地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (2): 263-270
引用本文
杨星辰, 叶梦旎, 叶培盛, 蔡茂堂, 娄玉行, 张绪教, 刘浩. 地质调查成果信息化建设方法探索——基于数字填图技术[J]. 地质力学学报, 2020, 26(2): 263-270.
YANG Xingchen, YE Mengni, YE Peisheng, CAI Maotang, LOU Yuxing, ZHANG Xujiao, LIU Hao. Information construction method of geological survey projects based on digital mapping technology[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(2): 263-270.
地质调查成果信息化建设方法探索——基于数字填图技术
杨星辰1,2, 叶梦旎3, 叶培盛1,2, 蔡茂堂1,2, 娄玉行1,2, 张绪教4, 刘浩4    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 活动构造与地壳稳定性评价重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
4. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:地质调查项目信息化建设是实现地质调查有效服务国家生态文明建设重大需求的支撑体系之一。数字填图技术是地质调查项目信息化建设中的关键技术,使得野外数据采集、数据处理、成果输出等全流程信息化得以实现。文章针对地质调查项目信息化建设过程中的技术难点,应用最新的数字填图系统平台,总结出一套简明实用的地质调查项目信息化建设方法:首先,优选符合地质调查精度要求的数据源,并采用2000国家大地坐标系;而后,运用数字填图技术系统中DGSGIS工具下载、配准所选取数据源影像作为地理底图;最后,使用数字填图系统建设完成地质调查项目空间数据库。该方法技术流程简洁、实用性强,对地质调查项目信息化建设具有一定指导意义。
关键词信息化建设    数字填图    地理底图    坐标系    地质调查    DGSGIS    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.02.025     文章编号:1006-6616(2020)02-0263-08
Information construction method of geological survey projects based on digital mapping technology
YANG Xingchen1,2, YE Mengni3, YE Peisheng1,2, CAI Maotang1,2, LOU Yuxing1,2, ZHANG Xujiao4, LIU Hao4    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Ceological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Active Tectonics and Crustal Stability Assessment, Beijing 100081, China;
3. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
4. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geociences, Beijing 100083, China
Abstract: The informatization construction of geological survey project is one of the supporting systems to realize the effective service of geological survey to the national ecological civilization construction. Digital mapping technology is the key technology in the informationization construction of geological survey projects, which makes the whole process of field data acquisition, data processing and output of results informationized. In view of the technical difficulties in the informatization construction of geological survey projects, a set of concise and practical informatization construction methods for geological survey projects are summarized by applying the latest digital mapping system platform. Firstly, the data sources that meet the requirements of geological survey accuracy are selected, and the 2000 national geodetic coordinate system is adopted. Then, the selected data source images are downloaded and registered by DGSGIS tools in the digital mapping technology system as the geographic base maps. Finally, the spatial database of geological survey projects is constructed by using the digital mapping system. This method is simple and practical, and has certain guiding significance for the informatization construction of geological survey projects.
Key words: informatization construction    digital mapping    geographic base map    coordinate system    geological survey    DGSGIS    
0 引言

地质调查信息化建设是地质调查有效服务国家重大需求的重要支撑,世界各国都非常重视(Henley, 1981; 姜作勤, 1994; Jones et al., 1995Carr et al., 1999Soller and Berg, 2005姜作勤等, 2007; Stamm,2008Lancianese and Dinelli, 2016韩坤英等,2017Ielsch et al., 2017Hansen and Lópe,2018Németh and Palmer, 2019)。信息化建设可为服务国家能源资源安全、生态文明建设、新型城镇化建设、防灾减灾、海洋强国建设、军事国防建设等重大需求提供大量的、多门类数据支撑保障,高效、快捷地向社会提供全面、权威的地质信息服务(李裕伟,1998陈述彭等,1999郑啸等,2015吴冲龙等,2016叶天竺等,2017任纪舜等,2019)。数字填图系统的开发应用是地质调查工作信息化的发展,以计算机野外数据采集和空间数据存储与表达技术为手段,实现了地质调查从野外数据采集、数据处理、成果输出等全流程的信息化(李超岭等,2002于庆文等,2003李丰丹等,2015)。

文章利用最新的数字填图系统软件下载并配准了以谷歌遥感影像为底图的演示数据,简要介绍了空间地质数据库建库流程,总结了一套简单实用的地调项目信息化建设方法。

1 数据基础

在地质调查项目的资料准备阶段,需要收集制作适合数字填图系统应用的地理底图数据,以此作为野外地质调查和成果数据库的基础地理数据(姜作勤,2000李超岭,2011)。

1.1 数据源选择

以1:50000区域地质调查为例,按照中国地质调查局2019年最新的区域地质调查技术要求(1:50000),野外工作底图采用公开发行的1:50000~1:25000地形图,也可采用符合精度要求的航空、卫星等影像图;公开发布或出版的地质图底图采用非涉密且能表达基本地理信息的图件(自然资源部中国地质调查局,2019)。新的要求放宽了对地理底图数据源的选择范围,可以是地形图数据,也可以是符合精度要求的航空、卫星等影像图;考虑到大比例尺地形图是涉密图件,而在项目野外资料收集阶段项目组成员之间会涉及到大量的数据交换与汇集,为避免涉密,在项目开展的初期建议采用符合精度要求的遥感影像数据作为地理底图。

1.2 坐标系选择

中国于20世纪50年代和80年代分别建立了1954北京坐标系和1980西安坐标系,早期绝大部分地质图件所采用的均为西安80或者北京54坐标系。但这两种坐标系其成果受技术条件制约,精度偏低、无法满足新技术的要求。从技术和应用方面来看,这两种现行坐标系都是二维、非地心坐标系,不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用,无法全面满足当今气象、地质、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求,而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接,因此更新坐标系已势在必行(陈建平等,2017杨星辰等,2017)。2000国家大地坐标系采用的原点位于地球质量中心,该坐标系的推广及应用不仅保障了交通运输、航海等安全的需求,还有利于促进卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合,创造出更多新产品和新服务,从而对国民经济建设、社会发展产生巨大的社会效益。在使用数字填图系统进行地质调查项目信息化的过程中,除了将坐标系设置为2000国家大地坐标系以外,对实际工作中经常遇到的两个技术难点问题进行简要的说明。

1.2.1 在MapGIS 67中新增2000国家大地坐标系

数字填图系统自测试开发到现在的大规模推广应用已经有二十多个年头(韩坤英等,2005),2014年是该系统做出重要改版更新的一年,推出的DGSS 2014版独立开发了系统的内核,摆脱了对MapGIS 67加密狗的依赖,不过某些特定操作比如投影变换仍然需要MapGIS 67的模块支持,由于MapGIS 67软件推出时还没有颁布2000国家大地坐标系,所以软件并没有内置2000国家大地坐标系的相关参数,如果需要使用MapGIS 67进行相关操作就需要保证数字填图系统的坐标系与MapGIS 67中的保持统一。具体操作如下:在MapGIS 67的安装根目录program文件夹下找到ellip.dat这个文件,选择记事本将该文件打开,把 <<"3:1979年I.U.G.G推荐椭球", 6378137.0, 298.257>>改成 <<" 3:国家2000椭球", 6378137.0, 298.257222101>>(之所以选择第3标准椭球进行参数替换是因为数字填图系统中默认把3号标准椭球参数设置为2000国家大地坐标系,这样更改MapGIS的3号标准椭球参数为国家2000椭球可以使其与数字填图系统中的坐标系设置保持一致),修改好的参数在MapGIS 67里的显示效果与数字填图里的效果对比,如图 1所示。

a—MapGIS 67中椭球参数设置图;b—数字填图系统中椭球参数设置图 图 1 MapGIS 67以及数字填图系统中设置好2000坐标系的效果图 Fig. 1 Renderings of the 2000 national geodetic coordinate system setted in MapGIS 67 and DGSS
1.2.2 坐标系转换

地质调查项目信息化的过程中时常会遇到转换坐标系的需求,坐标系转换操作本身并不复杂,其特殊性在于出于国家安全的考虑,进行坐标系的转换必须要使用公共控制点进行位置校正,而这个公共控制点属于国家机密信息,需到相关测绘部门办理有关手续并签订保密协议后获取,所有公共控制点相关操作需在未联网的保密计算机上进行。

新版数字填图系统增加了坐标系转换功能,打开数据校正配准系统,选择菜单栏的投影变化后进行相关设置后即可进行坐标系转换。需要注意的是投影参数方式如果选择“不采用”,那么系统将选择软件内置的参数进行转化,转化结果必然会有偏差,只有获得了至少三对公共控制点后使用MapGIS 67等软件计算获得七参数,在投影参数方式一栏选择七参数法进行转化,才能获得较为精确的转化结果。

2 地理底图制作

数字填图系统的地质调查GIS平台(DGSGIS)现在已经支持下载多源公开影像,并且能够实现与标准及非标准图框的自动配准,以1:50000区域调查为例,分别从标准图幅以及非标准图幅两个方面介绍其主要功能及实现方法。

2.1 标准图幅

中国地质调查局最新区域地质调查技术要求(1:50000)已经明确说明可以不按照传统的方法使用1:25000的地形图作为野外工作底图(自然资源部中国地质调查局,2019),所以文中采取的方式是直接下载符合精度要求的公开遥感影像配准到1:50000标准图框内。打开地质调查GIS平台(DGSGIS),选择菜单栏“地图服务”里的“手工拼接”。以北京幅为例,在地图合成页面左侧区域选择数据源(演示数据选择谷歌影像,如需DEM等其他数据可以在数据源菜单里选择谷歌地形等),右侧设置相关参数。参数的设置有几处需要注意的细节,首先设置题图范围方式选择“图幅号确定地图范围”,其次在输入标准图幅号后点击“计算图幅范围”,保证地图范围参数准确,最后选择自动配准,设置投影参数(图 2)。

图 2 DGSGIS地图合成模块参数设置 Fig. 2 Map composition module parameter settings of DGSGIS

设置好相关参数后,在网络通畅的环境下点击“合成”按钮,等待一段时间即可自动生成配准好的谷歌影像底图(图 3)。

图 3 示例影像 Fig. 3 Sample image
2.2 非标准图幅

非标准图幅地理底图的制作方法与标准图幅类似,唯一的区别是在设置地图范围方式上,需要选择“手工输入地图范围”并且输入地图的起始以及终止经纬度,之后操作与标准图幅一致。自动生成并配准的非标准图幅经常会遇到图框参数或者空间位置出现偏差的问题,遇到此类问题可使用数据校正配准系统重新生成自定义图框解决。

3 建立空间数据库

地理底图准备完成后就可以进行空间数据库的建设工作(龚健雅,2001; Ren et al., 2013)。整个建库过程如图 4所示。首先,选择或者新建合适的接图表,将底图拷贝到接图表相应位置,建立符合数字填图标准的空间数据库框架;随后,完成野外路线路线数据库、野外总图数据库、剖面数据库、钻孔数据库、物化探遥数据库、实际材料图数据库、编稿原图数据库等不同阶段的数据库;最后,由编稿原图库导入空间数据库并补充完善对象类、要素类和综合要素类属性数据,具体流程分为以下几步:①更新编稿原图库到空间数据库;②自动合并实际材料图到空间数据库(空间数据库要素类数据自动继承实际材料图库部分内容);③自动从地质体面实体提取相应对象类(自动提取前,需要在要素类数据-地质体面实体中确定面实体对应的子类型标识);④综合地质界线形成综合要素类(从地质界线提取与相应综合要素类有关的线文件,按照“自动剪断线—线转弧段—拓扑错误检查—拓扑重建—与相应综合要素类面文件合并”顺序形成综合要素类面文件);⑤录入空间数据库要素类数据、综合要素类数据、对象类数据(根据地质图空间数据库标准,按数据项描述要求填写属性内容)。

图 4 空间数据库建库工作流程(International Organization for Standardization, 2003; 中国地质调查局, 2006) Fig. 4 Workflow of building spatial database (IOS, 2003; China Geological Survey, 2006)

新版本的数字填图系统优化了建库流程,添加了“空间数据库一站式建库流程”功能,所有的要素类以及对象类一站式处理,虽然有些属性无法自动继承需要手动添加,但整体大大简化了操作流程,提高了建库效率。

4 地质调查项目信息化过程总结

地质调查项目信息化过程整体分为基础资料准备、地理底图制作以及空间数据库建设三大步骤。如果将整个信息化过程比做建筑施工,那么基础资料准备就是“打地基”阶段,数据源以及坐标系的选择正确与否决定了“地基”是否牢靠;地理底图制作是“筑框架”阶段,完成了地理底图的制作之后拷贝背景图层就可形成数据库的基本框架;空间数据库建设是“添砖加瓦”阶段,该阶段贯穿于整个项目的生命周期,在前面基础牢靠的基础上按照数字填图相关的规范操作,保证地调项目信息化建设顺利完成。三大步骤环环相扣、缺一不可,由于每一步操作均具有继承性特征,所以前期的操作需要反复检查避免小错误的产生,防止小错误逐步积累导致最终建库失败。

5 结论

针对地质调查项目信息化建设中的关键节点,应用最新的数字填图系统平台,优选符合地质调查保密要求的数据源,采用符合精度要求的遥感影像代替地形图作为地理底图,在此基础上构建数据库框架和实现信息化建设。该套地质调查信息化建设技术流程及方法可操作性强,符合中国地质调查局对地质调查信息化建设的相关要求。

致谢: 本文初稿承蒙胡健民研究员审阅并提出宝贵意见,谨致谢意!

参考文献/References
CARR G, ANDREW A, DENTON G, et al., 1999. The "Glass Earth"-geochemical frontiers in exploration through cover[R]. Victoria Park: Australian Institute of Geoscientists: 33-40.
CHEN J P, LI J, XIE S, et al. China geological big data research status[J]. Journal of Geology, 2017, 41(3): 353-366. (in Chinese with English abstract)
CHEN S P, LU X J, ZHOU C H. Guide of geography information system[M]. Beijing: Science Press, 1999. (in Chinese)
China Geological Survey, 2006. Digital geological map spatial database: DD2006-06[S]. China Geological Survey. (in Chinese)
China Geological Survey Bureau, Ministry of Natural Resources, 2019. Technical requirement for regional geological survey (1: 50 000): DD 2019-01[S]. China Geological Survey Bureau, Ministry of Natural Resources. (in Chinese)
GONG J Y. Concepts and development of spatial database management[J]. Science of Surveying and Mapping, 2001, 26(3): 4-9. (in Chinese with English abstract)
HAN K Y, DING X Z, FAN B X, et al. The application of MapGIS to the construction of geological map database[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2005, 26(6): 587-590. (in Chinese with English abstract)
HAN K Y, DING X Z, LI T D, et al. Progress in the construction of the spatial database of the 1:1 million Geological Map of China[J]. Geology in China, 2007, 34(2): 359-364. (in Chinese with English abstract)
HANSEN V L, L? PEZ I. Mapping of geologic structures in the Niobe-Aphrodite map area of Venus:unraveling the history of tectonic regime change[J]. Journal of Geophysical Research, 2018, 123(7): 1760-1790.
HENLEY S. Databanks and databases in geology:Journal of the Geological Society of London[J]. Computers & Geosciences, 1981, 138(8): 573-630.
IELSCH G, CUNEY M, BUSCAIL F, et al. Estimation and mapping of uranium content of geological units in France[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2017, 166: 210-219. DOI:10.1016/j.jenvrad.2016.05.022
International Organization for Standardization, 2003. Geographic information-metadata: ISO 19115: 2003[S].
JIANG Z Q. A survey of geoscience digital mapping technology in the United States, Canada, Australia and the United Kingdom[J]. Chinese Geology, 1994(12): 27-29. (in Chinese)
JIANG Z Q. The status and technical development of capturing techniques of field geologic data[J]. Geological Survey Information, 2000, 95-109. (in Chinese with English abstract)
JIANG Z Q, MA Z M, YANG D L, et al. The policy systems of geological information services in main developed countries and its characteristics[J]. Geological Bulletin of China, 2007, 26(3): 350-354. (in Chinese with English abstract)
JONES C B, BUNDY G L, WARE M J. Map generalization with a triangulated data structure[J]. Cartography and Geographic Information Systems, 1995, 22(4): 317-331.
LANCIANESE V, DINELLI E. Geochemical mapping based on geological units:a case study from the Marnoso-arenacea formation (Northern Apennines, Italy)[J]. Geochemistry, 2016, 76(1): 49-62. DOI:10.1016/j.chemer.2015.12.001
LI C L. Digital geology survey system[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2011. (in Chinese)
LI C L, ZHANG K X, QIANG F Z, et al. Research on digital regional geologic survey system techniques[J]. Advance in Earth Sciences, 2002, 17(5): 763-768. (in Chinese with English abstract)
LI F D, LI C L, WU L, et al. Data integration and services of digital geological mapping based on big data[J]. Geological Bulletin of China, 2015, 34(7): 1300-1308. (in Chinese with English abstract)
LI Y W. Development of spatial information technology and its applications in Geosciences[J]. Earth Science Frontiers, 1998, 5(1-2): 335-341. (in Chinese with English abstract)
NÉMETH K, PALMER J. Geological mapping of volcanic terrains:discussion on concepts, facies models, scales, and resolutions from New Zealand perspective[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2019, 385: 27-45. DOI:10.1016/j.jvolgeores.2018.11.028
REN J S, NIU B G, WANG J, et al. Advances in research of Asian geology-A summary of 1:5M international geological map of Asia project[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 72: 3-11.
REN J S, NIU B G, ZHAO L, et al. Basic ideas of the multisphere tectonics of earth system[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 607-612. (in Chinese with English abstract)
SOLLER D R, BERG T M, 2005. The U.S. national geologic map database project: overview & progress[C]//Proceedings of NATO advanced research workshop on innovative applications of GIS in geological cartography kazimierz dolny. Poland: Springer: 245-277.
STAMM N. Incorporating biostratigraphic information into the US national geologic map database[J]. National Geologic Map Database, 2008, 22-28.
WU C L, LIU G, ZHANG X L, et al. Discussion on geological science big data and its applications[J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(16): 1797-1807. DOI:10.1360/N972015-01035 (in Chinese with English abstract)
YANG X C, YE P S, CAI M T, et al. Methods for the production of field free-hand maps and geographic basemaps in digital geological mapping[J]. Journal of Geomechanics, 2017, 23(3): 333-338. (in Chinese with English abstract)
YE T Z, HUANG C K, DENG Z Q. Spatial database of 1:2500000 digital geologic map of People's Republic of China[J]. Geology in China, 2017, 44(S1): 19-24. (in Chinese with English abstract)
YU Q W, LI C L, ZHANG K X, et al. Digital geological mapping and its development[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2003, 28(4): 370-376. (in Chinese with English abstract)
ZHENG X, LI J C, WANG X, et al. Construction of the national geological information service system in the age of big data[J]. Geological Bulletin of China, 2015, 34(7): 1316-1322. (in Chinese with English abstract)
陈建平, 李靖, 谢帅, 等. 中国地质大数据研究现状[J]. 地质学刊, 2017, 41(3): 353-366.
陈述彭, 鲁学军, 周成虎. 地理信息系统导论[M]. 北京: 科学出版社, 1999.
龚健雅. 空间数据库管理系统的概念与发展趋势[J]. 测绘科学, 2001, 26(3): 4-9. DOI:10.3771/j.issn.1009-2307.2001.03.002
韩坤英, 丁孝忠, 范本贤, 等. MapGIS在建立地质图数据库中的应用[J]. 地球学报, 2005, 26(6): 587-590. DOI:10.3321/j.issn:1006-3021.2005.06.017
韩坤英, 丁孝忠, 李廷栋, 等. 全国1:100万地质图空间数据库建设进展[J]. 中国地质, 2017, 34(2): 359-364.
姜作勤. 美、加、澳、英等国地学数字制图技术综述[J]. 中国地质, 1994(12): 27-29.
姜作勤. 野外地质数据采集信息化现状与技术发展[J]. 地质调查情报, 2000(6): 95-109.
姜作勤, 马智民, 杨东来, 等. 主要发达国家地质信息服务的政策体系及其特点[J]. 地质通报, 2007, 26(3): 350-354. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2007.03.013
李超岭, 张克信, 墙芳躅, 等. 数字区域地质调查系统技术研究[J]. 地球科学进展, 2002, 17(5): 763-768. DOI:10.3321/j.issn:1001-8166.2002.05.020
李超岭. 数字地质调查系统操作指南[M]. 北京: 地质出版社, 2011.
李丰丹, 李超岭, 吴亮, 等. 大数据环境下数字填图数据集成服务技术[J]. 地质通报, 2015, 34(7): 1300-1308. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2015.07.007
李裕伟. 空间信息技术的发展及其在地球科学中的应用[J]. 地学前缘, 1998, 5(1-2): 335-341.
任纪舜, 牛宝贵, 赵磊, 等. 地球系统多圈层构造观的基本内涵[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 607-612.
吴冲龙, 刘刚, 张夏林, 等. 地质科学大数据及其利用的若干问题探讨[J]. 科学通报, 2016, 61(16): 1797-1807.
杨星辰, 叶培盛, 蔡茂堂, 等. 数字地质填图野外手图地理底图制作方法[J]. 地质力学学报, 2017, 23(3): 333-338. DOI:10.3969/j.issn.1006-6616.2017.03.001
叶天竺, 黄崇轲, 邓志奇. 1:250万中华人民共和国数字地质图空间数据库[J]. 中国地质, 2017, 44(S1): 19-24.
于庆文, 李超岭, 张克信, 等. 数字地质填图研究现状与发展趋势[J]. 地球科学:中国地质大学学报, 2003, 28(4): 370-376.
郑啸, 李景朝, 王翔, 等. 大数据背景下的国家地质信息服务系统建设[J]. 地质通报, 2015, 34(7): 1316-1322. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2015.07.009
中国地质调查局, 2006.数字地质图空间数据库: DD2006-06[S].中国地质调查局.
自然资源部中国地质调查局, 2019.区域地质调查技术要求(1: 50000): DD 2019-01[S].自然资源部中国地质调查局.