Využití GIS pro zpracování a prezentaci výstupů interaktivního programového systému hodnocení uhelných ložisek

Vlastimil Kajzar
Institut Geoinformatiky
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava 
tř. 17. Listopadu, 708 33 Ostrava - Poruba 
E–mail: flasta@email.cz

Abstract

This thesis describes automated data transmission of outputs from interactive system for evaluation of coal deposits to GIS environment, specifically from Surfer to ArcView software. It deals with conversion of vector data – point, line and polygon features and conversion of grids. This data conversion allows access for more users and extend work and presentation of these data. The other part of thesis describes map outputs design of converted data with respect to classic geological documentation. Designed map outputs are in the end of project realised for specific area of interest.

Keywords: GIS, Surfer, ArcView, data conversion, map outputs

Abstrakt

Tato diplomová práce se zabývá zajištěním automatizovaného přenosu výstupních dat interaktivního programového systému hodnocení uhelných ložisek z prostředí programu Surfer do prostředí GIS, konkrétně do prostředí produktu ArcView. Jedná se o konverzi vektorových dat tvořených bodovými, liniovými a polygonovými geoprvky a konverzi dat typu grid. Konverze dat do prostředí GIS umožňuje přístup k datům pro více uživatelů a rozšiřuje možnosti zpracování a prezentace těchto dat. Další část se zabývá návrhem mapových výstupů z převedených dat s požadavkem na klasickou mapovou geologickou dokumentaci. Navržené mapové výstupy jsou v závěru práce realizovány pro konkrétní zájmovou oblast.

Klíčová slova: GIS, Surfer, ArcView, konverze dat, mapové výstupy

Úvod

V průběhu desítek let geologické činnosti byly získávány informace o geologických objektech, jevech a procesech. V archívech se postupem času nahromadilo obrovské množství informací dotýkajících se geologického prostředí, které jsou uchovány většinou v původní podobě (zprávy, mapy, kreslené profily, apod.) Z důvodu nedostatečné logické uspořádanosti není možno tyto informace prakticky využívat. Možné řešení této situace poskytuje geoinformatika, nabízející potřebné prostředky a postupy pro práci s takovým typem a množstvím dat.

Příkladem takového přístupu je Automatizovaný systém pro rychlé hodnocení uhelných ložisek s použitím univerzálního systému zobrazení hornin, přechodných hornin a uhlí (dále jen ASHUL), který vznikl na Institutu geologického inženýrství VŠB-TU Ostrava, v rámci grantového projektu GA ČR č. 105/00/0194. Jednou z funkcí systému je rychlé hodnocení uhelných ložisek (výpočtů zásob) z dat uložených v ložiskové databázi včetně zpracování textových a grafických výstupů. Z primárních informací (tj. dat uložených v databázi) umožňuje odhadnout hmotnost uhelných zásob ložiska alternativně podle zadaných kritérií a podmínek využitelnosti. Celý systém probíhá v maximálně automatizovaném režimu s minimálními ručními zásahy do postupu řešení. Umožňuje tak rychlé alternativní výpočty zásob podle měnících se limitních hodnot základních výpočtových parametrů.

ASHUL je vhodný (a poskytuje dostatečně přesné výsledky) pro rozlehlé územní celky - celé uhelné pánve nebo jejich velké části. Jeho použitím v oblastech komplikovaného vývoje a složité tektonické stavby ložiska může dojít z důvodů nutnosti zjednodušení geologické situace k nepřesnému popisu reality. Tento systém byl podle záměru vyvíjen pro případy, kdy je třeba rychle a s minimální námahou znát orientačně zásoby uhlí.

Většina grafických výstupů popisovaného automatizovaného systému je automaticky vykreslována v prostředí programu Surfer for Windows firmy Golden Software (dále jen Surfer). Popisná složka dat je ukládána ve výstupních textových sestavách. Je zřejmé, že po převodu výstupních dat (grafických i atributových) do prostředí GIS by bylo možné:

• zajistit nezávislost dat na prostředí Surfer,

• zpřístupnit data pro více uživatelů,

• zjednodušit a rozšířit práci s daty,

• propojit grafickou a popisnou část dat,

• zvýšit kvalitu grafických výstupů tak, aby se vyhovělo požadavkům na klasickou mapovou geologickou dokumentaci.

Programové prostředky používané pro tvorbu a práci s GIS rozšiřují možnosti práce s geografickými daty. Nabízejí možnost provádění různých operací s těmito daty, zejména zobrazování, editaci dat a dotazování se nad nimi, provádění analýz (překryvné analýzy, 3D analýzy, apod.), konverzi do jiných formátů a tvorbu mapových výstupů.

Cíl práce

Cílem práce je zajištění automatizovaného převodu výstupních dat ASHUL do prostředí GIS, konkrétně do prostředí programu ArcView GIS (verze 3.2a) firmy ESRI. Tento převod zajistí jednodušší přístup k datům pro více uživatelů a rozšíří možnosti jejich zpracování.

Dalším cílem je navržení mapových výstupů převedených dat v prostředí GIS, dle požadavků na klasickou mapovou geologickou dokumentaci, a jejich praktická realizace pro vymezenou oblast.

Pro dosažení stanovených cílů je potřeba vyřešit následující úkoly:

1. Automatizovaný převod datových výstupů z prostředí Surfer do prostředí GIS:

   • Převod gridů.

   • Převod vektorových dat a připojení atributové složky dat odpovídajícím geoprvkům. Jedná se o převod:

     • bodových geoprvků (průzkumné vrty),

     • liniových geoprvků (tektonické poruchy, izolinie mocnosti a technologických parametrů – obsahu popela, obsahu síry, výhřevnosti).

     • polygonových geoprvků (bloky zásob, vytěžené části ložiska a obvodový polygon ložiska).

2. Návrh mapových výstupů převedených dat – map vrtů, map izolinií (mocnosti a technologických parametrů) a map zásob uhelných slojí v prostředí ArcView.

3. Příklady praktické realizace pro oblast Jihomoravského lignitového revíru, konkrétně pro kyjovskou sloj ložiska Ježov – Pokrok – Barbora 2.

Automatizovaný převod dat mezi prostředím Surfer a GIS

Datové výstupy automatizovaného systému

Grafické výstupy automatizovaného systému jsou uloženy formou datových formátů GRD (grid), BLN (vektorová data) nebo SRF (mapové kompozice), s nimiž primárně pracuje programový produkt Surfer (verze 8). K většině vektorových dat jsou k dispozici i jejich atributy, které se ukládají zvlášť v přehledových výstupních sestavách. Výstupní sestavy jsou ve formátu Microsoft Excel nebo v textovém (ASCII) formátu.

Základním formátem dat, který se používá k ukládání vektorových dat v prostředí ArcView je formát Shapefile. Nejedná se o jeden soubor, ale o kolekci souborů, které mají stejný název a liší se pouze příponou. Pro práci s daty typu grid v ArcView je potřeba nainstalovat rozšiřující modul 3D Analyst. Základním datovým formátem je formát Arc/Info GRID.

Převod gridů

Program Surfer a program ArcView nenabízejí možnost exportu dat typu grid do formátu, který umí druhý programový prostředek importovat, proto bylo nutné zjistit, zda tuto možnost nenabízí jiný programový produkt (např. Arc/Info, resp. ArcToolBox, Erdas Imagine 8.5, Idrisi32, Geomedia 4 a jiné). Omezenou možnost importu souboru GRD nabízí produkt Idrisi32. Tento produkt nabízí import pouze ASCII tvaru tohoto formátu. Protože jsou výstupní data automatizovaného systému ve tvaru binárním, bylo by nutné nejprve provést konverzi na ASCII tvar a teprve pak začít pracovat s daty v prostředí Idrisi32.

V prostředí internetu byly nalezeny funkce, které dokážou automaticky převádět formát GRD na formát ASC. Ten umí importovat i exportovat produkt ArcView. Bohužel byla konverze omezena opět na konverzi GRD souboru v ASCII tvaru.

Po neúspěšném hledání konverzní funkce u jiných programových prostředků a na internetu bylo potřeba vytvořit vlastní konverzní funkci. Konverzní funkce nabízí konverzi dat mezi datovým formátem GRD (v binárním tvaru) a formátem ASC.

Obr. 1: Schéma konverze dat typu grid

Funkce byla programována ve vývojovém prostředí Visual Basic 6.0. V prostředí tohoto jazyka byl vyvinut i ASHUL, takže se nabízí případná implementace konverzních funkcí do prostředí ASHUL. Nejprve bylo nutné seznámení s vybranými datovými formáty (viz dále). Při konverzi program využívá objekt Grid, který nabízí produkt Surfer, jenž umožňuje načíst data uložená v souboru typu GRD.

Převod vektorových dat a připojení atributových dat odpovídajícím geoprvkům

Program Surfer nabízí export do formátu Shapefile, se kterým primárně pracuje ArcView, ale neumí přitom přiřadit jednotlivým geoprvkům atributy, které jsou uloženy v textových souborech, resp. souborech formátu MS Excel.

Stejně jako v případě převodu gridů, ani u konverze tohoto typu nebyly nalezeny žádné funkce v dostupných programových prostředcích pro GIS, ani na internetu. Proto byly, stejně jako v případě konverze gridu, navrženy a vytvořeny vlastní konverzní funkce pro převod vektorových dat a jejich atributů do datového formátu Shapefile. Zpětnou konverzi nebylo nutné programovat, neboť program Surfer umí s daty typu Shapefile, resp. s geometrickou složkou těchto dat pracovat.

Pro vývoj konverzních funkcí byl opět použit programovací jazyk Visual Basic 6.0. Pro práci s formátem Shapefile byly využity programové mapové komponenty MapObjects 2.1 firmy ESRI.

Bodové geoprvky

Zástupcem bodových geoprvků je vrstva vrtů. Vrty se v programu Surfer vykreslují na základě souboru typu MS Excel. Při konverzi dochází k přidání atributů ke geoprvkům. Tyto atributy slouží k zobrazování popisků vrtů při tvorbě mapových kompozic.

Obr. 2: Schéma konverze bodových geoprvků – vrty

Liniové geoprvky

Převod tektonických linií - lomové body tektonických linií jsou uloženy v souboru typu BLN. Jedná se o ASCII formát, kde v prvním řádku jsou definovány základní parametry linie, z nichž je potřeba znát parametr určující počet lomových bodů a na dalších řádcích jsou zapsány hodnoty souřadnic x a y jednotlivých bodů. V případě více linií se totéž opakuje pro každou linii. Všechny tektonické linie bývají uloženy v jediném souboru.

Obr. 3: Schéma konverze liniových geoprvků – tektonika

Převod izolinií technologických parametrů - automatickým výstupem ASHUL je mapa izolinií bilancované mocnosti a obsahu popela. K výpočtu hodnot gridu se používá v ASHUL interpolační metoda krigování s lineárním modelem. V prostředí Surfer jsou izolinie vykreslovány s maximální úrovní vyhlazení. Rozšiřovací modul ArcView 3D Analyst nabízí možnost tvorby vrstevnic, resp. izolinií na základě vstupního gridu. Tyto izolinie jsou téměř totožné s izoliniemi vytvořenými v prostředí Surfer, proto není nutné provádět konverzi izolinií (linií) z prostředí Surfer.

Polygonové geoprvky

Konverze bloků zásob - bloky zásob mají uloženu zvlášť geometrickou a zvlášť popisnou složku. Geometrická složka, resp. lomové body hranice polygonu bloku zásob, je uložena pro každý blok v samostatném souboru, který je ve formátu BLN (ASCII formát). V prvním řádku jsou definovány základní parametry daného bloku - parametr definující počet lomových bodů hranice polygonu a kód typu polygonu, který je nutný pro pozdější způsob vykreslování typu linie jeho hranice. Atributová složka všech bloků zásob spadajících do sledované oblasti je uložena v přehledové tabulce (MS Excel) nazvané Základní evidenční sestava bloků. Při konverzi dochází ke kontrole a případné korektní opravě zobrazení ostrovních polygonů, což automatizovaný systém neřešil. V dalším kroku se nabízí možnost tvorby hranic jednotlivých bloků zásob ve formě liniové vrstvy, z důvodu možnosti vykreslení těchto hranic v prostředí ArcView dle požadavků na klasickou geologickou dokumentaci.

Obr. 4: Schéma konverze polygonových geoprvků – bloky zásob

Konverze obvodového polygonu ložiska - konverze obvodového polygonu ložiska probíhá obdobně jako konverze bloků zásob. Obvodový polygon je tvořen pouze geometrickou částí. Všechny potřebné informace, tj. počet lomových bodů polygonu a jejich souřadnice, jsou uloženy ve formátu BLN. Z důvodu požadavku na vykreslení tečkované linie hranice obvodového polygonu se vytváří liniová vrstva této hranice.

Obr. 5: Schéma konverze polygonových geoprvků – obvodový polygon ložiska

Konverze vytěžených částí ložiska - poslední možností konverze polygonové vrstvy je konverze vrstvy vytěžených bloků zásob. Vstupní data jsou opět zadána v jediném souboru typu BLN.

Obr. 6: Schéma konverze polygonových geoprvků – vytěžené části ložiska

Aplikace pro konverzi dat

Pro přístup k vytvořeným konverzním funkcím se využívá následující grafické rozhraní.

Obr. 7: Grafické uživatelské rozhraní aplikace pro konverzi dat mezi programem Surfer a ArcView

Konverzní funkce jsou plně automatizované, bez nutnosti zadávání parametrů.

Přístup k těmto funkcím je intuitivní. Na základní obrazovce si vybereme pomocí tlačítka typ dat, která chceme převádět. Konverze bodů a linií nabízí pouze jeden typ konverze a to převod vrstvy vrtů nebo vrstvy tektonických linií. U konverze polygonů je možnost vybrat, která data chceme konvertovat, resp. jaké výstupy chceme obdržet. Standardtně je zatržena možnost tvorby polygonové vrstvy bloků zásob a liniové vrstvy hranic bloků zásob. Dále je zde nabízena možnost konverze obvodového polygonu ložiska jak ve formě polygonu tak ve formě linie a možnost konverze polygonové vrstvy vytěžených částí ložiska. U konverze gridu máme na výběr mezi konverzí dat z prostředí Surfer do prostředí ArcView, která je primárně zatrhnuta, nebo konverzí opačnou.

Po výběru typu konverze dochází k zobrazení dialogových oken, kde je nutno zadat názvy vstupních a výstupních souborů. Informace o průběhu konverze dat může uživatel sledovat v informačním okně.

Návrh mapových výstupů

Kompozicí mapy se rozumí rozmístění základních náležitostí mapového díla na mapovém listu. Závisí především na účelu a měřítku mapy, kartografickém zobrazení, tvaru a velikosti znázorňovaného území a na formátu mapového listu.

Dostupná data

Pro tvorbu mapových výstupů byla k dispozici data rastrová, vektorová i data ve formě gridů.

Rastrová data:

• Vrstvy ZABAGED/2.

• Geologická mapa s vyznačením typů hornin.

Vektorová data:

• Výstupní soubory konverzních funkcí ve formátu Shapefile:

  • Bodové geoprvky:

    • vrstva vrtů.

  • Liniové geoprvky:

    • vrstva tektonických linií,

    • vrstva hranic bloků zásob,

    • vrstva obvodového polygonu ložiska.

  • Polygonové geoprvky:

    • vrstva bloků zásob,

    • vrstva obvodového polygonu ložiska,

    • vrstva vytěžených částí ložiska.

• Data získaná pomocí nástrojů programu ArcView:

  • izolinie bilancované mocnosti,

  • izolinie obsahu popela,

  • příp. izolinie jiných technologických parametrů.

Součástí mapových výstupů je vrstva křížků trigonometrické sítě, včetně jejich popisků při hranicích zobrazované oblasti. Pro tento účel byla vyvinuta funkce, která na základě souřadnic polygonu, podle kterého je zobrazovaná oblast vystředěna (zpravidla obvodový polygon oblasti), vytvoří potřebné vrstvy. Funkce nejprve vytvoří vrstvu bodů při okrajích oblasti a jednotlivým bodům přiřadí jako atribut popisek pro zobrazování hodnoty souřadnice. Poté se vytvoří liniová vrstva umožňující zobrazení jednotlivých křížků trigonometrické sítě s krokem v závislosti na měřítku mapy (500 m pro měřítko 1:5000).

Obr. 8: Grafické uživatelské rozhraní aplikace pro přístup k funkci generující vrstvu křížků trigonometrické sítě a okrajových bodů

Pro každý typ vektorových geoprvků byla definována symbologie, podle které se jednotlivé geoprvky v prostředí ArcView vykreslují. Ke každému typu souboru Shapefile existuje soubor s příponou AVL, v němž jsou definované symboly uloženy.

Data ve formě gridu:

Pro vykreslení map izolinií je nutné provést konverzi:

• Gridu bilancované mocnosti.

• Gridu obsahu popela.

Návrh mapových výstupů

Návrh mapových výstupů v prostředí ArcView probíhal na základě analogových map standardní geologické dokumentace – mapy zásob a mapy izolinií bilancované mocnosti a obsahu popela. Snahou bylo, aby nové mapové výstupy odpovídaly co nejvíce předloze.

Mapový výstup praktické ukázky (ložisko Ježov – Pokrok – Barbora 2) se připravil pro tisk na formát papíru A1, tj. 84,1 x 59,4 cm, v měřítku 1:5000.

Praktická realizace mapových výstupů

Na základě návrhu mapových výstupů byla vytvořena mapa zásob a mapa izolinií bilancované mocnosti a obsahu popela Kyjovské sloje ložiska Ježov – Pokrok – Barbora 2, které se nachází v oblasti Jihomoravského lignitového revíru. Na rastrovém podkladě vrstev ZABAGED/2 jsou zobrazeny jednotlivé vrty (včetně požadovaných atributů), obvodový polygon oblasti, vytěžené bloky zásob, vrstva křížků trigonometrické sítě a v závislosti na typu mapy buď hranice jednotlivých bloků zásob (rozlišeny podle typů) nebo vrstva izolinií bilancované mocnosti s vrstvou obsahu popela (včetně zobrazení odpovídajících popisků).

Obr. 9: Část mapy zásob Kyjovské sloje ložiska Ježov – Pokrok – Barbora 2 zobrazené v prostředí ArcView

Obr. 10: Část mapy izolinií bilancované mocnosti a obsahu popela Kyjovské sloje ložiska Ježov – Pokrok – Barbora 2 zobrazené v prostředí ArcView

Závěr

V rámci řešení diplomové práce se podařilo pomocí vytvořených konverzních funkcí vyřešit přenos výstupních dat Automatizovaného systému pro rychlé hodnocení uhelných ložisek z prostředí Surfer do prostředí GIS. Spojením geometrické a atributové složky vektorových dat a jejich částečnou úpravou a konverzí gridů se vytvořila data, které se dají využívat a dále zpracovávat v prostředí většiny informačních systémů. Konverze řeší nezávislost na produktu Surfer, pro který byla tato data primárně vytvářena, umožňuje přístup k těmto datům pro širší spektrum uživatelů. Díky převodu dat do prostředí GIS se zjednodušila a rozšířila možnost správy dat, dotazování se nad daty, zpracování a analýzy dat, tvorby mapových výstupů.

Konverzní funkce jsou plně automatizované, bez nutnosti zadávání parametrů. Jedinými vstupními hodnotami jsou název vstupního souboru a název souboru výstupního. K jednotlivým funkcím se přistupuje přes intuitivní grafické rozhraní. Konverze vektorů je řešena pouze směrem z prostředí Surfer do prostředí Arcview, resp. do formátu Shapefile. Opačná konverze není nutná, protože program Surfer nabízí možnost importu tohoto formátu.

Při výběru konverze gridu je nabízena možnost konverze v obou směrech (z prostředí Surfer do prostředí ArcView, resp. z formátu GRD do formátu ASC, i opačně).

Vektorové vrstvy izolinií mocnosti, obsahu popela nebo jiných technologických parametrů není třeba konvertovat. Tyto izolinie dokáže produkt ArcView generovat z odpovídajícího gridu v dostatečné přesnosti.

V dalším kroku byly navrženy mapové výstupy, odpovídající požadavkům na klasickou geologickou dokumentaci. Nad rastrovým topografickém podkladem jsou, podle typu mapy, zobrazeny převedená geografická data, včetně jejich popisků. Mapová kompozice dále obsahuje legendu k datům, severku, měřítko, mapový štítek a body trigonometrické sítě. Body trigonometrické sítě jsou dostupné ve formátu Shapefile. Generují se pomocí samostatné funkce, která byla k tomuto účelu vytvořena. Praktická ukázka mapových výstupů byla realizována pro Kyjovskou sloj ložiska Ježov – Pokrok – Barbora 2 nacházející se v Jihomoravském lignitovém revíru. S využitím vytvořených konverzních funkcí lze v prostředí ArcView vytvářet různé typy map geologické dokumentace.

V budoucnu se předpokládá další rozšiřování využívání GIS pro zpracování a prezentaci výstupů interaktivního programového systému hodnocení uhelných ložisek na základě dosažených výsledků předkládané diplomové práce, případně přímé začlenění některých funkcí do samotného systému ASHUL.

Literatura

1. Gürtler, M., Kocich, P.: 1001 tipů a triků pro Visual Basic. Praha: Computer Press, 2000, 328 stran, ISBN 80-7226-368-4.

2. Honěk, J. et al.: Jihomoravský lingitový revír – komplexní studie. Sborník vědeckých prací VŠB - TU Ostrava, roč. XLVII, řada hornicko – geologická, monografie 3, 1. vydání, Institut geologického inženýrství, 2001, ISBN 80-248-0401-8.

3. Honěk, J., Hoňková, K., Jelínek, J., Schejbal, C., Staněk, F.: Vývoj automatizovaného systému pro rychlé hodnocení uhelných ložisek s použitím univerzálního systému zobrazení hornin, přechodných hornin a uhlí. Závěrečná zpráva projektu GA ČR č. 105/00/0194, Ostrava, 2003, 215 stran.

4. Morkes, D.: Visual Basic 6.0 - Učebnice pro střední školy, Praha: Computer Press, 2000, 166 stran.

5. Růžička, J.: Přednášky k předmětu Programování II., 2001, 33 stran.

6. Schejbal, C. et al.: Automatizovaný systém pro rychlé hodnocení uhelných ložisek s použitím univerzálního systému zobrazení hornin, přechodných hornin a uhlí. Sborník vědeckých prací VŠB – TU Ostrava, ročník XLIX, řada hornicko – geologická, monografie 9, 1. vydání, Institut geologického inženýrství, 2003, 162 stran, ISBN 80-248-0401-8.

7. Microsoft Visual Basic 6.0 – Příručka programátora. Microsoft Press, 2. vyd. Brno: Computer Press, 2003, 820 stran, ISBN 80-7226-154-1.

8. Pracujeme s geografickým informačním systémem ArcView GIS. Enviromental Systems Research Institute, Inc., Praha : Computer Press, 1999, 364 stran, ISBN 80-7226-214-9.

9. Surfer 8 – User’s Guide. Golden (California, USA) : Golden Software, Inc., 2002, 640 stran.

10. ArcView GIS 3.2 Help. Elektronická nápověda.

11. MapObjects2 Online Reference. Elektronická nápověda.

12. MSDN Library Visual Studio 6.0. Elektronická nápověda.

13. Convert Surfer ASCII Grid Files to Rastre ASCII files [online]. Redlands (CA, USA), [cit. 2003-11-02], Dostupné na WWW: http://arcscripts.esri.com/details.asp?dbid=11715.

14. Surfer Extension 2.7 [online]. Redlands (CA, USA), [cit. 2003-11-02], Dostupné na WWW: http://arcscripts.esri.com/details.asp?dbid=11912 .

Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.