Цифровая картография в геологии

1998

Ссылки были рабочими на момент написания статьи. Как ныне - не знаю - 2008 г.

Введение

Взрывообразное развитие Интернет в последние годы затронуло и науки о Земле. С одной стороны, Сеть выступает как основной, наряду с традиционными публикациями, источник данных, с другой - как средство наиболее оперативного доведения результатов исследований до мирового научного сообщества. Поскольку геологическая картография представляет собой основу для любых геологических представлений, постольку приобретает значение компьютеная обработка геокартографических материалов и их представление в Сети. Однако компьютерная обработка имеющихся в Сети картографических данных имеет самостоятельное значение, сопоставимое с таковым данных аэро- и космофотосъемки, позволяя получить принципиально новые данные, существенно дополняющие результаты наземных геологических исследований.

В соответсвие с этим, данная работа посвящена вопросам источников цифровых данных для геологической картографии, методам их обработки и представления результатов, а также применению описанных методик для некоторых районов Северо-Востока России.

Источники данных

Цифровые картографические материалы представлены в Сети в различных видах. Для целей геологических исследований наибольший интерес представляет формат DEM - digital elevation modelling (что на русский обычно переводится как карта высот). Формат этот представляет собой матрицу, каждая точка которой характеризуется координатами (широтой и долготой) и высотой. На основе такой матрицы возможно построение карт в изолиниях высот (contour map), псевдотрехмерных теневых карт рельефа (shadow map) и трехмерных карт или блок-диаграмм (surface map). Следует заметить, что DEM формат существует минимум в двух разновидностях - USGS DEM GTOPO DEM, и совместимость прикладной программы с одной из них не гарантирует таковой с другой.

Разномасштабные карты в DEM-формате доступны на ряде сайтов, принадлежащих американским научным и правительственным организациям. Среди них: USGS - Геологическая служба Соединенных Штатов, HIMA (что-то вроде Национального агентства образов и карт, принадлежащего, как я понял, Вооруженным Силам), NOAA National Data Centers , имеющие, как правило, зеркала на ряде других сайтов.

На сервере NOAA National Data Centers представлены данные ETOPO5 - пятиминутные матрицы для всего Земного шара, а также батиметрия морского дна и карты поверхности дна, построенные по данным спутниковой альтиметрии. Кроме того, представлены разнообразные геофизические данные, на которых в настоящей работе я останавливаться не буду. Доступ к данным свободный, по протоколу FTP и HTML. Выбор района осуществляется либо по обзорной карте, либо путем задания координат. Возможно получение данных в виде бинарного (с Sun- или PC-байт последовательностью, по выбору пользователя) либо в виде ASCII-файла, Следует отметить, что on line возможно скачивание файла объемом не более 10 мегабайт. При превышении этого лимита предлагается заказать данные на CD-ROM, что, как понимает читатель, в наших условиях несколько затруднительно. Сайт поддерживает докачку после разрыва соединения, однако, поскольку физически созданный пользователем файл не существует, докачка должна осуществляться в течении того же сеанса, без перезагрузки операционной системы.

Сервер NOAA National Data Centers содержит данные в формате DTED (digital terrane elevation data), функционально аналогичного, согласно описанию на сайте, формату DEM. Матрица 30-секундная, аналогично GTOPO30. Доступ к данным свободный. Данные разбиты на планшеты, соответствующие листам масштаба 1:1.000.000. Внутри планшета возможен выбор произвольного по размеру прямоугольника, либо планшетами масштаба 1:100.000. Докачка после обрыва соединения сервером не поддерживается, поэтому при плохом качестве связи следует выбирать второй вариант. Данные представляют собой tar-архив, включающий два файла - плоскую матрицу и собственно карту высот.

Наибольший интерес для региональных геологических исследований представляют данные GTOPO30 - 30-секундные матрицы, охватывающие всю поверхность суши. Они развиты на планшеты размером 50 градусов по широте на 40 градусов по долготе (примерно соответствует планшету масштаба 1:10.000.000. Выбор планшета при скачивании осуществляется по карте. Поддерживается докачка. Данные представлены в виде tar-архива, упакованного GNUzip'ом. Tar-архив содержит ряд файлов, из которых необходимыми для работы являются файлы *.dem (собственно карта высот), *.hdr (файл заголовка) и (для ориентировки) *.gif, соответствующий десятимиллионному планшету.

Ниже описаны преимущественно приемы работы с данными GTOPO30 , как наиболее интересными с точки зрения региональной геологии.

Программное обеспечение и его применение

Все описанное ниже программное обеспечение преданзначено для платформы Intel-Windows, хотя изначально формат DEM USGS предназначен для различных UNIX-платформ.

Работа с данными GTOPO30 начинается с распаковки архива. Для этого может использоваться текущая версия почти любого из zip-архиваторов (распознающего tar-архивы). Большое количество их в виде freeware или shareware можно найти на сайте Winfiles - обширной коллекции услвоно-бесплатного и бесплатного программного обеспечения для Windows. Можно обратиться также к русскоязычным сайтам - СофтЛист95 и Freeware.ru ; первый содержит весьма подробные аннотации, основанные на тестировании программ автором сайта, второй же включает исключительно бесплатные программы без ограничения функциональности или срока действия.

В качестве примера можно рассмотреть WinZip (текущая версия 6.3), как один из наиболее распространенных. Распаковка проходит обычным образом, однако надо учесть одно обстоятельство. В конфигурации WinZip'а по умолчанию выставлена опция простановки CR/LF для tar-архивов (Tar File smart CR/LF coversion). Эта опция должна быть сохранена при распаковке файлов *.hdr, но обязательно снята при распаковке файлов *.dem. При распаковке DTED из tar-архива опция Tar File smart CR/LF coversion также должна быть снята.

После разархивирования мы получаем для каждого планшета набор из dem-файла, hdr-файла и (опционально) gif-файла. Однако непосредственная работа с dem-файлом невозможна, поскольку он имеет Sun'овскую байт-последовательность. Для преобразования его в байт-последовательность PC можно воспользоваться программой Swapbyte, автором которой является Сергей Ю. Соколов (Геологический институт РАН). При запуске в командной строке предлагается ввести имя dem-файла (в формате 8.3), а затем количество байт в порции. Следует максимальное значение - 40.000 байт. Затем указывается имя выходного файла - оно может отличаться от исходного, но в этом случае следует аналогичным образом переименовать и файл *.hdr. Существенно, что *.dem, *.hdr и собственно swapbyte.exe должны находиться в одной поддиректории.

Получившийся файл может быть использован на PC в любой из программ, понимающих формат DEM USGS. Большинство таких программ - коммерческие image-processors, например, ERDAS или ERMapper. Это сложные и дорогостоящие (от нескольких тысяч до многих десятков тысяч долларов) программные комплексы, имеющие, как правило, аппаратную защиту от несанкицонированного использования. Однако некоторое количество программ такого рода доступно в Сети в качестве freeware или shareware. Некоторые из них оказались непригодны для использования, по крайней мере на моей конфигурации (P-II/266, M/b ASUSPII97L, RAM 128 MB, Video ASUS 3DexPlorer 3000 AGP, HDD Quantum Fireball 8,4 GB). С особенной осторожностью следует относиться к DOS-программам: при запуске из Win95/98 некоторые из них вызывают не только зависание, но циклическую перезагрузку, требующую быстрой реакции для нажатия клавиши F8 и ручного исправления файлов config.sys и autoexec.bat.

Однако мне удалось обнаружить в сети несколько работоспособных бесплатных программ, предназначенных для обработки файлов формата DEM.

Примером такой программы является free download 3DEM60, доступная на сайте ее автора - Ричарда Хорна (3DEM ). Здесь же приведены весьма впечатляющие примеры ее применения: сгенерированные ландшафты Большого Каньона, вулкана Сен-Хеленс, марсианских кратеров и многого другого. Программа эта считывает файлы форматов USGS DEM и GTOPO30 DEM. В главном окне программы (рис. 1) выбирается квадрат, по которому можно проводить трехмерную визуализацию рельефа (рис. 2), а также генерировать анимированные облеты (fly by). При визуализации возможно изменение заданной по умолчанию цветовой палитры, а также использование внешних текстур (в формате *.bmp). Ссылки на коллекции текстур приведены на сайте автора. Здесь же можно скачать библиотеки OpenGL для Win95, необходимые для генерации облета (если они не были в комплекте с Вашей видеокартой). Программа содержит весьма подробное (step by step) описание, что делает ее использование легким. Результаты визуализации записываются в виде файла *.bmp, анимации - в формате MPEG-1. Из недостатков - полное отсутствие средств рисования, возможность одновременной работы только с одним файлом, ограниченные средства экспорта.

Рисунок 1. 3DEM, главное окно

Рисунок 2. 3DEM, окно визуализации

Недавно появилась новая версия программы (7.0), о чем меня любезно известил автор. В ней появилась возможность экспорта в формат *.vrml. Соответственно, галерея Ричарда пополнилась примерами VRML-визуализации ландшафтов. Очень рекомендую посмотреть. В качестве образца привожу мой первый (довольно убогий) опыт работы с *.vrml (рис. 3).

Рисунок 3. 3DEM, экспорт в VRML

Другая программа для работы с DEM-файлами - MicroDEM , автором которой является Питер Гус (Peter Guth). Она считывает различные форматы DEM и DTED, ASCII и некоторые другие, однако попытка открыть файл GTOPO30 DEM приводит к сообщению об ошибке. Тем не менее это чуть ли не единственная программа из виденных мной, которая действительно работает с данными DTED level 0. Кроме того, она специально предназначена для геологической картографии. На сайте автора представлены примеры использования геологических данных.

Наконец, пожалуй, самой мощной программой (не считая специализированных) для обработки картографических данных является Surfer (текущая версия 6.3). Она не принадлежит к категории бесплатных - на сайте производителя (фирмы Golden Software ) указана цена в 500 долларов. В России ее продукцию продает единственная фирма - Софтлайн; цена на Surfer - более 700 долларов, условия поставки - 2 недели после полной предоплаты. Тем не менее на сайте Golden Software доступна функционально ограниченная бесплатная демо-версия. На других возможностях приобретения останавливаться не буду - Вы и сами все знаете.

Surfer, как следует из ее названия - программа для построения поверхностей по трехмерным матрицам (рис. 4). Она работает с собственными форматами - *.grd (собственно матрица) и *.srf (построенные по данным *.grd поверхности). Позволяет импортировать файлы в форматах DXF (AutoCAD Data eXchenge Format), WPG (WordPerfect Graphics), EPS (Encapsulated PostScript), а также все основные растровые форматы. В опциях конвертирования (пункт меню Grid - Utilites - Convert) указан и формат DEM, однако попытка считать GTOPO30 DEM дает сообщение об ошибке.

Рисунок 4. Surfer

Тем не менее работа с данными GTOPO30 возможна. Для этого Сергеем Ю. Соколовым была написана утилита gtopo30 для извлечения из файла GTOPO30 DEM данных в текстовый DAT-файл. Это небольшая (менее 40 килобайт) DOS программа, работающая под Win95/98 как в полноэкранном, так и оконном режиме. При запуске предлагается ввести имя исходного DEM-файла (в формате 8.3, файл должен находиться в той же директории). Затем последовательно запрашивается номер северной и юной линий, затем - западной и восточной колонок. В принципе можно попробовать вытянуть весь планшет, но тогда размер конечного DAT-файла будет измеряться многими сотнями мегабайт (если не гигабайтами). Поэтому размер рабочего участка должен подбираться, исходя из объема оперативной памяти. По опыту можно сказать, что при RAM 128 MB возможна эффективная работа с файлов объемом до 100-150 мегабайт. После ввода каждой линии или колонки сообщаются соответствующие им широта или долгота, и требуется подтверждение. Значения эти желательно записать - они потребуются в дальнейшем. После этого запрашивается имя целевого файла (также в формате 8.3), в принципе расширение может быть любым, но для дальнейшей работы в Surfer'е желательно задать расширение *.dat. Затем выводится сообщение о количестве линий и колонок в матрице (эти значения также не худо записать)и максимально возможном объеме файла (обычно оно больше реально получившегося, разница связана с относительной площадью акватории). После чего по прошествии определенного (зависящего от размера обрабатываемого района) времени появляется сообщение о завершении сеанса DOS.

Предварительная процедура на этом заканчивается. Далее наступает время Surfer'а. Получившийся DAT-файл превращается в грид (*.grd) путем выбора пунктов меню Grid - Data - имя файла.dat. Здесь следует учесть, что параметры преобразования выбираются Surfer'ом методом глядения в потолок или подбрасывания монеты. Нужно проследить, чтобы координаты района соответствовали тем, что Вы записали при работе gtopo.exe, а также чтобы было указано именно то количество линий и колонок, которое получилось в результате предшествующего этапа. В случае чего не стесняйтесь исправлять эти значения ручьмя.

В результате этой деятельности получается файл *.grd. На его основе Surfer позволяет строить: контурные карты в изолиниях высот, т.н. shadow map, трехмерную блок-диаграмму (surface map) и т.д. Наиболее интересны с точки зрения геологии - shadow map (рис. 5). Внешне они выглядят похоже на космоснимок и дают массу совершенно неожиданной информации о геологических структурах. В принципе они могут быть расцвечены, однако опыт показывает, что черно-белые (вернее, gray scale) карты более информативны. Однако об этом - позднее.

Рисунок 5. Surfer, shadow map

После изготовления shadow map и записи ее в виде *.srf возможна дальнейшая работа. Surfer располагает возможностями рисования, хотя и не вполне совершенными. Можно рисовать ломанные линии, линии free hand, полигоны и т.д. Возможна заливка полигонов и иных замкнутых фигур, однако, поскольку прозрачность не предусмотрена, это маскирует особенности рельефа. С другой стороны, трехмерные блок-диаграммы (surface map) более эффектно выглядят в цвете (рис. 6). Они ни в коей мере не заменяют shadow map, но могут служить их полезным дополнением. Их следует сохранить в отдельном файле.

Рисунок 6. Surfer, surface map

Представление результатов

Surfer предусматривает экспорт в виде некоторых векторных (DXF, WPG) и большинства растровых форматов (TIFF, BMP, GIF, JPEG, PCX). С точки зрения представления в Сети практический интерес представляют GIF и JPEG. Shadow map, как показывает опыт, лучше сохранять в виде GIF. При этом следует проявить внимательность: размер gif-файла, как обычно для этой программы, выставляется произвольно (по умолчанию - 640х480, в дальнейшем - по размеру последнего эспортированного файла). Поэтому для сохранения пропорций исходного разрешения следует задать количество пикселей по горизонтали и вертикали, кратное размерам shadow map (узнать их можно, выбрав пункты меню Map - Scale, при выделенной карте).

В отношении surface map - аналогично. Поскольку Surfer работает только с 256 цветами, сохранение в виде gif-файла более целесообразно, чем в виде jpeg'а. К сожалению, в текущей версии не прусмотрено сохранение в чем-то похожем на VRML. Поэтому весьма эффектная трехмерность исходной картинке при экспорте смазывается. Теоретически рассуждая, трехмерную картинку можно перетащить в какой-либо VRML-редактор через буфер (Surfer весьма эффективно работает с WMF (Windows Metafile, формат буфера обмена): при переносе, например, в CorelDRAW, векторные части остаются векторным, растровые - растровыми. На практике, однако, попытка скопировать в буфер практически любое трехмерное изображение приводит к сообщению о нехватке памяти (напомню, что речь идет о машине с RAM 128 MB). Не знаю, в чем дело. Ведь сам файл с surface map, как правило, не очень велик (десятки мегабайт). Хотелось бы попробовать процедуру при, скажем, 256 или 512 мегабайтах, да вот денего все не соберу. Так что проблема представления в Сети трехмерных картинок остается нерешенной.

Примеры применения

Анализ surface maps и особенно shadow maps для ряда районов Северо-Востока России (Камчатка и южная часть Корякского нагорья), где автор проводил полевые работы на протяжении 80-х - начала 90-х годов, позволил прийти к неожиданным выводам (которые, как надеюсь, станут предметом отдельной работы). Здесь же остановлюсь на одном моменте (иллюстрируемом рисунком). В свое время в монографии Л.П.Зоненшайна и Л.Савостина "Основы геодинамики" на одной из схем была нарисована граница Североамериканской и Евразийской литосферных плит, трассирующаяся поперек Камчатского перешейка. С региональной точки зрения, это представлялось невероятным. Более того, полевые наблюдения как мои, так и моих предшественников и коллег (например, Н.М.Шапиро), не давали для этого ни малейших оснований. Тем неожиданней было, при анализе shadow maps, построенных на данных GTOPO, обнаружить прекрасно выраженную структуру, пересекающую Камчатский перешеек. Структуры к северу от нее - продолжение структур южной части Корякского нагорья (т.н. Олюторская зона), к югу - сопоставимы со структурами собственно Камчатского полуострова. Достаточно отчетливо устанавливается сдвиговая природа этой границы. Так что, даже если не возводить ее в ранг границы плит, она имеет важное региональное значение.

Аналогично с южным ограничением камчатских структур. В качестве таковых традиционно принималась Авачинская зона деформаций, область к югу от которой трактовалась уже как фундамент Курильской островной дуги. Однако точное ее положение оставалось спорным. Анализ shadow maps показывает, что зона эта весьма широка. Южная ее граница трассируется от уровня вулкана Мутновского вдоль южной границы выходов позднемеловых кремнисто-вулканогенных образований (условно картируемых как ирунейская свита) и далее к северо-западу - вдоль южной границы кристаллических комплексов Срединного хребта. Северная граница начинается от основания Шипунского полуострова, далее разделяет высокометаморфизованный (Вахталкинский, по А.В.Рихтеру) и зеленосланцевый Стеновой блоки Ганальского хребта, далее к северо-западу маркируясь описанной Г.Бондаренко сутурной зоной между высоко- и умереннометморфизованными образованиями Срединного хребта. Таким образом, все высокометморфизованные образования Камчатки оказываются внутри этой шовной зоны. Аналогично, шовная зона Камчатского перешейка также маркируется высокометморфизованными образованиями Тклеваямского комплекса (Федорчук, Извеков, 1992).

Заключение

Все вышеописанное базируется на личном (и неизбежно ограниченном) опыте автора настоящей работы. Автор будет признателен за любые комментарии, исправления, и дополнения.

Благодарности

Автор выражает признательность Сергею Ю. Соколову - автору вышеуказанных утилит для работы с DEM-файлами, кроме того, постоянно помогавшему советами (у нас ведь Страна советов, не так ли?) при работе с Surfer'ом, Кириллу Крылову и Валентину Федоровскому, с которыми обсуждались большинство затронутых в работе вопросов, Н.В.Цуканову и И.Р.Кравченко-Бережному, с которыми автор проводил полевые работы на Северо-Востоке бывшего Советского Союза на протяжении более чем десяти лет.

Работа выполнена при весьма ограниченной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (проект N98-05-64538). Недостаточность таковой - не вина, а беда Фонда (как, впрочем, и наша).