地质通报  2020, Vol. 39 Issue (6): 861-870  
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李仰春, 王永志, 陈圆圆, 孟祥卉, 孙仁斌, 蒋作瑞, 林燕. 智绘地质——新一代智能化地质编图模式及应用[J]. 地质通报, 2020, 39(6): 861-870.
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Li Y C, Wang Y Z, Chen Y Y, Meng X H, Sun R B, Jiang Z R, Lin Y. Intelligent geological mapping: A novel pattern for smart geological compilation[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(6): 861-870.
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基金项目

中国地质调查局项目《地质调查综合智能编图系统与应用》(编号:DD20190415)、《国家地质数据库建设与整合》(编号:DD20160351)和国家重点研发计划《深部矿产资源预测理论与方法综合研究》(编号:2016YFC0600501)、《地球物理图像自相似性模拟》(编号:2016YFC0600501-04)

作者简介

李仰春(1968-), 男, 博士, 教授级高级工程师, 从事智能地质编图、地质矿产调查等研究。E-mail:liyangchun999@163.com

通讯作者

王永志(1974-), 男, 博士, 教授, 从事大数据分析与挖掘、人工智能等在地学领域的应用研究。E-mail:wangyongzhi@jlu.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2019-10-01
修订日期: 2020-04-30
智绘地质——新一代智能化地质编图模式及应用
李仰春1, 王永志2,3, 陈圆圆4, 孟祥卉3, 孙仁斌1, 蒋作瑞5, 林燕6    
1. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
2. 吉林大学综合信息矿产预测研究所, 吉林 长春 130061;
3. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130061;
4. 河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000;
5. 北京创时空科技发展有限公司, 北京 100083;
6. 中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039
摘要: 为了弥补传统数字地质编图工作量大、重复操作多、周期长、质量难保证等不足,从地质图件快速编制的业务需求出发,提出了多学科交叉的智能地质综合编图理念,构建了以"地质数据+专家知识+人工智能"为核心的智能化地质编图技术体系,研制了具有需求驱动、数据驱动、模型驱动、知识驱动等特点的地质调查综合智能编图系统——智绘地质。智绘地质以地质专家知识为全流程控制主线,有机融合地图综合、地理信息系统、数据库、可视化、人工智能、制图标准、质量控制等关键技术和方法,依托地质演化关系、各种规则库、智能算法等,模拟编图专家自动或半自动地完成大量地质要素的综合处理,打通了大中比例尺到小比例尺图件的快速缩编、基础图件编制、跨行政边界的协作编图、定制化图件开发等技术流程。智绘地质已在中国1 150万和1 250万地质图修编、区域地质图件编制、沿海城市建设影响因素图件开发等生产工作中试用,实践证明该软件至少能节省65%~75%的编图时间,减轻编图人员压力,有效提高成果数据质量。开发的两套智绘地质软件已初步投入使用,有利于开启新一代交互式智能化编图的工作模式,可为地质调查、矿产资源、生态保护、国际编图等更多领域提供技术支撑,促进编图工作的标准化、规范化。
关键词: 地图综合    地质编图    智绘地质    人工智能    地理信息系统    地质专家知识    
Intelligent geological mapping: A novel pattern for smart geological compilation
LI Yangchun1, WANG Yongzhi2,3, CHEN Yuanyuan4, MENG Xianghui3, SUN Renbin1, JIANG Zuorui5, LIN Yan6    
1. Development and Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. Institute of Integrated Information for Mineral Resources Prediction, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
3. College of Geoexploration Science & Technology, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
4. Regional Geological Survey Institute of Hebei Province, Langfang 065000, Hebei, China;
5. Beijing Space-Time Technique Development Co., Ltd., Beijing 100083, China;
6. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China
Abstract: In order to overcome disadvantages of traditional digital geological mapping such as heavy workload, repeated and tedious operation, long cycle and poor data quality, this paper proposes an intelligent geological comprehensive mapping concept with multidisciplinary characteristics to meet the application requirements of rapid mapping geological maps and build a technology system for intelligent geological mapping centered on "geological data+ expert knowledge+ artificial intelligence".iMapower is a powerful intelligent mapping system for geological survey generalization that is developed with four driven features, i.e., demand-driven, data-driven, model-driven and knowledge-driven.Two different kinds of software with the same functions are developed based on MapGIS, ArcGIS by China Geological Survey. iMapower employs geologist knowledge to control the whole mapping process. It integrates many key techniques and methods such as map generalization, GIS, database, visualization, artificial intelligence, cartographic standards and quality control.Then iMapower can simulate mapping specialist to complete the comprehensive processing of a large number of geological features automatically or semi-automatically using geological evolution relationship, various rules and intelligent algorithms.Functions of this mapping applications are supported by many generalization algorithms consisting of merging, simplification, fusion, smoothing, complex annotation and so on.This software gets through some important technical processes such as quick downsizing mapping from large-medium scale to small scale, fundamental maps mapping, collaborative mapping across administrative boundaries, customized map development, and so on.This software was used in some practical work involved in new national 1.5 million and 2.5 million geological maps revision, regional geological map mapping, and development of influencing factors maps for coastal city construction.The production results show that iMapower can save at least 65% to 75% of mapping time, reduce workload of mapping staff sharply and improve data quality significantly.Domestic geologists, foreign experts and production organizations have recognized and paid close attention to this valuable application.Two kinds of iMapower developed based on MapGIS and ArcGIS have been carried out by practical compilation applications. iMapower will promote a new generation of interactive intelligent mapping work pattern for geological survey, mineral resources, ecological protection, international mapping and many more tasks. And it is beneficial to pursuing standardization and normalization mapping work.
Key words: map generalization    geological mapping    intelligent geological mapping    artificial intelligence    geographic information system    geologist knowledge    

地质图件用丰富的图形表达地质实体的空间分布特征[1],是反映国家地质工作成果的重要载体,也是体现国家地质科技水平的重要标志之一。从20世纪30年代开始,中国综合地质编图的先驱黄汲清先生开始组织实施地质编图工作[2],并亲自主持了多项编图任务,制定编图规范、技术方法等[3],制定了中国基础地质图着色和符号标准[4],依托此标准编制出版了一批不同尺度具深远影响力的地质图件。数据库、GIS的出现与普及,快速推动了数字地质编图的发展[5-6]。中国以地质数据更新为基础,开展了多轮基础地质图件的综合编制研究与实践[7-8]。地质图编制是一项复杂的系统工程,涉及地质数据的选取、加工、处理、综合、分析对比、表达、输出等多个环节,过程繁琐、工作量巨大、重复操作强、工作效率低、编制周期长。在大数据[9]、云计算[10-11]、人工智能[12]等不断推动地学领域快速变革的新时代, 为了将地质编图人员从繁重的劳动中解脱出来,研究人员借助GIS[13-14]、地图综合[15-16]、数据库、智能算法[17]等技术和方法,开发了相关的辅助工具或软件[18-20],辅助地质图件的综合编制,以缩短地质编图周期。中国地质调查局专门设置了“国家地质数据库建设与整合”、“地质调查综合智能编图软件研发”等项目,组织地质专家、制图专家、GIS专家、信息专家、科研院所、软件公司、生产单位等组成交叉学科团队,基于需求驱动、数据驱动、模型驱动、知识驱动等“四驱动”,将地质专家知识与地图综合、GIS处理与分析等技术相融合,研制自动化的地质调查综合智能编图专业应用软件——“智绘地质(iMapower)”,以探索一种交互式辅助地质制图人员的智能化编图工作模式。智绘地质依托专家知识库,调用不同粒度的算法,模拟地质编图专家自动或半自动地完成重复性工作(如地质体合并、拼接等),可极大提高地质编图的工作效率、成果数据质量,有利于推动地质编图工作流程的标准化、规范化。

1 新一代智能化地质编图概念模型

智绘地质指智能地质综合编图,采用多种有序的智能化处理方法,对点状、线状、面状的地质要素进行流程化的高效综合处理,最终形成多种类型的成果图件。智绘地质软件研制初衷源于地质图件编制生产的一线需求,即由地质编图生产单位的工作人员、地质专家、制图专家等提出编图业务要求,由信息专家将编图需求映射成信息世界的编图软件功能。为了完成具体的编图任务,需构建科学的数据模型(多类属性与空间数据关联关系),对各类矢量格式的原始空间数据(文件和数据库形式)进行一系列处理(提取、编辑、裁剪、渲染等),基于地质专家知识、信息专家、编图规则、图示规则等,对重要的点状、线状、面状地质要素分别进行制图综合。在整个编图过程中,从任务开始到最终图件输出,每个环节均遵循严格的质量控制标准,以保证最终成果数据质量。地质图编制人员、地质专家等与智绘地质软件的图形界面交互式操作,编图专家发出有限的消息指令或调整参数,系统自动或半自动地完成重复性强的操作(如相同属性合并、复杂符号标注等),部分较复杂的工作(如相邻图幅多个地质体邻接关系判定)则需编图专家有针对性地交互式干预方能完成。

图 1显示出智绘地质具有明显的需求驱动、数据驱动、模型驱动、知识驱动“四驱”特点。①需求驱动:用户需求第一位,立足地质调查,可扩展其社会化服务外延至多领域;②数据驱动:多源多格式多尺度的地学数据(空间数据、非空间数据等)推动编图工作;③模型驱动:业务模型、数据模型等多种模型共同推动编图工作;④知识驱动:地质专家的先验知识贯穿整个编图过程(如地质关系映射),后期不断学习与更新知识库。

图 1 智绘地质的概念模型 Fig.1 Conceptual model of iMapower

因智绘地质是面向真实生产的编图业务应用,为了保证系统可用、易用、好用,需要开发者和用户进行多轮的实验、试点、示范等,对系统功能进行反复使用、评估、反馈、修改等,以保证功能模块的稳定性。

2 智绘地质软件的总体框架 2.1 软件总体框架

智绘地质以专业应用软件形式体现,核心是“数据+专家知识+人工智能”的智能化地质编图技术体系(图 2)。智绘地质将地图综合、专家知识、GIS、数据库、编图规范、智能算法、信息挖掘、流程处理等有机融合,跨学科处理以软件功能/算法呈现,以完成多元、多尺度地质数据的处理。

图 2 智绘地质的系统框架 Fig.2 Framework of iMapower

地质图编制具有典型的多学科交叉特点[21],核心是使用地图综合技术(化简、夸大、消除、圆滑、合并等)智能化处理不同比例尺的地质体空间几何对象(地质体、断裂、产状等)。在各类专家知识、制图标准和编图规则的支撑下,智绘地质对各类属性数据、空间数据进行多环节的预处理,形成一张由若干图幅拼接而成的“大图”,对“大图”的属性、图形等进行多次智能化的地图综合处理,以及精细的颜色渲染、符号化等操作,最终得到综合性的成果图件。

为了适应原始数据格式、国内外各种编图需求[22],分别研发了MapGIS中文版和ArcGIS中英文版2套智绘地质软件[19, 23-24]。通过多种属性数据与空间数据的交互式智能分析,处理各类面要素(地质体为主)、线要素(地质界线为主)、点要素(复杂注记为主),可完成基础性地质图件的编制、大比例尺图件向小比例尺图件的缩编、跨行政边界协同编图或国际编图等,也可按需辅助各种专题图件的编制(如地质灾害、生态、规划等),甚至可满足地质大数据[25]、地质云应用中对编图技术的需求[26-27]

地质专家知识库是支撑智绘地质软件的自动化基础与核心,从地质数据的预处理到地图综合及输出均发挥作用,主要包括地质演化关系表、属性匹配规则、颜色匹配规则、图例库规则和定制化图件知识模型等。其中地质演化关系表建立了原图件和目标图件编图单元的映射关系,重点包括地质代号、地质年代、地质单元性质等模型。

地质体综合主要包括面状地质体的合并、融合、消除、夸大、圆滑、修改等一系列的加工,将矢量格式的地质体通过智能化综合方法,处理成符合不同比例尺或满足不同需求的图形,同时还能够反映原地质体的空间特征。

地质界线综合主要包括对线状地质要素(断裂等)的分级、合并、抽稀、化简、圆滑、删除等处理,加工成在目标图件上展示的线状地质要素。此外,还可与面状地质体交互处理(如断裂、地质体互切)。

点要素综合在智绘地质中主要体现为自动化标注、产状智能分析、同位素年龄点、钻孔处理等。自动化标注是目前智能效果最突出的功能,它基于事先制定的规则或根据输入代号规律自学习的规则,快速实现地质代号的自动标注、交互标注、引线标注、打断引线等复杂注记。

2.2 实现方法和技术

基于GIS(MapGIS、ArcGIS)组件,集成数据库(本地Access、空间数据库)、计算机网络、地图综合、可视化、智能算法等技术,贯彻“边探讨、边开发、边试用、边完善”的敏捷开发法,采用面向对象程序设计语言C#分别研制MapGIS中文版、ArcGIS中英版2套智绘地质软件。二者虽底层GIS产品不同、研发方法和实现算法(不同组件库)有所差异,但软件总体功能、操作流程及处理效果相同(甚至地质体渲染颜色都保持一致)。

2.3 数据来源

地质图件编制(或缩编)以矢量格式为主、栅格等其他格式为辅。一般用实测(或收集)的区域地质调查成果数据、区域地质图空间数据库作为重要数据来源,矢量格式数据主要是MapGIS空间数据库及MapGIS 6.X数据(*.WP、*.WT、*.WL)、ArcGIS的空间数据库(本地数据库、ArcSDE等)和Shapefile文件,亦可接受文本格式的空间数据和属性数据,以及相关的栅格数据。核心处理对象为空间几何数据、属性数据、专家知识数据及相关支撑数据(如地质年代)。数据位置包括本地文件、网络资源(如发布的WFS服务)等。

2.4 编图成果形式

多种原始数据经智绘地质软件处理后,能辅助编图人员快速生成符合制图标准要求的成果图件,以数据库、数据文件、图片、文档(如PDF)等多种形式输出,亦可作为智绘地质新图件或其他系统的数据源。

3 智绘地质的总体功能

智绘地质是一套以GIS产品为基础研发的专业应用软件,经过“分析-开发-应用-反馈”的迭代方法,桌面智绘地质软件的总体功能模型涵盖了图 1所示的概念模型。图 3采用鱼骨图按从左至右的操作顺序展示了智绘地质的“基础管理-数据预处理-专家知识管理-地质体综合-整饰输出”粗粒度的功能模块(未列数据编辑等功能)。

图 3 智绘地质的功能模型 Fig.3 Functional model of iMapower

(1) 数据预处理:包括各类矢量或栅格数据的管理(导入、导出、移除等)、图层拷贝(整层复制、属性提取拷贝、空间选择等)、数据裁剪(按矩形、圆形、自定义多边形等)、拓扑错误检查、缝隙区检查、数据投影变换、图层匹配等。

(2) 专家知识管理:主要包括地质演化关系、填图成果数据继承关系、属性字段匹配等管理,地质体面属性结构、断裂属性结构、地质界线属性结构的管理,以及点要素、线要素、面要素的图例规则等管理。

(3) 地质综合:将地图综合技术与地质图编制业务融合,借助智能化算法实现地质体、线状地质要素、符号注记三大类综合处理。地质体处理重点完成地质体合并(同属性、相邻、融合等)、自动或手动接边、模型属性更新、批量或手动实现微小地质体的消除与夸大、全图元或部分孤段的地质体圆滑、拷贝与裁剪图元等;线状地质要素处理主要实现对断裂的综合、分级、归并、连接、简化、检查等处理,还包括区剪线、生成地质界线及赋值等。

(4) 整饰输出:可快速实现地质数据的颜色渲染、符号化、注记等,导出各类符合要求的图件。复杂地质标注、自主学习录入地质代号规律生成规则等是智绘地质突出的智能化特点。

4 新一代智能化地质编图的技术流程

智绘地质的各个功能既可独立运行,又能根据编图需求按序组合。使用该软件编图亦符合一般编图的流程,即需经过数据预处理、地图综合处理、图件输出等不同粒度的技术流程。不同的处理技术流程均需地质专家知识的全程技术支撑(从数据处理到输出)。

不同需求的图件编制,可使用软件中相应的工作环节组合形成满足业务要求的流程,点要素、线要素、面要素因其几何特征的不同,需要采用不同的编图流程。图 4以地质图缩编中地质体(面图元)综合处理为例给出了骨干技术处理流程。1 5万矢量格式的多幅地质图数据作为数据源输入到智绘地质软件,使用其完成数据复制(源地图至目标地图)、裁剪、属性更新等多个预处理环节,而数据预处理的结果又作为地图综合输入。地质体综合是智绘地质核心功能,一般按序经过地质体的同属性合并(整个图层或局部)、地图接边处理、投影变换、消除微小地质体、重要地质体处理、地质体边界圆滑、图面整饰与输出等环节。地图接边处理主要包括相邻区合并、地质体融合、合并与调整、划线分割区、缝隙区检查与填充等。消除微小地质体可移除符合面积阈值的小地质体(简单完全包含、复杂接触等),根据要求也可恢复某些已移除的小图元。重要地质体处理主要是夸大具有关键地质意义的小地质体,使其在目标小比例尺图件上可见。地质体边界处理重点用于边界简化、圆滑(整个地质体边界或部分弧段),使缩编后的图元既保证几何相似性,又相对简化、美观。图面整饰包括颜色、符号等快速处理,自动标注只使用传统标注方法的约5%时间即可完成复杂标注(上标、下标、斜体等)[23],还支持人机交互的引线标注等。

图 4 智绘地质软件的区图元处理技术流程 Fig.4 Workflow of polygonal feature processing in iMapower

智绘地质的大部分操作为“一键式”自动化的批量处理,可依规则实现智能化的判断和处理,仅少部分需制图专家和地质专家的有限人工操作与计算机交互式共同完成。

5 应用示范

智绘地质软件已在中国地质调查局六大区中心的1 250万地质图、1 150万地质图编制中使用,在长三角、典型海岸带等重点地区和内蒙古北山地区的编图试点工作中应用,并在“一带一路”重点国家塞拉利昂共和国开展1 50万境外智能地质编图中使用。通过试点示范应用,验证了智绘地质软件可用性、易用性,建成了新型的智能地质编图工作流程,为智能地质编图、多功能图件、国际合作编图等提供技术支撑。

智绘地质(MapGIS版2019)、智绘地质(ArcGIS中英版2019)分别于2019年9月24日、2019年11月1日在地质云上线提供下载应用,已在全国开展多轮软件培训与推广应用,可为基础地质、矿产资源、地质灾害、国土规划、生态保护、国际编图等多领域更广泛的编图业务提供全面技术支持。

使用26个1 5万图幅数据缩编成1 25万的地质图,传统采用MapGIS软件至少需15个月左右,采用智绘地质软件辅助只用了4个多月即完成(编制专家知识库1~1.5月、系统自动处理1~2周、人机交互1个月、交叉验证与完善1~2月),工作效率至少提高75%,大大缩短了编图工作周期。若除去地质专家审图、整理地质专家知识的时间,工作效率将会进一步提高。图 5展示了对选中地质体进行局部圆滑的效果,可明显看出圆滑的部分边界保持了地质体原边界的空间分布趋势。图 6显示了缩编形成的最终成果图,数据质量比传统方法有很大提高。

图 5 圆滑部分孤段(MapGIS版) Fig.5 Smoothing segments of a geological body
图 6 使用智绘地质辅助区域地质编图示例 Fig.6 An example of regional mapping using iMapower

2018年,由原黄金武警黄金研究所使用4幅1 25万数据编制1幅1 100万图件,吉林大学选择2幅1 25万数据缩编成半幅1 50万图件,两家单位使用智绘地质软件开展背对背并行编制,编图效果一致。使用智绘地质软件初步打通了1 5万→1 25万→1 50万→1 100万→1 150万→1 250万的地质图缩编技术通道和相应的编图技术流程。

中国地质调查局六大区中心采用智绘地质软件协助完成了中国新版1 250万地质图(图 7)编制,该软件大大减少了编图人员的重复性工作,为参与人员及地质专家节省了大量时间,从而有更充足的时间关注和考虑图面内容的科学性、严谨性。

图 7 采用智绘地质辅助编制的1:250万新版地质图 Fig.7 1: 2500000 New National Geological Map of China aided by iMapower

中国煤炭地质总局勘查研究总院使用ArcGIS中文版智绘地质软件,辅助制作了江苏沿海城市城镇建设影响因素分布图,探索并打通了典型海岸带定制化图件编制流程,展现出智绘地质软件在定制化图件编制方面具有巨大的潜力和应用前景。国际地科联副主席及多名国外地质信息专家对智绘地质软件产生了深厚的兴趣,不仅一致认可软件的优越性、实用性,还提出了进一步深入合作开发与应用的建议。

此外,使用智绘地质软件还开展了重点地区多元异构数据整合、专题信息提取与挖掘、单要素影响因子分析与智能分级、第四系成因类型识别等实验,初步打通了长三角地区1:5万地质图→1:25万地质图→1:25万地貌成因类型图→1:25万地质地貌图的编图流程。

6 结论与展望 6.1 结论

为了提升地质图编制工作的效率、提高成果数据质量,深入分析地质编图业务,本文提出了智能化综合编图方法,融合地质图件编制、计算机软件、GIS、人工智能、数据库等技术,研制了一款计算机辅助地质图智能化编制软件——智绘地质,通过生产实践检验取得了预期的应用效果,成效显著。

(1) 提出了智能地质综合编图理念,构建了基于“地质数据+专家知识+人工智能”为核心的智能化地质编图技术体系,开放专家知识库可满足不同地质专家按需进行编图需求。

(2) 智绘地质软件通过有限的人机交互,以专家知识为主线,自动或半自动地处理数据,辅助完成大数据量的地质图快速、高效、优质的编制工作,可实现很多传统数字编图难以达到的效果。

(3) 智绘地质打通了不同比例尺缩编、基础地质图件编制、定制化图件编制的技术流程,并辅助完成了中国新版1 150万、1 250万地质图编制任务,极大地提高了工作效率和数据质量,得到了用户及专家的一致认可,已推广至地质调查、土地评价、海岸带等图件编制;因其理念先进、工作模式与方法科学,引起中国地质调查领域、科研院所、国际地学组织和其他国家地质调查局的高度关注。

(4) 智能地质初步构成了具有“四驱”特点的地质图编制的新型工作模式,该编图技术的创新促使地质编图技术、方法、模式、观念的转变,可推动传统数字编图向智能编图飞跃。

6.2 展望

智绘地质可逐步为地质调查、矿产资源、生态保护、地质灾害、资源储备、土地规划等多个领域提供服务支持,满足各类多功能图件的编制及数据更新要求。随着地质云的应用与推广,智能化地质编图软件也可由桌面版向在线化升级。

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