Геоинформационные системы

Введение

 

В данной курсовой работе на первом этапе будет раскрыт  вопрос, касающийся применения геоинформационных  систем (ГИС) в проектировании, строительстве  и эксплуатации объектов.

Геоинформационные системы  — системы, предназначенные  для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.

ГИС включают в  себя возможности СУБД, редакторов растровой и векторной графики  и аналитических средств и  применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне.

На втором этапе  работы будет выполнено практическое задание, предусматривающие работу с картами в пакете ArcView.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретическая часть
1. Геоинформационные системы. Общее представление

 

Существует  множество определений геоинформационной  системы. С их количеством может  сравниться только количество определений, что такое информационная система  вообще. Для «конечного пользователя»  ГИС прежде всего ассоциируются  с территориями, картами, классификаторами, системами обозначений объектов на картах и, конечно, с данными об объектах карты, хранящимися во встроенной или прилагаемой базе (базах) данных.

В течение ряда лет проводились исследования по возможности применения ГИС-технологий для решения задач различных отраслей. На современном рынке ГИС -технологий целый ряд продуктов России и дальнего зарубежья занимают прочные позиции. Это ГИС МарInfo, ArcInfo (США), «Интелвек», «Альбея», «ИнГео» (Россия).

ГИС— это  современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

 

 

2. Применение ГИС- технологий в геологическом мониторинге при строительстве подземных сооружений

 

Важнейшим фактором, который необходимо учитывать при  освоении подземного пространства, является влияние на окружающую среду подземных  сооружений в процессе их строительства  и эксплуатации, когда могут существенно меняться природное напряженно-деформированное состояние породного массива и присущие ему инженерно-геологические и гидрогеологические условия. Вследствие этих изменений возможна активизация опасных инженерно-геологических процессов (карстовых, суффозионных, оползневых и др.). Значительным осложняющим фактором при этом является существенное изменение геоэкологической обстановки.

    Многофакторность  воздействия подземного сооружения  на окружающую среду и соответствующая  многоаспектная реакция среды  требуют наличия постоянного геологического мониторинга подземного пространства на всех стадиях жизненного цикла данного сооружения. При этом надо отметить объективную сложность освоения подземного пространства — разрозненность и неопределенность геологической информации, сложность определения зон влияния проектируемого сооружения на вмещающий массив и др.

    Весь  геологический мониторинг делится  на 4-5 этапов. Первый и второй этапы мониторинга относятся к природной системе, а третий и четвертый — к литотехнической системе (к разным объектам). Данные первого и второго этапов могут использоваться лишь для обоснования и создания будущей системы мониторинга подземного сооружения.

    Исследования, проводимые на всех этапах  мониторинга, дают обширный материал  для базы данных, которая используется или может использоваться в дальнейшем. В процессе строительства подземного сооружения происходит пополнение базы данных геологической информацией, которая может отличаться от исходной. В таком случае следует выполнить дополнительно необходимые инженерно-геологические изыскания и провести новые лабораторные исследования по выявлению физико-механических характеристик полученных образцов горных пород. На рисунке 1 предложена схема структуры мониторинга подземного сооружения (геологического, геотехнического и геомеханического).

    Важнейшим элементом  геологического мониторинга является  его информационное обеспечение,  в частности использование технологий  ГИС (геоинформационных систем). В выбранной точке интересующего  нас места мы имеем возможность сложить «слои» информации, полученной посредством натурных исследований или прогнозирования. (Принцип совмещения и наложения пространственных данных одним из первых удачно реализовал французский картограф Луи-Александр Бертье в XVIII веке. Он использовал прозрачные слои, накладываемые на базовую карту, для показа перемещений войск в сражении под Йорктауном.)

Вся информация о наблюдаемом  подземном пространстве (геометрические размеры сооружения и отдельных  его элементов, глубина заложения сооружения, данные по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям, результаты численного моделирования и т.д.) собирается в один банк данных ГИС. При этом имеется ГИС-СУБД (система управления базами данных геоинформационной системы) — самостоятельная система, предназначенная для обеспечения оперативной работы со сложноорганизованными базами данных.

Хранение всех данных по строящемуся объекту в  единой базе обладает рядом преимуществ, поскольку позволяет просматривать  всю информацию по наблюдаемому сооружению и вмещающему его массиву комплексно, внося при необходимости изменения в информацию.

Слои с геологическими данными строятся по данным геологических  карт, инженерно-геологических изысканий  и т.д. В проекте ГИС скважины даются в виде отдельного слоя, представляющего собой цифровую карту.

 

Рисунок 1-Структура  мониторинга  подземного сооружения

Слои с геологическими данными строятся по данным геологических  карт, инженерно-геологических изысканий  и т.д. В проекте ГИС скважины даются в виде отдельного слоя, представляющего собой цифровую карту; при этом координаты самих скважин, как и результаты геофизических или геологических исследований, хранятся во внешних базах данных.

С каждым структурным элементом  породного массива сопоставляется разнообразная геологическая информация. Вывод на экран основных данных по объекту позволяет быстро ориентироваться в различных оттенках стратиграфической закраски пластов.

    При увязке  структурных элементов породного  массива учитывается рельеф (изгиб  или обрезка пласта по рельефу). Сопровождение разреза необходимой информацией производится автоматически, при этом данные разреза повторяют данные выбранных пластов («стратиграфия» и «литология»).

Для пользователя только ставится задача определения последовательности прохода пласта между скважинами (маркировка пластов), а система отслеживает корректность выбора последовательности пластов (взаимное соответствие стратиграфии и литологии). При автоматическом методе выполняется увязка всех геологических пластов и всех литологических колонок. Возможно пошаговое выполнение построения с коррекцией параметров на каждом шаге. В этом методе используются алгоритмы, основанные на последовательной увязке пластов с анализом возможных допустимых вариантов и выбором оптимального.

    После окончательного отображения всей географической и геологической информации в ГИС создается система геологического мониторинга рассматриваемой области.  

 На основе анализа  результатов трехмерного моделирования  напряженно-деформированного состояния системы «сооружение — породный массив» для определения мест установки исследовательской аппаратуры в пределах расчетного фрагмента выделяются 3 области категорий, обозначаемые как «воздействия нет», «воздействие минимально» и «воздействие максимально» Те области массива, где влияние сооружения на окружающий массив отсутствует, относятся к категории «воздействия нет» и из системы мониторинга исключаются. Области, в которых перемещения и напряжения в массиве близки к нулевым значениям, относятся к категории «воздействие минимально». К категории «воздействие максимально» относятся те области массива, где напряженно-деформированное состояние массива составляет существенную для работы подземного сооружения величину. Такие области массива делятся на две подобласти. В первой на основании анализа ее математического моделирования определяются точки, в которых необходимо размещение исследовательской аппаратуры для проведения мониторинга. Во второй подобласти намечаются «законсервированные» точки наблюдения в зонах, где возможно увеличение напряжений и перемещений, и в них по мере необходимости устанавливается исследовательская аппаратура.

    Как  уже отмечалось выше, в процессе  строительства подземного сооружения  происходит пополнение базы данных  геологической информацией, которая может отличаться от исходной. В этом случае следует выполнить дополнительный комплекс инженерно-геологических изысканий и провести, используя уточненную информацию, повторное численное моделирование взаимодействия сооружения с породным массивом, а полученные в результате расчета значения перемещений и напряжений снова занести в базу данных ГИС. На основе анализа этих данных, если это необходимо, следует скорректировать установку исследовательской аппаратуры, а если потребуется, установить дополнительную аппаратуру в зарезервированных точках. В процессе освоения подземного пространства подобная операция повторяется многократно, позволяя применять наиболее оптимальные с точки зрения геоэкологии технологические решения, обеспечивающие безопасную работу подземного сооружения на весь срок его существования.

3. Короткобазисная фотограмметрия в IMAGINE OrthoBASE

Одной из основных задач в строительстве  является выполнение архитектурно-строительных обмеров с целью реконструкции  и реставрации зданий, а также  в научно-исследовательских целях.

Обновление  и создание чертежей традиционными  методами фототеодолитной съемки связано со значительными затратами времени и средств. В то же время, технические возможности современной технологии фотограмметрических методов позволяют перейти от ведения архива съемок на бумажных и фотоносителях к электронно-цифровому виду. Реально можно сократить затраты и время, применив для создания и обновления планов и чертежей съемку неметрическими бытовыми и среднеформатными пленочными или цифровыми камерами.

Достоинством  такой технологии являются:

1. Доступность  оборудования и простота обработки результатов съемки.

2. Возможность  съемки в районах плотной застройки  с использованием всего арсенала  дискретной сменной оптики высокого  качества.

3. Увеличение  производительности работ, снижение требований к квалификации персонала.

4. Повышение  наглядности и информационной емкости по сравнению с чертежным планом, создание цветных фотопланов.

1.4 Восстановление стены замка  13 века с использованием ГИС

В графстве Граубюнден, Швейцария, в городе Флеш лежат руины замка Мёрдербург, который, был обитаем в 13 веке. Сегодня сохранились лишь отдельные фрагменты замка - часть южной стены высотой 6 м и длиной 21 м и остатки стенных зубцов. Для того, чтобы узнать, когда замок был построен и когда он был покинут, требуются раскопки, которые должны вестись в рамках плана по укреплению остатков замка от дальнейшего разрушения.

Мёрдербург  расположен на холме, окруженном долиной  и горой Грауэнберг. Сторона стены, обращенная к долине, подверглась  значительной эрозии у основания, и  части стены упали. Сторона, обращенная к горе, засыпана обломками обрушившихся стен, вершина повреждена растениями. Без укрепления стена неизбежно обрушится.

Укрепление  и восстановление южной стены  планируется проводить в два  этапа. На первом она будет временно укреплена стальными подпорками и тросами, что также необходимо в целях безопасности работ. На втором этапе основание стены будет укреплено за счет соединения фрагментов стены и ремонта подвергшихся эрозии участков. Будут также восстановлены и другие поврежденные секции. Перед началом работ необходимо выяснить действительное состояние стены, нанести сохранившиеся участки на план и задокументировать кладку.

По  стандартной методике стену следует  покрыть лесами и создать разметочную  сетку, на основе которой каждому  камню будет отведено место на плане при помощи карандаша и фольги. Однако, с учетом необычного расположения замка, доставка материалов и строительство лесов проблематичны.