Геоинформационное моделирование в задачах оценки распределения геотермальных ресурсов (24.10.2011)

Автор: Кобзаренко Дмитрий Николаевич

По алгоритму поиска методом половинного деления: в L ищется такое ребро j, для которого Fi = Sj и Si = Fj, т.е. смежное ребро.

Если смежное i-му ребру в L не найдено, то i-е ребро добавляется в L, при этом индекс для вставки ребра согласно сортировке тоже находится по алгоритму половинного деления.

Если смежное i-му ребру в L найдено, то оно удаляется из L.

По окончании работы алгоритма в массиве L будет находиться искомая граница триангуляционной поверхности в виде массива отрезков. Главное условие корректной работы предложенного алгоритма – фасеты задаются вершинами в одном направлении, либо все по часовой стрелке, либо – против часовой стрелки. При найденных отрезках контура триангуляционной поверхности далее выполняется деление этих отрезков на более мелкие в соответствии с уровнем генерализации трехмерного поля. Затем по узлам контура формируются узлы и четырехугольные фасеты, визуализирующие «слоеный пирог» трехмерного поля. Построение профилей проще, поскольку здесь уже имеются готовые отрезки профиля, которые при необходимости тоже дробятся.

В пятой главе рассмотрено текущее программное обеспечение (ПО) СТГМ, спроектированное в среде визуального программирования Delphi в виде общей программной оболочки и библиотеки генераторов данных.

В основную оболочку ПО встроены базовые функции управления проектом (создание, некоторое редактирование, удаление), функции визуализации и функции работы с библиотеками данных и генераторов. Наличие собственного векторизатора не предусматривается, поскольку по этой части уже имеется хороший задел у отечественных и зарубежных ГИС. В единицу времени система работает с одним проектом. Проект может быть либо загружен из имеющегося файла, либо создан с нуля. Для создания проекта требуется задать: 1) идентификатор проекта, 2) заголовок проекта, 3) название базовой карты и ее масштаб, 4) контур модели, 5) опорные узлы привязки к географическим координатам. Формирование собственной системы координат проекта и его границ происходит, исходя из заданного контура модели и с учетом того, что единица в координатах проекта соответствует 0,1мм на базовой карте.

Функциональная часть ПО СТГМ состоит из четырех разделов. За разделами функциональной части СТГМ можно условно закрепить следующие названия: «Геометрия», «Структуры данных», «Визуализация» и «Обработка данных». Раздел «Геометрия» сосредоточен в одном программном модуле. Он объединяет глобально объявленные геометрические типы данных, такие как 2D/3D-узлы, треугольники, векторы, матрицы, массивы и т.д. Раздел «Структуры данных» также сосредоточен в одном программном модуле. Здесь разработан базовый класс-родитель, имеющий общие свойства, методы и события для всех структур данных СТГМ. Потомками базового класса являются классы, реализованные под каждую из имеющихся структур расчетных и визуализируемых данных, а также класс управления структурой проекта. Раздел «Визуализация» представлен одним программным модулем, содержащим объектную структуру визуализируемой модели. Здесь все возможности визуализации сосредоточены в двух программных классах: первый – для объемного представления всей модели, второй – для плоского представления профиля модели. В обоих классах полностью реализованы функции, связанные с подключением и инициализацией графической библиотеки OpenGL. Раздел «Обработка данных» состоит из нескольких программных модулей. Он представлен набором классов, оформленных в виде невизуальных компонентов среды Delphi. Эти компоненты выполняют определенные задачи системы, такие как: построение триангуляционной сети методом Делоне, построение регулярной сети с помощью двумерной интерполяции, обеспечение поточных вычислений на основе введенной математической формулы и т.п. Они используются преимущественно при разработке генераторов расчетных данных.

Интерфейсная часть основного приложения ПО СТГМ базируется на многооконном MDI-интерфейсе. Он выполнен таким образом, что в единицу времени пользователь работает с одним распахнутым во весь экран окном. Каждое окно представляет собой отдельный раздел работы с проектом. Предусмотрено шесть разделов: «параметры проекта», «библиотека расчетных данных», «библиотека визуализируемых данных», «библиотека генераторов», «визуализация», «менеджер сечений».

Структура генераторов данных настоящей версии ПО СТГМ, достаточных для выполнения поставленных задач по оценке потенциала геотермальных энергоресурсов, представлена на рис.6.

В качестве импортера имеется один генератор данных. Он создает файл расчетной структуры данных типа «векторные объекты» на основе прочитанных данных из файлов форматов: DXF – с геометрическими данными объектов и Excel – с атрибутами объектов. Генераторы расчетных данных подразделяются на ГРД общего назначения (для решения общих задач без привязки к предметной области) и специализированные ГРД (для решения задач с учетом особенностей предметной области). Генераторы визуализируемых данных разработаны в количестве существующих визуализируемых структур данных, по одному на каждую. Для визуализируемых структур типа «покрытие» разработаны два генератора, поскольку покрытие типа «текст» имеет свою специфику хранения данных и их визуализации.

Рис.6. Структура набора генераторов данных ПО СТГМ

GwdRGfromVO – выполняет создание и расчет двумерной непрерывной регулярной сети на основе двумерной интерполяции. GwdDRGfromVO – выполняет создание и расчет двумерной дискретной регулярной сети на основе данных полигональных объектов (например, ареалов районов на карте политико-административного деления). Gwd2Dfrom3D – выполняет извлечение двумерной непрерывной (или дискретной) регулярной сети из глубинного среза трехмерной непрерывной (или дискретной) регулярной сети. GwdRGfromTG – выполняет создание и расчет двумерной непрерывной регулярной сети на основе триангуляционной сети. GwdTGfromVO – выполняет создание и расчет триангуляционной сети методом Делоне. GwdFormulaRG – выполняет создание и расчет двумерной непрерывной регулярной сети на основе введенной формулы для вычисления значения в каждом ее узле. GwdDataDensRG – выполняет создание и расчет двумерной непрерывной регулярной сети – плотности исходных данных. Под плотностью исходных данных в нашем случае понимается минимальное расстояние от узла результирующей регулярной сети до ближайшего узла объекта векторных данных. Чем меньше значение плотности в узле результирующей регулярной сети, тем лучше пространственно распределена информация, находящаяся в исходном файле данных, и тем достовернее результаты пространственного моделирования. GwdBedPowerRG – выполняет расчет двумерной непрерывной регулярной сети со значениями средней мощности текущего горизонта в узлах на основе данных геологической карты и скважинного материала. GwdIsothermRG – выполняет расчет двумерной непрерывной регулярной сети со значениями глубины залегания геоизотермы определенной температуры на основе данных трехмерного температурного поля. Gwd3DGeologyDRG – выполняет расчет (сборку) трехмерной дискретной регулярной сети геологической модели на основе набора непрерывных регулярных сетей – мощностей горизонтов. GwdTeploemRG-1 и GwdTeploemRG-2 – предназначены для расчета двумерной непрерывной регулярной сети со значениями объемной теплоемкости (Дж/см3·°С) в узлах. Первый генератор рассчитывает объемную теплоемкость в статическом интервале глубин, второй – в динамическом интервале глубин. Gwd3DTemperRG – выполняет расчет трехмерной непрерывной регулярной сети – температурного поля на основе непрерывных регулярных сетей: температур нейтрального слоя и геоизотерм.

GvdTin – предназначен для создания визуализируемой структуры данных «Триангуляционная поверхность». GvdMapObjects – предназначен для создания файла визуализируемой структуры данных «Покрытие (точка, полилиния или полигон)». GvdText – предназначен для создания файла визуализируемой структуры данных «Покрытие (Текст)». GvdTexture – предназначен для создания файла визуализируемой структуры данных «Текстура». Gvd3DField – предназначен для создания файла визуализируемой структуры данных «3D-поле».

В шестой главе приведены результаты геоинформационного моделирования в СТГМ пространственного распределения потенциала геотермальных энергоресурсов на территории Республики Дагестан.

Создание проекта. На основе общегеографической карты Дагестана масштаба 1:500000 создан проект «Республика Дагестан». Модель в проекте имеет размеры 427км (высота) на 289км (ширина) в реальном выражении. Единица измерения в координатах проекта, составляющая минимальный уровень генерализации данных, равна 50м в реальном выражении. Базовые компоненты картографической модели: рельеф, населенные пункты с названиями, реки, автотрассы, водоемы, железные дороги также векторизованы на основе общегеографической карты Дагестана.

Геологическая и температурная 3D-модели. Данные выхода стратиграфических горизонтов на поверхность векторизованы из Геологического атласа Северного Кавказа масштаба 1:1000000. Данные глубины залегания стратиграфических горизонтов выбраны из архивов фонда скважин организаций: «Дагбургеотермия» и «Дагнефть». Позиции скважин нанесены на картографическую основу, а данные глубин залегания горизонтов занесены в таблицу атрибутов. Моделирование выполнено с уровнем генерализации регулярных сетей по XY – 250м, шаг по глубине принят равным 50м. Визуализация геологической модели в СТГМ представлена на рис.7.

Рис.7. Визуализация геологической модели в СТГМ

Для расчета трехмерного температурного поля использованы известные карты глубины залегания геоизотерм 100,160,200°С и данные температуры нейтрального слоя. Построение трехмерного температурного поля выполнено до глубины 5000м с уровнем генерализации регулярных сетей по XY – 250м. Шаг по глубине принят равным 50м. Визуализация температурной модели в СТГМ представлена на рис.8.

Расчет потенциальных геотермальных ресурсов выполнен по формуле (1). Для расчета необходимо наличие в формате непрерывной регулярной сети следующих данных: средняя объемная теплоемкость массива пород, температура на прогнозируемой глубине бурения, температура нейтрального слоя и температура окружающей среды. Температура на прогнозируемой глубине берется из трехмерной модели распределения температурного поля. Расчет потенциальных геотермальных ресурсов выполнен для прогнозных глубин бурения 3000м и 5000м. Все регулярные сети, участвующие в расчете, созданы с уровнем генерализации по XY – 250м.

Рис.8. Визуализация модели трехмерного температурного поля до 5000м в СТГМ

На рис.9 представлена карта распределения потенциальных геотермальных ресурсов до прогнозной глубины бурения 5000м. Согласно ей области красного цвета являются наиболее перспективными с точки зрения общего потенциала геотермальной энергии. Примерами являются районы: окрестности населенного пункта Буйнакск, северо-западная часть Дагестана к юго-западу от населенного пункта Южно-Сухокумск, район к северо-западу от населенного пункта Кизляр. Сравнить полученные результаты с какими-либо аналогичными работами не представляется возможным, поскольку такого рода карты для Дагестана по другим методикам расчета ранее не строились. Что касается общероссийских карт распределения потенциальных геотермальных ресурсов, то согласно карте технического потенциала геотермальных энергоресурсов России [Безруких П.П. и др.] Дагестан обладает потенциалом более 20млн т у.т., что подтверждается картой ресурсов до 5000м.

Расчет технически доступных геотермальных ресурсов выполнен для режимов горячего водоснабжения и отопления [Богуславский Э.И.]. Все регулярные сети, участвующие в расчете, созданы с уровнем генерализации по XY – 250м. Для режима горячего водоснабжения в расчете используются геоизотермы 30 и 130°С, которые задают глубину верхней и нижней границ ресурсного интервала соответственно. Для режима отопления расчет аналогичный, за исключением того, что вместо температуры извлечения 80°С задается температура 100°С, а для задания верхней и нижней границ ресурсного интервала используются геоизотермы 50 и 150°С.

Рис.9. Потенциальные геотермальные ресурсы (прогнозная глубина бурения – 5000м)

На рис.10 представлена карта распределения технически доступных геотермальных ресурсов для отопления. На ней выявлены области, которые являются наиболее перспективными с точки зрения технического потенциала использования геотермальной энергии в коммунальном секторе. Для горячего водоснабжения перспективными являются районы Центрального Дагестана, окрестности населенных пунктов: Кизилюрт, Шамхал, Сулак, Хасавюрт и Кизляр. Для отопления перспективными являются: вся зона Предгорного Дагестана с севера на юг и северная часть республики, начиная с населенного пункта Кизляр.

Рис.10. Технически доступные геотермальные ресурсы для режима 90/40°С (отопление)

Согласно общероссийской карте распределения технически доступных геотермальных ресурсов [Богуславский Э.И.], горная часть Дагестана обладает потенциалом технически доступных геотермальных ресурсов для режима горячего водоснабжения 4-6 т у.т./м2 и для отопления 2-4 т у.т./м2. Предгорные, центральные и северные районы республики на тех же картах отмечены потенциалом выше 6 т у.т./м2 для горячего водоснабжения и 4-6 т у.т./м2 для отопления. Сопоставив результаты полученных расчетов с оценкой технически доступных ресурсов Дагестана, нетрудно увидеть приблизительно двукратную разницу. Причиной этого, по-видимому, является использование совершенно разных масштабов для исследования: всероссийского и регионального. Но главным в проведенных исследованиях является не столько количественная оценка геотермальных ресурсов, сколько выявление наиболее перспективных зон.

В процессе проведения исследований автором получены следующие научные результаты, использование которых в совокупности поможет решить крупную народно-хозяйственную проблему комплексного освоения геотермальной энергии в регионе. Эти результаты сводятся к следующему:

Применение геоинформационных технологий в решении задач по оценке пространственного распределения ресурсов ВИЭ и, в частности, геотермальных ресурсов в региональных масштабах при современных возможностях вычислительной техники позволяет выявлять наиболее перспективные районы с точки зрения освоения и использования возобновляемой энергии.

Разработана концепция построения специализированной системы трехмерного геоинформационного моделирования для решения задач по оценке пространственного распределения ресурсов ВИЭ. Принципы построения СТГМ позволяют использовать ее и в других предметных областях (геология, геофизика, геоэкология и др.) путем изменения набора функциональных модулей (генераторов данных).

Концепция построения СТГМ предполагает разделение данных на две категории: расчетные и визуализируемые. Преимущества такого разделения заключаются в: а) отсутствии временных затрат на получение адаптированной под визуализацию модели структуры данных (включая формирование легенды); б) возможности создания для одних и тех же расчетных данных нескольких визуальных структур, по-разному интерпретирующих (разная легенда) информацию.

Разработан набор функциональных модулей СТГМ, называемых генераторами расчетных данных, достаточный для выполнения геоинформационного моделирования пространственного распределения геотермальных ресурсов в регионе.

Предложен способ оптимизации объема данных в регулярной сети путем замены восьмибайтовых (вещественных) значений в ее узлах на формальные беззнаковые двухбайтовые целые числа и два коэффициента преобразования. Идея оптимизации основывается на том, что реальные данные из окружающего мира имеют такие диапазон значений и точность представления, что позволяют представить все возможные значения в узлах сети относительно небольшим количеством чисел. Предложенный способ оптимизации в 4 раза сокращает объем памяти для хранения сети, что увеличивает возможности геоинформационного моделирования на регулярных сетях в режиме 3D.

С использованием разработанных геоинформационных технологий построены модели: а) трехмерного геологического строения земной коры Дагестана, б) трехмерного температурного поля до 5000м. Данные модели являются основой расчета пространственного распределения плотности геотермальных ресурсов.

С использованием разработанных геоинформационных технологий построены модели распределения общих потенциальных геотермальных ресурсов Дагестана до глубин 3000 и 5000м, а также технически доступных геотермальных ресурсов для режима 70/20°С (горячее водоснабжение) и для режима 90/40°С (отопление). Построенные модели позволяют оконтурить наиболее перспективные районы Дагестана с точки зрения освоения геотермальной энергии.

Перспективы системы трехмерного геоинформационного моделирования видятся в ее использовании (при доработке функциональных модулей) для расчета пространственного распределения ресурсов солнечной энергии и энергии ветра.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография:

Кобзаренко Д.Н. Алгоритмическое и программное обеспечение оценки распределения геотермальных ресурсов. Махачкала.: АЛЕФ, 2011. – 200с.

В журналах ВАК:

Кобзаренко Д.Н. Цикличный алгоритм триангуляции невыпуклого полигона для прикладных задач геоинформатики // Геоинформатика. 2004. №1. С.58-61.


загрузка...