CAD a GIS systémy CAD a GIS systémy v baníctve a geológiiv baníctve a geológii

__________________________________________________________________________________

doc. Ing. Peter Blišťan, PhD.doc. Ing. Peter Blišťan, PhD.

Fakulta BERG, TU v KošiciachFakulta BERG, TU v Košiciach

Úvod

CAD a GIS systémy vo všeobecnosti chápeme ako počítačové systémy slúžiace na efektívne ukladanie, aktualizáciu, manipuláciu, analýzu a prezentáciu textovo-numerických a grafických dát a informácií.

CAD systémy predstavujú výkonný nástroj na tvorbu digitálnych máp a získali si svoje miesto predovšetkým v oblasti modelovania a tvorby mapových výstupov.

GIS systémy predstavujú efektívne prepojenie rôznych typov grafických údajov (vektorové, rastrové) s vhodne štruktúrovanou databázou. GIS používané v geológii a baníctve zahŕňajú v sebe častokrát aj inteligentné počítačové systémy, tzv. expertné systémy, koncipované tak aby v ideálnom prípade dospeli k rovnakému záveru ako človek.

Spracovanie geologických informácií pomocou CAD a GIS systémov prináša so sebou niekoľko vážnych problémov. Správna a efektívna analýza komplexného systému povrchových a podpovrchových objektov si vyžaduje celú paletu špecifických dát, typických práve pre oblasť geológie (napr. častá premenlivosť geologických objektov a javov v priestore a čase). Tradičné technológie CAD a GIS sú zamerané predovšetkým na správu a manažment 2D údajov. CAD a GIS systémy používané v geológii a baníctve si však vyžadujú spracovanie priestorových dát.

CAD a GIS systémy ako expertné systémy v geológii

Klasický geológ pri spracovávaní informácií a formulovaní záverov vychádza zo širokého spektra vstupných údajov. Často pri práci využíva niektoré hotové podklady - základné banské mapy, účelové geologické mapy a pod.. Väčšina geologických úloh si vyžaduje množstvo terénnych prác a meraní. Tu treba pripomenúť, že veľmi dôležitá je ich presná lokalizácia (predovšetkým presná lokalizácia odobratých vzoriek a terénnych meraní).

Jednou z možností využitia CAD a GIS v geológii je:- modelovanie prírodných fenoménov (geologická stavba, modely terénu a pod.),- tvorba komplexných databáz,- spracovanie a prezentácia výsledkov meraní a pozorovaní vo forme účelových máp a ich prepojenie s databázou.

Problematika modelovania geologických fenoménov a tvorba databáz si vyžaduje dokonalú znalosť dát a vychádza z predpokladu zachovania podstaty prírodného systému.

Výsledkom spracovania terénnych meraní sú účelové geologické mapy, obsahujúce množstvo dôležitých informácií interpretáciou ktorých, získame ucelený obraz o geologickej stavbe záujmového územia. Na základe geologickej mapy potom môžeme formulovať rôzne závery a hypotézy.

Hlavnou úlohou CAD a GIS systémov v geologickej praxi je zabezpečiť nasledujúce potreby a požiadavky:

-- jednotná správa geologických dát a informácii,- rýchlosť a jednoduchosť získavania požadovaných údajov,-- jednoduchá aktualizácia dát,- možnosť importu a exportu dát,- široká variabilnosť výstupov v podobe rôznych tematických geologických máp,- registráciu a  prezentáciu geologických údajov doteraz netradičnými spôsobmi,- jednoduché, ale efektívne softwarové a hardwarové riešenie, umožňujúce aktualizáciu systému v prípade jeho fyzického alebo morálneho zastarania,-- ucelené aplikačné prostredie umožňujúce plne využiť nástroje a možnosti - CAD a GIS systémov v praxi,- finančná nenáročnosť takéhoto riešenia,- bezpečnosť systému.

Úloha CAD a GIS systémov v geologickej praxi

Princípy efektívneho využívania počítačových systémov v geológii a baníctve

 Existuje množstvo názorov, ako správne a efektívne pristupovať k problematike spracovania geologických dát v prostredí CAD a GIS systémov. Pri využívaní CAD a GIS v oblasti geológie a baníctva je vhodné riadiť sa napríklad nasledujúcimi princípmi:

a) Princíp minimalizácie vlastnej práce.

b) Princíp sústredenia sa na podstatu problému.

c) Princíp jednotného používateľského prístupu.

d) Princíp jednotného postupu.

e) Princíp odbúrania zbytočného.

f) Princíp postupnej aproximácie.

g) Princíp použitia osvedčeného softwaru.

Princíp minimalizácie vlastnej práce

Počítačový systém (CAD alebo GIS) môže využívať vlastné vektorové dáta, alebo dáta môžeme získať v „subdodávke“ podľa potrieb projektu a požiadaviek riešiteľa.

Tu je namieste otázka

„ čo je výhodnejšie??? „

Tento problém je možné riešiť dvoma spôsobmi:-- pre väčšie firmy je vhodné nakúpiť digitalizačné programy a vektorizovať svoje

dáta. Výhodou tohoto riešenia je flexibilita, pretože cyklus získavania a kontroly dát prebieha v rámci tej istej organizácie a je možné do neho operatívne zasahovať.

- pre menšie firmy je výhodnejšie zadávať vektorizaciu špecializovaným firmám, ktoré vlastnia technológiu pre efektívnu tvorbu dát. Ak je úloha dobre zadaná je výhodné prenechať problémy spojené s vlastnou digitalizaciou spolupracujúcej organizácii. Do vlastného počítačového systému je potom možné rýchlo prevziať polotovar pripravený špecializovanou firmou. Podstatne viac času potom zostane na vlastnú geologickú interpretáciu a analytickú prácu.

 

Princíp sústredenia sa na podstatu problému

Z hľadiska efektívneho spracovania dát je dôležité vedieť, ktoré dáta sú pre riešenie problému dôležité a primárne a ktoré sú nedôležité, alebo pomocné. Častým javom je totiž ešte stále existencia paralelných dátových vrstiev, získaných rôznymi metódami prieskumu. Preto by pred akoukoľvek analýzou dát mala existovať definícia toho:

-   čo sú podkladové dáta,-   čo sú prvotné dáta jednotlivých prieskumných metód,-   aké sú postupy pre zlúčenie dát z jednotlivých prieskumov,-   čo sú výsledné primárne dáta,-   aké vrstvy budú ponúkané používateľom pre prácu v prehliadačkách dát. Rozhodne by navrhovaný postup riešenia nemal obsahovať špecifikácie typu: “potrebujeme

všetky dáta zo všetkých vrtov v oblasti”, ale mal by čo najpresnejšie definovať ako databázovú tak grafickú časť riešenia s ohľadom na primárne dáta, účel ich zaobstarania a ich rozšíriteľnosť. Ak nemá spracovateľ skúsenosti s tvorbou databázy je vhodné konzultovať jej tvorbu s kvalifikovaným odborníkom.

 

Princíp jednotného používateľského prístupua jednotného postupu

Dobre pripravené a roztriedené primárne dáta sú pre geológa nesmierne užitočné, pretože mu môžu poskytnúť lepšiu orientáciu v riešenej problematike, ktorú stráca pri vlastnej terénnej práci.

V súčasnej praxi a zvlášť vo väčších organizáciách je termín jednotný prístup a jednotný postup bežne používaný pre jednotnú metodiku spracovania dát za použitia jednotného softwarového vybavenie. To so sebou väčšinou prináša značnú nevôľu zo strany riešiteľov, ktorí sú používateľmi „zamietnutého softwaru“. Jednotnosť softwarového vybavenia je síce výhodná, ale nieje nutná pre udržanie jednotnosti postupu. Je iba nutné, aby pre každú informačnú vrstvu bol definovaný jej formát, správca a metódy využitia a exportu pre všetkých používateľov. Pokiaľ je toto pravidlo dodržané, nemali by nastať problémy s aktuálnosťou dát.

Jednotnosť používateľského prístupu je však dôležité dodržiavať, pretože pri nejednotnosti spracovania toho istého súboru dát dvomi riešiteľmi, používajúcimi rozdielne postupy, môžeme dospieť k rozdielnym výsledkom.

Princíp odbúrania zbytočného

Každý pracovník, participujúci na riešení problému, by mal definovať používateľské triedy dát a to pre grafickú i databázovú zložku. Je zrejmé, že klasifikované dáta sú používateľom prístupnejšie pretože obsahujú informácie, ktoré sú v nich roztriedené.

CAD systémy umožňujú rozdeliť grafické dáta do pracovných vrstiev a ponúkajú tak riešiteľom projektu ako aj ostatným potencionálnych používateľom možnosť jednoduchej orientácie v jednotlivých kategóriách dát. Samozrejme netreba zabudnúť na popis pracovných vrstiev a definovanie jednotlivých skupín dát. Grafická informácia by taktiež mala byť čo najjednoduchšia a obsahovať dáta očistené od nepodstatných informácií. Zvláštnym typom spoločne používaných dát sú podkladové dáta, ktoré by mali byť jednotné pre všetky metódy a nemali by byt v priebehu projektu menené.

Väčšina GIS systémov pracuje s relačnými databázami, ktoré dovoľujú veľmi efektívne organizovať dátové súbory. Preto by verejne prístupné dáta projektu nemali obsahovať nepopísané alebo nejasne definované položky a používateľské relácie by mali byť oddelené od primárnych dát.

Princíp postupnej aproximácie

Pre vedy o Zemi je zvlášť charakteristický postupný charakter vzniku dát, súvisiaci s postupným objasňovaní súvislostí a objavovaním vlastností prírodného prostredia. Veľmi užitočné je, aby používateľsky prístupné dáta a informácie odrážali súčasný stav riešenia daného problému a jednotliví riešitelia mohli vzájomne konfrontovať čiastočné výsledky.

Platí teda pravidlo - nikto by sa nemal snažiť vytvoriť dokonalé riešenie alebo model na prvý pokus.

Podstatné je od začiatku počítať s princípom neaktuálnosti dát a do tvorby modelu zaradiť efektívne metódy jeho aktualizácie.

 

Princíp použitia osvedčeného softwaru

V snahe o zmenšenie nákladov na riešenie projektu je častým javom rozhodnutie nakúpiť lacnejší a dostupný software, špecializovaný na konkrétnu aplikáciu, ktorú firma rieši. Treba si však uvedomiť, že skôr než k nákupnej cene by sa malo prihliadať k dlhodobým nákladom. Rozhodnutie o konkrétnom type softwaru závisí na podmienkach, ale vždy platí pravidlo, že špecializované riešenie a programovanie je drahšie než použitie všeobecných nástrojov.

Z hľadiska spôsobu ukladania dát v GIS sa dostupný software dá rozdeliť na dve veľké skupiny:

- GIS založený na dátovom modeli CAD programu,- GIS s vlastním dátovým modelom. 

Pokiaľ je prioritou spoločnosti riešiť elektronickú archiváciu dokumentácie (konštruovanie z geometrických elementov, kótovanie a pod.) je výhodné využiť nástroje zabudované v CAD. Je však potrebné uvedomiť si, že GIS funkcie sú špeciálne pripojené k produktu pôvodne určenému pre iný druh práce a preto nemusia byť z hľadiska používateľa vyriešene optimálne.

GIS s vlastným dátovým modelom bude mať určite menej funkcií orientovaných na editáciu grafických prvkov oproti predchádzajúcemu typu GIS, bude však oveľa bohatší na analytické možnosti a pod..

Využitie vyzualizačných a analytických možností CAD a GIS systémov v geológii a baníctve

V nasledujúcich bodoch sú naznačené len niektoré základné analytické a prezentačné možnosti CAD a GIS systémov, použiteľné v geológii a baníctve:

 

a) funkcie na meranie,

b) 3D modelovanie a vyzualizácia,

c) nástroje na prehľadávanie databáz,

d) mapová algebra,

e) analýzy obrazu,

f) vzdialenostné analýzy,

g) štatistické analýzy,

h) korelácie výsledkov rôznych metód geologického výskumu a prieskumu.

Funkcie na meranie

Meranie vzdialeností medzi objektmi, výpočet ich súradníc, či výpočet obvodu a obsahu plochy poskytuje každý profesionálny CAD a GIS systém. Tieto funkcie (predovšetkým funkcie na výpočet obvodu a obsahu plochy, alebo objemu telesa) sú pre efektívnu prácu používateľa nenahraditeľne predovšetkým z dôvodu, že väčšina týchto výpočtov sa ešte aj v súčasnosti robí ručne, napr. pomocou planimetra.

3D modelovanie a vyzualizácia

Cieľom modelovania a vyzualizácie je obyčajne pochopenie princípov modelovaného procesu, predikcia a kontrola dosiahnutých výsledkov. V geológii sa modelovanie obyčajne zameriava na pochopenie simulovaného procesu a predikciu jeho ďalšieho vývoja.

Vytvorenie samotného 3D modelu si vyžaduje množstvo relevantných dát. Na 3D modelovanie sa používanú obyčajne špeciálne nástroje, ktoré nemusia byť obsiahnuté v každom GIS systéme. Dnes existuje už veľmi veľké množstvo komerčných programových balíkov, ktoré umožňujú simuláciu rôznych druhov a náročností. Okrem modelovacích systémov obsiahnutých v CAD a GIS (napr. MicroStation, Pro Ingeneer, ArcInfo, GRASS, MGE ai.) existujú aj softwarové produkty pre štatistické modelovanie ako MatLab, TerraStation, Geostokos, ISATIS ai..

Analýzy modelu reliéfu pre potreby geológie

Tvorba digitálneho modelu terénu (DMT) je jednou z najčastejších procedúr, vykonávaných pri modelovaní javov vyskytujúcich sa v záujmovom území.

Vstupom sú obvykle body so súradnicemi [ X,Y,Z ], vrstevnice, plochy o známej výške (jazerá), a ďalšie morfologické útvary. Samotný proces modelovanie je matematicky náročný a dosiahnutý výsledok obyčajne priamo závisí iba na použitej modelovacej metóde.

Výsledkom modelovanie je teda model terénu, ktorý je potom možne podrobiť rôznym analýzam. K tým najčastejším patrí:

- výpočet sklonitosti svahu (slope) a smeru sklonu svahu,- základné morfologické analýzy - nájdenie lokálnych miním a maxím, konvexnosti a konkávnosti, - analýza osvetlenia reliéfu,

- tvorba vrstevníc,- generovanie topografických profilov a pod..

Dotazy na databázu – prehľadávanie databáz

 “Dotazovanie“ slúži na vyber údajov, ktoré zodpovedajú definovanému kritériu alebo podmienke. Dotazovacia operácia má obvykle tieto hlavné komponenty:

a) Špecifikácia údajov, ktorých sa týka.b) Formulácia podmienok, ktorým musia údaje vyhovovať.c) Inštrukcia, čo sa má na vybraných údajoch vykonať.

Na tvorbu dotazov sa používajú dotazovanie jazyky (k najznámejsím patri SQL jazyk). Dotaz (Query) má teda obyčajne nasledujúcu štruktúru: „vyber z údajov typu T také, ktoré vyhovujú podmienke P a vykonaj na nich operáciu O “.

Dotazy používané v GIS môžeme rozdeliť na:a) Atribútové – dotaz typu: „ktoré geografické objekty (lokality) majú definovanú vlastnosť“.b) Priestorové – dotaz typu: „čo sa nachádza na tomto mieste, čo sa nachádza v tejto oblasti“.c) Kombinované – dotaz typu: „ktoré objekty spĺňajú definovanú vlastnosť a zároveň sa nachádzajú v určenej oblasti.

Mapová algebra

V rastrových prezentáciách sa častejšie ako topologické prekrytie používa nástroj nazvaný mapová algebra. Ten je určený výhradne pre ne a umožňuje kombinovať rastrové vrstvy pomocou rôznych matematických operácií. Tieto matematické operácie sa vykonávajú na jednej alebo na dvoch (i viacerých) vrstvách a ich výstupom je vždy nová vrstva, ktorú je možné samostatne používať v ďalších analýzach. To vytvára z mapovej algebry mocný prostriedok pre priestorové modelovanie a analyzovanie.

Analýzy obrazu a spojenie leteckých snímok s dátami v GIS

Letecké snímky sú z hľadiska GIS vlastne vrstvy typu GRID (bodové údaje v pravidelnej sieti) a ak sú klasifikované môžu slúžiť pre analýzy. Výhodou oproti vektorovým dátam je ich jednoduchá dostupnosť a aktuálnosť, ktorá je však zaplatená výpočtovou náročnosťou a nejednoznačnosťou interpretácie.

Do rovnakej kategórie ako použitie leteckých snímok je možné zaradiť i súradnicové pripojenie existujúcich papierových máp v rastrovej podobe do GIS. Je možné ich využiť pre vizualizácie ale aj pre koreláciu s novými dátami. Letecké snímky sú veľmi dobre využiteľné i v spojení s DMT pre vizualizáciu terénnych tvarov.

 

 

Vzdialenostné analýzy

Na prvý pohľad jednoduchá problematika, ktorá sa často spája s mapovou algebrou, resp. s meracími funkciami. Najpoužívanejším nástrojom vzdialenostných analýz je tvorba tzv. buffer zón. Táto funkcia spočíva vo vytvorení polygónu v určenej vzdálenosti okolo bodu, línie alebo polygonu.

Medzi vzdialenostné analýzy taktiež patria takzvané analýzy najbližšieho suseda. Tieto spočívajú v tom, že sa vykoná analýza a vyhľadanie objektov, ktoré sa nachádzajú v definovanej vzdialenosti, resp. sa vyhľadajú objekty ktoré majú s daným objektom spoločnú hranicu.

Iným typom vzdialenostných analýz je napr. vyhľadanie „nejlacnejšej“ cesty, ktorá veľmi úzko súvisí s analýzou „váženej“ vzdialenosti. Ide o nájdenie najlacnejčej cesty medzi dvomi vzdialenými bunkami. Ako vstup sa používa práve vážená vzdialenosť. Analýza potom nájde najkratšiu cestu práve na základe váženej vzdálenosti. Analýzy takéhoto typu sa nazývají ako analýzy ocenených vzdialeností a okrem naacnejšej cesty do nich patria aj funkcie hydrologické a hydrogeologické.

Štatistické analýzy

Poznáme celú paletu štatistických analýz, ale v GIS majú asi najväčšie využitie nasledujúce:

a) Klasické štatistické analýzy (jednorozmerná štatistika). - suma, - priemer, - medián, modus, - minimum, maximum, - štandardná odchýlka a pod.

b) Grafy – niektoré dáta je vhodné prezentovať pomocou grafov. - XY graf, - BAR graf, - koláčový graf a pod.

c) Špeciálne štatistické analýzy - regresná analýza, korelačná analýza a pod..

Korelácie výsledkov rôznych metód geologického výskumu a prieskumu

Podstatnou časťou práce na geologickom projekte je korelácia výsledkov prieskumných metód medzi sebou. Do tohoto procesu vstupujú dáta z vrtov, povrchového terénneho prieskumu, geofyzikálneho a geochemického prieskumu a z leteckého prieskumu. Pre koreláciu jednotlivých metód sú najvhodnejšie analýzy nad plošnými prvkami. Sú to analýzy typu point in polygon, line in polygon a polygon in polygon. Pre získanie plošných dát z lineárnych vrstiev sa tvoria odvodené vrstvy analýzou buffer.

Pri väčšine analýz je vhodné využívať digitálny 3D model terénu, pretože pri interpretácii v 2D mape často dochádza k skresľovaniu vplyvom premietania do zobrazovacej roviny.

Spracovaním (syntézou) a koreláciou výsledkov získaných pri jednotlivých analýzach vzniká obyčajne nová informačná vrstva, obsahujúca v podstate konečné výsledky – závery, ktoré budú slúžiť pre ďalšie skupiny používateľov.

 

3D modelovanie v geológii a baníctve s využitím nástrojov CAD a GIS systémov

Základným a často aj najťažším krokom pri riešení geologických problémov je prevod reálnych geologických objektov do formy abstraktných modelov. Proces modelovania v zásade rozlišuje priestorové modelovanie morfológie geologických telies a modelovanie vnútorných atribútov geologických telies. Je potrebné zdôrazniť, že neexistuje jednotný postup modelovania ani jednoznačné pravidlá výberu vhodných metód spracovania dát.

Zložitosť geologických objektov si obyčajne vyžaduje rozumné zjednodušenie modelu, ináč by riešenie bolo príliš komplikované alebo dokonca nemožné. Skutočnosťou je aj to, že reálny efekt z aplikovania zložitých modelov nie je často úmerný vynaloženej práci.

Z hľadiska štúdia, popisu a modelovania predstavujú geologické telesá zložitý systém, pozostávajúci z relatívne samostatných dielčích elementov usporiadaných do priestorovej štruktúry.

CAD a GIS systémy v slovenskom baníctve a geológii - budúcnosť alebo už súčasnosť?

Jednou z možností využitia CAD a GIS systémov v geológii je tvorba, spracovanie, prezentácia geologických máp a modelovanie a analýza geologických telies a ich atribútov. Z uvedeného vyplýva nevyhnutnosť aplikácie geografických informačných systémov aj v oblasti centrálnej správy geologických dát a informácií.

Aktívne využívanie CAD a GIS systémov v praxi by pomohlo riešiť aj nasledujúce úlohy a potreby geológie a baníctva:

 Posudzovanie vplyvov ľudskej činnosti na životné prostredie.

 Modelovanie geologických javov využitím nových modelovacích

postupov.

 Efektívna evidencia ložísk nerastných surovín, mineralogických

lokalít a paleontologických nálezov. 3D modelovanie ložísk nerastných surovín. 

CAD a GIS systémy v slovenskom baníctve a geológii - budúcnosť alebo už súčasnosť?

 Projektovanie otvárky ložísk.

 Vyhotovovanie komplexnej bansko-meračskej a geologickej

dokumentácie v digitálnej forme.

 Likvidácia banských prevádzok a posudzovanie jej vplyvu na

životné prostredie.

 Geoturistika a iné netradičné možnosti použitia.

Toto sú len niektoré základné možnosti použitia CAD a GIS v geológii a baníctve. Využitím napr. špeciálnych analytických nástrojov GIS-ov sa vynárajú mnohé iné možnosti ich použitia, často navonok vôbec nesúvisiace s geológiou.

 

ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ

CAD a GIS systémy v baníctve a geológiiCAD a GIS systémy v baníctve a geológii ________________________________________________________________________________

doc. Ing. Peter Blišťan, PhD.doc. Ing. Peter Blišťan, PhD.

ppeter.blistaneter.blistan@tuke.sk@tuke.sk

Fakulta BERG, TU v KošiciachFakulta BERG, TU v Košiciach