地质通报  2020, Vol. 39 Issue (6): 871-879  
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何文娜, 朱长青, 李仰春, 陈圆圆, 王永志, 蒋作瑞. 智能地质体综合技术在地质图缩编中的应用[J]. 地质通报, 2020, 39(6): 871-879.
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He W N, Zhu C Q, Li Y C, Chen Y Y, Wang Y Z, Jiang Z R. An intelligent generalization method of geological body for MapGIS geological map downsizing[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(6): 871-879.
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基金项目

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)和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)

作者简介

何文娜(1978-), 女, 博士, 副教授, 从事云计算、大数据、智能算法在地学及智能体育的应用研究。E-mail:cchwn@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-10-01
修订日期: 2020-05-08
智能地质体综合技术在地质图缩编中的应用
何文娜1,2, 朱长青1, 李仰春3, 陈圆圆4, 王永志5,6, 蒋作瑞7    
1. 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210023;
2. 吉林体育学院基础课教学研究部, 吉林 长春 130012;
3. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
4. 河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000;
5. 吉林大学综合信息矿产预测研究所, 吉林 长春 130061;
6. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130061;
7. 北京创时空科技发展有限公司, 北京 100083
摘要: 地质图缩编过程中存在地质体合并效率低、处理环节繁杂、成果质量难以保证等问题。提出了一套新的地质体智能化综合方法,依托地图综合方法、人工智能算法、地质专家知识等,采用同属性合并、空间聚合、自定义融合、地质体消除、地质体夸大等方法进行智能化处理。MapGIS版智绘地质软件中实现了地质体智能综合处理模块,采用自动或人机交互式并行工作模式,通过"一键式"操作可快速完成地质体综合任务。经实际数据测试,验证了地质图缩编中地质体智能综合方法的正确性,可节省80%以上的工作量,极大提高了编图人员的工作效率,对未来开启地质图件智能化编制具有重要意义。
关键词: 地图综合    地质体综合    地质图缩编    智绘地质    人工智能    
An intelligent generalization method of geological body for MapGIS geological map downsizing
HE Wenna1,2, ZHU Changqing1, LI Yangchun3, CHEN Yuanyuan4, WANG Yongzhi5,6, JIANG Zuorui7    
1. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;
2. Research Department of Basic Course Teaching, Jilin Sport University, Changchun 130012, Jilin, China;
3. Development and Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
4. Regional Geological Survey Institute of Hebei Province, Langfang 065000, Hebei, China;
5. Institute of Integrated Information for Mineral Resources Prediction, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
6. College of Geoexploration Science & Technology, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
7. Beijing Space-Time Technique Development Co., Ltd., Beijing 100083, China
Abstract: Some complex problems have to be faced during medium-small scale map making from large scale geological map, such as low efficiency to merge massive geological polygons, complicated processing procedures, and being difficult in assuring data quality.This paper proposes a novel intelligent generalization method for geological body based on cartographic and artificial intelligence.Dissolving, spatial aggregation, customized fusion, elimination and exaggeration are employed to perform intelligent processing integrating map generalization and intelligent algorithms.iMapower(MapGIS version)implements the above generalization methods in corresponding modules, which can run automatically or in the form of human-computer interaction.It is very easy to complete most of complete geological body mapping tasks just clicking one time.Using real data to verify the proposed method is effective and can be corrected during mapping from large-scale map to small-scale map, and it can save at least 85 percent of geologic body generalization workload.It can greatly improve the work efficiency and assure the data quality.Furthermore, this way can play an important role in pursuing intelligent compilation of geological map.
Key words: map generalization    geological body generalization    geological map downsizing    iMapower    artificial intelligence    

地质图是地质调查工作中重要的图件之一[1],在基础地质调查、资源勘查、矿产开发、灾害监测等多个领域发挥了重要的作用[2-4]。国内外一直非常重视GIS格式地质图的编制[5-8],不同用户对地质图件精度要求具有一定的差异性,需使用不同比例尺的地质图件。在实际工作中,部分中小比例尺地质图并非实测,是通过对较大比例尺数字地质图进行一系列缩编操作加工而成[9-12]。不同地质体的空间展布是地质图表达的核心内容,在地质图缩编过程中要保证地质体的空间分布规律一致性、几何形态相似性等,故需对部分地质体进行综合性处理(合并、移除、简化等)。

中国地质调查领域的图件以MapGIS格式为主,而MapGIS软件缺乏易用的地图综合处理模块,完成地质图要素综合存在过程复杂、耗费时间长、重复操作多等问题,细小问题难以发现。为提高地质图缩编的工作效率、保证图件的数据质量,中国地质调查局资助设立了“地质调查综合智能编图系统与应用”等项目,研制基于数据驱动与专家知识驱动的智能化软件——智绘地质[13-16],即以MapGIS组件为基础,开发智能化的处理算法及地质要素综合模块,辅助MapGIS格式地质图件的编制,可通过人机交互式地半自动或全自动运行的地质体综合,为数字地质领域的图件编制(缩编或专题图制作)探索了一种新的工作模式。

1 地质体智能综合方法 1.1 总体智能综合方法

地质体表达是地质图可视化表达的核心部分,地质体缩编时的综合操作受地质时代、空间关系、构造等多种因素的制约[15]。在大数据、人工智能、云计算背景下[17-19],将地图综合与人工智能等技术相融合[14, 20-22],建立一种新型的地质体自动化综合处理方法——地质体智能综合,即利用地图制图综合[23-25]、GIS及自主研发的智能算法,有机融入地质规律、空间关系、属性值等因素,对面状地质体的几何图形进行自动或半自动的合并(融合、聚合等)、夸大、消除、简化、平滑、缝隙填充等一系列处理(表 1),最终输出符合制图要求的地质体图层及相关数据库[26]。地质体合并是地质图缩编中使用最频繁的方法,主要由同属性合并、依附合并、空间聚合等操作完成。

表 1 地质体综合核心功能 Table 1 The list of key functions of geological body generalization
1.2 同属性合并

多个空间位置相邻、一个或多个属性相同的地质体边界经“溶解”消除,合并成一个新的大地质体。基于地质专家知识库中地质演化关系表,通过更新目标图件中地质体代号的属性,再调用智能化空间分析算法完成空间几何的自动合并。图 1-a显示了多个地质体的空间关系,图 1-b为地质代号属性值更新后的效果,图 1-c展示了空间相邻且地质代号相同的地质体合并后的效果,展示了晚石炭世中细粒二长花岗岩(zxηγC2)、晚石炭世细粒二长花岗岩(xηγC2)合并成晚石炭世二长花岗岩(ηγC2),晚石炭世中细粒黑云花岗闪长岩(zxβγδC2)、晚石炭世中细粒角闪花岗闪长岩(zxψγδC2)合并成晚石炭世花岗闪长岩(γδC2),石炭系白山组一段(C1-2b1)、石炭系白山组二段(C1-2b2)合并成白山组(C1-2b),下石炭统绿条山组一段(C1l1)、下石炭统绿条山组二段(C1l2)合并成绿条山组(C1l)。

图 1 同属性合并示意图 Fig.1 Fundamental principle diagram of the same property merging a—原始数据; b—属性更新; c—空间要素合并结果
1.3 地质体消除

因小比例尺的图面空间有限,去掉面积小且非重要的地质体可有效减轻图面负担,缩编时将其合并至相邻的大地质体中(吞并完全包含、合并至相邻面积大者、合并至相邻交线长者等)。智绘地质可根据输入面积阈值、容差等参数过滤非关键微小地质体,自动判断出完全被包含、与两个或多个地质体相邻等空间关系,可一次性批量移除所有小地质体,亦可交互式移除选中的地质体,同时自动修复整个地质体图层的空间拓朴关系。智绘地质针对不同的相邻关系可智能调用不同的处理方法,快速自动完成小图元消除。图 2体现了完全被包含的3个小地质体(如2个晚石炭世二长花岗岩、1个绿条山组)被环绕的第四系直接“吞并”的效果。图 3则给出了较小地质体(如晚石炭世闪长玢岩)与周围多个地质体相邻,最后被合并至面积最大地质体(如晚石炭世闪长岩)的示意图。

图 2 消除完全被包含小图元的示意图 Fig.2 Fundamental diagram of removing small contained geological bodies
图 3 消除(合并)依附性小地质体示意图 Fig.3 The method for small geological bodies merged into adjacent big one
1.4 空间聚合

在进行图件缩编时[27],部分面积不大但具有重要地质意义的小地质体,直接删除可能会破坏地质体的空间分布规律,可通过GIS空间聚合方法将多个不相邻的小图元合并。空间位置离散但距离相近的多个同类(属性相同)小地质体(如具有重要的构造指示意义等需在小比例尺图件上体现),可用“凸壳”方法将其合并成一个相对“较大”的新地质体。图 4展示了“凸壳”融合多个小地质体(如早二叠世辉长岩)的示意效果,合并后的空间几何边界符合原地质体总体分布特征。

图 4 “凸壳”融合多个重要小地质体示意图 Fig.4 Convex hull result of some small important geological bodies
1.5 自定义融合

(1) 绘图融合

因“凸壳”融合有时与周边其他地质体会产生交叉,部分情况下不能很好地体现多个小地质体边界分布的“凹进”和“凸出”趋势,可通过绘制一个空间区域涵盖多个小地质体的自定义几何图形,将空间不相邻的多个小岩块合并成一个新的大岩块,以满足目标表达效果,较近似地体现了“凹进”、“凸出”特征。图 5左图为下石炭统绿条山组中分布的3个辉绿玢岩βμ,虚线为绘制的自定义多边形边界,右图展示了以绘制多边形为边界的新辉绿玢岩几何图形。

图 5 自定义绘图融合小地质体示意图 Fig.5 Merging some small geological bodies by customized polygon

(2) 不规则复杂融合

为了保证新地质体的几何形态充分使用和体现被合并地质体边界,可用地质体间的连线(如L1、L3、L5)和多个地质体部分边界(如L2、L4、L6)相融合,生成一个新的大地质体(图 6)。图 6-a为手绘多边形A(虚线框)与已有晚石炭世二长花岗岩ηγC2的空间关系,图 6-c为A经过图 6-b处理后与3个小地质体外边界深度融合形成1个大的晚石炭世二长花岗岩体。因目标地质体充分利用了已有地质体部分边界,故其几何形态更真实地反映了原地质体的分布情况。

图 6 融合不规则复杂地质体示意图 Fig.6 The dissolving method for irregular complex geological bodies a—小地质体与绘制多边形;b—手绘多边形处理(如平滑);c—融合后新地质体
1.6 地质体夸大

通过图形等比例缩放实现某个或某些地质体的扩大,使得扩大后的重要小地质体在中小比例尺图件上可见。图 7展示了将面积较小但重要的地质体(如辉长岩脉ν)夸大的效果,左侧为大比例尺(如1 5万)的原小地质体,右侧为夸大后的地质体与周围地质体(如白山组)的分布情况。

图 7 夸大地质体示意图 Fig.7 Exaggeration of small geological body
2 地质体智能综合实现 2.1 地质体智能综合实现模型

以MapGIS矢量格式的地质体数据为主数据源,其他数据(栅格等)为辅助,调用MapGIS基础组件中的算法,自主研发空间处理、属性数据基础算法/算子,灵活组合、编排基础算法/算子形成一系列智能化的地质体综合算法。编图人员通过图形化界面设置地质体图层、查询条件、合并方法、辅助图形等一系列参数,激活对应的地质体综合方法,在地质专家知识驱动下自动运行或交互式运行,完成合并、消除、夸大、简化、平滑、切割、缝隙填充等各种地质体综合,形成符合目标制图要求的数据。

2.2 地质体智能综合实现技术

智绘地质软件(MapGIS版)采用MapGIS K10平台组件[14-15]、面向对象程序设计语言C#,基于MVC模式开发地质体综合智能化算法及混合GIS与新算法(如不规则复杂融合)。智绘地质通过可视化图形界面进行交互式操作,以启动并完成地质体综合的任务(如相邻合并、消除、绘制融合、夸大等),“一键式”智能化完成的工作模式是本系统的重要特点。

3 应用分析 3.1 智绘地质软件应用

MapGIS版智绘地质(iMapower)软件已在中国地质调查局六大区中心的1 250万地质图、1 150万地质图编制及数据库建设等工作中推广使用[14];一线生产单位用其完成了1 25万洛阳市幅和北山地区地质图,以及1 50万都兰—临夏地区地质图等多个地质图编制[15],并在“一带一路”国家地质图编制等工作中推广使用[14],成果图件得到地质制图专家的认可。

图 8 地质体智能综合方法框架 Fig.8 Framework of intelligent generalization of geological body

在地质图缩编工作中,智绘地质可辅助编图人员快速完成各类地质体的综合性处理。图 9显示了用智绘地质完成的北山地区1 5万地质数据缩编时同属性合并对比效果,左侧地图中存在经属性更新后多个彼此相邻且属性相同的地质体,北东向断层及北西向断层切割的地质体也存在上述情况;右侧地图展示了同属性合并后所有关键属性相同(如地质代号)的相邻地质体自动合成较大地质体的结果,使小比例尺图件的图面更简洁,合并过程并未影响断层的错移效应,依然保留了断层与地质体的交切关系,为后期利用断层线切割地质体等处理打下基础。

图 9 同属性自动合并地质体 Fig.9 Dissolving result of geological bodies

原始图件上的多个空间邻近、属性相同或相近的小地质体,可用多种方法对其进行处理,形成目标图件上的一个大的地质体。地图综合常用多个小图元的凸包形成新地质体代替,但有时新图元边界与其他地质体交叉或形状相似性差,不符合地质规律。绘图合并地质体等功能提供了一种“即绘即成”的图形综合效果,同时可自动提取赋属性且处理空间拓扑关系。图 10为绘图融合地质体实例,左侧为多个空间相近但不相邻的4个小岩脉,且单个岩脉的面积达不到目标比例尺图面的表达精度,用绘图方式一次性合并这4个小图元,新图元属性自动提取被合并的一个小图元属性(亦可重新输入或修改);右侧为绘制融合而成的新地质体,图形空间几何表达相似性好,符合地质规律及图示表达要求。在不影响地质体总体分布规律的前提下(如岩脉期次、走向特征等),对空间上散布的非重要小图元可根据设置的参数(如面积阀值)批量消除——一键式消除小地质体(图 11)。

图 10 绘图融合地质体 Fig.10 Fusing some small geological bodies by customized polygon
图 11 消除简单包含小地质体 Fig.11 Elimination of simple contained small geological bodies
3.2 应用对比

MapGIS版智绘地质软件实现了多种全局自动化的地质体智能综合(如同属性合并等)、多种局部的交互式地质体综合操作(不相邻融合、复杂融合等),以满足合并空间相邻、属性不同(不同时期或不同队伍填图而生成属性差异)的缩编业务需求。

本文提出的绝大多数地质体智能综合方法,在MapGIS 6.X或MapGIS K10难以找到相同或相似功能,需要通过多种复杂而耗时的工序方可实现。以北山地区地质图缩编为例,使用MapGIS软件、智绘地质(MapGIS版)进行地质体综合的对照实验。实验结果表明,在实际地质图缩编等工作中,使用智绘地质比传统方法效率提升特别显著,至少节省80%以上时间,有的操作甚至可将效率提升上百倍或更高。

以合并相同属性的地质体为例,智绘地质软件先根据专家知识库自动“属性更新”整个图层(原地质代号更新成新的地质代号),然后在5 s内即可完成1000个图元的同属性合并操作。MapGIS 6.X无此功能,若使用“合并区”功能逐个完成至少需1 d以上;MapGIS K10的“自动合并区”功能也可在5 s内完成1000个图元的几何合并,但MapGIS K10无“属性更新”功能,故同样时间难以达到智绘地质的同属性合并效果。

智绘地质能自动检查出缝隙区,并可在1~2 s内实现一个缝隙区的自动填充;MapGIS K10尚未发现此功能,手工操作完成此功能需5~10 min,则智绘地质的缝隙区填充功能可将效率提升150~300倍。

智绘地质可在3~5 min内自动消除1000个简单包含的小地质体,MapGIS K10手工完成这些工作需1 d左右,消耗时间是智绘地质软件的280多倍。

重要地质体夸大在智绘地质软件中效率为5~20 s/个,可单个处理或可批量运行,但MapGIS暂无此功能,手工软件操作至少需要80倍以上的时间。

除线切地质体、合并相邻地质功能与MapGIS软件功能相同外,智绘地质的其他地质体综合方法(如地质体融合、圆滑等)工作效率至少可提升20~120倍。支撑地质体综合的地质演化关系表需要地质专家花费大量时间准备,否则工作效率将提升得更多。地质专家制作的地质演化关系表支撑地质体综合各项功能,保证了批量式合并等操作符合地质规律。

3.3 数据质量

地质信息专家对智绘地质软件缩编后的图件数据检查结果显示,该软件不破坏数据结构、数据关系等,执行地质体综合处理后属性数据和空间数据正确,其中属性数据继承、更新正确,空间数据的几何图形合并正确、精度高、相似性好、空间特征明显、拓扑关系正确,符合制图数据质量要求。

4 结语

针对地质图缩编中遇到的重复操作多、耗时长、工作量大等地质体合并问题,本文系统地提出了一套新的地质体智能综合方法,即通过自动合并、人机交互融合(选择合并、绘图融合等)、消除、缝隙补充等多种综合方法,可快速完成各类复杂地质体综合操作。操作以“一键式”激发任务、软件自动化或人机交互式完成为主。

经实际工作对比可知,智绘地质软件的地质体智能综合方法在缩编工作中效果非常显著,几分钟甚至几秒钟即可完成人工1 d或10 d的工作量(如合并处理等),平均工作效率至少可提高80%以上;若除去耗费时间较长的地质专家知识(如演化关系表)的准备时间,可节省更多的地质体综合时间,部分甚至可提高几十至上百倍的效率,极大地提高了编图工作效率,且成果数据质量得到专家认可。

地质体智能综合方法充分体现了技术提高生产力的特点,为地质图缩编或专题图制作开启了一种新的工作模式。

致谢: 感谢中国地质科学院地质力学研究所王文磊副研究员、原武警黄金地质研究所黄辉高级工程师、中国地质调查局西安地质调查中心吴亮高级工程师的技术指导,感谢审稿专家提出的宝贵意见。

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