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地理信息系统在地质领域中的应用地理信息系统在地质领域中的应用 赵永军，傅晓宁 中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营（257061） E-mailfxn01 摘摘 要要地理信息系统是信息技术和信息产业发展的产物，是一项发展迅猛的高新技术。它 的应用已经渗透到有关空间信息的各个领域。 本文简要地分析了我国地理信息系统的发展概 况及趋势，介绍了地理信息系统在地质制图、地质灾害的预测、石油勘探资料的管理、矿产 资源的评价及预测等地质领域中的应用现状和部分科研成果， 说明了地理信息系统在地质领 域研究中的可行性及其广阔的前景。 关键词关键词地理信息系统 地质领域 应用 前景 1. 引言引言 地理信息系统Geographical Ination System，简称 GIS是发展于 20 世纪 60 年代， 并于 20 世纪 80 年代取得突破性进展的一门空间数据管理科学和智能化高新技术。 该系统不 仅能将统计数据、 图形数据和影像数据等多种空间信息及空间位置输入、 存贮、 检索、 显示、 更新与输出，而且还能对上述各类型数据进行编辑、测量、运算与综合分析。随着计算机科 学、数学和空间技术的发展，地理信息系统已经超出了“地理学”的应用范畴，而应用于整 个空间信息的处理领域。本文将对地理信息系统在地质领域中的应用进行简要的介绍。 2. 地理信息系统的定义及其在我国的发展地理信息系统的定义及其在我国的发展 地理信息系统是随着计算机技术的飞速发展在信息科学、计算机科学、现代地理学、地 图学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学等学科的交叉处派生出来的一门新兴的 边缘学科（图 1） 。 地图学 环境科学 管理科学 空间科学 地理信息系统 测绘遥感学 计算机科学 现代地理学 信息科学 图 1 地理信息系统与其相关学科的关系示意图 按照边馥苓[1]教授的定义， 地理信息系统是反映各类空间数据及描述这些空间数据特征 的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析 应用的技术系统。它的基础是地图可视化、数据库系统以及空间分析，将三者有机的结合起 来， 其核心是利用计算机技术建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库及属性数据库的联 动关系[2]。 -1- 图 2 地理信息系统组成示意图 （据吴信才，1998 年） GIS 有两个显著特征一是它不仅可以像传统的数据库管理系统DBMS那样管理数字 和文字信息属性信息，而且可以管理空间信息图形信息；二是它可以利用各种空间分析的 方法，对多种不同的信息进行综合分析，寻求空间实体间的相互关系，分析和处理在一定区 域内分布的现象和过程。 我国GIS的发展自 20 世纪 80 年代初开始，以 1980 年中国科学院遥感应用研究所成立 全国第一个GIS研究室为标志，经历了准备（1980～1985 年） 、发展（1985～1995 年） 、产 业化（1996 年以后）3 个阶段。尤其是近年来随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网 络和数据挖掘等主流IT技术的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了 第 4 代GIS技术[3]的概念。第 4 代GIS技术将主要有如下特点 ①支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向多维发展，从静态数据处理 向动态发展，具有时序数据处理能力。 ②基于网络的分布式数据管理及计算、 Web-GIS 和 B/S 体系结构， 用户可以实现远程空 间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理（OLTP）和联机分析 （OLA）管理能 力。 ③面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合， 具有矢量和遥感影像数据互动等多源 数据的装载与融合能力，多尺度比例尺数据无缝融合、互动。 ④具有统一的海量数据存储、 查询和分析处理能力、 基于空间数据的数据挖掘和强大的 模型支持能力。 ⑤具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与 MIS、ERP、OA 等各种企业信 息化系统的无缝集成；微型、嵌入式 GIS 与各种掌上终端设备集成，如 PDA、手机、GPS 接收设备等。 ⑥具有虚拟现实表达及自适应可视化能力， 针对不同的用户出现不同的用户界面及地图 和虚拟现实效果。 3. GIS 在地质领域中的主要应用在地质领域中的主要应用 -2- 随着信息化技术和信息化产业的日益成熟，GIS 也取得了突飞猛进的发展，功能不断增 强，应用领域越来越广。GIS 具有强大的数据库管理功能、空间数据分析功能及辅助决策功 能而成为一种全新的区域空间研究决策支持系统，这使得它能够高效率、高精度、定量的实 现真正地学意义上的区域空间分析和过程模拟。目前 GIS 在地学研究应用领域中的地位日 益突出，特别是在地质制图、地质灾害的预测、石油勘探资料的管理、矿产资源的评价及预 测等方面的应用深度和广度正在进一步拓宽，并且取得了显著的社会效益和经济效益。 3.1 GIS 与地质制图与地质制图 石油赋存于地表以下，看不见，摸不着。长期以来，人们对石油的勘探主要通过物探、 测井等间接方法结合钻孔取心获得的“一孔之见” （岩心资料）和地表地质调查获得的感性 认识，制作各种专题地图；在地质和油气成藏理论的指导下，分析和圈定油气在地下的赋存 规律和聚集场所。因此，石油行业的各种专题图（如构造图、等厚图、各种地质剖面图、沉 积相图、储层分布与评价图、生油岩分布图，油气资源评价与预测图等）的制作一直是石油 地质工作的有机组成部分，在开展多学科、多途径的石油地质科研工作中，自始至终都运用 制图方法表现它的研究成果。然而，传统的石油地质制图过程尚存在以下不足[4]①劳动强 度大、效率低、重复劳动多；②图件的管理繁杂，利用率低；③制图综合能力差；④多图幅 的综合分析研究主要停留在“目视判读”阶段，受人为因素影响大；⑤无法实现各种专题图 的三维可视化显示。 以上诸多不足表明传统的地质制图方法在某种程度上已不能适应迅速发 展的油气田勘探、开发、研究的需要，迫切要求尽可能提高制图过程自动化，GIS的出现为 地质专题制图提供了现代化的技术手段。GIS应用于地质专题制图，可实现各种专题图的数 字化，建立图形和属性两类地学数据相结合的数据库，各种专题信息全部存贮于计算机中， 实现对地图数据分层信息成片存贮，易于管理和查询，可灵活地分幅检索、添加图幅、删除 图幅，图件的更新、多图幅的拼接、制图综合和综合分析方便快捷。此外，借助Internet还 可实现资源的远程共享；利用GIS的数字高程模型（DEM）使各种专题制图立体显示成为现 实，为石油地质学家从多视角、多侧面观察和分析石油的赋存规律提供了新途径。 3.2 GIS 与地质灾害预测与地质灾害预测 地质灾害研究是涉及地质、地貌、气象、人文、人类活动等诸多领域的一个庞大和复杂 的多元信息综合分析过程。地质灾害信息的多源性、模糊性、非确定性和随机突发性，使得 地质灾害信息处理和空间综合分析模型十分复杂。 而建立地质灾害信息系统成功地解决了地 质灾害研究的瓶颈问题如何高效地存储和管理地质灾害海量数据， 对空间数据进行多层 次分析。 我国已经建立了各式各样的地质灾害信息系统， 如重庆市丰都县的地质灾害信息系 统[5]、基于GIS的洪涝灾害监测评估系统[6]、GIS支持下的地震诱发滑坡危险区预测[7]、基于 地理信息系统的岩溶塌陷预测评价体系[8][9]等。 岩溶塌陷是 “岩溶－盖层－水” 构成的系统在各种因素影响下表现出来的系统失稳过程， 其环境非常复杂，影响因素种类繁多，既有空间位置的影响，又有时间发展的制约，同时人 为活动也有着一定的影响，且这些因素之间相互制约。因此，对岩溶塌陷成因的分析、主要 影响因素的确定以及未来发展和趋势预测等， 必须同时综合考虑众多的时空变化因素。 胡成， -3- 陈植华等在桂林西城区岩溶塌陷预测研究中，通过发展接口技术，把GIS的一般构成与预测 应用方程式结合起来，实现了岩溶塌陷预测的计算机化，其预测流程图[8]如图 3。 图表数据 离散性数据图件图片资料 键盘输入 数字化转换，扫描格式文件输入 直接转换 GIS 数据库管理系统 解释， 分类 GIS 空间分析 图形处理 接口程序 岩溶塌陷预测模型 预测结果输出显示 遥感资料 图 3 GIS 支持下的岩溶塌陷预测流程图 （据 胡成 等，2000） 3.3 GIS 与石油勘探的数据管理与石油勘探的数据管理 GIS一般都具备强大的空间数据分析功能，易于将油气勘探开发所需的许多不同的资料 进行综合和比较，以形成较为清晰且地质上较有意义的整体。如李河，李舟波，王祝文等进 行了基于VC的MAPGIS二次开发[10]，实现了勘探信息的管理，该油气勘探数据管理系统 主要包括三个子系统（图 4） 勘探地质信息综合管理与统计分析子系统，勘探成果图形编 辑与矢量化子系统，勘探成果图形综合查询与统计子系统。 图 4 油气勘探数据管理系统功能图 （据李河，李舟波，王祝文，2005） 自 60 年代以来，南非地难调查所、开普敦大学及南非博物馆对南部非洲陆棚及深海进 -4- 行了大量的海洋地质和地球物理勘查，积累了极其丰富的数据资料和样品。李晓池[11]等在 测站坐标资料的基础上，利用dBASE数据库中其它地质、地球化学或地球物理勘测数据， 在GIS中，由ARC/INFO进行多种多样的分析研究和计算，并绘制出了海水等深线图、粉砂 等值线图等图件。 在含砂量百分比图等图件的绘制中， 选用了不同的符号或不同大小的标记 来显示，使其一目了然。此外，所有图件都可以在纸张上按所需要比例标绘出来。编制好的 视界还可以很容易地转换成draw perfect，或其它绘图程序所能接受的形式。然后根据需要， 用其它程序进行修改并打印出来。 3.4 GIS 与矿产资源预测与评价与矿产资源预测与评价 众所周知，矿产资源预测是综合地学信息，进行优选靶区的有效手段之一。随着地学工 作的深入和勘探技术的发展，已获得了大量的多源地学信息，如地质、地球物理、地球化学 和遥感等资料。如何从这众多的资料中提取有用信息进行综合分析达到矿产资源预测的目 的，一直是地学界探索的课题。过去，应用人工方法来进行此项工作，不但费力、投资大， 而且难以达到预期的效果，方法技术也不利于推广。如今，高速度、高质量的计算机已趋于 普及， 使得应用计算机技术高效地处理堆积如山的资料成为可能， 尤其是已迅速发展起来的 地理信息系统GIS，为综合处理地学资料的矿产资源预测的方法技术开拓了广阔的前景。 地学工作者进行矿产资源预测时， 通常是从多源地学资料中提取有用信息， 然后应用专家知 识，结合数学方法，如逻辑运算、贝叶斯Bayes规则等，建立预测模型，以模型的推理网 络为线索，利用地理信息系统有效的空间分析手段，把各种证据图层综合叠加分析，最终产 生以概率为指标的矿产资源预测图， 高概率指示有利的矿产资源远景区， 可作为勘探者和决 策者进行勘查规划的依据。 基于GIS的多层次模糊数学评价方法已经在我国西北的鄂尔多斯、准噶尔、柴达木等盆 地及华北的沁水盆地的煤层气评价[12]中取得了良好的效果。与传统的手工综合评价方法相 比，基于GIS的资源评价方法有许多优点 （1）使传统的手工叠加图像分析和多元分析的数 学方法相结合起来，大大降低了劳动强度，提高了工作效率； （2）基于GIS的资源评价已经 由原来的基于数据的理解转化为基于地质模型的理解， 专家们可在评价系统中进行交互式地 对多元评价信息进行对比、综合及综合分析中获得启发或认识，完善与总结规律； （3）基于 GIS可产生一套科学的评价系统，评价系统的可维护性强。下图便是以沁水盆地为例，经过 基于GIS的综合评价后，得到的综合评价图。 -5- 图 5 沁水盆地综合评价区块 （据 姚艳斌 等，2005） 4 展望展望 尽管 GIS 在地质领域中的应用才刚刚起步，但已显示出广阔的发展前景，相信随着 GIS 技术的进一步发展和日臻完善，以及 GIS 技术被更多的地质工作者所了解和接受，GIS 将更广泛应用于地质的各领域特别是油气勘探开发领域，成为石油地质工作者进行资料管 理、图件编制、项目施工、专题研究、远景评价和开发方案制定等不可缺少的辅助手段和方 法。同时，我们也应该看到，GIS 只是为各领域的应用提供了一个二次开发的平台及一些相 关分析模块，它并不能解决地质领域的所有问题，真正了解 GIS 的精髓需要较扎实的计算 机基础，只有地质工作者与 GIS 专业人员密切配合才能显示出 GIS 在地质领域的巨大潜力。 除在现有的 ArcView，MapInfo 等 GIS 通用基础软件平台上经二次开发研制适合地质领域的 应用软件外，更重要的是结合地质学领域的实际，研制出适合地学应用的基础软件平台，如 将地学中的盆地模拟、储层建模、地质统计方面的数学手段和方法嵌入到 GIS 的空间分析 模块中，扩展 GIS 的空间分析功能，形成专门用于地学领域研究的 GIS 基础平台，将使 GIS 在地质领域发挥更大的作用。 另一方面， 地质领域尤其是油气勘探开发是以地下三维地质体 为研究对象的，GIS 的真三维可视化图形表达技术更受石油工作者的青睐，然而，三维 GIS 在数据结构和数据模型方面的研究还远不能满足非均质的空间实体的真三维表达， 从而制约 了 GIS 在油气勘探开发方面的应用。相信随着三维 GIS 技术的飞速发展，GIS 在地质领域 -6- 中的应用将更加广阔。 参考文献参考文献 [1] 边馥苓．地理信息系统原理和方法[M]．北京测绘出版社，1996． [2] 吴信才．地理信息系统的基本技术与发展动态[J]．地球科学，1998，234329－330． [3] 叶水盛，王世称，刘万崧等．GIS 基本原理与应用开发[M]．长春吉林大学出版社，2004． [4] 刘学峰， 何幼斌， 孟令奎， 等． 地理信息系统 （GIS） 在油气勘探开发中的应用[J]． 地理空间信息， 2003， 1212-16． [5] 吴树仁，董 诚，石菊松，等．地质灾害信息系统研究以重庆市丰都县为例[J]．第四纪研究，2003， 236683-691． [6] 李纪人．GIS 在洪涝灾害监测评估中的应用[J]．地理信息世界，2005，3326-29． [7] 唐 川， 朱 静， 张翔瑞． GIS 支持下的地震诱发滑坡危险区预测研究[J]． 地震研究， 2001， 241 73-81． [8] 胡 成等．GIS 技术在岩溶塌陷预测中的应用[J]．桂林工学院学报，2000，202117-119． [9] 雷明堂， 蒋小珍， 李琦． 地理信息系统GIS在岩溶塌陷评价中的运用[J]． 中国岩溶， 1994， 13 351-356． [10] 李河， 李舟波， 王祝文． GIS 在油气勘探数据管理中的应用研究[J]． 计算机应用研究， 2005， 12 178-180． [11] 李晓池，E. 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At last it draws a conclusion that it is feasible to use GIS in the research of geological field and broad in prospect. Keywords Geographic Ination System the field of geology application prospect -7-