Михаил Владимирович Морозов:
персональный сайт

Мат.модели (занятие, карта-2): Принципы работы с Golden Software Surfer

Курс "Математические методы моделирования в геологии "

Golden Software Surfer - лидирующее в мире ПО для построения пространственных моделей численных переменных, таких, как значения геофизического или геохимического поля и т.п. Данная глава поможет начать работу с программой, избегая типичных ошибок новичка.

ПРАКТИКА

Знакомство с программой Surfer от фирмы Golden Software

Назначение ПО в двух словах: построить в нужном масштабе карту численного параметра (в любом внешнем выполнении - точками, изолиниями, градациями цвета, как 3D-поверхность, как векторное поле) и оформить ее для презентации.

Что НЕ ДЕЛАЕТ программа : Surfer - это программа для построения цифровых моделей поверхностей в заданном параметре. Она не годится для "раскрашивания" территории, т.е. для создания карты, показывающей взаимное расположение точечных, линейных и площадных объектов, как чертежа (т.е. географической, политической и других подобных карт). Для создания таких карт требуется другое ПО (ArcInfo, MapInfo и мн. др.).

НА ЧТО ПОХОЖ Surfer . Инструментарий программы состоит из двух частей: (1) математическая часть - для создания и анализа карты поверхности - уникальная мощная программа, которая имеет аналоги (например, Oasis ); (2) оформительская часть аналогична любой программе для создания векторной графики, которая позволяет создавать линии и другие объекты, а потом индивидуально модифицировать их (лидеры в данной области - Corel Draw , Adobe Illustrator ), по части рисования Surfer, конечно, уступает специальным графическим пакетам, т.к. он создан как карто графическое ПО, а не просто графическое

Запустим программу Surfer и познакомимся с логикой работы в ней.

Файл проекта Surfer (расширение *.SRF) состоит из набора объектов, размещенных на печатном листе (по умолчанию формата A4, его контуры обозначены в окне Surfer). Объекты можно выделять мышью и совершать с ними операции наподобие обычных действий в программе векторной графики (масштабирование, перемещение, изменение свойств). Отдельные объекты могут входить в состав групп. Любая карта обязательно входит в группу типа Map , которой присвоена координатная сеть, общая для всех объектов этой группы.

Обратите внимание: если просто нарисовать графический объект (линию, прямоугольник и т.п.) он будет размещаться на печатном листе, но не будет иметь привязку к координатам карты, даже если будет нарисован поверх нее, т.к. не будет привязан к географическим координатам. Если нужно иметь линию или многоугольник, привязанный к координатам, необходимо создать объект-контур ("обводку") с помощью команды Base Map , а затем внести его в группу Map соответствующей карты.

В левом верхнем углу окна Surfer расположен Менеджер объектов , который позволяет наблюдать порядок вывода объектов на экране и при печати (в менеджере сверху вниз объекты следуют как слои, соответственно, загораживая друг друга при выводе на экран или печатный лист).

Чтобы ПРАВИЛЬНО РАБОТАТЬ С ПРОЕКТОМ надо не забывать делать следующее:

а) каждому объекту (которые по умолчанию получает абстрактное название типа "Line" или "Map") СРАЗУ ПОСЛЕ СОЗДАНИЯ давать понятное имя , ткнув в название мышкой, например, "Контур работ 2013" - для обводки территории, "lgCu" - для карты по логарифмам содержаний и т.п. Иначе, я Вас уверяю, количество объектов незаметно для вас станет таким огромным, а имена однотипных объектов будут одинаковыми, что вы полностью запутаетесь в проекте.

б) Располагать слои в правильном порядке - те объекты, которые должны выводиться на экран или печататься поверх других, надо перетаскивать мышью наверх в списке менеджера объектов.

в) Каждая новая карта , даже если она строится по общей базе данных, добавляется в проект как независимый объект , даже если попадает при создании на одно и то же место на листе. Мышью эти карты можно передвинуть и расположить рядом . Иногда это нужно - например, чтобы рядом напечатать карты в изолиниях, скажем, по меди и по цинку. Но если требуется совмещать карты - например, поверх карты в изолиниях нанести точки карты фактов, эти карты нужно свести в одну, перетащив любую из них в группу Map , где находится вторая карта. При этом группа Map первой карты (если она больше ничего не включала) исчезнет, а новая группа Map будет содержать две карты как два соседних слоя. Перетаскивать объект мышью можно, когда рядом с ним отображается указатель в виде горизонтальной стрелки . В этот момент можно отпустить мышь и объект "приземлится" в то место, куда указывала стрелка. Если вы перетаскиваете объект куда нельзя, то указатель будет приобретать вид запрещающего дорожного знака.

г) Если просмотру мешают лишние объекты (или вы не хотите их распечатывать), отключите галочку слева от названия объекта, и он пропадет. Так удобно менять для просмотра карты в изолиниях по разным параметрам, потому что за раз можно вывести только одну.

В левом нижнему углу окна Surfer расположен Менеджер свойств объекта , если какой-то объект является в настоящий момент активным, т.е. выделен мышью. Менеджер свойств объединяет на вкладках и по группам все параметры объекта, которые можно изменять, начиная от географической привязки к координатам и заканчивая цветом, фактурой линий и т.п. Помимо Менеджера часть свойств можно редактировать с помощью панели управления Position/Size (расположение на листе относительно левого верхнего угла печатного листа, высоту и ширину объекта).

Картографические инструменты для создания, модификации и анализа поверхностей собраны в меню Grid . Его команды содержат весь спектр инструментов от редактора электронной таблицы до математических модулей по созданию и обработке сеточных файлов ("гридов" - файлов формата *.GRD). Эти возможности и наиболее важные их особенности рассмотрены в главе "Построение сеточного файла " и "Выбор математической модели, крайгинг и вариограмма ".

Главной составляющей Surfer является набор картографических инструментов , т.е. команд для отображения подготовленных поверхностей ("гридов"). Основные из них собраны в меню Map - New и частично продублированы в панели инструментов Map .

При необходимости, Surfer позволяет запустить встроенный редактор электронной таблицы (меню Grid - Data ). С помощью этой команды можно открыть файл Excel или другой электронной таблицы и пересохранить данные в "родном" для Surfer формате *.DAT, который представляет на самом деле текстовый файл с разделителями колонок. Разумеется, встроенный редактор не идет ни в какое сравнение с возможностями "фирменного" ПО для управления электронными таблицами, такими как Microsoft Excel , OpenOffice Calc и т.п., поэтому пользоваться я не рекомендую. Работать с файлами DAT имеет смысл только в крайнем случае либо если таблицы исходных данных уже заранее подготовлены в формате DAT. В обычной ситуации пользователь работает с данными, созданными в электронной таблице формата *.XLS, который напрямую обрабатывается всем модулями Surfer для построения поверхностей и карт.

Упомянем важные панели инструментов .

Панель инструментов View (Вид) содержит кнопки масштабирования, с помощью которых удобно за один клик менять размер области просмотра, а также масштабировать и передвигать объекты.

Панель инструментов Map (Карта) содержит все главные кнопки создания карт, которые убыстряют работу, т.к. избавляют от необходимости выбирать в меню Map - New .

Для рисования имеются графические инструменты, собранные на панели Drawing (Рисование): кнопки для ввода текста, многоугольника, ломаной линии, символа, стандартных фигур (прямоугольник, прямоугольник с закругленными углами, эллипс), плавная кривая (т.е. кривая Безье, опирающаяся на узловые точки) и инструмент редактирования узловых точек (аналогичный такому же инструменту в Corel Draw и аналогичном векторном графическом ПО). Общий вид всех панелей дан на рисунке в конце страницы .

Не забудем также настроить единицу измерения : выбрать сантиметры вместо дюймов по умолчанию (меню Tools - Options , далее раздел Environment - Drawing , поле Page Units ).

И, наконец, самое важное: форма итоговой карты. Не секрет, что программа Surfer имеется на руках далеко не у всех, следовательно, окончательная форма карты должна соответствовать общепринятому формату. В нашем случае оптимальным вариантом будет экспорт карты в файл растровой графики формата JPEG. Перед экспортом необходимо проверить вешний вид проекта, убедиться в правильном расположении слоев, лишние слои отключить в менеджере объектов, не забыть написать все необходимые заголовки и комментарии. После этого выделяем все объекты, группируем их (это не обязательно, но отнюдь не вредно для защиты от случайных сдвигов объектов относительно друг друга). Экспорт осуществляется через меню File - Export , по нажатию Ctrl+E или с помощью специальной кнопки панели инструментов. По умолчанию Surfer предлагает экспорт в формат *.BLN, меняем его на *.JPG. В следующем окне можем отредактировать разрешение итоговой картинки (по умолчанию 300 dpi, часто годится и 200 dpi, что экономит размер файла). В окне Export Options есть вкладка JPEG Options , на которой можно выбрать требуемую степень сжатия (не увлекитесь и не пережмите рисунок, обязательно проверьте качеств результата на примере самых мелких надписей и значков). Вот и все!

Министерство образования и науки Российской Федерации

КУРСОВАЯ РАБОТА

Построение цифровых моделей рельефа по данным радарной топографической съёмки SRTM

Саратов 2011

Введение

Понятие цифровые модели рельефа (ЦМР)

1 История создания ЦМР

2 Виды ЦМР

3 Способы и методы создания ЦМР

4 Национальные и глобальные ЦМР

Данные радарной топографической съёмки (SRTM)

1 Версии и номенклатура данных

2 Оценка точности данных SRTM

3 Использование данных SRTM для решения прикладных задач

Применение SRTM при создании геоизображений (на примере Саратовского и Энгельского районов)

1 Понятие геоизображений

2 Построение цифровой модели рельефа на территорию Саратовского и Энгельского района

Заключение

Введение

Цифровые модели рельефа (ЦМР) - одна из важных моделирующих функций геоинформационных систем, включающая две группы операций, первая из которых обслуживает решение задач создания модели рельефа, вторая - её использование.

Данный вид продукции является полностью трехмерным отображением реального рельефа местности на момент производства съемочных работ, что позволяет использовать его для решения различных прикладных задач, например: определение любых геометрических параметров рельефа, построение профилей поперечного сечения; проведение проектно-изыскательских работ; мониторинг динамики рельефа; вычисление геометрических характеристик (площади, протяженности, периметра) с учетом рельефа для нужд архитектуры и городского планирования; инженерных изысканий, картографии, навигации; расчет крутизны склонов, мониторинга и прогнозирование геологических и гидрологических процессов; расчет освещенности и ветрового режима для архитектуры и городского планирования, инженерных изысканий, экологического мониторинга; построение зон видимости для телекоммуникационных и сотовых компаний, архитектуры и городского планирования. Кроме того, ЦМР широко используются для визуализации территории в виде трехмерных изображений, тем самым, предоставляя возможность для построения виртуальных моделей местности (ВММ).

Актуальность темы курсовой работы обусловлена потребностью географических исследований в использовании данных о рельефе в цифровой форме в связи с возрастающей ролью геоинформационных технологий при решении различных задач, необходимостью повышения качества и эффективности методов создания и использования цифровых моделей рельефа (ЦМР), обеспечения достоверности создаваемых моделей.

Традиционными источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты, данные дистанционного зондирования (ДДЗ), данные спутниковых систем позиционирования, геодезических работ; данные промерных работ и эхолотирования, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки.

В настоящее время в некоторых развитых странах созданы национальные ЦМР, например, на территорию США, Канады, Дании, Израиля и других стран. На территорию РФ в настоящее время общедоступные данные подобного качества отсутствуют.

Альтернативным источником данных о высотах являются свободно распространяемые данные SRTM (Shuttle radar topographic mission), доступные на большую часть территории земного шара с разрешением модели 90 м.

Целью данной работы является изучение альтернативного источника данных о высотах - данных радиолокационной съемки Земли - SRTM, а так же их методов обработки.

В рамках поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

получить теоретические представления о понятии, видах и методах создания ЦМР, изучить необходимые данные для построения ЦМР, выделить наиболее перспективные направления применения этих моделей для решения различных прикладных задач;

определить источники данных SRTM, выявить технические особенности, изучить возможности доступа к данным SRTM

показать возможные направления использования данных этого типа.

Для написания курсовой работы в качестве источников использовались: учебные пособия по геоинформатике и дистанционному зондированию, периодические издания, электронные ресурсы сети Интернет.

1. Понятие цифровые модели рельефа (ЦМР)

Одним из существенных преимуществ технологий географических информационных систем над обычными «бумажными» картографическими методами, является возможность создания пространственных моделей в трёх измерениях. Основными координатами для таких ГИС-моделей, кроме привычных широты и долготы будут служить также данные о высоте. При этом система может работать с десятками и сотнями тысяч высотных отметок, а не с единицами и десятками, что было возможно и при использовании методов «бумажной» картографии. В связи с доступностью быстрой компьютерной обработки громадных массивов высотных данных становиться реально выполнимой задача создания максимально реальной цифровой модели рельефа (ЦМР) .

Под цифровой моделью рельефа принято понимать средство цифрового представления трёхмерных пространственных объектов (поверхностей, или рельефов) в виде трёхмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубины) и иных значений координаты Z, в узлах регулярной или непрерывной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний. ЦМР - это особый вид трёх мерных математических моделей, представляющих собой отображение рельефа как реальных, так и абстрактных поверхностей .

1 История создания ЦМР

Изображение рельефа издавна интересовало людей. На древнейших картах крупные формы рельефа отображались как неотъемлемая составляющая ландшафта и как элемент ориентирования. Первым способом отображения рельефа были перспективные знаки, показывающие горы и холмы; однако еще с восемнадцатого столетия началась активная разработка новых, все более сложных способов. Перспективный способ с штриховой прорисовкой представлен на карте Пиренейских гор (1730 г.). Цвет для оформления пластики рельефа впервые был применен в Атласе кампании российских войск в Швейцарии (1799 г.). Первые эксперименты по созданию ЦМР относятся к самым ранним этапам развития геоинформатики и автоматизированной картографии первой половины 1960-х гг.. Одна из первых цифровых моделей рельефа местности была изготовлена в 1961 г. на кафедре картографии Военно-инженерной академии. Впоследствии были разработаны методы и алгоритмы решения различных задач, созданы мощные программные средства моделирования, крупные национальные и глобальные массивы данных о рельефе, накоплен опыт решения с их помощью разнообразных научных и прикладных задач. В частности, большое развитие получило применение ЦМР для военных задач .

2 Виды ЦМР

Наиболее широко распространённые представления поверхностей в ГИС являются растровое представление и модели TIN. Исходя из этих двух представителей исторически выделились две альтернативные модели ЦМР: основанные на чисто регулярных (матричных) представлениях поля рельефа отметками высот и структурные, одной из наиболее развитых форм которых являются модели на основе структурно-лингвистического представления.

Растровая модель рельефа - предусматривает разбиение пространства на далее не делимые элементы (пиксели), образуя матрицу высот - регулярную сеть высотных отметок. Подобные цифровые модели рельефа создаются национальными картографическими службами многих стран. Регулярная сеть высот представляет собой решетку с равными прямоугольниками или квадратами, где вершины этих фигур являются узлами сетки (рис 1-3).

Рис. 1.2.1 Увеличенный фрагмент модели рельефа показывающий растровую структуру модели .

Рис. 1.2.2 Отображение регулярной модели сети высот на плоскости .

Рис. 1.2.3. Трёхмерная модель рельефа окрестностей пос. Коммунар (Хакасия), построенная на основе регулярной сети высот /1/

Одним из первых пакетов программ, в котором была реализована возможность множественного ввода различных слоёв растровых ячеек, был пакет GRID (перевод с англ. - решетка, сетка, сеть), созданный в конце 1960-х гг. в Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа (США). В современном широко распространённом ГИС-пакете ArcGIS растровая модель пространственных данных также носит название GRID. В другой популярной программе для расчёта ЦМР - Surfer регулярная сеть высот также именуется GRID, файлы такой ЦМР имеют формат GRD, а расчёт подобной модели называется Gridding.

При создании регулярной сети высот (GRID) очень важно учитывать плотность сетки (шаг сетки), что определяет её пространственное разрешение. Чем меньше выбранный шаг, тем точнее ЦМР - выше пространственное разрешение модели, но тем больше количество узлов сетки, следовательно, больше времени требуется на расчет ЦМР и больше места на диске. Например, при уменьшении шага сетки в 2 раза объём компьютерной памяти, необходимой для хранения модели, возрастает в 4 раза. Отсюда следует, что надо найти баланс. К примеру, стандарт на ЦМР Геологической съемки США, разработанный для Национального цифрового картографического банка данных, специфицирует цифровую модель рельефа как регулярный массив высотных отметок в узлах решетки 30х30 м для карты масштаба 1:24 000. Путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций к растровой модели могут быть приведены ЦМР всех иных типов.

Среди нерегулярных сеток чаще всего используется треугольная сеть неправильной формы - модель TIN. Она была разработана в начале 1970-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 1970-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 1980-е гг. как пакеты программ для построения горизонталей. Модель TIN используется для цифрового моделирования рельефа, при этом узлам и ребрам треугольной сети соответствуют исходные и производные атрибуты цифровой модели. При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники (рис 4).

Рис. 1.2.4. Условие триангуляции Делоне.

В пределах каждого треугольника модели TIN поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам.

Рис.1.2.5. Трёхмерная модель рельефа построенная на основе нерегулярной триангуляционной сети (TIN).

Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек (рис 5-6).

Рис. 1.2.6. Увеличенный фрагмент модели рельефа на рис. 5, показывающий треугольную структуру модели TIN.

Основным методом расчёта TIN является триангуляция Делоне, т.к. по сравнению с другими методами она обладает наиболее подходящими для цифровой модели рельефа свойствами: имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каждого из образующих треугольников (близость к равноугольной триангуляции), свойства максимальности минимального угла (наибольшей невырожденности треугольников) и минимальности площади образуемой многогранной поверхности.

Поскольку и модель GRID, и модель TIN получили широкое распространение в географических информационных системах и поддерживаются многими видами программного обеспечения ГИС, то необходимо знать достоинства и недостатки каждой модели, чтобы правильно выбрать формат хранения данных о рельефе. В качестве плюсов модели GRID следует отметить простоту и скорость её компьютерной обработки, что связано с самой растровой природой модели. Устройства вывода, такие как мониторы, принтеры, плоттеры и пр., для создания изображений используют наборы точек, т.е. также имеют растровый формат. Поэтому изображения GRID легко и быстро выводятся на такие устройства, так как на компьютерах легко выполнить расчёт для представления отдельных квадратов регулярной сети высот с помощью точек или видеопикселов устройств вывода.

Благодаря своей растровой структуре модель GRID позволяет «сгладить» моделируемую поверхность и избежать резких граней и выступов. Но в этом кроется и «минус» модели, т.к. при моделировании рельефа горных районов (особенно молодых - например, альпийской складчатости) с обилием крутых склонов и остроконечных вершин возможна потеря и «размывание» структурных линий рельефа и искажение общей картины. В подобных случаях требуется увеличение пространственного разрешения модели (шага сетки высот), а это чревато резким ростом объёма компьютерной памяти, необходимой для хранения ЦМР. Вообще, как правило, модели GRID занимают больше места на диске, чем модели TIN. Чтобы ускорить отображение больших по объёму цифровых моделей рельефа применяются различные методы, из которых наиболее популярный - построение так называемых пирамидальных слоёв, позволяющих при разных масштабах использовать различные уровни детальности изображения. Таким образом, модель GRID идеально подходит для отображения географических (геологических) объектов или явлений, характеристики которых плавно изменяются в пространстве (рельеф равнинных территорий, температура воздуха, атмосферное давление, пластовое давление нефти и т.п.). Как было отмечено выше, недостатки модели GRID проявляются при моделировании рельефа молодых горообразований. Особенно неблагополучная ситуация с использованием регулярной сети высотных отметок складывается, если на моделируемой территории чередуются обширные выровненные участки с участками уступов и обрывов, имеющими резкие перепады высот, как, например, в широких разработанных долинах крупных равнинных рек (рис. 7). В таком случае на большей части моделируемой территории будет «избыточность» информации, т.к. узлы сетки GRID на плоских участках будут иметь одни и те же высотные значения. Но на участках крутых уступов рельефа размер шага сетки высот может оказаться слишком большим, а, соответственно, пространственное разрешение модели - недостаточным для передачи «пластики» рельефа.

Рис. 1.2.7. Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Томи (красной стрелкой показан уступ второй надпойменной террасы на левобережье, высокий уступ на правобережье - склон междуречной равнины). Вертикальный масштаб в пять раз крупнее горизонтального .

Подобных недостатков лишена модель TIN. Поскольку используется нерегулярная сеть треугольников, то плоские участки моделируются небольшим числом огромных треугольников, а на участках крутых уступов, там, где необходимо детально показать все грани рельефа, поверхность отображается многочисленными маленькими треугольниками (рис. 8). Это позволяет более эффективно использовать ресурсы оперативной и постоянной памяти компьютера для хранения модели.

Рис. 1.2.8. Нерегулярная сеть треугольников .

К числу «минусов» TIN следует отнести большие затраты компьютерных ресурсов на обработку модели, что существенно замедляет отображение ЦМР на экране монитора и вывод на печать, т.к. при этом требуется растеризация. Одним из решений этой проблемы может быть введение «гибридных» моделей, сочетающих структурные линии TIN и способ отображения в виде регулярного набора точек. Ещё один существенный недостаток модели TIN - «эффект террас»,выражающийся в появлении так называемых «псевдотреугольников» - плоских участков в заведомо невозможной геоморфологической ситуации (например, по линии днища V-образных долин) (рис. 9).

Одна из основных причин - малое расстояние между точками цифровой записи горизонталей в сравнении с расстояниями между самими горизонталями, что характерно для большинства типов рельефа в их картографическом отображении.

Рис. 1.2.9. «Эффект террас» в долинах малых рек, возникающий при создании TIN на основе горизонталей без учёта структурных линий рельефа (в данном случае - гидросети) .

3 Способы и методы создания ЦМР

С того момента, как появились первые карты, перед картографами стояла проблема отображения трехмерного рельефа на двухмерной карте. Для этого были испробованы различные методы. На топографических картах и планах рельеф изображался с помощью горизонталей - линий равных высот. На общегеографических и физических картах давалась отмывка (штриховка) рельефа или определенной высоте рельефа местности присваивался цвет соответствующей тональности (шкала высот). В настоящее время с появлением цифровых карт и планов, увеличением быстродействия компьютерной техники появляются новые возможности представления рельефа местности. Все большую популярность приобретает трехмерная визуализация модели рельефа, так как она дает возможность даже профессионально неподготовленным людям, получить достаточно полное представление о рельефе. Современные технологии трехмерной визуализации позволяют «взглянуть» на рельеф местности из любой точки пространства, под любым углом, а также «полетать» над местностью .

С момента развития информационных систем и технологий, а так же развития спутниковой отрасли, появились различные методы и способы, дающие возможность построения ЦМР. Существует два кардинально различающихся способа получения данных для построения цифровых моделей рельефа.

Первый способ - это методы дистанционного зондирования и фотограмметрия. К таким методам создания ЦМР, относиться метод радиолокационной интерферометрии. Он основан на использовании фазовой компоненты радиолокационного сигнала, отраженного от поверхности Земли. Точность восстановления ЦМР интерферометрическим методом составляет единицы метров, причем в зависимости от характера местности и уровня шумов сигнала она меняется. Для сглаженной поверхности и для интерферограммы высокого качества точность восстановления рельефа может достигать нескольких десятков сантиметров. Так же существует метод стереоскопической обработки радиолокационных данных. Для работы модуля необходимо наличие двух радарных изображений снятых с разными углами наклона луча. Точность восстановления ЦМР стереоскопическим методом зависит от размера элемента пространственного разрешения снимка. Технология воздушного лазерного сканирования (ВЛС) - наиболее быстрый полный и достоверный способ сбора пространственно - геометрической информации о труднодоступных (заболоченные и залесённых) территориях. Метод обеспечивает получение точных и детальных данных и о рельефе и о ситуации. Сегодня технология ВЛС позволяет в кратчайшие сроки получить полную пространственно-геометрическую информацию о рельефе местности, растительном покрове, гидрографии и всех наземных объектах в полосе съёмки .

Второй способ - построение моделей рельефа путем интерполяции отцифрованых изолиний из топографических карт. Этот подход также не нов, имеет свои сильные и слабые стороны. Из недостатков можно назвать трудоемкость и порой недостаточно удовлетворительную точность моделирования. Но, несмотря на эти недостатки можно утверждать, что оцифрованные топографические материалы еще несколько лет будут безальтернативными источниками данных для подобного моделирования .

4 Национальные и глобальные ЦМР

Общедоступность данных и технологии построения ЦМР, дают возможность многим странам на создание национальных моделей рельефа используемых для личных нужд страны, примерами таких стран являются США, Канада, Израиль, Дания и некоторые другие страны. Одним из лидеров в сфере создания и использования ЦМР являются США. В настоящее время национальной топографо-картографической службой страны - Геологической съемкой США (U.S. Geological Survey) - производятся пять наборов данных, представляющих ЦМР в формате DEM (Digital Elevation Model) и различающихся по технологиям, разрешению и пространственному охвату. Ещё одним примером успешного опыта национальной ЦМР может служить ЦМР Дании. Первая цифровая модель рельефа Дании была создана в 1985 г. для решения задачи оптимального размещения трансляторов сети мобильной связи. Цифровые модели рельефа в форме матриц высотных отметок входят в состав наборов базовых пространственных данных практически всех национальных и региональных ИПД (информационно пространственных данных). На современном уровне развития технологий шаг сетки высотных отметок в национальных ЦМР достигает 5 м. ЦМР с подобным пространственным разрешением полностью готовы или будут готовы в ближайшее время для таких крупных территорий, как Европейский союз и США. Целесообразность установленного в нашей стране ограничения на детальность рельефа теряется в условиях, когда на мировом рынке можно приобрести свободно распространяемую глобальную ЦМР ASTGTM с шагом сетки высотных отметок около 30 м (одна угловая секунда). К тому же ожидается, что разрешение общедоступных ЦМР будет неуклонно расти. В качестве возможного временного решения проблемы предлагается сохранить режим секретности для наиболее детальной базовой ЦМР и свободно распространять менее детальные ЦМР, созданные на основе базовой; поэтапно снижать порог секретности ЦМР в зависимости от точности представления рельефа и площади покрываемого ею участка .

2. Данные SRTM

radar topographic mission (SRTM) - Радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы, с борта космического корабля многоразового использования «Шаттл». Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. В течение этого времени с помощью метода называемого радарной интерферометрией, было собранно огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Результатом съемки стала цифровая модель рельефа 85 процентов поверхности Земли (рис.9). Но определенное количество информации уже доступно пользователям. SRTM - международный проект, возглавленный Национальной Геопространственной Спецслужбой (NGA), НАСА, итальянским космическим агентством (ASI) и немецким Космическим Центром .

Рис. 2.1. Схема покрытия территории Земли съемкой SRTM .

1 Версии и номенклатура данных

Данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительные (версия 1, 2003 г) и окончательная (версия 2, февраль 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку, выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Данные распространяются в нескольких вариантах - сетка с размером ячейки 1 угловая секунда и 3 угловые секунды. Более точные односекундные данные (SRTM1) доступны на территорию США, на остальную поверхность земли доступны только трехсекундные данные (SRTM3). Файлы данных представляют собой матрицу из 1201´1201 (или 3601´3601 для односекундной версии) значений, которая может быть импортирована в различные программы построения карт и геоинформационные системы. Кроме того, существует версия 3, распространяемая в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff, квадратами 5´5 в датуме WGS84. Эти данные получены организацией CIAT из оригинальных высотных данных USGS/NASA путем обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные.

Номенклатура данных производиться таким образом, название квадрата данных версий 1 и 2 соответствует координатам его левого нижнего угла, например: N45E136,где N45 является 45 градусов северной широты, а E136 является 136 градусов восточной долготы, буквы (n) и (e) в имени файла обозначают, соответственно, северное и восточное полушария.. Название квадрата данных обработанной версии (CGIAR) соответствует номеру квадрата из расчета 72 квадрата по горизонтали (360/5) и 24 квадрата по вертикали (120/5). Например: srtm_72_02.zip /крайне правый, один из верхних квадратов. Определить нужный квадрат можно используя сетку-разграфку (Рис.11.) .

Рис.2.1.1. Схема покрытия SRTM4 .

2 Оценка точности данных SRTM

Общедоступными являются значения высот в углах ячейки размером 3 на 3. Точность высот заявлена не ниже 16 м, но тип оценки этой величины - средняя, максимальная, средняя квадратическая ошибка (СКО) - не пояснен, что и не удивительно, поскольку для строгой оценки точности необходимы либо эталонные значения высот примерно такой же степени охвата, либо строгий теоретический анализ процесса получения и обработки данных. В связи с этим, анализ точности матрицы высот SRTM проводился не одним коллективом ученых разных стран мира. По оценкам А.К. Корвэула и И. Эвиака высоты SRTM имеют ошибку, которая для равнинной местности в среднем составляет 2,9 м, а для холмистой - 5,4 м. Причем значительная часть этих ошибок включает систематическую составляющую. Согласно их выводам, матрица высот SRTM подходит для построения горизонталей на топографических картах масштаба 1:50000 Но на некоторых территориях высоты SRTM по своей точности примерно соответствуют высотам, полученным с топографической карты масштаба 1:100000, а также может использоваться при создании ортофотопланов по космическим снимкам высокого разрешения, снятых с незначительным углом отклонения от надира .

2.3 Использование данных SRTM для решения прикладных задач

Данные SRTM могут решать в различные прикладные задачи, различной степени сложности, например: для использования их при построении ортофотопланов, для оценки сложности предстоящих топографо-геодезических работ, планирования их проведения, а также могут оказать помощь при проектировании расположения профилей и других объектов еще до проведения топосъемки, полученные по результатам радарной съемки SRTM значения превышений точек местности могут быть использованы для обновления топоосновы территорий, где отсутствуют данные детальных топографо-геодезических работ. Этот вид данных является универсальных источником для моделирования земной поверхности, главным образом для построения цифровых моделей рельефа и цифровых моделей местности, но вопрос применимости радарных высотных данных SRTM в качестве альтернативы стандартным методам построения цифровой модели местности и рельефа, на наш взгляд, должен решаться в каждом случае индивидуально, в зависимости от поставленной задачи, характеристик рельефа и требуемой точности высотной привязки .

3. Применение SRTM при создании геоизображений

1 Понятие геоизображений

Прогресс геоинформационного картографирования, дистанционного зондирования и средств познания окружающего мира. Съёмка в любых масштабах и диапазонах, с различным пространственным охватом и разрешением ведутся на земле и под землёй, на поверхности океанов и под водой, с воздуха и из космоса. Всё множество карт, снимков и других подобных моделей можно обозначить одним общим термином - геоизображение.

Геоизображение - это любая пространственно - временная, масштабная, генерализованная модель земных или планетных объектов или процессов, представленная в графической образной форме.

Геоизображения представляют недра Земли и её поверхность, океаны и атмосферу, педосферу, социально - экономическую сферу и области их взаимодействия.

Геоизображения подразделяют на три класса:

Плоские, или двумерные, - карты, планы, анаморфозы, фотоснимки, фотопланы, телевизионные, сканерные, радиолокационные и другие дистанционные изображения.

Объёмные, или трёхмерные, - анаглифы, рельефные и физиографические карты, стереоскопические, блоковые, голографические модели.

Динамические трёх и четырёхмерные - анимации, картографические, стереокартографические фильмы, киноатласы, виртуальные изображения.

Многие из них вошли в практику, другие появились недавно, третьи ещё в стадии разработки. Вот и в данной курсовой работе нами были построены двумерные и трёхмерные геоизображения .

3.2 Построение цифровой модели рельефа на территорию Саратовского

и Энгельского района

Сначала скачиваем общедоступные данные SRTM дополнительной обработки версии 2, на открытом для любого пользователя сети Интернет-портале (#"justify">В дальнейшем открываем скаченный фрагмент в программе Global Mapper, выбираем функцию «File» дальше «Export Raster and Elevation Data» - «Export Dem» (Рис.12), данный ряд операций был проделан для того чтобы скаченные данные перевести в формат DEM, который доступен для чтения программой Vertical Mapper в которой и будет проводиться построение модели.

Рис.3.2.1. Экспорт файла в формат DEM, в программе Global Mapper [выполнено автором].

После экспорта данных открываем программу Vertical Mapper, в которой производим дальнейшие действия - Create Grid - Import Grid (Рис.13).

Рис. 3.2.2. Создание Grid - модели в программе Vertical Mapper [выполнено автором].

С помощью этих функций мы создаём GRID модель с которой в дальнейшем автором и проводились все операции по созданию ЦМР на территорию Саратовской области, по созданию изолиний и трёхмерной модели рельефа.

Заключение

Цифровая модель рельефа является важной моделирующей функцией в географических информационных системах, так как она даёт возможность решить задачи построения модели рельефа и её использования. Данный вид продукции является полностью трёхмерным отображением реального рельефа местности на момент проведения съёмочных работ, тем самым давая возможность для решения множества прикладных задач: определение любых геометрических параметров рельефа, построение профилей поперечного сечения; проведение проектно-изыскательских работ; мониторинг динамики рельефа. Кроме того, ЦМР широко используются для визуализации территории в виде трехмерных изображений, тем самым, предоставляя возможность для построения виртуальных моделей местности (ВММ).

Актуальность темы курсовой работы обусловлена широкой потребностью географических исследований данных о рельефе в цифровой форме, в связи с возрастающей ролью геоинформационных технологий при решении различных задач, необходимостью повышения качества и эффективности методов создания и использования цифровых моделей рельефа (ЦМР), обеспечения достоверности создаваемых моделей.

В настоящее время существует несколько основных источников данных для построения цифровых моделей рельефа - это путём интерполяции оцифрованных изолиний из топографических карт и метод дистанционного зондирования и фотограмметрия. Метод дистанционного зондирования набирает всё большую силу в решении многих географических задач, таких как построение рельефа по данным спутникового радиолокационного зондирования Земли. Одним из продуктов радиолокационного зондирования Земли, являются общедоступные и свободно распространяемые данные SRTM (Shuttle radar topographic mission), доступные на большую часть территории земного шара с разрешением модели 90 м.

В процессе написания курсовой работы была построена цифровая модель рельефа на территорию Саратовского и Энгельского районов, тем самым решив поставленные задачи построения и доказав возможность создания ЦМР по данным SRTM.

рельеф цифровой радарный геоизображение

Список использованных источников

1. Хромых В.В., Хромых О.В. Цифровые модели рельефа. Томск: ООО «Издательство «ТМЛ-Пресс», подписано к печати 15.12.2007 г. Тираж 200 экз.

Уфимцев Г.Ф., Тимофеев Д.А «Морфология рельефа». Москва: Научный мир. 2004 г.

Б.А. Новаковский, С.В. Прасолов, А.И. Прасолова. «Цифровые модели рельефа реальных и абстрактных геополей». Москва: Научный мир. 2003 г.

А.С. Самардак «Геоинформационные системы». Владивосток ДВГУ, 2005г.-124с.

Геопрофи [Электронный ресурс]: журнал по геодезии, картографии и навигации / Москва. - Электроный журнал. - Режим доступа: #"justify">. Отрасли применения ГИС [Электронный ресурс]: база данных. - Режим доступа:#"justify">. Вишневская Е.А., Елобогеев А.В., Высоцкий Е.М., Добрецов Е.Н. Объединённый институт геологии, геофизики и минерологи Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск. Из материалов международной конференции «Интеркарто - 6» (г. Апатиты, 22-24 августа 2000 года).

ГИС-ассоциация [Электронный ресурс]: база данных. - Режим доступа: #"justify">. GIS LAB ассоциация [Электронный ресурс]: база данных. - Режим доступа: #"justify">10. Jarvis A., H.I. Reuter, A. Nelson, E. Guevara, 2006, Hole-filled seamless SRTM data V3, International Centre for Tropical Agriculture (CIAT)

11. А. М. Берлянт, А.В. Востокова, В.И. Кравцова, И.К. Лурье, Т.Г. Сваткова, Б.Б. Серапинас «Картоведение». Москва: Аспект Пресс, 2003 г. - 477 с.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ

Геологический разрез - вертикальное сечение земной коры от поверхности в глубину. Геологические разрезы составляются по геологическим картам, данным геологических наблюдений и горных выработок (в т.ч. буровых скважин), геофизических исследований и др. Геологические разрезы ориентируют главным образом вкрест или по простиранию геологических структур по прямым или ломаным линиям, проходящим при наличии глубоких опорных буровых скважин через эти скважины. На геологические разрезы оказывают условия залегания, возраст и состав горных пород. Горизонтальные и вертикальные масштабы геологических разрезов обычно соответствуют масштабу геологической карты. При проектировании горных предприятий, инженерно-геологических изысканиях из-за несопоставимости мощностей рыхлых отложений и протяженности профилей их вертикальный масштаб увеличивают по сравнению с горизонтальным в десятки и более раз.

SURFER В ГЕОЛОГИИ

Геоинформационная система Golden Software Surfer в настоящее время является отраслевым стандартом построения графических изображений функций двух переменных. Мало найдётся предприятий в геологической отрасли, которые не использовали бы Surfer в своей повседневной практике при построении карт. Особенно часто с помощью Surfer создаются карты в изолиниях (контурные карты).

Непревзойдённым достоинством программы являются заложенные в неё алгоритмы интерполяции, которые позволяют с высочайшим качеством создавать цифровые модели поверхности по неравномерно распределённым в пространстве данным. Наиболее часто используемый при этом метод - Kriging - идеально подходит для представления данных во всех науках о Земле.

Логику работы с пакетом можно представить в виде трех основных функциональных блоков:

• · 1. Построение цифровой модели поверхности;
• · 2. Вспомогательные операции с цифровыми моделями поверхности;
• · 3. Визуализация поверхности.

Цифровая модель поверхности традиционно представляется в виде значений в узлах прямоугольной регулярной сетки, дискретность которой определяется в зависимости от конкретной решаемой задачи. Для хранения таких значений Surfer использует собственные файлы типа GRD (двоичного или текстового формата), которые уже давно стали стандартом для пакетов математического моделирования.

Возможно три варианта получения значений в узлах сетки:

• · 1) по исходным данным, заданным в произвольных точках области (в узлах нерегулярной сетки), с использованием алгоритмов интерполяции двухмерных функций;
• · 2) вычисление значений функции, заданной пользователем в явном виде. В состав программы Surfer входит достаточно широкий набор функций - тригонометрических, Бесселя, экспоненциальных, статистических и некоторых других;
• · 3) переход от одной регулярной сетки к другой, например при изменении дискретности сетки (здесь, как правило, используются достаточно простые алгоритмы интерполяции и сглаживания, так как считается, что переход выполняется от одной гладкой поверхности к другой).

Кроме того, разумеется, можно использовать готовую цифровую модель поверхности, полученную пользователем, к примеру, в результате численного моделирования.

Пакет Surfer предлагает своим пользователям несколько алгоритмов интерполяции: Криге (Kriging), Степень обратного расстояния (Inverse Distance to a Power), Минимизация кривизны (Minimum Curvature), Радиальные базовые функции (Radial Basis Functions), Полиномиальная регрессия (Polynomial Regression), Модифицированный метод Шепарда (Modified Shepard"s Method), Триангуляция (Triangulation) и др. Расчет регулярной сетки может выполняться для файлов наборов данных X, Y, Z любого размера, а сама сетка может иметь размеры 10 000 на 10 000 узлов.

В Surfer в качестве основных элементов изображения используются следующие типы карт:

• · 1. Контурная карта (Contour Map). В дополнение к обычным средствам управления режимами вывода изолиний, осей, рамок, разметки, легенды и пр. есть возможность создания карт с помощью заливки цветом или различными узорами отдельных зон. Кроме того, изображение плоской карты можно вращать и наклонять, использовать независимое масштабирование по осям X и Y.
• · 2. Трехмерное изображение поверхности: Wireframe Map (каркасная карта), Surface Map (трёхмерная поверхность). Для таких карт используются различные типы проекции, при этом изображение можно поворачивать и наклонять, используя простой графический интерфейс. На них можно также наносить линии разрезов, изолиний, устанавливать независимое масштабирование по осям X, Y, Z, заполнять цветом или узором отдельные сеточные элементы поверхности.
• · 3. Карт исходных данных (Post Map). Эти карты используются для изображения точечных данных в виде специальных символов и текстовых подписей к ним. При этом для отображения числового значения в точке можно управлять размером символа (линейная или квадратичная зависимость) или применять различные символы в соответствии с диапазоном данных. Построение одной карты может выполняться с помощью нескольких файлов.
• · 4. Карта - основа (Base Map). Это может быть практически любое плоское изображение, полученное с помощью импорта файлов различных графических форматов: AutoCAD [.DXF], Windows Metafile [.WMF], Bitmap Graphics [.TIF], [.BMP], [.PCX], [.GIF], [.JPG] и некоторых других. Эти карты могут быть использованы не только для простого вывода изображения, но также, например, для вывода некоторых областей пустыми.

С помощью разнообразных вариантов наложения этих основных видов карт, их различного размещения на одной странице можно получить самые различные варианты представления сложных объектов и процессов. В частности, очень просто получить разнообразные варианты комплексных карт с совмещенным изображением распределения сразу нескольких параметров. Все типы карт пользователь может отредактировать с помощью встроенных инструментов рисования самого Surfer.

Методика построения структурных карт кровли (подошвы) нефтеносного пласта и его геологического разреза.

• 1. На основе файла построить базовую карту в масштабе в 1 см 1000 метров.
• 2. Оцифровать границы лицензионного участка.
• 3. Оцифровать скважины и сохранить в формате DAT файл «кровля» (колонка А - долгота, колонка В - широта, колонка C - глубина залегания кровли, колонка D - номер скважины, колонка С - тип скважины: эксплуатационные с трехзначным номером, остальные - разведочные)
• 4. Оцифровать линию профиля. Сохранить в формате BLN «линия профиля» с пустой ячейкой В1.
• 5. Создать «Обзорную карту лицензионного участка» со слоями - границы, линия профиля и скважины с подписями.
• 6. К обзорной карте добавить слой «Структурная карту по кровле пласта ЮС2» - сглаженный (с коэффициентом 3 для двух координат), изолинии через 5 метров (приложение 1).
• 7. Создать «Профиль по кровле пласта ЮС2» - масштаб горизонтальный совпадает с масштабом карты, масштаб вертикальный в 1 см 5 метров.

геологический карта профиль программный

Михаил Владимирович Морозов:
персональный сайт

Мат.модели (занятие, карта-1): Построение геохимических карт в Golden Software Surfer (общий подход, этапы и содержание работы, форма отчета)

Курс "Математические методы моделирования в геологии "

Карты-1. Построение геохимических карт в Golden Software Surfer: общий подход, этапы и содержание работы. Форма отчета.
Карты-2. Принципы работы с Golden Software Surfer.

Чтобы найти место скопления полезного металла в земной коре, требуется геохимическая карта. Как ее построить? Для этого необходимы хорошее программное обеспечение и системный подход. Познакомимся с принципами и основными этапами этой работы.

ТЕОРИЯ

Построение геохимической карты в программе Golden Software Surfer.

Исходные данные. Для построения геохимической карты необходимо подготовить электронную таблицу , которая содержит, как минимум, три столбца : первые два содержат географические координаты точек наблюдения (опробования) X и Y, третий столбец содержит картируемую величину, например, содержание химического элемента.

Координаты : в программе Surfer мы используем прямоугольные координаты (в метрах) , хотя в свойствах карты можно выбрать среди возможных систем координат также и различные полярные координаты (в градусах-минутах-секундах). На практике при работе с изображениями на плоском листе бумаге удобнее работать в системе прямоугольных координат в пользовательском формате.

Откуда берутся координаты:
1. При документации точки на месте координаты берутся из топопривязчика GPS или ГЛОНАСС в виде полярных координат (например, в системе координат WGS 84 ). Топопривязчик может нынче иметь вид смартфона, но удобнее и надежнее использовать специальный прибор, который ласково называют "джипиэской".
2. При переносе данных на компьютер из топопривязчика, координаты преобразуются из полярных в используемую систему прямоугольных координат (например, в системах UTM , Пулково-1942 , но можно использовать и местную геодезическую систему, принятую на конкретном предприятии). Для преобразования полярных координат в прямоугольные удобно использовать программу Ozi Explorer .
3. В столбцах электронной таблицы, подготовленной для работы с Surfer, должны располагаться прямоугольные координаты в метрах.

Картируемая величина : для построения учебной карты в изолиниях мы будем использовать логарифм содержания какого-либо химического элемента. Почему логарифм? Потому что закон распределения содержаний микроэлементов почти всегда логарифмический. Разумеется, в реальной работе сперва нужно проверить закон распределения , чтобы выбрать вид величины: исходное значение или его логарифм.

Виды карт, используемые в геохимии . Помимо карты в изолиниях геохимики часто используют некоторые другие типы карт, но не все великое разнообразие типов карт, которые умеет строить Surfer, а только строго определенные. Они перечислены ниже.

1. Карта фактов. Представляет собой набор точек, показывающих места опробования на местности. Около точек можно выводить метки - номера пикетов, но при геохимических поисках точек так много, что обычно метки лишь "засоряют" пространство карты и не приводятся. Для построения карты фактов используем функцию Post Map .

2. Точечная карта содержаний химического элемента. На ней кружками (или другими символами) разных размеров обозначаются разные содержания химического элемента в точках опробования. Если мы используем такую карту, то отдельная карта фактов уже не нужна - точки обеих карт наложатся друг на друга. Точечная карта (или "карта-разноска") строится так, чтобы высокие содержания искомого элемента бросались в глаза. На легенде обозначается соответствие между размером кружка и содержанием элемента в г/т. Помимо размера может изменяться цвет кружка. Каждому типу (размеру, цвету) кружка соответствует назначенный вручную диапазон содержаний. Т.е. разные типы кружков - это разные классы точек по содержаниям элемента. Поэтому инструмент для создания такой карты называется Classed Post Map . Удобно строить карту-разноску поверх карты в изолиниях, чтобы видеть, как последняя (которая является расчетной картой, т.е. построена по результатам интерполяции данных) сочетается с исходными, полученными из лаборатории, т.е. "истинными" содержаниями. Удобно наносить разноску одного важного элемента (например, золота) на карту в изолиниях другого поискового параметра (элемента-спутника, статистического фактора, геофизического параметра и т.п.). Важно: после построения карту типа Classed Post Map нельзя преобразовать в Post Map, наоборот тоже нельзя.

3. Карта в изолиниях. Собственно карта искомого параметра, где разные градации содержаний отображены разными цветными заливками. Также требует легенды, которая связывает цвет заливки с уровнем содержаний. Градации заливок настраиваются вручную. Инструмент - Contour Map . Помимо собственно содержаний элементов (или их логарифмов) в геохимии широко используются карты многоэлементных показателей. Это могут быть мультипликативные коэффициенты (где содержания нескольких элементов перемножаются), карты значений фактора (главной компоненты) и т.п. Собственно, задача геохимика - найти показатель, который позволяет решить геологическую задачу. Коль скоро такие показатели, как правило, выражаются в коллективном поведении элементов, вполне естественно, что моноэлементные карты (т.е. карты одного отдельно взятого элемента) часто менее информативны, чем полиэлементные. Поэтому этап построения карт обычно предваряется этапом статистической обработки данных с получением результатов многомерного статистического анализа, например, МГК (метода главных компонент).

4. Обводка карты. По умолчанию Surfer создает прямоугольную карту. В том случае, если точки опробования не образуют прямоугольник, получается, что область опробования вписана в искусственно созданный прямоугольник, в котором часть площади в реальности не опробовалась. Карта в изолиниях будет построена на всю площадь, поэтому неопробованные участки карты будут содержать фиктивные данные. Чтобы избежать этого, нужно ограничить область построения карты той частью площади, на которую имеются данные опробования. Для этого область опробования нужно оконтурить специальной линией, которая может быть построена вручную. Вывод контура обводки осуществляется посредством функции Base Map .

Этапы построения карты.

3. Построение карты фактов [карта-3]. 5. Построение точечной карты ("карты-разноски") [карта-5]. 9. Построение карты поверхности и ее оформление для достижения оптимальной информативности [карта-6, продолжение].

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Дано : таблица содержаний химического элемента и его логарифмов с координатами точек опробования.

Задание :

1. Построить карту фактов .

2. Построить точечную карту по содержаниям химического элемента , выбрать отображения точек для разных классов.

3. Самостоятельно создать контур площади картирования и построить его .

4. Совместить контур площади, точечную карту элемента и карту фактов в данном порядке в менеджере объектов. Вывести легенду для точечной карты.

5. Построить сеточный файл ("грид") для логарифмов содержаний элемента методом триангуляции , проверить его . Повторить другими методами.

6. Построить вариограмму для построения сеточного файла методом крайгинга , проверить его .

7. Построить сеточный файл ("грид") для логарифмов содержаний элемента методом крайгинга с использованием параметров вариограммы.

8. Сгладить полученный сеточный файл простым фильтром .

9. Восстановить сеточный файл из логарифмов в содержания .

10. Обрезать сеточный файл по созданному ранее контуру .

11. Построить карты поверхности в изолиниях и градиентной заливке по созданным сеточным файлам, добавить легенды.

12. Экспортировать построенные карты как файлы JPG, вставить в отчет в формате Word (DOC).

Форма отчета.

), названная так по имени города Голден в штате Колорадо, где она находится, существует с 1983 года и занимается разработкой пакетов научной графики. Ее первый программный продукт Golden Graphics System, выпущенный в том же году, предназначался для обработки и вывода изображений наборов данных, описываемых двухмерной функцией типа z=f(y,x). Впоследствии этот пакет получил название Surfer, которое сохранилось за ним до нынешних времен. А через два года появился пакет Grapher, предназначенный для обработки и вывода графиков наборов данных и функций типа y=f(x).

Именно эти пакеты для DOS были очень популярны (конечно же, в виде нелегальных копий) в конце 80-х среди советских специалистов, занимающихся различными аспектами математической обработки данных, в первую очередь в рамках широкого круга наук о Земле, таких как геология, гидрогеология, сейсмика, экология, метеорология, а также в других смежных областях.

В это же время и мы начали активно работать с пакетом Surfer 4 для DOS. В отличие от наших коллег из других подразделений (наш институт проводил исследования в области инженерных изысканий в строительстве), которые занимались решением вполне конкретных задач на конкретных объектах и работали с Surfer как с автономным продуктом для конечных пользователей, нас как разработчиков привлекли возможности встроенного использования этого пакета в наших собственных программах.

Идея была очень проста - Surfer мог работать как в диалоговом, так и в пакетном режиме, выполняя определенную последовательность функций на основании данных из командного и информационных файлов. Формируя эти файлы в своих программах, мы могли заставить внешний пакет осуществлять необходимые нам операции. При этом пользователь, просматривая, например, изображение карты изолиний или выдавая ее на печать, даже не подозревал, что работает с каким-то другим пакетом.

В целом Surfer нам очень понравился. Мы и сейчас считаем его классическим образцом отличного программного продукта. Удобный, без архитектурных излишеств диалоговый интерфейс, открытый и понятный интерфейс для программиста, отработанные математические алгоритмы, очень компактный код, скромные запросы к ресурсам. Короче говоря, это был стиль создания ПО, в значительной степени утерянный сегодня, когда не на словах, а на деле чувствовалось уважительное отношение к будущим пользователям. (Нам очень приятно, что стиль этот сохранился и в последующих разработках Golden Software.)

По версии, услышанной в 1994 году на Международной конференции по аналитическим моделям геофильтрации в Индианаполисе, автором Surfer и основателем компании был аспирант-гидрогеолог одного из американских университетов. «Геологические» корни продуктов фирмы представляются почти очевидным фактом.

Вообще-то, город Голден - мал да удал. В нем находятся известный центр подготовки специалистов в области наук о земле Colorado School of Mines и его дочерняя фирма International Ground Water Modeling Center (Международный центр по моделированию подземных вод), которая занимается также созданием, тестированием и распространением гидрогеологических программ (в том числе предоставленных независимыми разработчиками).

Время идет, но, несмотря на достаточно острую конкуренцию, пакеты Golden Software (в первую очередь Surfer) продолжают оставаться очень популярными как в США, так и в других странах. Ссылки на них имеются почти в каждом научном издании или программном продукте, связанном с численным моделированием и обработкой экспериментальных данных.

В 1990 году фирма объявила о прекращении развития версий для DOS и о начале разработки программных продуктов для Windows. В 1991 году появился новый пакет MapViewer (инструмент для анализа и визуализации географически распределенной числовой информации и построения информативных тематических карт - Thematic Mapping Software), а затем вышли Windows-версии уже известных пакетов: в 1993 году - Grapher 1.0, а в 1994 году - Surfer 5.0. В 1996 году был выпущен еще один новый продукт - Didger (оцифровка графической информации), который очень удачно дополнял функциональность других программ Golden Software.

Здесь, однако, следует подчеркнуть, что, прекратив развитие версий для DOS, фирма продолжала их поддержку до 1995 года: продажа лицензионных копий, консультации и пр. Такое уважительное отношение к пользователю (продавать то, что нужно клиенту, а не работать по принципу «бери что есть»), согласитесь, встречается сегодня нечасто.

В целом Golden Software представляет собой весьма поучительный пример устойчивого положения небольшой компании, ведущей разработку и реализацию своих программных продуктов в своей «экологической нише» мирового компьютерного рынка.

Более того, следует отметить, что появление мощных систем, которые вроде бы делают «все-все-все» (например, включение графических средств в электронные таблицы или ГИС с их возможностями обработки картографической информации), не поколебало позиций небольших специализированных программных пакетов. Такое специализированное ПО существенно превосходит большие интегрированные системы по функциональным возможностям и удобству работы. Последнее преимущество особенно актуально при анализе огромного объема экспериментальных данных, а не просто при формировании результатов исследований в виде презентационной графики. К этому следует добавить и более скромные запросы подобных программ с точки зрения мощности компьютера и его цены.

Сейчас фирма Golden Software предлагает четыре продукта для Windows 95/98/NT: Surfer 6.0, Grapher 2.0, MapViewer 3.0 и Didger 1.0. Именно о них и пойдет речь в нашем обзоре.

Пакет Surfer - обработка и визуализация двухмерных функций

Версия Surfer 5.0 для Windows 3.x была выпущена в 1994 году. Год спустя, одновременно с выходом Windows 95, вышел пакет Surfer 6.0, который был представлен двумя вариантами - 32-разрядным для работы в среде Windows NT и Windows 95 и 16-разрядным для Windows 3.1. При установке пакета пользователь может либо выбрать нужную версию программы сам, либо доверить это инсталляционной программе, которая определит конфигурацию системы и выбор версии автоматически. Описание пакета мы построим следующим образом: сначала расскажем о возможностях версии 5.0, а затем - о новшествах Surfer 6.0.

Основным назначением Surfer является обработка и визуализация двухмерных наборов данных, описываемых функцией типа z=f(x, y). Логику работы с пакетом можно представить в виде трех основных функциональных блоков: а) построение цифровой модели поверхности; б) вспомогательные операции с цифровыми моделями поверхности; в) визуализация поверхности.

Построение цифровой модели поверхности

При всей эффектности графической визуализации данных изюминкой подобных пакетов, безусловно, является реализованный в них математический аппарат. Дело в том, что, не получив ясного ответа на вопрос: «Какой метод заложен в основе преобразования данных и где можно увидеть оценку достоверности всех этих преобразований?», пользователь (в данном случае, скорее всего, научный работник), возможно, уже не будет интересоваться всеми остальными достоинствами программы.

Цифровая модель поверхности традиционно представляется в виде значений в узлах прямоугольной регулярной сетки, дискретность которой определяется в зависимости от конкретной решаемой задачи. Для хранения таких значений Surfer использует собственные файлы типа GRD (двоичного или текстового формата), которые уже давно стали своеобразным стандартом для пакетов математического моделирования.

В принципе, возможно три варианта получения значений в узлах сетки; все они реализованы в пакете:

1. по исходным данным, заданным в произвольных точках области (в узлах нерегулярной сетки), с использованием алгоритмов интерполяции двухмерных функций;
2. вычисление значений функции, заданной пользователем в явном виде; в состав пакета входит достаточно широкий набор функций - тригонометрических, Бесселя, экспоненциальных, статистических и некоторых других (рис. 1);
3. переход от одной регулярной сетки к другой, например, при изменении дискретности сетки (здесь, как правило, используются достаточно простые алгоритмы интерполяции и сглаживания, так как считается, что переход выполняется от одной гладкой поверхности к другой).

Кроме того, разумеется, можно использовать готовую цифровую модель поверхности, полученную пользователем, к примеру, в результате численного моделирования (это достаточно частый вариант использования пакета Surfer в качестве постпроцессора).

Первый вариант получения сеточной модели чаще всего встречается в практических задачах, и именно алгоритмы интерполяции двухмерных функций при переходе от нерегулярной сетки к регулярной являются «козырем» пакета.

Дело в том, что процедура перехода от значений в дискретных точках к поверхности является нетривиальной и неоднозначной; для различных задач и типов данных требуются разные алгоритмы (вернее, не «требуются», а «лучше подходят», так как на 100%, как правило, ни один не годится). Таким образом, эффективность программы интерполяции двухмерных функций (это относится и к проблеме одномерных функций, но для двухмерных все гораздо сложнее и разнообразнее) определяется следующими аспектами:

1. набором разнообразных методов интерполяции;
2. возможностью исследователя управлять различными параметрами этих методов;
3. наличием средств оценки точности и достоверности построенной поверхности;
4. возможностью уточнить полученный результат на основе личного опыта эксперта с учетом разнообразных дополнительных факторов, которые не могли быть отражены в виде исходных данных.

Пакет Surfer 5.0 предлагает своим пользователям семь алгоритмов интерполяции: Крикинг (Kriging), Инверсные расстояния (Inverse Distance), Минимизация кривизны (Minimum Curvature), Радиальные базовые функции (Radial Basis Functions), Полиномиальная регрессия (Polynomial Regression), Метод Шепарда (Shepard’s Method, представляющий собой комбинацию метода Инверсных расстояний со сплайнами) и Триангуляция (Triangulation). Расчет регулярной сетки теперь может выполняться для файлов наборов данных X, Y, Z любого размера, а сама сетка может иметь размеры 10 000х10 000 узлов.

Увеличение числа методов интерполяции позволяет значительно расширить круг решаемых задач. В частности, метод Триангуляции может быть использован для построения поверхности по точным значениям исходных данных (например, поверхность Земли по данным геодезической съемки), а алгоритм Полиномиальной регрессии - для анализа тренда поверхности.

При этом обеспечены широкие возможности по управлению методами интерполяции со стороны пользователя. В частности, наиболее популярный в обработке экспериментальных данных геостатистический метод Крикинга теперь включает возможность применения различных моделей вариограмм, использования разновидности алгоритма со сносом, а также учета анизотропии. При расчете поверхности и ее изображения можно также задавать границу территории произвольной конфигурации (рис. 2).

Кроме того, имеется встроенный графический редактор для ввода и коррекции значений данных сеточной области, при этом пользователь сразу видит результаты своих действий в виде изменения карты изолиний (рис. 3). Для целого класса задач (особенно связанных с описанием природных данных), которые, как правило, невозможно описать точной математической моделью, эта функция часто является просто необходимой.

Ввод данных выполняется из файлов форматов [.DAT] (Golden Software Data), [.SLK] (Microsoft SYLK), [.BNA] (Atlas Boundary) или простого текстового ASCII-файла, а также из электронных таблиц Excel [.XLS] и Lotus [.WK1, .WKS]. Исходная информация может также вводиться или редактироваться с помощью встроенной электронной таблицы пакета, при этом возможны дополнительные операции с данными, например сортировка, а также преобразование чисел с помощью задаваемых пользователем уравнений.

Вспомогательные операции с поверхностями

В Surfer для Windows реализован большой набор дополнительных средств преобразования поверхностей и различных операций с ними:

• вычисление объема между двумя поверхностями;
• переход от одной регулярной сетки к другой;
• преобразование поверхности с помощью математических операций с матрицами;
• рассечение поверхности (расчет профиля);
• вычисление площади поверхности;
• сглаживание поверхностей с использованием матричных или сплайн-методов;
• преобразование форматов файлов;
• целый ряд других функций.

Оценку качества интерполяции можно произвести с помощью статистической оценки отклонений исходных точечных значений от результирующей поверхности. Кроме того, для любого подмножества данных можно произвести статистические расчеты или математические преобразования, в том числе с использованием функциональных выражений, задаваемых пользователем.

Визуализация изображений поверхности

Поверхность можно графически представить в двух видах: карты изолиний или трехмерного изображения поверхности. При этом в основе работы Surfer лежат следующие принципы их построения:

1. получение изображения путем наложения нескольких прозрачных и непрозрачных графических слоев;
2. импорт готовых изображений, в том числе полученных в других приложениях;
3. использование специальных инструментов рисования, а также нанесение текстовой информации и формул для создания новых и редактирования старых изображений.

Использование многооконного интерфейса позволяет выбрать наиболее удобный режим работы. В частности, можно одновременно наблюдать числовые данные в виде электронной таблицы, карту, построенную на базе этих данных, и справочную информацию из текстового файла (рис. 4).

В Surfer 5.0 в качестве основных элементов изображения используются следующие типы карт:

1. Карта изолиний (Contour Map). В дополнение к уже традиционным средствам управления режимами вывода изолиний, осей, рамок, разметки, легенды и пр. здесь реализована возможность создания карт с помощью заливки цветом или различными узорами отдельных зон (рис. 5). Кроме того, изображение плоской карты можно вращать и наклонять, использовать независимое масштабирование по осям X и Y.
2. Трехмерное изображение поверхности (3D Surface Map). Для таких карт используются различные типы проекции, при этом изображение можно поворачивать и наклонять, используя простой графический интерфейс. На них можно также наносить линии разрезов, изолиний (рис. 6), устанавливать независимое масштабирование по осям X, Y, Z, заполнять цветом или узором отдельные сеточные элементы поверхности.
3. Карта исходных данных (Post Map). Эти карты используются для изображения точечных данных в виде специальных символов и текстовых подписей к ним. При этом для отображения числового значения в точке можно управлять размером символа (линейная или квадратичная зависимость) или применять различные символы в соответствии с диапазоном данных (рис. 7). Построение одной карты может выполняться с помощью нескольких файлов.
4. Карта основы (Base Map). Это может быть практически любое плоское изображение, полученное с помощью импорта файлов различных графических форматов: AutoCAD [.DXF], DOS Surfer [.BLN, .PLT], Atlas Boundary [.BNA], Golden Software MapViewer [.GSB], Windows Metafile [.WMF], USGS Digital Line Graph [.LGO], Bitmap Graphics [.TIF], [.BMP], [.PCX], [.GIF], [.JPG], [.DCX], [.TGA] и некоторых других. Эти карты могут быть использованы не только для простого вывода изображения, но также, например, для вывода некоторых областей пустыми. Кроме того, при желании эти карты можно использовать для получения границ при выполнении расчетов поверхности, ее преобразовании, рассечении и пр.

С помощью разнообразных вариантов наложения этих основных видов карт, их различного размещения на одной странице можно получить самые различные варианты представления сложных объектов и процессов. В частности, очень просто получить разнообразные варианты комплексных карт с совмещенным изображением распределения сразу нескольких параметров (рис. 8). Все типы карт пользователь может отредактировать с помощью встроенных инструментов рисования самого Surfer.

Очень эффектным и удобным для анализа является также представление нескольких карт в виде объемной «этажерки». Причем это может быть как различное представление одних и тех же наборов данных (например, трехмерное изображение плюс цветная карта изолиний: рис. 9), так и серия разных наборов, например площадное распределение одного параметра в разные моменты времени или нескольких различных параметров (рис. 10).

Все эти возможности представления изображений могут быть очень полезны при сравнительном анализе влияния различных методов интерполяции или их отдельных параметров на вид результирующей поверхности (рис. 11).

Отдельно следует затронуть проблему использования русских шрифтов. Дело том, что шрифты SYM, поставляемые с пакетом, естественно, не русифицированы, поэтому приходится пользоваться шрифтами Windows типа TrueType. Но для некоторых режимов вывода изображений они не подходят, например, при выводе текста под углом символы иногда искажаются до неузнаваемости. В этом случае лучше применять векторные шрифты SYM с начертанием одинарной линией (они всегда хорошо видны), а в готовом виде имеются только латинские. Однако существует достаточно простое решение этой проблемы.

В версии Surfer для DOS имелась специальная утилита ALTERSYM для создания собственных наборов шрифтов SYM (к сожалению, она исчезла в версии для Windows, поэтому можно воспользоваться DOS’овской версией). Но она позволяет создавать и редактировать только основной набор символов (ASCII-коды 32-127). Мы в свое время решили эту проблему для версии DOS следующим образом: написали утилиту, которая создает полный набор символов (1-255) из файлов-заготовок, созданных программой ALTERSYM, с которым прекрасно работают модули вывода VIEW и PLOT . Этот подход вполне годится и для Windows-версии Surfer.

Полученные графические изображения можно вывести на любое печатающее устройство, поддерживаемое Windows, или выдать в файл формата AutoCAD [.DXF], Windows Metafile [.WMF], Windows Clipboard [.CLP], а также - HP Graphics Language [.HPGL] и Encapsulated PostScript [.EPS]. Двухсторонний обмен данными и графикой с другими Windows-приложениями может выполняться также через Буфер обмена Windows. Кроме того, графические изображения, подготовленные в Surfer, можно экспортировать в пакет MapViewer, наложить на него карту территории и получить карту распределения этого параметра на конкретной территории (рис. 12 и ).

Макросредства управления пакетом

В Surfer 5.0, созданном еще в 1994 году, почти одновременно с офисными пакетами Microsoft Office 4.0 была реализована объектная компонентная модель на основе поддержки механизма OLE 2.0 Automation (то, что сегодня называется ActiveX). Это обеспечивает возможность интегрированного применения Surfer в качестве ActiveX-сервера в комплексных системах обработки данных и моделирования.

На любом языке, который также поддерживает этот механизм (например, Visual Basic, C++ или Visual Basic for Applications), можно написать управляющий макрофайл для Surfer. В частности, с помощью набора макрофайлов можно выполнять в автоматическом режиме некоторые часто повторяющиеся задания. Или же такой файл может формироваться в процессе выполнения какой-либо прикладной расчетной программы для автоматической обработки и визуализации данных.

Например, следующая функция, написанная на VB, выполняет создание карты изолиний и вставку ее изображения в электронную таблицу с именем «Sheet1»:

• Function MakeMap();
• определение переменной Surf в качестве объекта Dim Surf as Object;
• установка соответствия между переменной Surf и программой Surfer Set Surf = CreatObject(«Surfer.App») GrdFile$ = «c:\winsurf\demogrid.grd»;
• имя входного GRD-файла;
• выполнение макрокоманд пакетом Surfer Surf.MapCountour(GrdFile$);
• построить карту изолиний Surf.Select;
• выделить изображение Surf.EditCopy;
• скопировать выделенное изображение в Буфер обмена;
• это уже команда Excel - вставить изображение из Буфера обмена в текущую позицию таблицы Sheet1 Worksheets(«Sheet1»).Picture.Paste End Function.

Смысл этой процедуры достаточно ясен. Сначала переменная Surf определяется как объект, и ей ставится в соответствие пакет Surfer (Surfer.App). Далее идут команды, которые VBA уже интерпретирует как обращение к функциям Surfer (их названия соответствуют командам, которые пользователь выбирает в режиме диалога), выполняющимся через механизм ActiveX.

Кроме того, пакет Surfer имеет собственный макроязык, который фактически является разновидностью VBA и используется для написания управляющих запросов в специальной программе SG Scripter (файл GSMAC.EXE). Например, с помощью такой простой программы можно реализовать макрокоманду, которая автоматически выполняет построение карт изолиний для одного набора исходных данных, используя все семь методов интерполяции:

• создание объекта Surfer Set Surf = CreateObject («Surfer.App»);
• построение карты каждым методом интерполяции;
• для файла исходных данных DEMOGRID.DAT For Method = 0 to 6;
• открыть новый документ рисования Surf.FileNew();
• расчет GRD-файла текущим методом интерполяции If Surf.GridData(«DEMOGRID.DAT», GridMethod= Method,_ OutGrid=»SAMPLE») = 0 Then End;
• построение карты изолиний If Surf.MapContour («SAMPLE») = 0 Then End Next.

Запуск в автоматическом режиме подобных заданий, которые представлены в виде программы, написанной в GS Scripter, можно выполнить либо из командной строки:

C:\winsurf\gsmac.exe /x task.bas,

либо из любого приложения командой SHELL:

SHELL («c:\winsurf\gsmac.exe /x task.bas»)

(ключ /x указывает на необходимость автоматического выполнения программы task.bas).

Программа GS Scripter может также использоваться для управления любыми другими программами, поддерживающими ActiveX (например, для работы с MS Office).

Новшества Surfer 6.0

Как мы уже говорили, Surfer 6.0 представлен 16- и 32-разрядной версиями. Однако помимо этого появилось несколько полезных функциональных расширений. В первую очередь следует отметить возможность использования еще двух типов карт фоновой основы при построении плоских изображений: Image Map (Карта изображения) и Shaded Relief Map (Затененная карта рельефа).

Встроенные средства рисования Image Map делают процедуру создания цветных карт достаточно простой и быстрой. При этом можно использовать многоцветное заполнение изображений, в том числе с помощью цветовых комбинаций, созданных самим пользователем.

Но особенно впечатляют возможности карты Shaded Relief Map, позволяющей получать непосредственно в среде Surfer изображения типа высококачественных фотографий (рис. 14), которые можно применять как для совместного использования с картами изолиний, так и автономно. При этом пользователь может управлять всеми параметрами, необходимыми для создания наиболее выразительных изображений, включая местоположение источника света, относительный градиент наклона, тип затенения и цвет. У пользователя пакета появилось также больше возможностей по визуализации данных и компоновке различных изображений на одном экране (рис. 15).

Расширен набор вспомогательных операций при обработке цифровой поверхности. Используя новые функции Grid Calculus (Обработка регулярной сетки), можно определять наклон, кривизну и линию горизонта обзора в конкретной точке поверхности, а также вычислять первые и вторые производные для функций Фурье и спектрального анализа. А дополнительные средства Grid Utilities позволяют преобразовывать, смещать, масштабировать, вращать и зеркально отображать данные в GRD-файлах (формат для хранения значений в узлах регулярной сетки). После этого можно сделать любую выборку подмножества набора данных по номерам столбцов и колонок или просто произвольных узлов сетки.

С точки зрения математического аппарата построения поверхности очень важным представляется реализация еще одного алгоритма интерполяции - Ближайший сосед (Nearest Neighbor), а также трех уровней вложения вариограмм, что позволяет создавать более 500 результирующих комбинаций.

Созданные ранее изображения на основе различных типов карт (Contour Map, Shaded Relief Map, Post Map, Image Map) можно использовать в качестве шаблона путем подстановки в уже существующие карты нового GRD-файла. Кроме того, теперь, объединив в начале в одно изображение несколько слоев различных карт, можно затем разделить их на исходные элементы и переделать на основе новых данных.

Из чисто сервисных функций следует выделить возможность занесения данных оцифровки линий границ и произвольных точек с экрана прямо в ASCII-файл, а также автоматическое создание легенды для различных типов точек карты Post Map. В качестве цифровой модели поверхности теперь можно импортировать файлы формата Digital Elevation Model (DEM) прямо из Internet (или любого другого источника информации). И, наконец, новые форматы экспорта данных позволяют сохранять изображения карт практически во всех растровых форматах (PCX, GIF, TIF, BMP, TGA, JPG и многих других).

Продолжение следует

КомпьютерПресс 2"1999