инженерных задач.[6]

На сегодняшний день основными программными продуктами компании MapInfo являются:
1. MapInfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система;
2. MapBasic – среда программирования для MapInfo Professional;
3. MapInfo SpatialWare – технология управления пространственной информацией в БД SQL Server/Informix;
4. MapInfo MapX – библиотека разработчика приложений;
5. MapXtreme – программное обеспечение для разработки картографических приложений для Intranet или Internet.

В дополнение к традиционным для СУБД функциям, ГИС MapInfo Professional позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Встроенный язык запросов SQL, благодаря географическому расширению, позволяет организовывать выборки с учетом пространственных отношений объектов, таких как удаленность, вложенность, перекрытия, пересечения, площади объектов и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.

Для наглядного представления и картографического анализа пространственных данных в ГИС MapInfo используется тематическое картографирование. MapInfo предлагает следующие методы построения тематических карт: диапазоны значений, столбчатые и круговые диаграммы, градуированные символы, плотность точек, отдельные значения, непрерывная поверхность. Сочетание тематических слоев и методов буферизации, районирования, слияния и разбиения объектов, пространственной и атрибутивной классификации позволяет создавать синтетические многокомпонентные карты с иерархической структурой.

ГИС MapInfo открывает большие возможности для разработчиков геоинформационного программного обеспечения. Использование современных методов взаимодействия между Windows приложениями позволяет интегрировать окно Карты MapInfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++, PowerBuilder и др. Совместное использование MapInfo и среды разработки MapBasic дает возможность каждому создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.[7]

QGIS Desktop – это кроссплатформенная геоинформационная система, предназначенная для пространственного анализа и создания карт.

Распространяется свободно под лицензией GNU GPL 2. Графический интерфейс приложения включает в себя множество инструментов для исследования пространственных данных. QGIS позволяет преобразовывать данные и экспортировать их в различных форматах.

Одним из популярных векторных форматов географических данных является так называемый «шейп-файл» (Shapefile). Данный формат позволяет хранить различные векторные объекты (точки, полигоны, и т.д.), однако отдельный файл может содержать объекты только одного заданного типа. Каждая запись может иметь несколько атрибутов для описания.

ПРИВЯЗКА КОСМИЧЕСКОГО СНИМКА В QGIS

Первое что необходимо сделать-добавить подложку. Для этого заходим на вкладку «Модули» - «Управление модулями». В разделе все необходимо найти «QuickMapService», далее нажимаем «Установить» (рис.2). Далее выбираем «OSM» – «OSM Standard»(рис.3).

Далее загружаем изображение (рис.4). Затем переходим на вкладку «Растр» и выбираем «Georeferencer» (рис.5). В открывшемся окне (рис.6) выбираем «Открыть растр», выбираем изображение и указываем координаты «EPSG:3857» (рис.7)

Добавляем точку (рис.8). Координаты выбираем с карты, на карте необходимо найти здание, на которое мы поставили точку (рис.9) и подобным образом добавляем 4 точки.

Далее заходим в «Параметры» (рис.10). Выставляем координаты точек (рис.11-13).

Результат проделанной работы показан на рис.14.

ВЫВОДЫ

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что применение компьютерных технологий в горной промышленности строго необходимо. Поскольку проведение исследований экспериментального характера затрудняется большими рисками катастрофических явлений и обширными материальными затратами, компьютерное моделирование геомеханичских процессов позволяет более детально подойти к вопросу исследования этих процессов.

Список источников

1. Девис Дж. Статистика и анализ геологических данных / Девис Дж. - Лондон: Мир, 1997. - 92 с.
2. К.Ю. Силкин. Математические основы машинной графики / К.Ю. Силкин. - Пер. с англ. Москва: Машиностроение, 2008. - 66 с.
3. Прокопенко Е.В. Комплексный подход к формированию породных отвалов в угледобывающих регионах /Прокопенко Е.В. - Москва: Чита, 2011. - 93 с.
4. Леонов П.А. Породные отвалы угольных шахт / Леонов П.А., - Москва: Недра, 1970. - 112с
5. Зборщик М.П. Предотвращения самовозгорания горных пород / Зборщик М.П.- Москва:Т ехника, 1990. - 176с.
6. Панюков П.Н. Инженерная геология / Панюков П.Н., - Москва: Недра, 1978. - 296с.
7. Фисенко Г.Л.Устойчивость бортов карьеров и отвалов / Фисенко Г.Л.- Москава: Недра, 1965.- 200с.
8. К.Ю. Силкин. Математические основы машинной графики / К.Ю. Силкин. - Пер. с англ. Москва: Машиностроение, 2008.- 66 с.
9. Горбунова К.А. Техногенное воздействие на геологическую среду Пермской области / К. А. Горбунова, – Пермь: 1990. - 44 с.
10. Вистелиус А.Б. Основы математической геологии./ Ленинград: Наука, 1980. - 296с.