區(qū)域地質(zhì)規(guī)劃測繪中地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用研究

許存宏

1 地理信息系統(tǒng)相關(guān)研究

遙感、地貌測量和基于地理信息系統(tǒng)的調(diào)查通常依賴于指數(shù)方法來表征土地覆蓋、形式、過程、氣候和結(jié)構(gòu)。多種指數(shù)可用于描述地表生物物理特性、輻射和降水潛力、侵蝕潛力和地表水分條件，僅舉幾例。任何一個主題屬性都有許多潛在的度量標(biāo)準(zhǔn)。這些指數(shù)或度量通常基于與地形參數(shù)的關(guān)聯(lián)，盡管它們不能充分表征過程力學(xué)、尺度依賴性或時間動態(tài)。這種靜態(tài)制圖方法主要用于檢查空間模式，并且已發(fā)現(xiàn)此類指數(shù)在基于地理信息系統(tǒng)的分析和建模工作中很有用。然而，哪個指標(biāo)最能描述感興趣的現(xiàn)象？這些模式是否真正代表“現(xiàn)實(shí)”（即形態(tài)、物理特性、遺傳學(xué)、動力學(xué)）是另一個問題。涉及使用指數(shù)和實(shí)證分析及建模的研究必須仔細(xì)檢查結(jié)果以確定模式是否具有科學(xué)依據(jù)。

從歷史上看，分割和映射依賴于模式識別。這種涉及遙感的專題繪圖側(cè)重于多光譜數(shù)據(jù)和光譜/空間特征在土地覆蓋、生態(tài)、地質(zhì)和水文繪圖中的應(yīng)用。這種方法還包括整合地形信息和其他環(huán)境指標(biāo)，以根據(jù)相對模式劃分景觀。許多人使用了基于統(tǒng)計的分類器，這些分類器依賴于統(tǒng)計可分性概念特征空間。這種方法正式規(guī)定了指標(biāo)的開發(fā)和評估，以確保統(tǒng)計可分離性。最常見的統(tǒng)計分類器的結(jié)果高度依賴于建立適當(dāng)?shù)奶卣骺臻g、選擇適當(dāng)?shù)念悢?shù)、訓(xùn)練和算法的性質(zhì)。許多算法代表了一種蠻力方法，其結(jié)果不一定與真實(shí)的地貌特征相關(guān)。此外，分類結(jié)果高度依賴于與時空分辨率和預(yù)處理相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)。相對模式與診斷特征的概念必須考慮通用標(biāo)識和映射。一些研究人員已經(jīng)開始解決這個問題，并評估了更復(fù)雜的方法的效用，例如傅立葉和小波分析來檢測地貌映射的光譜或地形特征。

在不斷增長的地理信息系統(tǒng)和相關(guān)軟件包中區(qū)分不同層次的分析能力是有用的。地理信息系統(tǒng)軟件家族中最簡單的軟件包執(zhí)行計算機(jī)制圖。在這個級別上，可以輸入、存儲、檢索、顯示和輸出地圖，但不以分析方式使用它們。計算機(jī)制圖的一個例子是數(shù)字地圖集或電子地圖文件。如果在軟件中地理數(shù)據(jù)元素和單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫之間存在聯(lián)系，就可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的制圖。在這個級別上，可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中定義的標(biāo)準(zhǔn)選擇特定的點(diǎn)、線或多邊形。設(shè)施管理行業(yè)（例如，礦山電纜、電力設(shè)備）通過使用計算機(jī)輔助繪圖/計算機(jī)輔助繪圖（CAD/CAM）軟件實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)約。但是，因為它們不是用來創(chuàng)建新信息的，所以這些數(shù)字地圖軟件都不能說是地理信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)能夠執(zhí)行各種空間操作，這些操作對于識別計算機(jī)地圖中地理要素之間的關(guān)系非常有用。同樣，可以使用地理信息系統(tǒng)將來自兩個或多個地圖的數(shù)據(jù)組合起來，生成新的地圖或一組地圖。所包括的空間建模或決策支持功能的類型因地理信息系統(tǒng)軟件包的不同而不同。一些地理信息系統(tǒng)包含圖像處理功能，就像一些圖像分析包含各種地理信息系統(tǒng)功能一樣。在選擇一個特定的軟件包之前，建議仔細(xì)檢查軟件包套件中的功能，清晰定義的用戶的需求大大促進(jìn)了這一過程。在地理信息系統(tǒng)設(shè)計中投入的精力越多，成功實(shí)現(xiàn)的可能性就越大。

礦山地質(zhì)測繪技術(shù)也隨著科技的發(fā)展進(jìn)行優(yōu)化升級。不同的遙感器獲取的遙感圖像信息具有不同的信息優(yōu)勢。利用信息優(yōu)勢的數(shù)據(jù)融合技術(shù)生成新的圖像數(shù)據(jù)，可以減少或抑制圖像的模糊性、不完全性、不確定性和誤差，最大限度地利用各種信息。例如，融合來自Landsat的多光譜和全色波段圖像數(shù)據(jù)，可以將結(jié)果圖像的空間分辨率從30m提高到15m，滿足1：25000和1：5萬基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新的需求。然而，15m的空間分辨率明顯不能滿足大尺度基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合1：3500比例尺、0.6m空間分辨率的航拍影像的更新的要求。

如今，礦山地質(zhì)勘查人員將定量地形信息和空間分析以及空間建模納入他們工作重點(diǎn)。在工程學(xué)中基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用程序涵蓋全套過程域和相關(guān)地質(zhì)規(guī)劃測量。通常通過圖像或科學(xué)可視化進(jìn)行檢查，更多的應(yīng)用是評估礦山工程的時空模式、多尺度特征和過程域、干擾機(jī)制的變化以及與自然力量和人為因素相關(guān)。解決這些基于地點(diǎn)的問題包括整合地面、機(jī)載和衛(wèi)星遙感技術(shù)。

2 地質(zhì)測繪技術(shù)

工程中的數(shù)字化測繪技術(shù)廣泛應(yīng)用于地理學(xué)中，其充分利用遙感以及地理信息系統(tǒng)結(jié)合發(fā)展下的技術(shù)手段。地球表面的各種結(jié)構(gòu)和功能方面可以用不同的方式繪制。例如研究學(xué)者指出的可以收集多種不同類型的數(shù)據(jù)來繪制地形圖，其中包括形態(tài)學(xué)、形態(tài)發(fā)生學(xué)、形態(tài)測量學(xué)和形態(tài)年代學(xué)信息。每種方法都可以為更好地理解過程域、形態(tài)發(fā)生學(xué)、反饋機(jī)制和多基因景觀演化提供新的見解，其中疊印通常會混淆充分的解釋和映射。不同視角的示例包括以下內(nèi)容：

土地覆蓋或土地系統(tǒng)制圖可以基于“土地系統(tǒng)”的識別，因為它包含獨(dú)特的地形屬性。范圍從10km2～100km2的任何單一陸地系統(tǒng)通常具有與地質(zhì)、地貌和氣候相關(guān)的一系列重復(fù)出現(xiàn)的地形、土壤和植被類型，因此地表形態(tài)和相關(guān)土壤和植被的可預(yù)測組合出現(xiàn)。土地系統(tǒng)制圖在20世紀(jì)中后期成為一種首選方法，可有效調(diào)查澳大利亞、非洲和中東等相對未知的領(lǐng)土并提供區(qū)域框架。然而，這種方法確實(shí)有局限性，特別是它的更多定性和主觀標(biāo)準(zhǔn)。此外，地表土地覆蓋信息通常是通過遙感生成的，盡管遙感中的標(biāo)準(zhǔn)分類方法并不總是能夠表征復(fù)雜的三維地形特征。

水是地貌開發(fā)中最重要的因素之一，大多數(shù)繪圖系統(tǒng)都包含水文信息。許多表示系統(tǒng)已被用于描繪任何給定區(qū)域的水文。繪圖可以描繪永久性的、短暫的或斷斷續(xù)續(xù)的地下溪流，以及廢棄的渠道、瀑布、急流和水壩、泉水和落水洞、周期性和永久性的淹水區(qū)，以及湖泊和海洋，以及各種類型的海灘和沙漠。源頭河流區(qū)域在大多數(shù)陸地景觀中占主導(dǎo)地位，但眾所周知，低階河道的地圖不完整且不準(zhǔn)確。在美國，正在開發(fā)實(shí)地繪圖方法，并且正在實(shí)施通過繪圖程序以提供改進(jìn)的上游河流地圖。大多數(shù)河流景觀中的侵蝕、沉積和地貌過程的速率受排水網(wǎng)絡(luò)的密度和縱向連通性的影響。排水密度是水文或景觀演變建模的關(guān)鍵參數(shù)，因為渠道中的集中流量提高了輸送效率。為了響應(yīng)可以穿透植物冠層的高分辨率地形數(shù)據(jù)（激光測繪），該研究領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。

3 復(fù)雜地形區(qū)礦山地質(zhì)規(guī)劃測繪研究

復(fù)雜的地勢，由于可達(dá)性問題，傳統(tǒng)的基于實(shí)地的地質(zhì)測繪是一項艱巨的任務(wù)，例如礦山所處崎嶇的地形中。通常只能在少數(shù)幾個地方研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后在觀測之間進(jìn)行插值以獲得地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。隨著具有天氣視圖、更高空間和更好光譜分辨率的衛(wèi)星圖像的出現(xiàn)，使以更加可靠的方式識別具有構(gòu)造意義的變形構(gòu)造已成為可能。迄今為止，在覆蓋范圍有限的地面測繪上無法實(shí)現(xiàn)微小的結(jié)構(gòu)變化的探究。這種限制阻礙了認(rèn)識地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的構(gòu)造意義。地理信息系統(tǒng)技術(shù)提供了更好的機(jī)會以更高精度和具有成本效益的方式進(jìn)行地質(zhì)規(guī)劃測繪和制作地質(zhì)圖。使用相對高分辨率的多光譜數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以非常有效地完成現(xiàn)場觀測的解釋，而不會在觀測之間進(jìn)行任何模糊的插值。此外，采用遙感與地理信息系統(tǒng)的綜合方法來改進(jìn)現(xiàn)有的地質(zhì)圖。這種綜合方法成為傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場的地質(zhì)填圖技術(shù)的補(bǔ)充。

若研究區(qū)處于丘陵地帶，不可能從任何結(jié)構(gòu)特征的現(xiàn)場繪制或收集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是從可達(dá)到的地方收集的，然后地質(zhì)學(xué)家對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行插值以獲得連續(xù)性。在這種情況下，結(jié)構(gòu)特征的圖像解釋比從現(xiàn)場數(shù)據(jù)中插值更可靠。與斷層有關(guān)的植被和地表紋理變化很難近距離觀察。圖像的概要視圖使分離的證據(jù)片段能夠被鏈接為清晰的和半連續(xù)的線性特征或線條。

研 究 區(qū) 域 位 于 北 緯30 ° 30’～31 ° 10’和 經(jīng) 度76°45’～77°40’E之間，是Himachal Pradesh and Haryana States的一部分。

研究脈大約250公里～350公里寬，它正以每年0.5至4毫米的速度快速抬升。因此，它正在經(jīng)歷快速的侵蝕和前陸的沉積。在這樣的前陸環(huán)境中，沉積了第四紀(jì)層序帶。

山脈的海拔高度從1500m～3000m。它們由前寒武紀(jì)的沉積巖和極低度變質(zhì)沉積巖組成。構(gòu)造上，造山帶可分為前緣褶皺沖斷帶，后緣為外來地形（腹地），前緣為原地大陸內(nèi)部（前陸或前深）。北部腹地是一個水晶巖和沉積巖為主的外來沉積巖的內(nèi)復(fù)雜帶。南部前陸為印度－恒河前陸盆地。前緣褶皺沖斷帶由主前緣推力與印度－恒河前陸盆地分離。

本研究采用的方法包括五個步驟：①在第一步中，所有現(xiàn)有的地質(zhì)圖（包括逆沖斷層、褶皺軸跡、巖性接觸面和排水線）通過數(shù)字化手段轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。遙感數(shù)據(jù)以數(shù)字格式從遙感局獲得。②對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了地理參考，以便將圖像納入與基準(zhǔn)地圖（SOI1：50000地形圖）相同的坐標(biāo)系。由于所有地質(zhì)圖都有不同的比例尺和坐標(biāo)系統(tǒng)，通過地理參考技術(shù)，這些地圖也被引入到與底圖相同的坐標(biāo)系中。③應(yīng)用各種線性和非線性對比度和邊緣增強(qiáng)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)假色復(fù)合材料（FCC：RGB：321)，以提高質(zhì)量，并用于通過視覺解釋準(zhǔn)備一個線性圖。④人們試圖把結(jié)構(gòu)特征與上面的地圖聯(lián)系起來。⑤結(jié)構(gòu)特征可以根據(jù)需要使用線性進(jìn)行修改或擴(kuò)展元素作為指導(dǎo)，然后編制最終完整的地質(zhì)圖，編譯所有數(shù)據(jù)。

在研究中，各種構(gòu)造特征的步驟如下。如前文所述，研究區(qū)橫貫一系列逆沖斷層，一般為NW-SE走向，少量橫斷由北向南走向，這些斷層都無法從圖像中追蹤到。這是因為圖像中的輪廓跟蹤（lineament tracing）是在色調(diào)對比的幫助下，沿著孤立線、河流直線段、植被線等線性特征進(jìn)行的。由于沖斷層是緩慢傾斜的平面，它們在圖像中的表達(dá)也受到地形的影響。因此，在這里，沿著線性或曲線特征的顏色對比發(fā)揮了主要作用。然而，顏色的變化是由各種原因造成的。這就是現(xiàn)場數(shù)據(jù)和現(xiàn)有地圖不可或缺的地方。考慮到現(xiàn)有的地圖和數(shù)據(jù)，從衛(wèi)星圖像上追蹤褶皺的推力和軸向軌跡。除了逆沖斷層，還可追蹤到的逆沖斷層與現(xiàn)有的地圖和許多地方的野外數(shù)據(jù)非常吻合。

4 基于地理信息系統(tǒng)的礦山地質(zhì)災(zāi)害研究

礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率占災(zāi)害總量的30%。地質(zhì)災(zāi)害會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、財產(chǎn)損失和生命損失。發(fā)生礦山地質(zhì)災(zāi)害的原因有自然和人為。受地質(zhì)、地形、氣象和地質(zhì)環(huán)境因素的影響。由于露天鑄造采礦等人為活動導(dǎo)致的土地利用模式變化導(dǎo)致山體滑坡。滑坡根據(jù)其滑動速度可分為4類。蠕動型滑坡：人們憑肉眼難以看見其運(yùn)動，只能通過儀器觀測才能發(fā)現(xiàn)的滑坡；慢速滑坡：每天滑動數(shù)厘米至數(shù)十厘米，人們憑肉眼可直接觀察到滑坡的活動；中速滑坡：每小時滑動數(shù)十厘米至數(shù)米的滑坡；高速滑坡：每秒滑動數(shù)米至數(shù)十米的滑坡。滑坡的自然原因包括地震。地震的強(qiáng)烈作用使斜坡土石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和變化，原有的結(jié)構(gòu)面張裂、松弛，加上地下水也有較大變化，特別是地下水位的突然升高或降低對斜坡穩(wěn)定是很不利的。另外，一次強(qiáng)烈地震的發(fā)生往往伴隨著許多余震，在地震力的反復(fù)振動沖擊下，斜坡土石體就更容易發(fā)生變形，最后就會發(fā)展成嚴(yán)重的滑坡。目前，氣候變化的影響已在全球范圍內(nèi)急劇擴(kuò)大了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

對礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘查規(guī)劃是有效避免因地質(zhì)災(zāi)害而引發(fā)的生命財產(chǎn)損失的有效方法之一。此類勘測繪圖可用于最大限度地減少對人類生命、人造基礎(chǔ)設(shè)施（特別是山區(qū)道路）和土地使用規(guī)劃所帶來風(fēng)險的地質(zhì)。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指根據(jù)以往在類似地質(zhì)環(huán)境條件下的經(jīng)驗，該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)概率更高。在地理信息系統(tǒng)和遙感方法的幫助下，有幾種統(tǒng)計技術(shù)已被許多研究人員廣泛用于制定模型以生成地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖。一般來說，在地質(zhì)建模和地質(zhì)測繪中使用了兩種主要方法，即定量和定性方法。在定性方法中，經(jīng)常使用和基于專家意見的模型，例如層次分析法和加權(quán)線性組合。然而，定量方法可以分為確定性方法和概率方法，其中涉及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及其相關(guān)影響因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。統(tǒng)計和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，例如二元邏輯回歸、信息值、似然比、邏輯回歸和多元回歸，是應(yīng)用于礦山地質(zhì)災(zāi)害敏感性建模和繪圖的一些定量方法。此外，在繪圖中使用的具有最佳性能和更高準(zhǔn)確度的其他算法很少，包括判別分析，廣義加法模型、證據(jù)信念函數(shù)、加權(quán)線性組合和證據(jù)權(quán)重。此外，確定性因素、概率模型、修正貝葉斯估計、信息值和熵指數(shù)也被廣泛用作繪制礦山測繪圖的統(tǒng)計定量技術(shù)。

地質(zhì)災(zāi)害識別和敏感性圖的制作是幫助規(guī)劃者、地方行政部門和決策者進(jìn)行災(zāi)害規(guī)劃的關(guān)鍵步驟。地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖的準(zhǔn)確性對于減少生命和財產(chǎn)損失非常重要。用于地質(zhì)災(zāi)害敏感性繪圖的模型需要結(jié)合描述地形特征和氣象條件的各種因素。文獻(xiàn)中已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了許多算法來提高地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖的準(zhǔn)確性。近年來，基于地理信息系統(tǒng)的多準(zhǔn)則決策分析和支持向量回歸也已成功應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖的制作。

5 地理信息系統(tǒng)在工程測繪中的應(yīng)用

5.1 數(shù)據(jù)采集

工程測量數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜程度也比較高，易受工程區(qū)域地理位置、氣候環(huán)境等的影響。通過使用地理信息系統(tǒng)，可以通過矢量和柵格的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與保存，通過使用GPS定位技術(shù)，還可以設(shè)定測量對象的坐標(biāo)方位，從而將大量數(shù)據(jù)錄入至地理信息系統(tǒng)中，此外，通過聯(lián)合使用數(shù)字掃描裝置、攝像機(jī)、激光雷達(dá)裝置、衛(wèi)星等，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。在地理信息系統(tǒng)的實(shí)際使用中，不但可以收集大量數(shù)據(jù)，同時還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、剪輯等處理，從而可以有效減少對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所需要的時間，同時提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.2 數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換

在地質(zhì)信息系統(tǒng)的實(shí)際使用中，針對各種數(shù)據(jù)信息主導(dǎo)方法，需通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯等預(yù)處理方法。而地質(zhì)信息系統(tǒng)的應(yīng)用管理系統(tǒng)軟件，能夠自行標(biāo)記出各種空間屬性統(tǒng)計信息間的關(guān)系，并同時將復(fù)雜空間實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)系。在大數(shù)據(jù)挖掘方面，需注重對空間向量統(tǒng)計信息的相互關(guān)聯(lián)，對數(shù)據(jù)信息結(jié)果進(jìn)行解析。在各種數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化方面，在測量過程中可能會發(fā)生交叉點(diǎn)和直線脫離的情形，這將會嚴(yán)重影響觀察成果的準(zhǔn)確性，甚至造成原版圖上存在污點(diǎn)。因此，人們可通過地質(zhì)信息系統(tǒng)對污點(diǎn)進(jìn)行手動刪除處理。此外，還必須考慮，在數(shù)據(jù)信息交換過程中，往往要求經(jīng)過數(shù)據(jù)信息交換后的數(shù)據(jù)庫格式能被計算機(jī)操作系統(tǒng)手動標(biāo)識，因此，還必須對各種數(shù)據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)處理，如此才可以為數(shù)據(jù)信息資源使用的安全可靠作出保障。

6 結(jié)語

不斷增加的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜分析的需求，共同要求信息提取方面的計算效率和形式化。在許多方面，用于測繪的地理空間技術(shù)的不斷發(fā)展代表了一種自動化和模擬人類解釋能力的嘗試。鑒于這一目標(biāo)，地理空間技術(shù)取得了許多進(jìn)步。本文對復(fù)雜地質(zhì)下礦山地質(zhì)測繪進(jìn)行了相關(guān)研究，并結(jié)合了遙感與地理信息系統(tǒng)，以期為地質(zhì)測繪作出一定的貢獻(xiàn)。