Research on PRB Digital Mapping Techniques
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摘要: 从近2 0年地质填图中计算机野外数据采集技术研究的现状和存在的问题入手, 在确定地质填图空间数据表达的基础上, 遵循传统地质填图的规律, 在不约束地质学家地质思维的前提下, 既能满足计算机处理的需要, 又能保证地质工作者取全、取准各项地质观测数据, 在描述各类地质信息空间关系的基础上, 创建了数字地质填图过程标准化和规范化的PRB数字填图技术, 并对构成PRB数字填图技术、PRB数据模型、PRB基本过程、PRB基本过程组合的规则、PRB过程的公共机制、PRB过程基本程式、PRB数据操作、PRB字典、三级PRB体系、PRB数据流“栈”、PRB数据质量定量评价体系的PRB数字填图技术与方法体系进行了讨论.基于该项技术开发的数字填图系统和集GPS一体化的野外数据采集设备已在野外填图中推广应用, 实践效果很好.本文是在实践的基础上, 通过对已有研究资料的进一步分析、总结而完成的.Abstract: To deal with the problems and present situation of field data capture by computer in geological mapping in 20 years, this paper has created PRB digital mapping techniques to standardize the digital mapping process and discussed PRB mapping technique-method system, including PRB digital mapping techniques, the model of PRB data and the related process, combinational regulations of PRB process, common mechanism and basic procedure of PRB process, data processing and dictionary of PRB, three-class PRB system, data flow stack and quantitative evaluation of PRB data. PRB digital techniques, based on establishing the expression of spatial data in mapping, complying with regulations of traditional mapping, and describing the spatial relationships among different kinds of geological information, will not only meet needs of computer operation, but also ensure geologists to collect geological observational data comprehensively and accurately. Meanwhile, they also satisfy the thoughts of geologists.
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1. 问题的提出
随着计算机技术特别是掌上电脑技术的出现, 基于高新技术(特别是信息技术) 的地质填图数据采集技术的开发与应用将使地质调查的方法、精度、周期和研究成果发生革命性的变化, 数字地质填图采集技术已成为地学界当前研究的热点和难点.美国地调局从1997年开始, 每年都召开数字填图技术会议, 专门讨论数字填图技术问题.越来越多的专家认同, 野外数据采集设备的技术革命将导致地学及其相关领域研究的重大变革[1].
1980年以来, 野外路线地质调查观测数据采集一般具有1种模式、2种采集方法.该模式是: 与不同岩类和不同调查方法相对应, 面向地质体的结构化表格描述[2].该模式下的2种方法是: 一是在野外直接使用电子表格录入, 二是使用纸介质的表格, 在野外先填表, 回到室内再录入计算机中.上述模式采用的2种采集方法大多与GPS定位技术相集成, 部分系统可以在野外勾绘电子素描图.如加拿大地质调查局(GSC) 开发的Fieldlog[3, 4]、美国地质调查局的GSMCAD[5]、澳大利亚地质调查局和联合资源工业协会(AGSO) 开发的FieldPad——野外随身带[6~8]及OZROX-AGSO[1].上述数据采集器及数据模式均把重点放在对野外地质观测点上地质现象的逐项列表描述上[9, 10], 没有面向空间地质要素概念模型的描述, 结果使野外数据采集陷入完全使用结构化表格的误区中, 极大地约束了地质学家自由思维的空间, 导致难以取全、取准野外地质路线观测数据.另一方面, 若完全摒弃结构化表格, 采用完全个性化的自由描述采集系统, 会给数据库的建设、数据的灵活检索与管理带来困难, 失去了建立计算机系统的意义, 最终导致野外数据采集系统无法为不同层次、不同需求的地质学家所接受.近20年国内外的野外数据采集技术研究现状, 说明人们并未真正找到“恰到好处”地解决数字地质填图核心技术问题的方案.
要讨论如何实现地质填图数字化问题, 首先要定义数字地质填图.本文对数字地质填图的定义是: 地质填图的计算机野外获取技术及其成果一体化描述、组织、存储与发布.该定义由两部分组成: (1) 野外地质调查观测和观察数据的计算机获取技术, 它是数字填图技术的主要平台; (2) 如何对地质填图的对象进行数据分类、地质实体定义与表示, 实现一体化描述、组织与存储, 是建模和标准化问题[3, 6, 10], 它是数字填图技术的支撑体系.
综上所述, 以前的讨论忽略了实现数字地质填图野外数据采集系统的关键问题: 就是对野外地质调查路线观测过程的数字化, 而不拘泥于琐细细节的数字化.即数字化的主要对象是地质点、点间界线和分段路线的空间位置与相关属性, 属性采集针对地质连图(实际材料图、编稿地质图) 所需的内容进行结构化描述.这种从野外数据采集过程的数字化入手, 使野外地质路线数字化调查的实现从局部细微的过程控制进入了整个过程的控制, 从而使问题迎刃而解.这个过程就是要解决地质填图的野外地质观测路线—实际材料图—数字地质图的全程计算机化, 即跨越式地实现野外数字地质填图及制图的信息化过程.这一数字化地质填图技术就是本文要阐述的核心内容——PRB数字填图技术.
2. PRB野外地质路线调查观测过程建模
地质学家在野外调查地质现象时, 将实际观测结果分为地质对象的空间属性(点、线、面等) 和地质对象的描述性信息记录在纸介质的地形图和笔记簿上.野外数字地质观测的获取技术就是要解决这个过程的计算机全程化问题.本项研究采用的野外地质数据模型(图 1) 就是把地质体的空间属性和描述性信息按一定的结构化数据模型储存在数据库中.目前在地学界争论较大的问题是描述性信息结构化程度.由于地质现象错综复杂, 不同地区、不同地质构造位置、不同岩类等情况都难以用完全结构化的数据模型来满足对包罗万象的野外地质现象的数字化.为此, 笔者采用了以结构化数据模型为主、辅以“自由文本”的方式, 既满足了建立计算机数据库系统的要求, 又保证了地质人员能在野外取全、取准各项观测信息.
图 1 野外路线地质调查观测的PRB过程建模Fig. 1. PRB process modeling for field route survey and observation为了对野外路线观测的过程定量化描述, 走出围绕野外路线观测与调查过程数据信息结构化过程细节的误区, 必须对野外路线观测与调查的全过程进行抽象化表述, 使整个填图过程有利于计算机系统的实现, 由细节控制转入过程控制. (1) 针对传统地质填图中的核心过程——野外路线观测与调查过程分析, 其特点是经抽象化思维, 数字化的对象主要是地质点、点间界线和分段路线的空间位置与相关属性, 属性采集针对地质连图(实际材料图、编稿地质图) 所需的内容进行结构化描述; (2) 地质填图中的核心过程——野外路线观测与调查的过程分解与定义(图 1); (3) 确定数字地质填图的技术流程; (4) 定义地质填图中数字填图模型.综合以上内容, 把野外数字地质路线调查过程分解为地质定点(P)、分段路线(R)、点和点间界线(B) 过程, 简称PRB填图过程.
3. PRB数字地质填图数学建模
野外路线观测的对象及其过程所涉及的实体类型多而复杂, 如果按空间对象的定义进行统计, 则野外路线观测的对象基本上可以包括所有的空间对象.因此, 必须把野外路线观测的各种空间对象、相关属性及其过程定义为一个简单的空间对象聚合模型.这种聚合模型可以满足对地质体的空间位置和所有观测对象相关属性信息化表达.
经分析, 零维和一维空间对象的定义基本可以满足对野外路线观测的对象及其过程的描述; 用实体点表示地质定点、采样、产状、GPS点、矿点的空间位置和属性; 野外观测路线的轨迹只要显示始终端结点而不需定位左右邻面.因而, 用网链(网络) 来表示它们的空间位置和属性; 地质实体界线、断层等采用全链来表示, 因为需要显示地定位左右多边形, 并对左右多边形的属性给予描述, 以便地质连图; 如果在野外可直接对观测的地质实体进行圈定, 可采用几何拓扑环进行表示.
在确定地质填图空间数据表达的基础上, 遵循传统路线地质调查的规律, 使数字地质填图过程标准化和规范化, 在不约束地质学家地质思维的前提下, 同时既能满足计算机处理的需要, 又能保证地质工作者取全、取准观测数据和参数, 描述它们之间的空间关系与解释信息, 如顺序关系、接触关系、几何关系、属性特征等, 在此基础上创建了PRB数字填图技术, 其核心内容如下.
(1) PRB数字填图技术(digital mapping techniques, 简写PRB) : 把野外地质调查观测路线的过程, 用实体点——地质点(point)、网链——分段路线(routing)、全链或几何拓扑环——点和点间界线(boundary) 的数据模型和组织方式, 对野外路线观测的对象及其过程的描述进行定义、分类、聚合和归纳, 分层并结构化与非结构化相结合的储存在空间数据库中, 使野外路线观测描述的复杂地质现象及其观测的过程变为PRB数字过程. 采用这种PRB过程进行数字填图的技术被称为PRB数字填图技术.
(2) PRB数据模型(PRB data model) : 是描述PRB的基本过程、支配PRB的基本过程组合的规则及运用整个PRB过程的公共机制的数据模型.共由10个野外数据采集实体数据模型构成.它们是地质点、分段路线、点上和点间界线、GPS、样品、化石、产状、素描、照片、设计路线.PRB数据模型均由描述空间位置、结构化观测内容和非结构化的描述三部分组成.每个过程的空间位置数据库解决地质制图的问题, 每个过程的结构化数据库解决调查内容结构的规范化问题, 每个过程的非结构化数据—自由文本开辟了地质工作者自由发挥地质思维的空间, 既能满足计算机处理的需要, 又能保证地质工作者取全、取准观测数据和参数, 描述它们地质实体的空间位置和属性.其数据结构如下.
① P过程: P[描述属性]{☆图幅编号, ☆路线号, ☆地质点号, 经度, 纬度, 高程, 纵坐标, 横坐标, 地理位置, 露头性质, 点性, 微地貌, 风化程度, 岩性A, 岩性B, 岩性C, 岩性代码A, 岩性代码B, 岩性代码C, 地层单位A, 地层单位B, 地层单位C, 接触关系AB, 接触关系BC, 接触关系AC, 描述, 国标码, 日期, 地质点描述文件名(自由文本格式) }.
P [空间位置] (GIS图层).
② R过程: R[描述属性]{☆路线号, ☆地质点号, ☆点间编号, 填图单位, 日期, 分段路线距离, 点间累计距离, 路线方向, 备注, 分段路线描述文件名(自由文本格式) }.
R [空间位置] (GIS图层).
③ B过程: B[描述属性]{图幅编号, ☆路线号, ☆地质点号, ☆B编号, ☆R编号, 纵坐标, 横坐标, 高程, 经度, 纬度, 右边地质体, 左边地质体, 界线类型, 走向, 倾向, 倾角, 接触关系, 国标码, 备注, 日期, 点间界线描述文件名(自由文本格式) }.
B [空间位置] (GIS图层).
上述PRB数据模型不仅能够满足区域地质调查野外数据采集所需要计算机处理最基本的结构化信息, 而且能够保证地质学者不受约束地采全、采准野外观察数据.
(3) PRB基本过程(basic process of PRB).①地质点(point) P过程: 是指野外路线所通过的地质界线、重要接触关系、重要地质构造、重要地质现象等进行地质观测点控制的过程.②分段路线(routing) R过程: 是2个地质观测点之间的实际分段路线描述记录的控制过程.该实际路线根据2个地质观测点之间的内容和变化来进行分段描述, 该变化可以是2个地质实体的界线, 也可以是1个地质实体的内部变化.采用全链表示.③点上和点间界线(boundary) B过程: 是依赖于routing的过程.它是对点上和两段routing之间的界线来进行分段描述.该界线可以是2个地质实体的界线, 也可以是1个地质实体的内部变化界线.boundary过程在室内PRB过程中是地质连图的重要依据.采用全链表示.
(4) PRB基本过程组合的规则(combinatorial rule of whole PRB process) : 是描述PRB基本过程组合的规则, 图 2是PRB基本过程组合的几种方式.一个P过程可以有1个至n个R过程, 0至n个B过程.一个R过程可以有0个或1个以上的B过程.地质点P过程是PRB过程的核心.分段路线R过程和点间界线B过程必须隶属P过程.
(5) PRB过程的公共机制(public mechanism of PRB process) : 根据数字填图的特点, PRB过程的公共机制由PRB划分、PRB过程字典与扩展机制组成.PRB过程划分是描述PRB的划分及过程编码规则; PRB过程字典是PRB过程采用的3种类型字典的规则; PRB过程扩展机制是描述在PRB过程的采样过程规则, 这些采样过程包括产状、化石、素描、照片、影像、样品等数字化采集过程.
(6) PRB过程基本程式(basic program of PRB process) : 是指PRB路线地质调查最小单元的组合模式.一条野外路线可由若干个最小单元组合而成.可由地质人员任意组合.它有以下几种最小单元的组合模式: 模式一: P组合, 适合地质填图野外填图中独立地质点的补点工作; 模式二: P-R-P、P- (B) -R- (B) -P、P-P组合, 适合地质内容复杂程度中等的填图工作; 模式三: P- (B1, B2, …) -R- (B1, B2, …) - P, 适合地质内容复杂程度大的填图工作.图 3是野外路线观测数据采集的PRB过程.
(7) PRB数据操作(data operation of PRB process) : 把PRB野外手图的组织(图 4)、图幅PRB库创建、野外PRB手图库组织与管理、实际材料图数据的综合处理、编稿地质图的成图、PRB数据质量检查、PRB检索、PRB地质连图、PRB工作量统计、PRB数据质量定量评价等操作统称为PRB数据操作.图 5是对PRB数据——野外记录、素描、照片数据的交互操作部分功能.
图 4 多源数据的野外手图在野外数据采集器的整合表现Fig. 4. Concordance of field picked map from multi-source data in field data capture devices
图 5 PRB数据——野外记录、素描、照片数据的交互操作Fig. 5. Interprocess of PRB data including field records, sketches and photoes(8) PRB字典(PRB dictionary) : PRB过程字典是为解决地层、构造、岩性等地质内容描述的标准化问题, 通过野外填图字典查阅的作用提高野外数据采集效率而设立的.PRB过程字典的建立可以减少或避免以往地质调查存在的地质描述术语不严谨, 防止同名异物与同物异名等问题, 也为数据库在更大的范围内有效共享提供了基本保证.野外数据采集系统提供了3种类型PRB字典: PRB过程一般术语字典、PRB过程野外记录结构化描述字典和PRB过程规范结构化填空补缺式描述字典.
(9) 三级PRB体系(three-class PRB framework) :
PRB过程是数字地质填图工作的最基本框架.为了统一表述和交流, 根据工作的阶段和周期, 我们把PRB过程分为三级体系.针对PRB过程的特点, 把野外路线观测2个地质点之间的PRB过程规定为最小单元的过程, 它由以P开始的多个B、R进行任意的组合.称为一级PRB过程.把多个PRB过程组合成一条路线的过程称为二级PRB过程.把数字地质填图过程规范化为前期PRB过程、PRB初期过程、野外PRB过程、野外驻地PRB过程、室内PRB终结过程、PRB成果提交过程6个子过程称为三级PRB过程.
(10) PRB数据质量定量评价(digital evaluation of PRB data) : 根据区域地质调查技术规范和数字填图野外数据采集工作方法指南, 区域地质调查与填图的PRB数据质量定量评价模型主要由工作量完成情况检查、实际材料图精度检查、地质实体有效控制精度等控制指标来描述.
4. PRB过程数据流“栈”模型
传统的区域地质调查从野外地质路线观测调查到区域地质图成果的提交, 其野外路线观测所获得的各种数据和信息流向是从野外手图到野外总图, 然后从野外总图到实际材料图, 最后从实际材料图到编稿地质图.
在PRB数字填图技术的研究中, 其原则是用新技术、新思路、新组织形式对野外路线观测的地质内容进行数字化采集, 利用计算机技术与GIS技术来检索、提取、分析和归纳和处理地质信息.在符合传统地质填图的基本规律、满足地质调查总则和有关技术要求的基础上, 进行一次性野外数字化录入、数据处理、编图和输出全过程信息化.根据这一原则, 设计了PRB过程数据流“栈”模型.
(1) 设计了原型库、背景图层、PRB图幅库、野外手图库、实际材料图、采集日备份数据流“栈” (图 6), 用于不同PRB阶段数据存放、交换和传递. (2) 原型库“栈”用来存放PRB数据原型模型, 原型模型是定义野外数据采集图层与属性数据库结构, 是一个没有记录的文件.通过它与背景图层“栈”可以创建任一图幅的PRB图幅库数据“栈”. (3) 背景图层“栈”是用来存放地理底图及本图幅收集并已经数字化的各种地学资料.该背景图层“栈”与原型库“栈”组合创建任一图幅的PRB图幅库数据“栈”. (4) PRB图幅库“栈”是由背景图层栈与原型库“栈”组合创建数据“栈”.该数据“栈”不仅存放地形图、野外地质数据采集图层、地球物理、地球化学和遥感等数据, 而且还存放了合并后的野外手图的采集数据, 相当于传统的野外总图.同时, 野外手图库“栈”需要PRB图幅库“栈”的数据来生成. (5) 野外手图库“栈”是由PRB图幅库“栈”的数据生成.它有两方面作用: 一是利用PRB图幅库“栈”来生成每一条路线的野外手图; 二是接收经过在野外数据采集系统采集的数据, 该数据在导入数字填图系统时, 已经解压还原(由Windows CE系统转成Windows系统).野外手图按路线存储.数据包括野外观测数据、素描、照片等. (6) 采集日备份“栈”是野外手图库“栈”的数据备份.但不同的是, 该数据的备份是野外数据采集系统的直接备份, 即没有解压还原. (7) 实际材料图“栈”由PRB图幅库“栈”的数据生成, 同时还增加了3个新图层, 即地质点、线、面, 用于连图.虽然野外手图库“栈”也是由PRB图幅库“栈”的数据生成的, 但二者是有区别的.实际材料图数据“栈”包括PRB图幅库“栈”所有野外手图的数据, 而野外手图数据“栈”仅包括PRB图幅库“栈”中的地形图、野外数据采集图层结构和所需的地球物理、地球化学和遥感等数据.
5. 结语
(1) 建立了数字区域地质调查的PRB数字填图技术理论与方法体系.从地质填图的野外数字化获取技术及其成果的一体化描述、组织、存储和发布, 论述了数字地质填图定义及其研究内容.通过把野外路线观测描述的地质现象的复杂过程抽象为PRB过程, 实现了野外路线观测过程的数字化描述.利用PRB的各种操作, 可快速、准确地采全、采准各类复杂的地质现象.基于UML技术建立了数字填图计算机系统, 实现了PRB数字填图体系系统软件. (2) 从地质填图空间数据的概念模型、地质空间实体模型、地质空间对象模型、空间要素模型、对象的分类、地质实体空间对象的定义, 确定了以地质实体要素数据模型作为地质图空间数据模型的基础, 并提出了把地质图空间数据库的图层从物理的数据模型转向概念模型的地质填图空间数据表达. (3) 论述了PRB的基本过程, 支配这些过程组合的规则及运用整个PRB过程的公共机制3个主要要素.建立了三级PRB过程体系、PRB数据质量定量评价体系, 规范了地质填图过程的描述与进程. (4) 论述了PRB数字填图技术的PRB数据流“栈”模型, 采用原型库、背景图层、PRB图幅库、野外手图库、实际材料图、采集日备份数据流“栈”, 解决了不同PRB阶段数据的存放、交换和传递.
在本项目研究及试点图幅野外PRB数字地质填图工作中, 自始至终地得到国土资源部中国地质调查局领导和有关处室(总工办、区调处、信息处)、中国地质调查局发展研究中心、国土资源部科技司、中国地质大学(武汉) 地质调查研究院、福建省地质调查院、黑龙江省地质调查院、广西壮族自治区地质调查院、青海省地质调查院和成都地质矿产研究所的大力帮助和支持.在此, 特向上述单位的专家和领导表示敬意. -
图 1 野外路线地质调查观测的PRB过程建模
Fig. 1. PRB process modeling for field route survey and observation
图 4 多源数据的野外手图在野外数据采集器的整合表现
Fig. 4. Concordance of field picked map from multi-source data in field data capture devices
图 5 PRB数据——野外记录、素描、照片数据的交互操作
Fig. 5. Interprocess of PRB data including field records, sketches and photoes
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