基于GIS的1_5万区调野外空间数据快速采集技术.pdf

第15卷第3期 2000年6月 地球科学进展 ADVANCE I N EARTH SC IENCES Vol . 15 No. 3 Jun. , 2000 新学科新发现新技术 基于GIS的1∶5万区调野外 空间数据快速采集技术 Ξ 袁艳斌,韩志军,刘 刚,汪新庆 中国地质大学资源学院,湖北 武汉 430074 摘 要利用GIS技术综合多源地学空间信息,应用于区域地质调查的重要方面野外空间数 据采集。根据我国1∶5万区调工作流程和数据采集的特点,在野外空间数据采集子系统中应用系 统工程的思想,采用M apGis和A rcV iew工具型地理信息系统软件,进行二次开发;从野外空间数 据采集的标准化、 数据字典、 地质观察点定位、 空间数据及其相关的属性数据的一体化采集、 素描图 的绘制等方面加以研制,初步实现了1∶5万区调系统中的野外空间数据的可视化快速采集技术, 并成功地应用于试点区。 关 键 词 GIS; 1∶5万区域地质调查;空间数据;野外数据采集;二次开发 中图分类号 P622. 1; P208 文献标识码 A 文章编号 1001816620000320348205 1 引 言 区域地质调查是一项具有战略意义的综合性基 础工作。 在社会经济发展的新形势下,传统区域地质 调查工作由于填图、 修编、 出版周期长而受到严重挑 战。世界范围内, 20世纪80年代中期先后开始了新 一代的填图试验 〔1, 2, 3〕 。在高度竞争的90年代,对性 能价格比更高的区调野外数据采集技术的需求正在 增加,要求新的方法更快,并为适合有效的野外处理 的格式提供数据,以提高野外作业的工作效率。 涉及 的问题包括改进野外观测记录方法,空间坐标快速 精确定位,数据检查和野外数据处理。为此,由吴冲 龙教授主持的国土资源部科技司 “九五” 重点地质科 技项目 “计算机辅助1∶5万区域地质填图系统”,就 是为了实现计算机辅助获取、 管理基础数据,以及对 所获取的数据进行智能化、 半智能化人机交互整理、 图件编绘的整个地质填图过程的计算机辅助化。区 域地质调查所涉及的带有复杂拓扑关系的空间信 息,对野外基础数据的一体化快速采集和科学管理 提出了更高的要求。国内外相关领域的研究表明其 瓶颈就是难以对具有空间信息特点的野外数据进行 高效快速采集和科学一体化管理 〔2〕 。 因此,如何高效 对野外填图空间信息进行快速采集以及科学管理获 取的野外空间数据就成了计算机辅助1∶5万区域 地质填图系统研制中极为重要的研究内容。 2 野外区域地质调查中GIS应用专题 是一项系统工程 1∶5万区调野外空间数据快速采集技术是一 项GIS应用专题级计算机辅助系统研制,与其它信 息系统的实现一样,要遵循系统工程的规律,在充分 了解用户及其需求、 系统与功能需求、 新旧业务流程 和数据的管理层次及流向等的基础上,做好系统分 析 〔4, 5〕 ;并在此基础上,进行系统设计、 选择硬软件平 Ξ国土资源部 “九五” 重点地质攻关项目 “1∶5万区域地质计算机辅助填图系统”编号 95- 06- 002和国土资源部矿产定量预测与勘查 评价开放实验室基金联合资助。 第一作者简介袁艳斌,男, 1970年生于湖北恩施,讲师,主要从事地理信息系统、 地矿信息计算机处理方面的研究。 收稿日期 1999206207;修回日期 1999210222。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 台,制订开发计划和功能模块。在实际工作中,由于 现行掌上机在图形方面的局限性,吴冲龙提出了以 便携机为目前野外工作的最佳硬件平台;以先进的 GIS技术为核心的地球空间信息科学的形成 〔6〕 ,为 地质学家提供了在计算机辅助下对多源地学信息进 行综合分析和解释的理论指导和有力的工具,解决 了现有各类数据的集成、 管理、 分析和成果的表示问 题。而且,由于GIS的交互式处理能力和快速运算 能力,通过反复尝试,使地质学家能比较容易地完善 自已的知识模型。 可见, GIS是地质学家一直努力寻 找的工具,是地学的自然选择 〔3, 7〕 。因此,在地学领 域,针对野外空间数据特点,可以把GIS运用到地 质填图从空间数据采集到数据利用、 服务的各个环 节,其最大的优越性在于对填图中所包含的多源地 学信息地、 物、 化、 遥感等 , 在空间信息的基础上进 行快速一体化采集、 合理有效地分层管理和综合叠 加处理,各类信息的快速提取和空间与属性信息的 双向访问,及各类信息的综合分析解释等功能。 在实 践中,我们利用功能较强的桌面地理信息系统 M apGis和A rcV iew为软件支撑平台。 同时,兼顾地 学数据的特殊性和GIS软件在处理多维数据和管 理属性数据方面的不足,以及缺乏适合于地质填图 的方法库和模型库 〔8, 9〕 ,我们则运用地矿点源信息系 统的理论和方法技术为依据进行模块设计研制 〔4, 8〕 。 3 野外地质空间数据采集的标准化 野外区域地质调查计算机辅助填图从根本上说 就是数据的采集。野外区域地质调查系统中空间数 据的GIS专题研究是以空间数据采集的高质量为 前提。为GIS准备数据主要有两种渠道利用现成 数据和采集新数据。区域地质调查空间数据的采集 主要涉及两个问题,一是空间数据采集的标准化,二 是空间数据采集的技术。 在我们的工作中,注意到与 空间信息相关的地球物理、 遥感和地球化学数据数 字化程度较高,技术难度相对较小,只是改进性能的 问题;难点在于野外地质观察数据的获取。 这主要表 现在空间数据采集内容的多样、 空间数据采集尺度 和描述内容的复杂、 多种来源的空间数据获取融合 以及格式的不同等。从地质工作的方便性和兼顾传 统地质工作方式,及考虑现有硬件的野外工作性能 和可利用程度,国土资源部地调局和有关省局联合 进行了包括空间信息在内的野外数据记录格式的标 准化和数据编码的标准化工作,在参考 “GIS图层描 述数据内容标准” 和 “数字化地质图图层及属性文件 格式” 标准 〔10〕 的同时,制订了 “1∶5万区域地质调查 填图系统野外路线调查地质点主要采集数据项” 标准。 4 数据字典设计 野外空间数据数据字典设计主要是指与其相关 的描述性属性数据,主要内容有实体名称、 定义、 属 性说明、 属性值、 代码、 完整性限制、 关系、 最小尺寸 规定、 补充说明等 〔4, 11〕 。它是对研究区调中每一类实 体定义、 概念、 空间特征、 属性特征等数据的详细描 述和规定。 数据字典的用途是多方面的,它在数据库 的整个生命周期里都起着重要的作用。在系统分析 阶段,数据字典用来定义数据流程图中各个构成元 素之属性和含义;在设计阶段,数据字典提供一套工 具以维护对系统设计说明的控制,帮助设计人员保 证在早期阶段所确定的需求与实现一致;在调试阶 段,辅助产生测试数据,提供数据检查的能力;在运 行和维护阶段,可帮助数据库的重组织和重新构造; 在使用阶段,可以作为 “用户手册” 〔11〕 。在实际工作 中,主要采用了数据自动规范化和用户定义的字典 连接技术,实现了数据输入的自适应性 〔4〕汪新庆, 1997。 5 图形符号库的管理 获取的区调野外空间数据最终与用户交流的是 可视化的电子图件。 因此,图形符号的规范化和图例 库的完整性对区调用户来说就显得尤为重要。在实 际工作中,我们参照国家图例标准和地质行业标准 对野外区域地质调查计算机辅助填图系统的图形符 号库进行了扩充,同时,能很方便地根据用户在图形 上所表示的内容来辅助判别图例及其规格。其符号 库的管理提供功能包括增加新的图形符号、 修改已 存在的图形符号、 删除已存在的图形符号、 图形符号 换位、 修改符号颜色、 更新图形符号库、 注记符号的 半自动加注和屏幕交互方式加注、 矢量图形符号的 旋转。 例如可在做地质观察点的同时,很方便地根据 所测的地质点产状来自动定位及注记产状符号。 6 野外空间数据快速采集功能模块的 实现 根据相关1∶5万区调野外填图需求分析专题 的结果,在对国内外多种GIS软件产品的充分调查 后,依据我们研究的目的和性能 价格原则,我们选 用了A rcV iew或M apGis作为系统的底层平台。国 产GIS软件M apGis由于其良好的中文界面和完善 943第3期 袁艳斌等基于GIS的1∶5万区调野外空间数据快速采集技术 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的图形编辑功能,深受广大用户的青睐,其丰富的二 次开发函数库从很大程度上方便了用户 〔12〕 。A rc V iew也以其强劲的属性和空间信息管理功能及面 向对象的编程风格,在世界范围内拥有桌面地理信 息系统的相当用户 〔13〕 。为此,在考虑功能结构的合 理性和完备性、 系统各功能的独立性、 功能模块的可 靠性及操作的简便性原则基础上 〔4〕 ,我们以专用功 能模块为重点进行应用专题的研制。设计和实现如 下功能 1数据录入功能图 1 。① 字符录入功能,带 有功能较强的内置数据库,能方便地进行与空间数 据相关的属性数据的存储、 管理;也提供外部关系数 据库录入模块及与内置数据库方便的交叉互访。② 图形录入功能,根据填图需要,能将测区内有关的原 始地质图件,经数字化按不同的地质要素分层矢量 化,形成相应的地质底图,按逻辑层或物理层分别进 行存储;能方便地输入栅格地形底图和各种遥感解 译图,进行各种地理坐标系的配准,可类似传统地形 手图为填图人员提供模拟实地的可视化参考;根据 需要,将相同或相近的地质要素分层或综合使用。 ③ 野外空间数据、 素描图和点位GPS数据的同机 输入。可供野外调查人员采用光笔描述、 鼠标作图, 进行地质点空间定位,观察点坐标值的自动获取,路 线及剖面关系采集,地质观察点自动或半自动及信 手连接,手图和遥感解译图的标注、 修改以及典型地 质现象的素描输入。 图1 各类数据一体化录入 Fig. 1 Integrated collecting of various data 2图形和数据编辑功能。图形与属性的可视化 编辑,可直观地检查原始数据或图形的正确性,并实现 图形与属性的联动编辑修改,还能进行各种图面整饰、 图案线型的设计以及建立图形的空间拓扑关系。它的 主要模块有图形变换、 投影变换、 图形编辑、 属性编辑、 图面整饰、 拓扑关系建立、 图幅拼接等。 3数据查询检索功能。 实现属性数据和空间数 据的双向查询检索,主要表现在空间数据与属性数 据的动态显示查询结果;提供多种查询检索方式,通 过单一属性字段查询检索,通过条件查询检索,通过 图形上某一图元进行查询检索,通过给定图形单元 如圆、 矩形框、 不规则图形等圈定图形上某一区块 来查询检索等。 4数据分析与处理功能。 面积、 长度、 坐标的量 算和提取、 多种统计计算、 图形变换、 图形的拼接。 5数据输出功能。硬拷贝数字地质原图的输 出、 文件表格输出、 按指定格式输出、 与绘图软件 CAD及GIS双向传输的数据通讯。 7 与空间信息相关的属性数据采集模 块的连接 由于GIS至今尚缺乏三维及多维数据的管理 和处理能力,缺乏强大的关系数据库管理系统和适 合于地矿勘察数据分析的各种方法库与模型库,面 对地矿勘察的多源、 多类、 多量、 多元、 多维和多主题 053 地球科学进展 第15卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 数据,显得能力不足 〔8〕 。吴冲龙 〔4〕 提出应用地矿点源 信息系统的方法,有关专题采用功能强大的关系数 据库研制了野外大量的属性数据采集模块来录入属 性数据,以弥补GIS在这方面的不足。我们利用 ODBC开放数据库互联技术实现了GIS中内置空 间数据库与相关属性数据采集子系统的交互、 动态 修改和查询检索功能。用V isal Foxpro编制的属性 数据采集模块,以表格式方式提供给用户,每个选项 采用交互方式让用户进行选择录入,提供强大的录 入、 编辑、 修改、 查询、 检索功能图 2 。 8 素描子模块研制 区域地质调查涉及大量的素描及照相,这些信 息也是野外空间数据的重要组成,如何很好的素描 及实时显示素描图和照片这一工作通过刘刚的开 发实践,取得较好效果图 3 。 图2 地质观察点属性数据录入 Fig. 2 Collecting of attribute data from geological observation point 图3 地质观察点素描 Fig. 3 Geological observation point sketch 运用动态数据交换技术DDE、 对象的链接与 嵌入技术OL E , 直接调用W indow s画笔模块,形 成区域地质调查野外素描子模块,这样既节省空间, 又提高了研制起点,操作也方便简单。 运用此模块可 153第3期 袁艳斌等基于GIS的1∶5万区调野外空间数据快速采集技术 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 以很方便地进行地质观察点上的素描,模块中提供 大量的地质素描常见的岩性、 地物等花纹符号。 与图形和属性信息一样,实时绘制的素描图和 照片也能很方便地与所属地质观察点进行连接查看 及实时显示。 1∶5万区调野外地质填图的计算机辅助化是 多年来地质学家们梦寐以求的,随着计算机硬软件 技术的发展,特别是空间信息技术的发展,为地学领 域工作方式的快速化、 地学信息更新的实时性,提供 了机遇和手段。地学领域的应用几乎都与空间位置 有关,而GIS应用模型基本属于空间模型的范围。 因此,运用GIS技术来解决1∶5万区调野外空间 数据的采集,是十分可行的,为计算机辅助1∶5万 区域地质填图系统的研制奠定了基础。所开发的1 ∶5万区调野外空间数据采集子系统正在湖北区域 地质调查所的实际填图中进行试验,并已取得较好 效果。 参考文献 〔1〕 姜作勤,俞全宏.美国地质调查所数字制图、GIS应用与地学 信息管理的现状与趋势〔J〕.地质信息技术, 1992, 83 10～ 43. 〔2〕 Franz L K, Coy S H. Geologicalmapping from satellite data; contributionofremotesensingandGIStechnologyto hydrocarbon and m ineral exploration〔A〕.Proceedings of the Thematic Conference on Geologic Remote Sensing〔C〕. U nited States Ann A rborM I, 1996, 11 309～320. 〔3〕 姜义,赵洪伟. 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THE FIELD SPATIAL DATA RAPI D COLLECTI ON TECHNOLOGY IN 1∶50 000 REGI ONAL GEOLOGICAL SURVEY BASED ON GIS YUAN Yanbin, HAN Zhijun, L I U Gang, WAN G Xinqing Faculty of Earth R esources,China U niversity of Geosciences,W uhan430074,China Abstract The advantage of GIS technology in combining multi2sources geoscience ination is used in the important aspect of regional geological survey2field spatial data collection. W ith reference to the process of 1 50, 000 regional geological survey in China and its data collection characteristics and w ith adoption of system engineering in“Field SpatialData Collection Sub2System”, M apGis andA rcV iew which are the tool2type geological ination systemsoftware are applied and re2developed.The authors research the follow ing aspects of field data collectionstandardization, data dictionary, positioning of geological observation point,integrated collection of attribute and spatial data, sketch draw ing,and initially realize the visualized rapid collection of 1 50, 000 regional field data, which has been successfully applied in experimental area. Key words GIS;1∶50 000 regional geological survey; Spatial data;Field data collection; Re2 development. 253 地球科学进展 第15卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.