в зоне РФ
т/ф (495) 565-13-84
т. (495) 544-81-24
Методические аспекты, принципы и последовательность организации геоинформационной системы (ГИС) в инженерной геологии
Методические аспекты, принципы и последовательность организации геоинформационной системы (ГИС) являются основополагающим звеном при проектировании ГИС в инженерной геологии. На первый взгляд реализация проектирования и создания системы является простой задачей. Но именно ошибки на начальной стадии проведения работ могут привести к невозможности полноценного функционирования объекта, появлению «тупиковых» алгоритмов и подходов и, как следствие, к повторному и (или) полному перепроектированию.Методика создания геоинформационной системы (ГИС) в инженерной геологии представляет собой систему последовательных процедур (методов и операций), структура которых подчинена принятой технологии инженерно-геологических и гидрогеологических работ при установленном порядке их выполнения и контроля. Задать методику в указанном смысле означает описать в виде единой нормативной модели процесс создания ГИС и ее информационно-программную техническую базу.
В качестве базовой методологической основы проектирования, разработки и эксплуатации ГИС в инженерной геологии, а также комплексирования и взаимоувязки с другими подсистемами (по принципу совместимости) предпочтительной является так называемая общая теория систем (или системный подход), разрабатываемая длительное время в России (СССР) и за рубежом как наиболее адекватная поставленным задачам.
Как отмечал Г.П. Щедровицкий [7], «системный подход сталкивается с массивом знаний и опыта, накопленных геологией за многолетнюю историю ее развития, и не может внедриться в геологию, пока не переработает знания и представления, существующие в этой науке, с точки зрения системности». В целом системный подход позволяет соотнести знания и представления, сложившиеся ранее, и значительно дополнить и систематизировать их. Следовательно, не отрицая традиционных методов исследования, он позволяет комплексно, многопредметно и целенаправленно подойти к изучению, прогнозированию и управлению геологической средой существующих и проектируемых природно-технических систем (ПТС).
Для систематизации и формализации знаний и материалов, накопленных в процессе проведения инженерно-геологических, гидрогеологических и научно-методических исследований, без которых невозможно полноценное оперативное и перманентное использование системного подхода в инженерной геологии, необходимо наличие геоинформационной системы.
Алгоритм проектирования и собственно разработка ГИС в инженерной геологии основываются на последовательности выполнения следующих процедур (методов и операций):
1) изучение информации о геологической среде и ее отдельных компонентах на основании выполненных инженерно-геологических, гидрогеологических и других видов исследований, проводимых в пределах исследуемого участка (территории), на котором предполагается выполнить проект построения ПТС, с целью систематизации процесса обработки исходных данных,
2) выполнение анализа существующих данных, обоснование модели и построение ПТС участка (территории),
3) составление технического задания на разработку ГИС,
4) составление рабочего проекта на создание ГИС.
Система обработки данных обеспечивает устранение или облегчает выполнение трудоемких ручных операций и в целом позволяет повысить эффективность производства работ. При работе не обходимо выявить направления информационного обеспечения, определить необходимость использования средств вычислительной техники и оптимальный уровень автоматизации при выполнении всех видов геологических исследований в пределах выделенной ПТС. Для решения этих задач (до на чала разработки технического задания) следует провести детальное изучение существующей системы получения, хранения и обработки геологи ческой информации.
Вторая процедура представляет собой комплекс взаимоувязанных способов определения и конкретизации основных компонентов ПТС: материала, морфологии, структуры и функционирования.
Система информации существует в естественном виде и в целом образует информационную среду. ГИС создается искусственным путем, и ее эффективность во многом зависит от успешного внедрения в уже существующую информационную среду. Следовательно, при разработке ГИС необходимо учитывать реальную действующую систему получения, обработки, хранения и передачи информации. Это является одним из основных положений, которые нужно учитывать при разработке.
Структура информации сформировалась в процессе становления инженерно-геологических, гидрогеологических и прочих параллельных исследований в методическом, техническом и организационном аспектах. Процесс совершенствования накопленной информации является не разовым мероприятием, а долгосрочным и желательно перманентным во времени процессом с построением метода «обратных связей».
Результаты практического функционирования ГИС в дальнейшем могут оказывать существенное влияние на характер первоначально принятых решений.
Анализ и разработка последовательности решений, проводимых в оперативном режиме, как правило, в дальнейшем при совершенствовании системы требуют дополнительного изучения информационных связей, их более четкой структуризации, а в отдельных случаях, возможно, и полной перестройки. В результате необходимость изменения алгоритма и доработки прикладного обеспечения является закономерным следствием недоскональности проработки подходов к оперированию информационными ресурсами.
Сокращение времени и затрат на изучение существующих способов получения, хранения, обработки и передачи информации, а также непонимание целей этого изучения является достаточно распространенной ошибкой, несмотря на то что именно на данном этапе закладывается фундамент успешного функционирования ГИС при выполнении исследований.
Изучение существующей системы инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований, проводимых в пределах выделенной ПТС, должно осуществляться по единому плану при четкой постановке задачи и быть направленным на достижение строго определенных целей. При этом основными задачами исследования существующей системы информационных потоков являются:
1) изучение состава потока (потоков) и его (их) направленности в различных направлениях исследования,
2) исследование условий и методов получения, хранения, обработки и передачи существующих материалов,
3) изучение форм материалов представления данных и результатов, полученных в процессе исследований (работ), их содержания, последовательности и порядка информационного наполнения,
4) определение методико-организационной последовательности структуризации информации,
5) выявление этапов и видов работ, подлежащих автоматизации,
6) выявление целевых задач, поставленных перед изучением геосреды и построением ПТС, реализация которых на момент структуризации ин формационных потоков не осуществлялась.
Обследование и изучение существующей информационной базы следует проводить с точки зрения целей построения ПТС и проектирования ГИС, выбранной структуры и функциональной направленности ПТС.
Результаты изучения существующей системы инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований, проводящихся в пределах природно-технической системы, представляются в виде информации, включающей:
• схему информационных потоков, ее описание, форматы данных,
• описание используемых методов получения, хранения, обработки и передачи инженерно-геологических, гидрогеологических и сопутствующих данных, степень их возможной автоматизации,
• принятые формы представления материалов исследований и их содержание,
• перечень видов исследований, этапы и (или) периодичность их выполнения,
• сопоставление целевых задач, поставленных перед изучением, с задачами, решаемыми в фактическом смысле с помощью используемых методов.
Материалы, полученные в результате изучения существующей информационной системы, являются составной частью технического задания на разработку ГИС.
Как показывает выполненный анализ, не следует подчинять ГИС все этапы и виды работ при существующей последовательности получения, хранения, обработки и передачи геологической информации, т.к. это не дает желаемого эффекта, а приводит к лишним, неоправданным затратам. Необходимо и вполне возможно по результатам изучения и обследования порядка выполнения работ выбрать оптимальное количество функций (или этапов), которые следует автоматизировать и включить в систему.
После изучения информационного потока инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований следует переходить к процедуре составления последовательности, позволяющей выполнить проектирование и построение ГИС. По существу, это является техническим заданием на разработку системы.
Содержание технического задания должно и может соответствовать общепринятым стандартам и правилам, принятым в инженерной геологии (инженерно-геологических изысканиях). В техническом задании формулируются цели, которые должны быть достигнуты в результате внедрения алгоритма и создания расчетных циклов, определяется очередность выполнения поставленных задач и функциональное назначение ГИС.
В объеме разработки технического задания ставится задача и определяются пути исследования, методологическая обоснованность и практическое решение проектирования и создания ГИС в инженерной геологии как базы для перманентного математического моделирования и прогнозирования природно-техногенных процессов.
В качестве теоретического принципа разработки ГИС В.К. Епишин и В.Н.Экзарьян (и др.) выдвинули системный принцип конкордантности, который подразумевает: (1) выбор и вид согласования структуры функциональной и обеспечивающей частей ГИС со структурой ПТС, (2) разработку предварительной модели функционирования ГИС в разных режимах работы путем внутрисистемной оптимизации выбранной предполагаемой структуры на базе положенных в основу общесистемных принципов.
При этом методическая направленность отражает ряд перечисленных ниже направлений.
1. Определение перечня направлений исследований и характеристик, подлежащих анализу: описывается методика построения ПТС с фиксацией ее основных компонентов и результатов обследования существующих сведений, проводимых в пределах выделенной ПТС.
2. Установление основных принципов организации и назначения ГИС: целей создания и планируемых результатов от внедрения ГИС, назначения и принципов, положенных в основу, взаимосвязи по принципу совместимости проектируемой ГИС с системами других уровней.
3. Структуризация функциональной части ГИС: определяется перечень подсистем, из которых бу дет состоять проектируемая ГИС. По каждой под системе следует установить следующие (базовые) характеристики:
• назначение подсистемы,
• функции и основные задачи подсистемы,
• взаимосвязь подсистемы с другими в рамках разрабатываемой ГИС (функционирование),
• требования, предъявляемые к каждой подсистеме в части информационного, программного и технического обеспечения.
Особое внимание следует уделять формулировке основных задач и функций каждой подсистемы. При этом для каждой задачи указываются конкретные входные (исходные данные) и выходные характеристики геологической среды, формы их представления и программные модули, необходимые для реализации задачи. В этом разделе также излагаются модели функционирования ГИС в разных режимах работы. Они представляются в виде схем функционирования выходных потоков проектируемой ГИС. В процессе создания ГИС на стадии рабочего проектирования приведенные в техническом задании схемы функционирования могут и должны быть подвержены существенной корректировке. Несмотря на это, чем яснее сформулированы задачи, чем конкретнее определены характеристики и показатели (входные и выходные) и целенаправленнее составлены схемы функционирования и формирования выходных потоков ГИС, тем проще на последующих этапах осуществлять построение алгоритмов программ и разработку всей системы в целом.
4. Описание общих требований к обеспечиваю щей части ГИС: описываются общие требования, предъявляемые к информационному и программ ному обеспечению (комплексу) технических средств проектируемой ГИС, а также подробно рассматриваются структура и содержание обеспечивающей части системы.
Определение состава, содержания и организации работ: определяются организационные моменты по созданию ГИС (организация-разработчик, организации-соисполнители, организация-заказчик, перечень стадий и сроков выполнения ра бот). Ключевой позицией данного раздела является определение конечного пользователя. Создание систем общего назначения чаще всего приводит к не возможности полноценного использования продукта. А в связи со спецификой инженерно-геологических изысканий как отрасли адаптация созданного продукта «широкого использования» приводит к проблематичному применению рационально разработанных на первый взгляд алгоритмов.
При проектировании целесообразно выполнить следующее: (1) составить перечень запросов, на которые должна отвечать ГИС в разных режимах эксплуатации, содержащий формулировку запроса и желаемую форму представления выходной информации (ответа), (2) выбрать или определить программный комплекс, позволяющий решать задачи ввода-вывода, хранения, многоаспектного поиска и выдачи информации (при этом выбор определяет методику подготовки информации о геологической среде для ввода в систему и конкретизирует работы по созданию программного обеспечения).
При этом положительные результаты при проведении методической работы возможно получить только путем привлечения наиболее компетентных и высококвалифицированных специалистов предметной и системной областей исследований.
Следующим этапом разработки ГИС в инженерной геологии является составление технического проекта (ТП). В этом случае постановка задачи основывается на материалах, полученных при изучении существующей системы инженерно-геологических, гидрогеологических и прочих исследований и технического задания (ТЗ) с учетом целей, морфологии, структуры и функционирования ПТС.
В отличие от технического задания технический проект составляется отдельно на каждую подсистему ГИС. Это связано с глубиной и сложностью проработки всех поставленных перед ГИС задач, с существенным и различным функционированием подсистем и трудоемкостью разработки ГИС в части информационного и программного обеспечения и комплекса технических средств.
Первой (по значимости для пользователя) подсистемой, подлежащей разработке, является блок автоматизированной справочно-информационной поддержки (в системной и предметной областях).
Технический проект состоит из четырех основных разделов:
1) информационное обеспечение (приводятся краткая методика разработки информационного обеспечения, инструкции по подготовке информации к вводу в ГИС, классификаторы и принципы кодирования информации, структура ин формационной базы, формы входных и выходных документов, методика выявления и отбраковки ошибок, алгоритмы логического контроля информации),
2) программное обеспечение (включает описание алгоритмов и базовые листинги программ, позволяющих решать поставленные перед проектируемой подсистемой задачи, необходимые нормативно-технические документы),
3) обоснование комплекса технических средств (со держит логику выбора технических средств и характеристики, определяемые целевыми задачами проектируемой подсистемы, предварительный расчет объемов исходной информации, сложность структуры информационной базы, вспомогательные программные модули, используемые в ГИС),
4) функционирование (должно содержаться описание методики функционирования подсистемы с иллюстрационной блок-схемой).
Все методические разработки на стадии технического проектирования отрабатываются и отражаются на контрольных примерах (выборках), выполненных на основании фактического материала. При этом контрольные выборки включают необходимую информацию на небольшую часть территории в пределах границ изучаемой (репрезентативной) ПТС с наиболее сложным геологическим строением и максимальной степенью инженерно-хозяйственного воздействия. Это обстоятельство позволяет опробовать полученные результаты (инструкции, классификаторы, программы и т.д.) в «экстремальных» условиях функционирования, что и является основной задачей технического проекта.
Следует отметить, что на стадии технического проектирования целесообразно и весьма полезно привлечь специалистов предметной области в качестве экспертов для рассмотрения получаемых в процессе работы результатов, т.е. обеспечить непосредственный перманентный анализ первичной и выходной информации.
Возможно составление технического проекта в целом на всю ГИС. При этом работы следует начать с проектирования подсистемы управления процессами функционирования.
Технический проект является основополагающим документом при внедрении и эксплуатации ГИС.
В процессе внедрения ГИС создается информационная база в цифровом виде. Создание информационной базы следует осуществлять двумя путями: (1) обеспечением сбора и систематизации материалов исследований прошлых лет, (2) подготовкой текущей инженерно-геологической информации, начиная с определенного момента времени.
При этом следует предусмотреть введение в технологию инженерно-геологических, гидрогеологических и других исследований, проводимых в пределах изучаемой ПТС, нового дополнительного этапа работ — подготовки материалов для ввода в ГИС.
Интересной с точки зрения методических аспектов, принципов и последовательности организации ГИС является представление мониторинга геологических, литотехнических и эколого-геологических систем «...как особой формы геоинформационной системы» [5]. Структурирование функциональной и обеспечивающей частей ГИС позволяет соотнести потоки информации, касающиеся мониторинга геологических и прочих систем, как составной части общего алгоритма построения ГИС в целом. Организация функциональной части мониторинга обеспечивается на заключительном этапе проектирования ГИС. Особенность заключается в формализации информации для проведения прогноза как одной из составляющих мониторинга. Это является самостоятельным алгоритмом. По существу, мониторинг является одной из подсистем ГИС. Эти аспекты подробно изложены в работах [1, 5].
Относительно подготовки и разработки геоинформационной системы для целей инженерной геологии (инженерно-геологических изысканий) ряд оппонентов выдвигают на первый взгляд справедливый вопрос, касающийся целесообразности проведения работ в данном направлении. По оценке затрат времени и средств данный вид исследований является трудоемким и затратным. Это является основополагающим отрицательным аспектом. Но, в свою очередь, ГИС позволяет выполнить не только систематизацию и хранение информации, но и ее перманентную обработку по установленным алгоритмам. Причем алгоритм оперирования исходными данными может быть изменен в зависимости от поставленных задач.
Кроме того, неоднократно высказывались предположения о ликвидации инженерно-геологических изысканий после внедрения подобной системы. Такое мнение является весьма ошибочным и возникает в результате непонимания целей и задач подобных технологических направлений в работе.
В результате использования ГИС можно существенно уменьшить планируемые виды и объемы полевых работ и технологический срок выполнения камеральной обработки за счет автоматизации технологических процессов и соответственно сократить затраты времени на выпуск отчетной документации. Качество документации повышается и за счет перманентного анализа комплекса информации при необходимости оперативных изменений постановки задачи.
Необходимость дополнения или обновления имеющихся сведений остается неизменной. О ликвидации полевых инженерно-геологических работ в обозримом будущем речь не идет. Примером может служить геологический фонд г. Москвы. По оценке ряда исследователей, число буровых скважин превышает 700 тысяч. Количество полевых испытаний грунтов при необходимости можно рассчитать эмпирическим способом — и получится впечатляющий результат. Но при этом реальных действий, связанных с ликвидацией полевых инженерно-геологических работ и с оперированием только существующими архивными материалами в полном объеме городского проектирования, обоснованно не предпринимается.
Соблюдение элементарных методических положений, принципов и последовательности организации ГИС в инженерной геологии позволяет обоснованно создать проектную модель системы и избежать ошибок, которые могут существенно влиять на анализ и интерпретацию информационных потоков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бондарик Г.К., Чан Мань Л., ЯргЛ.А. Научные основы и методика организации мониторинга крупных городов. М.: ОАО «ПНИИИС», 2009. С. 260.
2. Епишин В.К. Конструктивная теория геосистемы как основа разработки мониторинга. Киев: Знание, 1978. С. 136.
3. Козловский СВ. Построение природно-технических систем при организации геологической информации // Геологическое изучение и использование недр: Науч.-техн. информ. сб. Вып. 1. М.: Геоинформарк, 2001. С. 43-52.
4. Комаров И.С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических изысканиях. М.: Недра, 1972. С. 296.
5. Королев В.А. Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем. М.: Издательство «КДУ», 2009. С. 416.
6. Пендин В.В. Комплексный количественный анализ информации в инженерной геологии. М.: Издательство «КДУ», 2009. С. 350.
7. Щедровицкий ГЛ. Принципы и общая схема методологической организации системно-структурных исследований и разработок // Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник. М.: Наука, 1981. С. 248.
8. Медведев О.П., Экзарьян В.Н. Методология создания информационной системы «Геологическая среда Москвы» // Геологические исследования и охрана недр. Науч.-техн. информ. сб. Вып. 1. М.: Геоинформарк, 1999. С. 36-46.
Каталог статей
Ты знаний можешь не иметь
В какой-то области конкретной,
Но коль есть доступ в интернет,
Не жмись ты ссылочкой ответной.
