Содержание к диссертации
Введение
1 Отечественный и зарубежный опыт геофизического картографирования 11
1.1 Сущность геофизического картографирования 11
1.2 Принципы и подходы к пониманию геофизических карт 14
1.3 Становление и развитие геофизического картографирования 17
1.4 Особенности картографического изображения геофизических полей 26
1.5 Выводы по первому разделу 36
2 Современные методы создания геофизических карт 37
2.1 Особенности цифрового геофизического картографирования 37
2.1.1 Масштабные уровни картографирования 38
2.1.2 Нормативно-методические документы 39
2.1.3 Информационные ресурсы
2.2 Технологии составления геофизических карт 48
2.3 Использование методов интерполяции в геофизическом картографировании 54
2.4 Исследование существующих методов выбора сечения изолиний 57
2.5 Выводы по второму разделу 64
3 Разработка классификации карт геофизических полей 65
3.1 Новые критерии классификации геофизических карт 65
3.1.1 Вид поля 65
3.1.2 Происхождение поля 66
3.1.3 Приуроченность поля к геосферам 68
3.1.4 Степень преобразования информации
3.2 Разработка системы классификации и кодирования геофизических карт 75
3.3 Создание справочно-поисковой системы карт геофизических полей 81
3.4 Выводы по третьему разделу 83
4 Районирование геофизических полей как подход к выбору сечения изолиний 84
4.1 Основные принципы районирования геофизических полей 84
4.2 Методика создания карты районирования геофизического поля для выбора сечения изолиний 4.2.1 Подготовительный этап 91
4.2.2 Создание карт районирования на выделенные регионы 100
4.2.3 Объединение результатов районирования по всем регионам 106
4.2.4 Создание итоговой карты районирования на территорию Российской Федерации 109
4.3 Составление рекомендаций по выбору сечения изолиний для средне- и мелкомасштабных карт гравитационного поля 112
4.4 Формализация выбора сечения изолиний карт геофизических полей 114
4.4.1 Разработка алгоритма автоматизированного определения сечения изолиний на основе карты районирования геофизического поля 114
4.4.2 Построение схемы районирования гравитационного поля средствами ГИС
4.5 Верификация рекомендаций по выбору сечения изолиний на примере карт опережающих геофизических основ масштаба 1:200 000 123
4.6 Выводы по четвертому разделу 130
5 Разработка комплексной карты геофизического поля для анализа надежности изображения аномалий 131
5.1 Назначение и обоснование карты 131
5.2 Методика составления комплексной карты геофизического поля с отображением плотности объектов его изученности 136
5.3 Анализ результатов картографического моделирования объектов изученности 142
5.4 Выводы по пятому разделу 147
Заключение 148
Список использованных источников 150
- Особенности картографического изображения геофизических полей
- Использование методов интерполяции в геофизическом картографировании
- Разработка системы классификации и кодирования геофизических карт
- Создание итоговой карты районирования на территорию Российской Федерации
Особенности картографического изображения геофизических полей
История геофизического картографирования насчитывает более трех столетий, однако на сегодняшний день отсутствует структурированное описание основных картографических произведений различных этапов развития геофизического картографирования. В мировой и отечественной литературе имеются разрозненные сведения о наличии картографических произведений прошлого, а имеющиеся попытки периодизации [62, 63, 146] характеризуют исключительно технический прогресс геофизических наблюдений определенного поля без обращения к картографическому наследию. В этом отношении наиболее полными являются историко-научные труды, посвященные геологическому картографированию [23] и картографированию магнитных явлений [39, 167], однако в них для карт геофизических полей также не отводится особая роль. В первом случае из-за отношения к ним, как к одному из типов геологических карт, а во втором случае, из-за выбора в качестве центрального объекта изучения исследований по геомагнетизму.
Также наблюдаются расхождения в определении точки отсчета развития геофизического картографирования. Если учитывать первые единичные попытки изображения магнитного склонения в виде линий, то геофизическое картографирование восходит к XV веку. Напротив, в работе [23] в качестве точки отсчета указываются труды Александра фон Гумбольдта и Карла Фридриха Гаусса начала XIX в., как начального периода применения геофизических карт в геологических целях. Однако для определения даты появления геофизических карт также следует учитывать накопленный опыт магнитной картографии [120].
В настоящем исследовании за точку отсчета развития геофизического картографирования принимаются первые задокументированные попытки отображения магнитного поля Земли. В ходе анализа существующих работ в области истории геофизики и геологии были выделены четыре основных периода развития геофизического картографирования, которые иллюстрируют изменения взглядов человека на изучение физических полей Земли и интереса к карте как к оптимальному средству исследования геофизических полей. Изучение магнитных явлений как исток геофизического картографирования (XV – конец XIX вв.) Зарождение геофизического картографирования непосредственно связано с первыми успехами человечества в области изучения элементов земного магнетизма. В эпоху Великих географических открытий (XV – XVI вв.) появились первые карты геофизических явлений – карты магнитного склонения, величины которого наносились в разных точках следования мореплавателей. Такая информация и ее последующий детальный анализ стали мощным толчком к развитию науки о геомагнетизме и применению карт в научных и практических исследованиях геофизических явлений. Например, составленная в 1701 году английским астрономом Эдмондом Галлеем карта магнитных склонений акватории Атлантического океана, на которой изолиниями соединялись одинаковые значения показателя, позволила подтвердить факт непостоянства магнитного склонения не только в пространстве, но и во времени. Впоследствии в 1702 году Галлей выпустил первую карту магнитных склонений мира в проекции Меркатора масштаба 1:33 000 000 [156]. Отмечается, что карты Галлея «были не только первыми изомагнитными, но и вообще первыми геофизическими картами изолиний. До этого на карты наносились лишь числа, указывающие значения склонения» [115]. Карта 1701 года также считается началом истории магнитной картографии [88]. В XIX веке появляются карты других элементов магнитного поля и становятся главным инструментом при изучении геомагнетизма и становлении науки о нем. Так, при помощи мировых карт изогон Барлоу (1833 г.), изоклин Хорнера (1836 г.) и изодинам горизонтальной составляющей напряженности поля Сэбина (1836 г.) К.Ф. Гаусс смог определить первые 24 коэффициента сферического гармонического ряда, которым он представлял внешнее магнитное поле, и на основании этих результатов создать общую теорию земного магнетизма [39].
К концу XIX века изучение магнитного поля Земли приобретает значимость государственных масштабов. В России первые магнитные карты Европейской части России составляются в 1871 – 1878 гг. по результатам первой планомерной магнитной съемки под руководством А.А. Тилло [23, 63, 103]. По итогам совместного анализа данных других съемок им была составлена первая карта изогон. Впоследствии первая карта изогон Восточной Сибири была составлена Ф.Ф. Миллером [39].
Таким образом, появление первых геофизических карт – карт магнитного поля – приурочено к практической деятельности человека в области мореплавания и в не последнюю очередь послужило становлению науки о геомагнетизме и космической геофизики. Формирование геофизических карт в составе геологического картографирования (конец XIX в. – 1960-е гг.) Новый этап развития геофизического картографирования наступил в период формирования общей геофизики и разведочной геофизики, чьи методы исследования недр Земли почти мгновенно пришли в геологоразведочные работы и расширили тематику геофизических карт. Карты физических полей стали широко использоваться в изучении регионального геологического строения в послевоенный период, «когда появилась более высокопроизводительная аппаратура (например, воздушная для измерений магнитного поля и поля естественной радиоактивности) и начались систематические съемки гравитационного и магнитного полей, а затем и поля естественной радиоактивности больших территорий в масштабах 1:1 000 000 и 1:200 000» [23]. Составление карт физических полей стало частью программы
Государственного геологического картирования, утвержденной в 1954 году. В его задачи входили «комплексное геологическое изучение страны, поиск полезных ископаемых и установление закономерностей их размещения, а также составление и издание геологических карт» [23]. Так, в этот период картографирование аномального магнитного и гравитационного полей было выполнено по номенклатурным листам масштаба 1:1 000 000 территории СССР.
В небольшом количестве геофизические карты стали появляться в геологических разделах ранних атласов, например, в Большом Советском Атласе Мира (1937) [21]. Карты были малоинформативные, поскольку стратегически важные сведения о геофизических полях отображались на определенные участки, в результате чего создавалась дискретная картина непрерывного явления.
Использование методов интерполяции в геофизическом картографировании
Полевые наблюдения
Полевые наблюдения являются основным источником информации для крупномасштабных и реже для среднемасштабных карт. Геофизические съемки разных полей проводятся посредством регистрации показателя либо по равномерно распределенным пунктам наблюдений (площадная съемка), либо по системам профилей или маршрутов, образующих регулярную сеть наблюдений (профильная съемка). Требования к проектированию съемок устанавливаются соответствующими Инструкциями и содержат указания по выбору оптимальной густоты сети наблюдений, методике проведения наблюдений в зависимости от масштаба съемки, точности определения положения пунктов, значений изучаемого показателя и других факторов. Наблюденные значения используются при построении первичных отчетных карт методами интерполяции на межмаршрутные участки. Помимо крупномасштабных карт результатами полевых наблюдений являются технический отчет, каталог пунктов наблюдений и другие материалы, представляющие собой первичные источники информации.
Картографические материалы Благодаря преемственности передаваемой информации, наиболее распространенным источником данных являются картографические материалы. Так, среднемасштабные карты могут быть составлены по материалам полевых съемок регионального охвата, так и по первичным крупномасштабным картам. Картографические данные отличаются долговременностью и ценностью при изучении исторического изменения параметров геофизических полей. Например, мировые карты магнитного поля составляются через каждые 5–10 лет на определенную эпоху (середину года – к 00 ч. 00 мин. 1 июля), а чтобы ввести поправки к ранее составленным картам также создаются карты изопор с линиями равной скорости измерения картографируемого элемента магнитного поля.
На сегодняшний день большая часть картографических материалов представляется в виде аналоговых и оцифрованных карт. В конце XX – начале XXI вв. в связи с развитием цифровых технологий доля последних существенно возросла. Проводятся работы по оцифровке мелкомасштабных геофизических карт аномальных магнитного и гравитационного полей масштаба 1:2 500 000 с последующим восстановлением конфигурации поля в виде цифровых моделей.
Цифровые модели геофизических полей
В настоящий момент цифровые модели геофизических полей (гриды) являются наиболее приоритетным источником информации в геофизическом картографировании. Модели представляют собой непрерывные поверхности в виде значений поля в узлах прямоугольной регулярной сетки или растровые матричные сети («тематические гриды» по [121]), в которых каждому пикселу соответствует определенное значение. Так, в ГОСТ Р 51353-99 под цифровой моделью гравитационного поля Земли понимается «упорядоченная совокупность закодированных в цифровом виде дискретных значений одной или нескольких характеристик аномального гравитационного поля Земли (аномалий силы тяжести, высот квазигеоида, уклонений отвесных линий, аномальных гравитационных ускорений) в узлах равномерной сетки меридианов и параллелей в единой системе координат, высот и гравиметрической системе, записанных на машинный носитель информации в установленном формате, сопровождаемая алгоритмом интерполяции, обеспечивающим получение промежуточных значений этих характеристик с необходимой точностью» [40]. В настоящее время проводятся работы по актуализации цифровых моделей путем дополнения информации с оцифрованных карт более крупного масштаба, что позволяет обеспечить непрерывность цифровой информации. Создаются глобальные цифровые модели геофизических полей в различных форматах (ASCII grid (.XYZ), Surfer grid и др.). К числу основных относятся глобальные модели гравитационного поля WGM2012 (World Gravity Map) [153, 180], магнитного поля Земли WDMAM (World Digital Magnetic Anomaly Map) [158, 173], теплового потока Global Heat Flow Database [177] и др.
Также создаются специальные базы данных и цифровых картографических моделей, обобщающих накопленную информацию, – например, межотраслевой банк гравиметрических и магнитных данных «Гравимаг» России и картографический банк гравимагнитных данных «Картбанк» (Росгеолфонд), в которых содержатся цифровые модели листов Государственных гравиметрических и аэромагнитных карт масштабов 1:200 000 и 1:1 000 000. ГИС-атласы
Перспективным направлением является применение карт и моделей геофизических полей, представленных в ГИС-атласах – систематизированных собраниях картографической, справочной и иной информации, выполненных по программе как целостная база пространственных данных, визуализированная в виде программного интерфейса. Интерактивность и мультимасштабность картографических сервисов позволяет ГИС-атласам совмещать функцию визуализации, сбора картографических произведений и хранения информации в виде базы данных.
Выполненный автором анализ существующих ГИС-атласов геофизической тематики [171] позволил выявить их различную специализацию, полноту содержания и форматы предоставления данных (таблица 7). Наибольшее распространение в атласах получает информация о гравитационном и магнитном полях. Учитывая общую тематику атласа, в качестве примера можно указать ГИС-Атлас Словакии, содержащий в себе данные обо всех геофизических полях (карты теплового поля выделены в самостоятельный атлас). В остальных атласах набор тем для геофизических карт немного меняется, однако как минимум карты трех полей в них представлены. Также наблюдается тенденция по включению карт изученности. В 85% рассмотренных атласов присутствуют карты изученности по разным видам съемок.
Чаще всего данные представляются в растровом виде, что затрудняет их многократное использование, но позволяет оперировать меньшими объемами информации при интерактивном анализе карт. Скачивание данных в большинстве случаев можно выполнить в формате .pdf либо в виде растровых карт. Наиболее оптимальным в этом случае является представление в виде WMS-сервисов, позволяющих подключиться к базе данных средствами любого ГИС-продукта, указав ссылку. Данная технология дает возможность пользователю анализировать информацию ГИС-атласа как на самом портале, так и в геоинформационной системе. Возможность подключения WMS-сервиса имеется в рассмотренных ГИС-атласах России, Великобритании, Польши, Чехии и Италии.
Анализ существующих ГИС-атласов геофизической тематики позволил выявить хороший уровень их применения для картографической визуализации геофизических данных, хранения и осуществления доступа к метаданным, а также для оперативного составления геофизических карт. Интерфейс ГИС-атласов обеспечивает многоуровенность картографического представления посредством инструментов масштабирования, выбор данных по конкретному участку и доступ к метаданным
Разработка системы классификации и кодирования геофизических карт
Районирование геофизических полей представляет собой одну из наиболее важных задач, решаемых в ходе комплексной интерпретации геофизических данных для выявления закономерностей распределения полезных ископаемых, тектонического (структурно-геофизического) районирования, и для других целей [52, 69, 145]. Основным принципом выделения однородных по комплексу признаков районов является описание простых знаковых сочетаний анализируемых полей, впервые рассмотренное Э.Э. Фотиади в 1958 г. [128]. В силу геологической продуктивности итогового результата наиболее распространенным является совместное районирование карт гравитационного и магнитного полей g и T. В настоящее время процедура районирования осуществляется как по конкретному виду поля, так и по комплексу полей и их трансформант. Аналогичным образом осуществляется обобщение результатов районирования по особенностям геофизических полей в рамках подготовки опережающих геофизических основ Государственной геологической карты. На рисунке 12 представлен фрагмент легенды к подобной карте, созданной для номенклатурного листа Р-55 (Сусуман). Помимо матричного районирования дифференциация участков
геофизических полей производится как визуальными, так и математическими методами. Визуальные методы сводятся к выделению структурных блоков по комплексу качественных признаков. Математические методы позволяют формализовать процесс районирования, количественно оценить выделенные области. Широкое применение получили методы кластерного анализа, позволяющие строить карты районирования на основании деления n-мерного признакового пространства по сходным характеристикам, где n – количество источников информации. В качестве набора источников информации используются цифровые матрицы геофизических полей, а также результаты их трансформирования, полученные, в том числе с применением факторного анализа для снижения размерности данных. Итогом являются карты классов (кластерные карты), к которым дается подробное описание типичных для них признаков (рисунок 13).
Фрагмент легенды схемы районирования гравитационного и магнитного полей (кластерный анализ), ГФО-1000, лист Q-(35),36. Комплексной интерпретации данных с использованием районирования посвящены многочисленные работы [52, 118, 127, 128, 132], в которых исследуются варианты типологического деления территории по определенным признакам и их сочетаниям в зависимости от преследуемых задач и конечных результатов. Характеристики, использующиеся при районировании, условно подразделяются на морфологические (в разных работах встречаются названия – «текстурные», «качественные признаки»), определяющие морфотипы поля, и морфометрические («структурные», «количественные признаки»), которые могут быть оценены количественными показателями. В таблице 14 приведено обобщение наиболее используемых характеристик районирования, даны сведения об их математических аналогах и геологической интерпретации.
Следует отметить, что наиболее часто районирование осуществляется на основе анализа интенсивности (амплитуды) аномалий с выделением областей пониженного и повышенного уровня поля. Также проводится совместный анализ нескольких факторов, например интенсивности, характера чередования положительных и отрицательных аномалий, их ориентировки и общей морфоструктуры поля. Например, на карте аномального магнитного поля России и сопредельных государств [69] присутствует схема районирования, где в качестве двух характеристик выбрана интенсивность аномалий и их знак.
Геологическая интерпретация является завершающей стадией проведения районирования. Этапу посвящены многочисленные работы, в том числе [87, 101, 128], где представлены примеры анализа соответствия специфических геофизических полей разнообразным геологическим структурам. В работе [118] отмечены две противоположные тенденции по ограничению и расширению числа характеристик для районирования, поскольку часто применение формальных методов ведет к результатам, трудно поддающимся геологическому описанию.
Таким образом, использование карт районирования является достаточно освоенным методом определения основных закономерностей распределения явлений, выявления связей между ними. Сегодня районирование как процесс «разделения геофизических полей исследуемой территории по комплексу признаков на условно-однородные области (блоки)» [138] представляет собой особый комплекс работ в системе создания Государственных геологических карт третьего поколения масштабов 1:200 000 и 1:1 000 000.
Создание итоговой карты районирования на территорию Российской Федерации
Проведение аналогичного анализа для карт ГФО-1000 было затруднено тем, что имеющиеся в наличии Базы Государственных геологических карт [14] карты составлены преимущественно в пределах одной территории (восточная часть Российской Федерации по рядам O, P, Q, R, S), что снижает репрезентативность выборки. Тем не менее, было установлено совпадение предлагаемого сечения изолиний для 35% листов; для еще 35% листов выявлено совпадение рекомендованного сечения и одного из сечений, принятых на карте (таблица Д.2). Несовпадение рекомендованного сечения и сечения на ГФО-1000 обнаружено только на 30% листов, поскольку для них предполагается увеличение детальности изображения.
Дополнительной проверкой полученных результатов служил анализ немногочисленных карт гравитационного поля, входящих в состав комплекта Госгеолкарты-1000/3. Среди них выявлено три номенклатурных листа, на которые также имеются карты ГФО-1000, где применяется иное сечение изолиний – это листы M-53, O-53, Q-52. Так, для карт комплекта Госгеолкарты-1000/3 используется сечение 5, 4 и 25 мГал соответственно, что существенно уступает детальности аналогичных листов ГФО-1000. Данный факт, а также выявленное полное и частичное совпадение рекомендаций по этим листам, подтверждают обоснованность предлагаемых рекомендаций по детализации сечения изолиний на картах масштаба 1:1 000 000.
Таким образом, полученные результаты подтверждают целесообразность использования разработанного алгоритма формализации для выбора сечения изолиний средне- и мелкомасштабных карт гравитационного поля. В следующем разделе рассматриваются вопросы проверки предлагаемых рекомендаций по выбору сечения изолиний в зависимости от района гравитационного поля.
В целях верификации предлагаемых значений сечения изолиний были составлены фрагменты карт гравитационного поля с рекомендованным сечением с целью их сравнения с изданными картами ГФО-200 в пределах региона №VI. По состоянию на 01.07.2016 всего опубликовано 402 номенклатурных листа ГК-200/2, из которых 195 – электронное издание, 206 – аналоговое издание, 1 – авторский вариант [74]. На регион №VI имеется 32 электронных и 43 аналоговых листов карт (около 20% от общего числа изданных листов), что является достаточной выборкой для анализа.
Построение карт осуществлялось путем воссоздания цифровой модели гравитационного поля по изолиниям, имеющимся в комплектах электронного издания карт ГФО-200 (условный уровень) в формате .shp [142]. Исходное поле воспроизводилось при помощи модуля ArcToolbox «Topo to Raster» в ArcGIS 10.2, который позволяет создать регулярную матричную модель с оптимальным разрешением ячейки матрицы для достоверного отображения характера поля и его структуры. Следует отметить, что конфигурация полученных по воссозданной модели изолиний отличается от издательского оригинала ГФО-200, поскольку были использованы иные методы интерполяции и ограниченный набор исходных данных. Тем не менее, это позволило определить наиболее вероятное положение отсутствующих изолиний и показать их на фрагментах издательских оригиналов листов ГФО-200.
По сочетанию основных атрибутов базы данных схемы районирования были определены варианты применения предлагаемых значений сечения в зависимости от двух факторов: количества преобладающих районов и различий между рекомендуемым сечением и принятым на изданных картах ГФО-200. Первый фактор влияет на необходимость введения дополнительных изолиний. Второй фактор определяет степень различия между предлагаемым сечением и применяемым на картах ГФО-200 [89]. Далее рассматриваются особенности каждого варианта.
Преобладание одного района и совпадение предлагаемого сечения с сечением на ГФО-200
Данный вариант подразумевает сохранение сечения, принятого на ГФО-200, без введения дополнительных изолиний. Такое сочетание выявилось в 56% случаев, когда согласно схеме районирования листы охватывают районы, для которых рекомендуемое сечение совпадает с применяемым на ГФО-200, а именно 2 мГал. Таким образом, первый вариант подтверждает целесообразность использования для отображения умеренно дифференцированного отрицательного поля (район №1) сечение изолиний в 2 мГал. Преобладание одного района и несовпадение предлагаемого сечения с изданными картами
Несовпадение сечения, принятого на ГФО-200, с рекомендуемыми значениями выявлено в 31% случаев. Большинство из них относится к листам, в пределах которых наибольшее распространение имеет район №2, поскольку для его отображения предусматривается сечение 1 мГал. На рисунке 25 представлены уменьшенные фрагменты карты листа M-50-III с исходным сечением в 4 мГал (рисунок 25, а) и принимаемым согласно рекомендациям сечением в 2 мГал (рисунок 25, б). Очевидно, что в случае наличия более детальных данных о гравитационном поле, на карте возможно отображение локальных аномалий.
Преобладание двух районов и совпадение предлагаемого сечения с изданными картами Данный вариант имеет место только в случае одновременного преобладания в пределах листа районов №1 и №3, поскольку для них рекомендованы сечения, сходные с применяющимся на ГФО-200 в 2 мГал. Согласно схеме районирования сочетание указанных районов в пределах региона №VI встречается только на восьми листах, однако эти листы отсутствуют как в электронном, так и в аналоговом виде, в связи с чем анализ примеров данного варианта не представлен. Преобладание двух районов и несовпадение предлагаемого сечения с изданными картами
Преобладание двух районов в пределах одного листа отмечается в 13% всех листов региона №VI. Для этих случаев основным сечением изолиний принимается то, которое соответствует наиболее доминирующему району. В зависимости от рекомендаций для второго по степени преобладания района предлагается либо разрежение, либо сгущение изолиний в пределах этого района. На рисунке 26 представлены фрагменты листа M-53-XVI, для которого согласно рекомендациям предполагается основное сечение в 2 мГал и сгущение изолиний до 1 мГал на территории преобладания района №2. Исходная карта составлена с сечением 4 мГал. Сравнение фрагментов позволяет утверждать о необходимости обновления исходных данных для составления, поскольку текущее сечение изолиний не позволяет объективно отобразить на карте характер гравитационного поля в пределах данного листа.