基于數(shù)據(jù)庫驅動的地質圖快速制圖技術研究

李曉蕾，高學正，商云濤，吳 軒

(1.中國地質調查局發(fā)展研究中心，北京 100037；2.全國地質資料館，北京 100037)

地質資料是地質工作成果的重要體現(xiàn)，是廣大地質工作者辛勤勞動的結晶，是地質工作服務社會的主要載體[1]。隨著經濟的快速發(fā)展，地質資料作為社會信息的重要組成部分，其作用日益凸顯，社會各界也對地質資料提出更高的多元化服務需求。如何有效地發(fā)揮地質資料的價值，利用先進的GIS技術，通過快速高效的數(shù)據(jù)處理流程，生產出高品質的地圖產品，滿足多元化的社會服務需求，是地圖界一直探討的問題[2]。

常規(guī)的制圖方法需要花費大量的人力和時間，如果數(shù)據(jù)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)分析、圖件修編耗時較大，而且很多為重復工作，難以應對緊急情況下的制圖需求[3]。推進地質圖的快速制作，可以有效提高地質制圖工作效率，及時為社會各界提供地質圖服務，是提高地質資料服務的有效途徑，還能滿足社會各界對地質資料的多元化需求。本文對國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫進行了深入分析，研究提出了地質圖快速制作的方法和流程，不僅促進了地質信息數(shù)據(jù)共享，還可以更好的為社會公眾提供服務。

1 國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀

地質圖是對客觀地質現(xiàn)象和地質體的認識和解釋，使用不同顏色、符號和花紋表示在一張圖上，便于人們閱讀理解和使用[4]。國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫是反映國家地質礦產資源、水文環(huán)境資源、航空物探遙感資源等的現(xiàn)狀、利用、規(guī)劃的主要載體[5]，可以為國家的建設提供十分重要的信息和資料，在尋找國家建設需要的礦產資源，大型橋梁、水庫、大壩選址，尋找地下水資源，國家地質公園產地預測和規(guī)劃設計等方面具有重要作用[4]。

1.1 內容方面

基礎地質圖包括地質、地理和整飾三部分內容。其中，地理內容包括水系、交通、居民地、行政區(qū)劃、境界線、地形等高線、高程點等要素；地質內容包括地質界線、不同巖性地層單位、脈巖、圍巖蝕變、構造變形帶、斷層、產狀、鉆孔、同位素、泉點等要素；整飾內容包括圖例、柱狀圖、剖面圖等。

形式上，基礎地質圖包括制圖和建庫2套數(shù)據(jù)。制圖數(shù)據(jù)主要用于數(shù)字化地質圖輸出，不含屬性；建庫數(shù)據(jù)即屬性數(shù)據(jù)，主要用來描述地學現(xiàn)象的各種屬性。

1.2 標準方面

國家基礎地質圖空間數(shù)據(jù)庫，從1∶5萬到1∶500萬均已完成了數(shù)據(jù)庫的標準研究和建庫工作。不同比例尺地質圖的建庫標準不同，例如1∶20萬地質圖、1∶5萬地質圖、1∶25萬地質圖均有各自的數(shù)據(jù)庫建設工作指南。區(qū)調工作先后采用了“傳統(tǒng)填圖”和“數(shù)字填圖”兩種方法，導致不同時期的地質圖數(shù)據(jù)成果執(zhí)行各自的標準規(guī)范。傳統(tǒng)填圖方法涵蓋了全部1∶20萬地質圖和大部分1∶5萬地質圖和1∶25萬地質圖。后期的1∶5萬地質圖和1∶25萬地質圖建庫采用了較先進的面向對象數(shù)據(jù)模型[6]。綜上所述，建庫技術標準不統(tǒng)一，而且沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及編碼體系，不同種類的數(shù)據(jù)如果要實現(xiàn)集成、交換、共享，需要進行大量的數(shù)據(jù)處理工作[5]。

1.3 符號方面

圖例符號是讀懂地質圖的重要參考依據(jù)，可以反映出很多重要的地質問題和現(xiàn)象。我們國家區(qū)域地質圖的編制，是以《區(qū)域地質圖圖例》為依據(jù)開展的。但是，匯交到全國地質資料館的基礎地質圖，部分存在符號表達不一致的情況。主要有以下幾種情況：①同一地質要素采用不同符號形式來表示,例如，有的地質圖脈巖用子圖來表示，有的則用面來表示；②不同地質圖的符號庫和字體庫不統(tǒng)一，不同單位編制的地質圖件，采用的符號庫和字體庫不同，并且部分地質圖件的地質代號是由符號庫支持顯示的。在數(shù)據(jù)進行拼接時，我們需要統(tǒng)一符號庫和字體庫，圖件才可以正常顯示。

1.4 顏色方面

我國地質行業(yè)標準中對地質圖的用色標準和原則做出了規(guī)定，其中包括地質年代地層、巖性地層、花崗巖侵入體巖石譜系單位、構造及其他要素的用色標準[7]。地質圖的顏色設置過程中，除了要遵守地質圖的用色標準，還要根據(jù)圖面效果和實際需要來設置顏色，允許突破常規(guī)顏色[7]。目前，地質圖用色主要存在以下幾方面問題。①與用色標準不一致。部分地質圖在數(shù)字化和建庫過程中，遵照原掃描的紙質地質圖顏色進行設置，導致部分地層、花崗巖、構造等與地質圖用色標準中規(guī)定不一致。②同一地層用色不統(tǒng)一。地質圖用色標準規(guī)定的是色標范圍，并可根據(jù)圖面平衡進行調整。若將多幅地質圖進行拼接，圖面用色會比較雜亂、不統(tǒng)一，圖例也是存在多種，需要人工輔助將同一地質要素的顏色進行統(tǒng)一，保證圖面的美觀、整潔。

2 快速制圖的數(shù)據(jù)基礎準備

要實現(xiàn)地質圖的快速制作，必須要有高質量的數(shù)據(jù)作為基礎。高質量的地質圖數(shù)據(jù)，為快速成圖提供規(guī)范的數(shù)據(jù)基礎，最終可以形成標準統(tǒng)一、可解釋的地質圖服務。現(xiàn)有的國家地質圖數(shù)據(jù)中部分數(shù)據(jù)規(guī)范性、正確性、有效性等存在問題，不能滿足快速制圖的數(shù)據(jù)規(guī)范要求，需要對國家地質圖數(shù)據(jù)進行處理，保證數(shù)據(jù)的規(guī)范化。在數(shù)據(jù)處理過程中應遵照并符合國家有關文件規(guī)定，并以此作為數(shù)據(jù)處理的原則和依據(jù)，并確定數(shù)據(jù)處理的內容。

2.1 數(shù)據(jù)處理依據(jù)

與地質圖數(shù)字化和建庫相關的標準、細則等是數(shù)據(jù)處理過程中需要遵照參考的要求，以下為相關的文件(表1)。

表1 地質圖數(shù)據(jù)相關標準、細則

2.2 數(shù)據(jù)處理原則

在地質圖數(shù)據(jù)處理過程中，需要以創(chuàng)新驅動發(fā)展為行動指南，為社會經濟發(fā)展提供規(guī)范、權威和有效的數(shù)據(jù)服務支撐。國家基礎地質數(shù)據(jù)庫包括區(qū)域地質、礦產勘查、地球物理、地球化學、水工環(huán)勘查等多種專業(yè)數(shù)據(jù)，需要全部進行規(guī)范化處理，工作量巨大。

1) 先急需后綜合，逐步推進的原則。在數(shù)據(jù)處理過程中，按照先基礎數(shù)據(jù)后綜合數(shù)據(jù)、急需數(shù)據(jù)優(yōu)先的原則，逐步推進國家地質圖數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，確保基礎、急需數(shù)據(jù)可以及時為社會公眾提供服務。

2) 服務于社會經濟發(fā)展的原則。從國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫中優(yōu)先選取服務于國家能源資源安全、生態(tài)文明建設、防災減災、新型城鎮(zhèn)化、農業(yè)現(xiàn)代化和重大工程建設等方面的基礎數(shù)據(jù)進行處理，及時為社會經濟發(fā)展服務。

3) 建用并舉的原則。在數(shù)據(jù)處理的安排上，堅持邊建設、邊服務的原則，逐步形成權威性好、現(xiàn)勢性強和覆蓋性好的國家基礎地質數(shù)據(jù)庫。已經處理好的國家基礎地質圖數(shù)據(jù)，先投入使用和服務。

2.3 數(shù)據(jù)處理內容

對國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫進行規(guī)范化處理，對其中與建庫標準中不一致的，需對數(shù)據(jù)進行編輯、修改等標準化操作，保證地質圖數(shù)據(jù)符合相應的建庫標準。規(guī)范化處理后，對數(shù)據(jù)進行格式轉換和數(shù)據(jù)融合，完成快速制圖數(shù)據(jù)基礎的準備。

2.3.1 數(shù)據(jù)標準化

1) 數(shù)據(jù)結構標準化：對不符合標準的字段結構名稱、字段類型、長度、圖層屬性結構進行修改，保證與相關國家、行業(yè)標準保持一致。

2) 數(shù)據(jù)分層標準化：對不符合建庫標準的數(shù)據(jù)分層，包括文件命名、文件存儲內容均須符合標準，不符合標準的需要進行重新分層;例如部分圖件中存在地質要素與地理要素混層現(xiàn)象。

3) 數(shù)據(jù)用色標準化：認真核對檢查地質圖數(shù)據(jù)的用色，對不符合地質圖用色標準的數(shù)據(jù)進行修改，確保與用色標準一致。

2.3.2 圖形標準化

圖形的標準化主要是針對地質圖數(shù)據(jù)中存在拓撲錯誤的點、線、面進行編輯、修改，對圖層中要素進行整體拓撲處理。拓撲錯誤主要包括以下幾種：節(jié)點錯誤、線段錯誤、多邊形錯誤、拓撲關系錯誤。

2.3.3 數(shù)學基礎標準化

數(shù)學基礎標準化主要是保證地質圖數(shù)據(jù)的圖層、工程的坐標系與投影參數(shù)完整與正確。對存在數(shù)學基礎錯誤的數(shù)據(jù)，需要進行誤差校正和投影轉換，將數(shù)據(jù)投影變換到正確的坐標系，橢球參數(shù)不變。若新生成的標準圖框與原始數(shù)據(jù)的圖框套合很好，則不需要進行誤差校正；若無法套合或者存在偏差，則需要進行誤差校正，將數(shù)據(jù)校正到正確的位置。

2.3.4 數(shù)據(jù)格式轉換

完成上述步驟的數(shù)據(jù)標準化內容后，需要對數(shù)據(jù)進行格式轉換。利用格式轉換軟件，將MapGIS軟件格式的地質圖數(shù)據(jù)轉換為ArcGIS軟件格式的數(shù)據(jù)，并確保屬性內容沒有丟失和錯誤。轉換前圖形數(shù)據(jù)最好在MapGIS軟件中編輯修改好，進行拓撲錯誤檢查和修改，確保轉換數(shù)據(jù)的正確性[8]。

2.3.5 數(shù)據(jù)融合

利用ArcGIS軟件，將轉換為ArcGIS格式的地質圖數(shù)據(jù)進行屬性整理、分類。具體整理原則是保留數(shù)據(jù)原有屬性，建立新的屬性列對原有數(shù)據(jù)屬性進行整理，統(tǒng)一屬性分類原則。將整理好的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)圖層的融合，即將同一命名的不同圖幅數(shù)據(jù)進行融合，為地質圖的自動化配圖提供數(shù)據(jù)基礎。

3 快速制圖的基本思路和流程

快速制圖技術的研究，不僅可以有效地解決目前制圖中存在流程繁瑣、處理復雜的問題，還不需要要求制圖人員有較高的專業(yè)素質和軟件操作水平，滿足了用戶數(shù)據(jù)快速處理的要求。

3.1 基本思路

以國家基礎地質數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，在充分考慮地質資料資源應用、更新與維護需要的前提下，對空間數(shù)據(jù)進行標準化整理。將標準化后的空間數(shù)據(jù)進行梳理、轉換，按照空間尺度和專業(yè)類別，利用成熟的商業(yè)GIS平臺，結合相關標準規(guī)范形成坐標系采用CGCS2000、投影方式采用Web Mercator，形成可以高效、多元化服務的地質資料空間數(shù)據(jù)庫，擴展地質資料服務范圍，為更廣泛區(qū)域、更多行業(yè)類別的用戶提供快速制圖服務。

3.2 流程

數(shù)據(jù)基礎準備好后，通過數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)符號化、整飾輸出等步驟實現(xiàn)快速制圖，及時有效的為社會提供服務(圖1)。

圖1 快速制圖流程

3.2.1 數(shù)據(jù)提取

以融合后的國家基礎地質圖數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，用戶可以根據(jù)自己的需求檢索出需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在提取數(shù)據(jù)時，自動裁剪數(shù)據(jù)，裁剪完成后將結果展示給用戶。另外，因不同比例尺國家基礎地質圖的分布范圍不同，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶檢索范圍，優(yōu)先提取用戶所需比例尺數(shù)據(jù)，此范圍內沒有數(shù)據(jù)時用戶可以選擇是否使用其他比例尺數(shù)據(jù)代替。用戶在進行數(shù)據(jù)提取過程中，不但能按照國際標準分幅、行政區(qū)劃、經緯度范圍、成礦區(qū)帶、任意閉合多邊形區(qū)域范圍內提取數(shù)據(jù)，而且還可以按照數(shù)據(jù)分層、地層時代、斷層屬性等內容進行綜合提取，制作所需的專題圖件[12]。

3.2.2 數(shù)據(jù)配圖

傳統(tǒng)的地圖制圖方式自動化程度相對不高，制圖的人工干預的部分比較多，在地質圖的配圖方面耗費時間比較多，對于成百上千幅的制圖工程，完成起來比較困難。通過對現(xiàn)有地圖制圖工藝流程進行深入仔細的分析，并且研究了基礎地質數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構與編碼的一致性規(guī)律之后，制作ArcGIS符號庫和字典庫(Access格式),形成不同專題數(shù)據(jù)的多張配圖模板，用于對圖層中的要素進行符號化，滿足地質圖件輔助制圖和編制各類地質圖件的要求。在配圖模板的輔助下，計算機就可以根據(jù)年代、巖性、構造等屬性代碼按照已定模板生成顏色、符號、花紋的各項圖示屬性參數(shù)，實現(xiàn)自動配置符號[13]。另外，制圖模板中還規(guī)范統(tǒng)一了不同比例尺區(qū)間中顯示的子圖、線型和填充花紋等符號的顯示方式，形成分比例尺區(qū)間整飾規(guī)則，保證不同比例尺下符號顯示的合理性、美觀性。

3.2.3 數(shù)據(jù)輸出

在地圖配圖完成后，只需要快速自動化的加上地圖整飾與圖例，就可以立即根據(jù)實際需要進行快速出圖，及時有效為社會公眾提供服務[14]。要實現(xiàn)地圖的快速輸出，需要研究制作不同專題地質圖的輸出模板，保障地質圖的快速輸出。數(shù)據(jù)輸出模板中包括圖名、比例尺、圖例等基本整飾內容，都可以通過系統(tǒng)自動生成，再輔助以人工簡單編輯修改即可實現(xiàn)輸出，最后輸出格式包括多種，可根據(jù)用戶需求進行選擇。圖件輸出格式有JPG、TIFF、PDF等主流格式文檔。

4 快速制圖的意義

面對地質災害，時間就是生命。地質災害發(fā)生后及時進行專業(yè)科學的災后救援，可以避免更多的人員傷亡和財產損失，需要行業(yè)各界快速提供專業(yè)資料和指導。另外，對于部分地區(qū)干旱，及時向重點地區(qū)派出專家小組和應急找水小分隊，指導地方開展抗旱找水打井工作。地質圖件在災后救援、抗震救災、抗旱找水中發(fā)揮了巨大的價值。

4.1 災害救援

專題地質災害圖件，因其專業(yè)性、直觀性、信息量大的優(yōu)點，能夠有效的為地質災害救援提供指導。地質災害調查類圖件內容包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面沉降等地質災害點的分布情況，還對災害點的規(guī)模、穩(wěn)定性等進行表達，并劃分了地質災害易發(fā)區(qū)。以上的地質災害專業(yè)基礎知識，可以有效地指導地質災害的監(jiān)測和預警工作。

4.2 地震應急

區(qū)域地質調查形成的1∶20萬、1∶25萬等中比例尺地質圖在基礎地質調查、工程勘察、地質環(huán)境調查評價等方面都有著重要的使用價值[9]。2017年8月8日19時，四川阿壩州九寨溝縣7.0級地震發(fā)生后，全國地質資料館立即啟動應急服務機制，通過抗震救災應急系統(tǒng)第一時間提取災區(qū)資料，組織專人力量趕制公開版圖件，經過審核后在災后第二天上午(8月9日)10點前將公開版1∶20萬地質圖、1∶5萬地質圖、地質災害調查與區(qū)劃等圖件以及相關報告?zhèn)魉徒o現(xiàn)場救災指揮部，有利地支持了應急救災工作。

4.3 抗旱找水

水文地質圖是反映某地區(qū)的地下水分布、埋藏、形成、轉化及其動態(tài)特征的地質圖件，作為利用、防范或進一步調查地下水的科學依據(jù)，為國家建設合理開采和利用地下水資源提供了寶貴的第一手資料[10]。1∶20萬區(qū)域水文地質圖是水文地質的基礎資料，可以了解區(qū)域地下水的類型、埋藏與分布特征、開發(fā)利用等基本信息，初步確定找水的主要方向，為后續(xù)遙感解譯、地面調查等工作提供依據(jù)[11]。

5 結 語

通過對國家基礎地質數(shù)據(jù)進行了綜合研究分析，以相關建庫標準、細則等文件為依據(jù)，提出了地質圖數(shù)據(jù)處理的原則、內容和流程，以此作為快速制圖的數(shù)據(jù)，最后總結了快速制圖的思路、意義和流程。在整個研究過程中，數(shù)據(jù)處理的結果需保證數(shù)據(jù)精度和正確性，為此建立了嚴格的質量質控體系。地質圖快速制圖技術的研究，提高了地質制圖工作效率，為社會各界的應急服務需求探索了道路，對推動地質資料服務，促進地質數(shù)據(jù)共享交換具有重要價值。