Основы картопостроения в программном пакете Surfer

1.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ В ГЕОЛОГИИ

2. Программные средства и технологии, используемые для обработки геолого-геофизической информации:

стандартные программы MSOffice;
программы статистической обработки информации
(Statistica, Коскад);
программы компьютерной графики:
стандартные программы (CorelDraw, Photoshop…);
программы инженерной графики (Surfer, Grapher, Voxler,
Strater);
системы автоматизированного проектирования
(AutoCAD и др.);
специализированные системы обработки и
интерпретации геолого-геофизической информации;
системы комплексного анализа и интерпретации
геолого-геофизических данных;
геоинформационные системы.

3.

План прохождения дисциплины
Содержание курса:
Баллы
1. Основы картопостроения в программном пакете
Surfer (Golden Software).
40 (16)
2. Создание трехмерных моделей полей в программе
Voxler (Golden Software).
20 (8)
3. Основы проектирования в системе Autocad (Autodesk)
40 (17)
4. Решение геологических задач в геоинформационной
системе ArcGIS (ESRI)
30 (12)
5. Создание 3D модели залежи и подсчет запасов в
системе Micromine (Micromine).
30 (12)
Итоговая аттестация
40 (17)

4. ТЕМА №1.

Основы картопостроения в
программном пакете Surfer

5. Программа Surfer (Golden Software, США)

Основным назначением пакета является построение
карт поверхностей z = f(x, y).
3D проекция

6. Интерфейс программы

Панели
инструментов
Меню
программы
Окно Plot
Окно Worksheet
Менеджер
объектов

7. Структура системы

Программа включает 3 основных
функциональных блока:
1. построение
цифровой модели
поверхности;
2. вспомогательные операции с цифровыми
моделями поверхности;
3. визуализация поверхности.

8.

Построение цифровой модели поверхности
Цифровая модель поверхности Z(x, y) представляется
в виде значений в узлах прямоугольной регулярной сетки, дискретность
которой определяется в зависимости от конкретной решаемой задачи.
y
x ≠ y
x
y
z1
z5
z9
z13
z17 узел
z2
z6
z10
z14
z18
z3
z7
z11
z15
z19
z4
z8
z12
z16
z20
x

9.

Для хранения применяются файлы типа [.GRD] (двоичного или
текстового формата).
количество ячеек по осям X и Y
min и max значения X, Y, Z
линия y
(Y=const)
линия x
(X=const)
Программа Surfer позволяет использовать готовые цифровые модели
поверхностей в форматах других систем USGS [.DEM], GTopo30 [.HDR],
SDTS [.DDF], Digital Terrain Elevation Model (DTED) [.DT*] .

10.

В пакете реализованы 3 варианта
получения значений в узлах сетки:
по исходным данным, заданным в произвольных точках области (в
узлах нерегулярной сетки), с использованием алгоритмов
интерполяции двухмерных функций;
вычисление значений функции, заданной пользователем в явном виде;
переход от одной регулярной сетки к другой.

11.

Создание grid по нерегулярному набору данных
Исходные данные:
Таблицы форматов [.BLN], [.BNA], [.CSV], [.DAT], [.DBF], [.MDB], [.SLK],
[.TXT], [.WKx], [.WRx], [.XLS], [.XLSX]
Данные XYZ

12.

Выбор
данных
Пункт меню Grid>Data
Выбор метода
интерполяции
Определение геометрии сетки

13.

Выбор размера ячейки сетки
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.

14. Gridding - методы

Inverse Distance (Обратно взвешенные расстояния),
Kriging (Крикинг),
Minimum Curvature (Минимальная кривизна),
Polynomial Regression (Полиноминальная регрессия),
Triangulation with Linear Interpolation (Триангуляция с
линейной интерполяцией),
Nearest Neighbor (Ближайший сосед),
Shepard's Method (Метод Шепарда),
Radial Basis Functions (Радиальные вазисные функции),
Moving Average (Скользящее среднее) и т.д.

15.

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ:
метод Triangulation with Linear
Interpolation
Метод Триангуляция с линейной интерполяцией (Triangulation with
Linear Interpolation) базируется на триангуляции Делоне по входным точкам и
линейной интерполяцией отметок поверхности в пределах плоских граней.
z
точка с неизвестным
значениям (узел)
x
y
Триангуляция Делоне
точки с известными
значениями

16.

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ: метод Inverse Distance to a Power (IDW)
Метод Обратно взвешенные расстояния (Inverse Distance to a Power)
рассчитывает значения ячеек путем усреднения значений в опорных точках,
находящихся в окрестности каждой ячейки. Чем ближе точка к центру ячейки,
значение которой вычисляется, тем большее влияние, или вес, она имеет в
процессе усреднения
7,5
11,8
,
100 м
где
150 м
60 м
3,0
i – вес измеренного значения;
k – показатель степени
?
70 м
21,6
точки с известными
значениями
?
точки с неизвестными
значениями
Радиус
интерполяции

17.

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ: метод Minimum Curvature
Метод Минимальная кривизна (Minimum Curvature) рассчитывает значения с
использованием математической функции, которая минимизирует общую
кривизну поверхности и строит сглаженную поверхность проходящую через
опорные точки

18.

Интерполяция: метод Polynomial Regression
Метод Полиноминальная регрессия (Polynomial Regression) основан на
аппроксимации поверхности полиномом определенного порядка:
z(х)=a0+a1x1+a2x2+…..+anxn - полином n-го порядка
Метод наименьших квадратов минимизирует сумму
- рассчитанное (оценочное) значение параметра z
- наблюденное значение параметра z
Аппроксимация поверхности полиномом
первого порядка
Аппроксимация поверхности полиномом
второго порядка

19.

Интерполяция: метод Kriging
Метод Кригинг (Kriging) базируется на статистических моделях, которые
учитывают пространственную автокорреляцию (статистическую взаимосвязь
между опорными точками)
Случайные, но пространственнокоррелированные флуктуации
высот
Случайный шум
(валуны)
Дрейф (общий тренд
изменения высоты)
Иллюстрация элементов кригинга. Дрейф (общая тенденция), случайные, но
пространственно коррелированные колебания высоты (небольшие отклонения от общей
тенденции), и случайный шум.

20.

Вариограмма
Полудисперсия (расстояние h) = 0.5 * среднее[ (значение в точке i – значение в точке j)2]
для всех пар точек, разделенных расстоянием h
Полудисперсия
h
h
Расстояние (лаг)
Полудисперсия
Образование пар точек:
красная точка образует пары со всеми
другими точками измерений
Остаточная
дисперсия
(nugget)
Предельный
радиус
корреляции
(range)
Расстояние (лаг)

21.

Моделирование вариограммы
Полудисперсия
Полудисперсия
Расстояние (лаг)
Сферическая модель
Расстояние (лаг)
Полудисперсия
Экспоненциальная модель
Расстояние (лаг)
Линейная модель

22.

Вычисление значений в узлах сети
7,5
11,8
точки с известными
значениями
100 м
150 м
60 м
3,0
?
точки с неизвестными
значениями
?
70 м
21,6
i – вес измеренного значения,
вычисляется
на
основе
модели
вариограммы
и
пространственного
распределения точек замеров вокруг
оцениваемой точки
Радиус
интерполяции

23.

Сравнение методов интерполяции
Обратно
взвешенные
расстояния
Триангуляция с
линейной
интерполяцией
Минимальная
кривизна
Кригинг

24.

Дополнительные опции
IV
R2
1. Определение области исходных данных для расчета значений в узлах
grid файла
I
R1
III
II

25.

2. Учет «следов разломов» (Breaklines) и разломов (Faults)
Faults
С помощью задания Faults имитируется положение
разрывных нарушений типа сброс/взброс.
Структура файла [.BLN]
Количество точек
задания объекта
Код
(0-обнуление грида вне
контура,
1- обнуление грида
внутри контура)
X1
Y1
X2
Y2
X3
Y3
Xn
Yn
Задание Fault
Учет Faults поддерживают методы интерполяции: Inverse Distance to a
Power, Minimum Curvature, Nearest Neighbor, and Data Metrics.

26.

Breaklines
Структура файла [.BLN]
Количество
точек
задания
объекта
Код
(0-обнуление грида
вне контура,
1- обнуление грида
внутри
контура)
X1
Y1
Z1
X2
Y2
Z2
X3
Y3
Z3
Xn
Yn
Zn
Задание Breakline
Учет Breakline поддерживают методы интерполяции:
Inverse Distance to a Power, Kriging, Minimum Curvature,
Nearest Neighbor, Radial Basis Function, Moving Average, Local
Polynomial

27. Учет разрывных нарушений

Учет
Breaklines
Контурная карта без
учета разломов
Учет
Faults

28. Визуализация изображений поверхности

Контурная карта
Карта основы
Карта точечных данных
Растр
Затененный рельеф
Векторная карта
Трехмерная сетка
Трехмерная поверхность
Результат построения сохраняется в виде векторной
графики в файле [.srf].

29.

Контурные карты
Contour Maps

30.

Трехмерные
изображения
поверхности
3D Surface Maps

31.

Трехмерные сетки
3D Wireframe Maps

32.

Векторные карты
Vector Maps

33.

Растры
Image Maps

34.

Карта
затененного рельефа
Shaded Relief Maps

35.

Карты основы
Base Maps
Импортируемые форматы:
AN?, BLN, BMP, BNA, BW, DCM, DIC,
DDF, DLG, DXF, E00, ECW, EMF, GIF,
GSB, GSI, JPEG, JPG, LGO, LGS, MIF,
PCX, PLT, PLY, PNG,
PNM/PPM/PGM/PBM, RAS, RGB,
RGBA, SHP, SID, SUN, TGA, TIF, TIFF,
VTK, WMF, X, XIMG

36.

Карты водоразделов
Watershed Maps
депрессии
водные потоки
бассейны
Карты отражают дренажные системы

37. Моделирование дискретных объектов

Данные XYZ
(BLN, BNA, CSV, DAT, DBF, MDB, SLK, TXT, WKx, WRx, XLS, XLSX)

38.

Карты точечных данных (Post Maps)

39.

Карты классифицированных точечных данных
Classed Post Maps

40.

Boundary Files [.bln]
Количество точек
задания объекта
Код
(0-обнуление грида вне контура,
1- обнуление грида внутри контура)
X1
Y1
X2
Y2
X3
Y3
Полигон (замкнутый)
X5 ,Y5
X3 ,Y3
X4 ,Y4
X2 ,Y2
Xn
X6 ,Y6
Yn
X10 ,Y10
X1 ,Y1
Линия
X6 ,Y6
X7 ,Y7
X4 ,Y4
X2,Y2
X5 ,Y5
X3 ,Y3
X1 ,Y1
X7 ,Y7
X8 ,Y8
X9 ,Y9
X1=X10
Y1=Y10

41.

Base Maps
470
475
480
485
490

42. Многослойные карты

43.

44.

45. Stack Maps

«Этажерки»

46.

Вспомогательные операции с поверхностями
Пункт меню Grid
Математические операции над гридами,
Дифференцирование и интегрирование гридов,
Фильтрация;
Сглаживание сплайнами,
Бланкировка,
Конвертация в другие форматы,
Извлечение части грида,
Трансформация грида (преобразование координат),
Создание мозаики гридов (компоновка грида из
нескольких файлов),
Вычисление объема тел, ограниченных поверхностями,
Построение разрезов по профилям,
Вычисление ошибок интерполяции,
Графическое редактирование грида.

47. Ручная коррекция сетки (Grid Node Editor)

Графический редактор для ввода и коррекции значений данных
сеточной области

48. Оценка точности интерполяции (Residuals)

Пункт меню Grid

49.

Математические операции над гридами (Math)
Входной грид 1
Позволяет осуществлять
вычисления над одним или
двумя гридами
Входной грид 2
Выходной грид
Формула вычислений
-
Кровля
=
Подошва
Мощность

50.

Анализ поверхностей (Calculus)
Методы
Позволяет осуществлять анализ
формы поверхности
Входной грид
Выходной грид
Углы
наклона
Terrain
Slope
Ориентация
склонов
Terrain Aspect

51.

Фильтрация (Filter)
Входной грид
Выходной грид
Размер
оператора
Методы
Позволяет выделять
разночастотные составляющие
моделей поверхностей
Оператор
Низкочастотная
фильтрация
41 41

52.

Бланкирование (Blank)
Позволяет обнулять участки карты, определенные файлом [.bln]
Входной грид
+ Файл [.bln] = Выходной грид
Бланкировка
Blank
Границы полигона

53.

Построение разрезов (Slice)
Позволяет рассечь поверхность вдоль линии, положение
которой определено файлом [.bln]
Входной грид
+ Файл [.bln] = Выходной файл [.dat]
X
Y
Z
Расстояние
по профилю
Линия профиля
64
Разрез по профилю
Z
56
48
40
0
20000
40000
Расстояние по профилю
60000
80000

54.

Векторизация

55. Оформление карт

56.

57.

Инструменты программирования:
пакет Scripter, встроенный в Visual Basic