Инструментальная поддержка решения задачи геофильтрации в программном комплексе Мониторинг-ГИС

Цикл решения задачи геофильтрации

Цикл решения задачи геофильтрации может быть условно разбит на следующие стадии:

• Физическая постановка задачи. Производится гидрогеологом на основе всего комплекса привлекаемой информации.
• Формальная постановка задачи. Выбор расчетных слоев и их типов (напорные, безнапорные, напорно-безнапорные). Выбор типа задачи (стационарная/нестационарная). Определение списка параметров в каждом расчетном слое. Выбор сетки разбиения горизонтальной плоскости (считаем, что решение производится на, в общем случае неравномерных, прямоугольных сетках) и задание размещения сетки на местности (в дальнейшем - геопривязка).
• Заполнение ячеек сетки фактическими значениями параметров.
• Применение к сформулированной задаче одного или нескольких из возможных методов решения.
• Анализ результатов решения и корректировка данных модели или переформулирование модели, как результат анализа.
• Многократные варианты решений.
• Оформление результатов решения в виде документов (карт уровней, изменений уровней, перетеканий и т.д.).

Рассмотрим инструментальные средства, предоставляемые программным комлексом Мониторинг-Гис и возможность их применения на каждой из вышеописанных стадий моделирования. Разумеется, поскольку разбиение на стадии достаточно условно, любое из нижеописанных инструментальных средств может при необходимости применено в любой момент и на любой стадии решения задачи моделирования.

Инструментальные средства на стадии физической постановки задачи

Как уже отмечалось, стадия физической постановки задачи сводится, прежде всего, к изучению массива информации. На этом этапе исследователь может использовать предоставляемые средства программного комплекса, такие как:

• визуализация гидрогеологической стратификации по данным выбранной скважины.
• визуализация и статистический анализ временных рядов наблюдений уровней в избранной скважине.
• построение карт водоотбора по данным эксплуатационных скважин и карт уровней по данным наблюдательных скважин.
• построение карт распространения гидрогеологических горизонтов, если подобная информация на исследуемую территорию имеется в ГИС.

Инструментальные средства стадии построения формализованной модели

Формализованная модель представляет собой набор картограмм значений параметров, построенных на общей прямоугольной (в общем случае неравнрмерной) сетке разбиения по горизонтальной плоскости. Этот набор собран в один общий файл, называемый базой картограмм. Такой способ хранения имеет то преимущество, что все данные хранятся вместе и не могут быть частично утеряны при переносе модели с места на место, но имеет тот недостаток, что изменение структуры базы картограмм невозможно. Изменение структуры бызы картограмм сводится к построению новой базы картограмм и, при необходимости, копированию в нее информации из старой базы.

Конструктор базы картограмм

Для построения формализованных моделей в ГИС GeoLink 2.0 предусмотренспециальный инструмент "Конструктор базы картограмм", позволяющий:

• строить сетки разбиения непосредственно на фоне географической обстановки, (Рис.1)
• формировать наборы параметров расчетных слоев модели
• заимствовать сетки, наборы параметров и геопривязку из ранее созданных баз картограмм и изменять их по своему усмотрению

Рис.1.

Исследователь должен весьма тщательно подходить к этой стадии моделирования, особенно в части построения сетки разбиения и геопривязки, так как изменение этих характеристик модели вызывает необходимость повторного выполнения стадии заполнения модели данными.

Инструментальные средства стадии заполнения модели

На стадии заполнения модели данными могут быть использованы инструментальные средства, доступные в режиме "Картограмма" ГИС GeoLink 2.0, отдельные приложения ГИС GeoLink 2.0 и средства, входящие в состав специализированного приложения ГИС GeoLink 2.0 "Моделирование".

Некоторые из этих средств доступны как в приложении "Моделирование", так и в режиме "Картограмма" ГИС GeoLink 2.0. В данном изложении размещение инструментальных средств по компонентам программного комплекса несущественно. Ниже представлен сокращенный состав инструментальных средств и их основное целевое назначение.

Визуальное представление картограммы

Визуальное представление картограммы на фоне географической обстановки и в условном виде с возможностью редактирования значений, выбора и фиксации способа и легенды отображения, возможностью размещения на одном экране картограмм нескольких параметров с сихронизацией областей видимости и выбора блоков для редактирования (Рис.2, Рис.3).

Рис.2.

Рис.3.

Пакетный перенос данных из одной базы картограмм в другую

Применяется в ситуациях, когда сетки базы картограмм-приемника и базы картограмм-источника согласованы. Практически это выполняется каждый раз, когда новая база-приемник сформирована заимствованием характеристик базы-источника без изменения сетки и геопривязки.

Поблочный перенос данных из одной картограммы в другую с возможным изменением значения

Применяется в ситуациях, когда (обычно внутри одной базы картограмм) необходимо по одной или нескольких картограмм построить другую картограмму.

Типичные примеры:

1. пусть в картограмму параметра "расход" внесены (см.ниже) значения водотлива/нагнетания. Для того, чтобы эти значения были учтены при расчете, необходимо внести в ячейки картограммы параметра "типы граничных условий" значение "скважина". Эта задача может быть сформулирована в терминах поблочного импорта:
   • картограмма-приемник - "типы граничных условий"
   • картограмма-источник - отсутствует или совпадает с приемником
   • вносимое значение - "i", что соответствует скважине
   • маска разрешения - непустые ячейки параметра "расход"
   
   
2. Типичная задача оформления выходного документа. Имеется картограмма рельефа. В результате моделирования получена картограмма уровней. Необходино получить картограмму глубин.Эта задача может быть реализованав терминах поблочного импорта за два последовательных шага:
   1. Копировать картограмму "рельеф" в картограмму "глубина":
      • картограмма-приемник - "глубина"
      • картограмма-источник - "рельеф"
      • вносимое значение - "источник"
   2. Вычесть из картограммы "глубина" картограмму "уровень":
      • картограмма-приемник - "глубина"
      • картограмма-источник - "уровень"
      • вносимое значение - "приемник - источник"

Перенос данных из одной картограммы в другую с аппроксимацией

Применяется в ситуациях, когда сетки приемника и источника несогласованы, а заполнение приемника данными обычным способом (см.ниже) невозможно или по каким-либо причинам нецелесообразно.

Преобразование географических объектов в картограмму

Основной способ заполнения картограмм значений параметров. При этом преобразовании считается, что каждой точке (x,y) географического объекта, участвующего в преобразовании, присваивается некоторое значение z=Z(x,y). Источником этого значения может быть либо дополнительный параметр объекта, либо атрибутивное данное объекта, либо произвольная константа, заданная пользователем.

Эти преобразования могут быть поделены на две разновидности по последовательности обработки данных географических объектов- интерполяционные и объектовые методы преобразования.

При интерполяционных методах вначале по исходным данным, тем или иным способом строится поверхность W=F(x,y), а затем значения этой функции в узлах сетки вносятся в картограмму. Для построения поверхности могут использоваться следующие методы: линейная интерполяция значений, кригинг с вариограммным анализом, различные типы сплайнов. Список методов построения поверхности постоянно пополняется. Пример подобной обработки - построение картограммы рельефа поверхности (Рис.4).

Рис.4.

Объектовые методы предназначены для тех случаев, когда требуется учитывать положение точек географических объектов. При формировании значения в блоке картограммы принимаются в расчет все объекты затрагивающие данный блок, а затем результаты объединяются т.е. либо суммируются, либо осредняются, либо выбирается экстремальное значение.

Примерами использования объектового метода могут служить:

Например, в картограмму необходимо внести данные о признаке наличия водоема или о площади водоема в каждой ячейке (Рис.5).

Рис.5.

Внесение данных по водоотбору, где источник данных - скважины с атрибутивным полем "водотбор", метод обработки - объектовый точечный, вариант групповой обработки - суммирование.

Внесение данных гидравлической проводимости где источник данных - площадные объкты с соответсвующими атрибутивными данными, описывающие различные зоны внутри одного расчетного слоя геофильтрационной модели, метод обработки - объектовый площадной, вариант групповой обработки - осреднение или взятие экстремума.

Специализированные приложения

Задачами этих приложений являются на базе уже существующих географических объектов создание географических объектов со специальными свойствами, которые затем используются для заполнения баз картограмм.

Специализированное приложение "Уравнивание речной сети" позволяет по координатам русел, отметкам высот водомерных пунктов и, возможно, изолиниям, восстановить значение уреза воды в каждой точке (x,y) объектов речной сети. Результатом работы этого приложения является географический объект линейного типа, у которого Дополнительный параметр содержит значение уреза воды.

Примером, где используется специализированное приложение "Уравнивание речной сети", может служить задача внесение данных по уровням воды в реках. В качестве источника данных используется Дополнительный параметр объекта полученного в результате работы данного приложения, метод обработки - объектовый линейный, вариант групповой обработки - осреднение или взятие экстремума (Рис.6).

Рис.6.

Результатом работы специализированного приложения "Оконтуривание объектов списка" являются один или несколько географических объекта, образующие окаймление или выпуклую обтяжку вокруг точек объектов из списка сгруппированным по признаку эквивалентности третей координаты.

Специализированное приложение "Оконтуривание объектов списка" может быть использовано, например, в процессе занесения данных в картограммы содержащие значения граничных условий в местах соответствующих физически берегам водоемов (Рис.7).

Рис.7.

Инструментальные средства стадии решения задачи геофильтрации

Программный комплекс позволяет решать задачу геофильтрации любым из нижеследующих методов:

• Шахматным алгоритмом Чебышева
• Методом прямого решения [Harbaugh, A.W., 1995, Direct solution package based on alternating diagonal ordering for the U.S. Geological Survey modular finite-difference ground-water flow model: U.S. Geological Survey Open-File Report 95-288, 46 p.]
• Методом сопряженного градиента [Hill, M. C., 1990, Preconditioned Conjugate-Gradient 2 (PCG2), A computer program for solving groundwater flow equations, U. S. Geological Survey, Denver.]
• Методом неявного решения[Hill, M. C., 1990b, Solving groundwater flow problems by conjugate-gradient methods and the strongly implicit procedure, Water Resour. Res. 26(9), 1961-1969.]
• Методом послойной релаксации[Ashcraft, C.C. and R.G., Grimes, 1988. On vectorizing imcomplete factorization and SSOR preconditioners. SIAM Journal of Scientific and Statistical Computing, v. 9, no. 1, p. 122-151.]

Программная реализация алгоритма Чебышева была разработана в компании "GEOLINK 2.0" в 1989-2000гг. Прочие алгоритмы решения являются адаптацией свободно-распространяемого кода USGS MODFLOW-2000 [http://www.usgs.gov/water/].

В результате решения кроме расчета предусмотренных параметров уровней, понижений, перетеканий и карт сходимости порождаются два текстовых файла:файл протокола ошибок и файл послойного и поинтервального баланса модели. Ряд сообщений протокола ошибок сопровождается точным указанием места ошибки, что дает возможность непосредственно из протокола ошибок переходить в режим редактирования соответствующей картограммы.

Время, затрачиваемое на решение задачи, может быть весьма значительным, поэтому предусмотрена возможность остановки итерационного процесса и запоминания промежуточных результатов. Повторное решение задачи может быть начато от запомненного состояния.