Компьютерные технологии в геологии

Типы пространственных задач, которые решаются в геологии с применением геоинформационных систем, можно с достаточной степенью условности подразделить на пять групп:
Создание карт распределения геологической продукции и информации:
а) по административным районам;
б) по геологическим структурам.
Создание всех видов собственно геологических и тематических карт.
Мониторинг различных аспектов геологической среды.
Районирования территорий.
Создание 3D моделей геологических объектов для подсчета запасов полезных ископаемых.
Основные направления применения ГИС-технологий

Создание 3D моделей геологических объектов для подсчета запасов полезных ископаемых.

С помощью дополнительного модуля 3D Analyst в ArcGIS имеется возможность построения трехмерных моделей геологических объектов и осуществления процедур анализа геолого-геофизических данных в трехмерном пространстве: вычисления объемов и площадей 3D объектов, изучения особенностей морфологии объектов и их распределения в 3D пространстве.
ArcGIS позволяет осуществлять моделирование следующих типов трехмерных объектов:
функциональные поверхности;
дискретные объекты 3D (точки, линии, полигоны);
каркасные модели объемных тел.
Геоинформационная система ArcGIS

Моделирование функциональных поверхностей
Функциональные поверхности – это непрерывные поверхности, которые имеют только одно Z-значение для каждой пары координат X,Y.
В ГИС используются 2 способа представления непрерывных поверхностей по конечному набору точек.
Триангуляционные сети Регулярно-ячеистые модели
Модель GRID
2D
3D
2D
3D

TIN – векторная топологическая структура данных
1. TIN модели
TIN-модели используются для точного моделирования небольших участков поверхности.
TIN хранятся в файловой системе компьютера и не могут быть включены в базу геоданных.
TIN-модели создаются только в системах координат проекций.

Гриды используют для моделирования поверхностей квадратные регулярные сети.
Структура GRID – моделей полностью соответствует структуре растровых данных
Значение ячейки относится к ее центральной точке
Представление грид в файловой системе
1. GRID модели

Выбор плотности сети следует производить в соответствии с исходными данными или требуемым масштабом карты.
Если известен масштаб, в котором надо изобразить карту, то шаг между линиями сетки надо задать равным тому количеству единиц карты, которые помещаются в 1 мм изображения.
Например, при масштабе 1:50 000 это 50 м.
Если требуемый масштаб заранее не известен, то шаг между линиями сетки можно задать равным половине среднего расстояния между точками данных.

Моделирование 3D точечных, линейных и полигональных объектов осуществляется с помощью создания трехмерных векторных наборов данных, в которых Z-значения встроены в геометрию (поле Shape) класса пространственных объектов.
Моделирование дискретных 3D объектов
3D
2D
Способы создания трехмерных векторных данных

Создание каркасных моделей трехмерных объектов
Геоинформационные системы позволяют создавать поверхности объемных моделей среды, или каркасные модели 3D объектов. В отличие от функциональных поверхностей такие модели могут хранить несколько значений z для каждой пары координат x, y. ArcGIS может отображать 3D модели в качестве пространственных объектов в классе объектов - мультипатчей.
Мультипатч – это ГИС объект, в котором хранится коллекция патчей, отображающих границы 3D объекта. Геометрическая информация, которая хранится в патче, может быть в виде треугольников, вееров треугольников, полос треугольников или колец. Мультипатча сохраняются в формате шейп-файла или класса пространственных объектов базы геоданных.
2D
2D
3D
3D
Треугольники
Кольца
Веер треугольников
Веер треугольников

Полигон
Создание модели пласта
3D
Инструменты 3D Analyst < Триангуляционная поверхность < Блок-диаграмма
Мультипатч
TIN подошвы
TIN кровли
Построение 3D буферов
Инструменты 3D Analyst < 3D объекты < 3D буфер
Создаются замкнутые объекты - мультипатчи:
сферы для точек;
цилиндрические объекты для линий
Мультипатчи
3D точки, 3D линии

Анализ морфологии поверхностей
TIN модель
Рельеф
Уклон
Экспозиция
Способы представления
Анализ морфологии триангуляционных и grid моделей поверхностей можно осуществить с помощью инструментов 3D Analyst.
Грид - модель
Карта изолиний

Поверхность
насыпей и выемок
Определение площади и объемы изменений между двумя грид моделями поверхностей осуществляется с помощью инструмента Объем насыпей и выемок. В результате создается бинарный растр.
1. Функция Разница поверхностей вычисляет площади и объемы изменений между двумя моделями поверхностей. В результате создается векторный слой полигональных объектов.
Размыв
Накопление
Вычисление изменений площадей и объемов
Последующая
поверхность
Предыдущая
поверхность
2. Инструмент Объем полигона определяет объем и площадь поверхности между моделью поверхности и полигоном. В таблице атрибутов полигона должно быть поле, определяющее высоту базового плана, используемого при вычислениях объема.
GRID модели
Модели TIN и Terrain
Таблица атрибутов полигонального слоя

Операции над грид - моделями
С помощью инструментов дополнительного модуля Spatial Analyst можно осуществлять различные операции над грид – моделями поверхностей. Наибольшее применение получил Растровый калькулятор.
Инструменты Spatial Analyst < Алгебра карт < Растровый калькулятор
В калькуляторе растров имеется три группы математических операторов для работы с растрами: арифметические, Булевы и операторы отношений.
-
=
Кровля
ассельского яруса
Поверхность фундамента
Поверхность фундамент
на конец ассельского века
Палеоструктурный анализ
>
=
-1980
(уровень
ВНК)

Операции над мультипатчами
Инструменты пересечения 3D объектов позволяют выполнять геометрическое сравнение 3D объектов в ArcGIS. Они могут использоваться для изучения и определения связей между 3D объектами, например, для проверки, находится ли один объект внутри другого. Также, они могут использоваться для вычисления новых объектов на основе входных.
Инструменты 3D Analyst
Разница 3D
Пересечь 3D
Объединить 3D
Операции пересечения 3D объектов

Определение пересечений 3D линий
Инструменты 3D Analyst < 3D объекты < Пересекает 3D линию мультипатчем
Инструменты 3D Analyst < Функциональная поверхность < Пересечь 3D-линию поверхностью
Выходные данные:
класс линейных объектов, который содержит копию входных линий, разбитых точками пересечения на участки;
дополнительный класс точечных объектов, который содержит точки пересечения.
TIN, grid модели поверхностей

Инструмент 3D объекты < Ближайший 3D вычисляет 3D расстояния между объектами, представленными 2 группами наборов входных данных:
входные объекты;
ближайшие объекты, которые могут состоять из одного или нескольких классов пространственных объектов разных типов геометрии.
И входные, и ближайшие пространственные объекты могут быть 3D точками, 3D линиями или 3D полигонами.
В результате в таблицу атрибутов входных объектов будут добавлены два поля :
NEAR_FID - идентификатор ближайшего объекта.
NEAR_DIST - расстояние от входного до ближайшего объекта.
Инструмент 3D объекты < Внутри 3D определяет, какие объекты находятся внутри замкнутого объекта - мультипатча.
Входные объекты: мультипатчи или 3D классы пространственных объектов (точки, линии, полигоны).
Входные пространственные объекты – мультапатчи: замкнутые мультипатчи.
Выходные данные: таблица, содержащая список входных 3D объектов, для которых в поле Status указано положение объектов относительно мультипатча.
Status

Подсчет запасов в ArcGIS
Технология создания 3D моделей целевых геологических объектов включает 2 этапа:
каркасное моделирование; 2. блочное моделирование.
В геоинформационной системе ArcGIS реализована возможность построения только !!! каркасных моделей геологических объектов. Поэтому подсчет запасов полезных ископаемых в рамках геоинформационной системы ArcGIS возможен в 2 вариантах.
Вычисление объема геологического объекта и подсчет запасов в предположении однородности тела.
Использование 2D объемных методов подсчета запасов, сущность которых заключается в разбиении объекта на довольно большие участки, характеризующиеся постоянной мощностью и однородными свойствами.

ПОДСЧЕТ ЗАПАСОВ НЕФТИ ОБЪЕМНЫМ МЕТОДОМ
Постановка задачи
Начальные геологические запасы нефти в залежи при стандартных условиях :
Qно= F·hэфф·Kп·Kн·b·рн ,
где F - площадь залежи; hэфф - эффективная нефтенасыщенная толщина; Kп - коэффициент открытой пористости; Kн- коэффициент нефтенасыщенности; b- пересчетный коэффициент, учитывающий усадку нефти, рн- плотность нефти в поверхностных условиях.
где f1, f2,…,fn - площади отдельных участков пласта, ограниченных соседними изопахитами; h1, h2, hn – средние изопахиты, соответствующие указанным участкам и определяемые как средние величины между двумя соседними изопахитами.

Исходные данные
Результаты структурной интерпретации детальных площадных сейсморазведочных работ МОГТ
Геолого-промысловые данные и материалы каротажа скважин

1. Расчет грид-модели распределения эффективных нефтенасыщенных толщин и построение карты изопахит

2. Выделение отдельных участков планиметрии

3. Вычисление средних нефтенасыщенных толщин в пределах каждого участка планиметрии

4. Подсчет суммарных запасов углеводородов

Модель обработки