Автор: Алексей Федорчук
1997 г
Нечто вроде отчёта по проекту РФФИ 1994-1996 гг.
Резюме
Рассмотрены вопросы природы геологической информации, ее структурирования и анализа. На основе принципов объектно-ориентированного проектирования выделены классы геологических объектов — тектонический, петрологический и геохимический. На основе этого синтезировано понятие многомерного геологического информационного пространства, координатами которого являются классы геологических объектов, их свойства и функции. Точка пересечения координат — элементарный геологический объект — тектоно-стратиграфический террейн.
Abstract
The nature of geological information, its structuring, and analysis are addresses. By means of object-oriented design, the tectonic, petrologic, and geochemical classes of geological objects are recognized. On this basis, the concept of a multidimensional geological information space is synthesized. The coordinates of this space are: classes of geological objects, their properties, and functions. The origin of coordinates is the elementary geological object-tectonostratigraphic terrane.
Введение
В качестве одной из основных целей наук о Земле вообще и геологии в частности может рассматриваться изучение геодинамических процессов, определяющих современную структуру оболочек Земли, и их эволюцию в пространстве и времени. Достижение этой цели возможно путем решения трех взаимосвязанных задач:
- сбора существующей информации
- анализа ее по единой методике
- основанного на этом построении модели геодинамического процесса.
За длительный период развития геологии многими поколениями исследователей накоплен обширный информационный массив. Современные компьютерные технологии дают возможность принципиально нового взгляда на его природу. Поэтому изучение внутренней структуры геологического информационного массива, методов его анализа и принципов построения основанных на этом моделей геодинамических процессов и является предметом настоящей работы.
В основу приводимых ниже соображений легла проводящаяся с 1990 г. и поныне работа по созданию информационной системы для представления и обработки геологических и петролого-геохимических данных с целью решения проблем геодинамики конвергентных границ литосферных плит. В первую очередь это был оригинальный фактический материал, собранный в ходе полевых исследований, проводившихся в 1980-1993 годах в Корякии, на Камчатке и в Корее. На определенных этапах эта работа финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (гранты N 93-05-14668 иN98-05-64538) и Международным научным фондом (гранты N55000 и N55300).
Геологический информационный массив
Геология, как и другие существенно описательные науки, традиционно оперирует чрезвычайно большими объемами разнохарактерной информации — текстовой, графической и цифровой. Эффективное ее использование возможно только при условии представления в виде организованных по определенным принципам информационных массивов, позволяющих фильтрацию данных по различным критериям в зависимости от решаемой задачи (Fedorchuk et al., 1994).
Поскольку основу геологической науки составляет геологическая картография, данные эти должны быть привязаны как к поверхности Земли, так и ее глубинам, доступным прямым наблюдениям, результатам их экстраполяции и исследованиям дистанционными методами (Федорчук и др., 1995).
Интенсивное развитие Internet в последние годы дает возможность доступа к информационным ресурсам, физически размещенным в произвольных областях киберпространства. В связи с этим представление геологических данных должно учитывать распределенный характер современного информационного пространства (Krylov et al., 1996).
Эффективное использование геологического информационного массива требует его структуризации с учетом как их внутренних логических взаимосвязей, так и связей, организованных для реализации доступа. Однако для этого необходимо рассмотреть, какова природа геологических данных и их характер с точки зрения
- условий получения
- формы представления
- способов использования
Виды геологической информации
Представляется, что вся геологическая информация может быть разделена на три принципиально различные группы
- фактографическую
- концептуально-фактографическую
- концептуальную
Фактографическая информация — результаты измерений, описаний и иного способа фиксирования в чистом виде, поддающиеся метрологическому анализу, аналогично результатам экспериментов. Они могут рассматриваться с точки зрения их точности (чувствительности метода) и воспроизводимости.
Концептуально-фактографическая информация — также первичный геологический материал, в котором наряду с фиксацией явлений и признаков в той или иной мере присутствует элемент интерпретации, основывающийся на господствующей научной парадигме, влиянии научной школы, опыте исследователя и т.д.
Концептуальная информация, как правило — результат обработки информации фактографической и концептуально-фактографической.
В качестве примера соотношения трех групп можно привести геологическую картографию. Карта фактического материала, отображающая точки наблюдения, элементы залегания пород и разрывных нарушений и т.д., является информацией фактографической. Геологическая карта того же района неизбежно содержит элемент интерпретации фактографической информации и является информацией концептуально-фактографической. Наконец, схема тектонического строения — это результат интерпретации, в той или иной мере доказательной, и представляет собой информацию концептуальную.
Группа концептуально-фактографической информации, занимающей промежуточное положение между фиксацией объектов и явлений и их интерпретацией, является специфичной для геологии и, вероятно, большинства т.н. описательных наук (традиционной биологии, географии и т.д.). Напротив, в науках, относимых к категории точных (физика, химия), резко отделяются собственно фактографические данные (например, измерительные результаты экспериментов) от их интерпретации.
Именно эта особенность геологии и придает особенную трудность при анализе геологической информации, поскольку основные концепции информационных систем, такие, как базы данных и хранилища данных, информационно-поисковые машины и т.д. отрабатывались на примере более формализуемой информации, полученной в науках физико-математического профиля. Попытки приложения этих концепций к геологической информации приводит к созданию систем либо очень ограниченного круга применения (например, база данных химических анализов), либо систем чрезвычайно громоздких, ресурсоемких и сложных в использовании.
В настоящее время положение усугубляется широким внедрением в практику научных исследований технологий Internet. Необозримость ее информационных ресурсов на практике оборачивается огромным количеством «информационного шума», даже при использовании поисковых машин. Поэтому вопрос структуризации геологических данных представляется весьма актуальным.
Структура геологического информационного массива
Массив геологической информации может быть структурирован по следующим независимым друг от друга показателям:
классификации в системе геологических знаний
- общегеологическая и структурно-тектоническая информация
- петролого-геохимическая информация
- геофизическая информация
информационным группам различной природы
- фактографическая группа
- концептуально-фактографическая группа
- концептуальная группа
характеру представления информации
- информация текстового характера
- цифровая информация
- информация геометрического характера
- информация в виде графических образов
способах обращения к информации
- информация, позволяющая использовать запросы, основанные на логических операторах (например, SQL-запросы)
- информация, предназначенная для гипертекстовых запросов
Структурированный подобным образом информационный массив подлежит анализу с целью установления внутренних логических связей между информационными группами.
Анализ геологического информационного массива
Геологический информационный массив может анализироваться в соответствии с принципами объектно-ориентированного проектирования, в частности, методом структурной декомпозиции (Booch, 1991), основанном на выделении классов объектов, характеризующихся свойствами и функциями, и их экземпляров, наследующих свойства и функции классов.
В соответствии с классификацией в системе геологических знаний геологический информационный массив может быть разделен на несколько классов, таких, как
- тектонический класс объектов, свойствами которого являются геометрия границ и физико-механические свойства, а функциями — условия релаксации напряжения
- петрологический класс объектов, свойства которого — ассоциации пород, а функции — условия их совмещения
- геохимический класс объектов, свойства которого выражены в химическом составе, а функции — в условиях формирования пород
Очевидно, что свойства этих классов с достаточной степенью приближения могут рассматриваться как информация фактографическая, поскольку поддается метрологическому анализу. С точки зрения представления, свойства — цифровая и геометрическая информация, а с точки зрения доступа — информация с доступом по логическим запросам. Свойства классов достаточно адекватно могут быть представлены в виде реляционно связанных таблиц в системах управления базами данных, и, соответственно, доступ к ним может осуществляться путем логических запросов.
Функции классов представляют собой информацию как концептуально-фактографическую, так и чисто концептуальную. С точки зрения представления, функции представляют собой преимущественно текстовую информацию или информацию в виде графических образов. Существенно описательный, текстовый характер они сохраняют даже в тех случаях, когда представлены в квазиколичественной форме (например, P-T параметры метаморфизма или магмогенерации). Очевидно, что функции геологических классов с трудом вписываются в систему реляционных СУБД; более естественна для них гипертекстовая форма представления и доступ по системе гипертекстовых связей.
Однако такая корреляция между классами геологических объектов и классификационными критериями не является строгой. В общем случае последние следует рассматривать как независимые параметры геологических объектов, то есть также представляют собой их свойства (принадлежность к инфолрмационной группе и характер информации) и функции (способы доступа к информации).
Синтез геологического информационного пространства
Таким образом, из рассмотрения геологического информационного массива вытекает возможность синтеза единого многомерного информационного пространства, координатами которого являются классы объектов, каждый из которых характеризуется тремя параметрами — принадлежностью к информационной группе, характеру представления информации и способу доступа к ней.
В точке пересечения координат располагается то, что предлагается называть элементарным геологическим объектом. Выделение его — один из наиболее существенных моментов при синтезе геологического информационного пространства. Для решения геодинамических задач в качестве такового целесообразно рассматривать тектоно-стратиграфический террейн — ограниченный разломами коровый блок, отличающийся от соседних составом, структурой и историей развития (Howell et al., 1985). Такой элементарный объект характеризуется своими атрибутами — свойствами и функциями, наследующими свойства и функции материнских классов объектов — тектонических, петрологических и геохимических.
В качестве свойств террейна выступают
- геометрия границ и внутренней структуры (тектонический класс объектов)
- слагающие его породные ассоциации (петрологический класс объектов)
- вещественный состав пород (геохимический класс объектов)
Функциями террейна являются
- условия формирования его внутренней структуры и перемещения в современное положение (тектонический класс объектов)
- условия формирования породных ассоциаций (петрологический класс объектов)
- условия формирования слагающих ассоциацию пород (геохимический класс объектов)
Как свойства, и так и функции элементарного объекта (террейна) наследуют свойства и функции соответствующих материнских классов объектов.
Заключение
Таким образом, совокупность геологических данных может быть представлена в виде многомерного информационного пространства, координатами которого являются классы геологических объектов и их свойства и функции. Такое представление данных открывает возможности приложения к геологическим данным методов трехмерного компьютерного моделирования, что, как предполагается, послужит темой дальнейшего исследования.
Благодарности
Автор выражает признательность В.С. Федоровскому, К.А. Крылову и И.Р.Кравченко-Бережному, с которыми обсуждались основные аспекты настоящей работы.Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект N98-05-64538).
Использованные информационные ресурсы
Fedorchuk A., Avakyan K., Krylov K. The complex application system of geological information preparation for geodynamic analysis. ADBIS’94. International WorkShop on Advanced Databases and Information Systems. Proceeding, Institute of Problems of Informatics, Moscow, 1994, p. 277-281
Федорчук А.В., Крылов К.А., Авакян К.Х. Объектно-ориентированная модель данных для геоинформационных систем (на примере информационной системы для геодинамического анализа). Всерос. совещ. «Региональная информатика» — РИ-95, Санкт-Петербург, 1995, с. 112-113
Krylov K.A., Fedorchuk A.V., Galkin V.A. Virtual Geological University (Educational Environment in Internet. Project of Creation). In: 5th Zonenshain conference on plate tectonics , Moscow, November 22-25, 1995, abstr., p. xxix
Booch, G. Object oriented design with applications. Behjamin/Cummings Publ. Co, Redwood City et al., 1991, 519 p.
Howell D.G., Jones D.L., Schermer E.R. Tectonostratigraphic terranes of the Circum-Pacific Region. In: Tectonostratigraphic terranes of the Circum-Pacific Region . Houston, 1985, p. 3-30.