基于Google Earth的地質調查數據管理和三維顯示

沈雪華，姚春彥

(中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

地質調查資料豐富，種類繁多。隨著3S技術的發(fā)展與進步，虛擬數字地球已經成為現實，利用虛擬數字地球，結合實際地形地物以三維的形式展示地質數據成果，便可以更好地利用已有數據資源，挖掘潛在信息(呂小婷等，2012)。

Google Earth(GE)能夠實現立體三維遙感影像空間展示，目前已經在城市安全、防震減災、水文、油氣等許多領域得到了廣泛應用(銀正彤等，2009;朱升等，2010;Chien et al，2011;Liu et al，2013)。在地學領域，虛擬技術正在成為構造地質可視化的一項標準流程，已經實現利用GE建立構造地質可視化符號和曲流河地質知識庫，為地質勘查提供了便利(石書緣等，2012;王俊鋒等，2014;Blenkinsop，2012)。

由于地質資料的多樣性，統(tǒng)一管理和三維展示存在一定的困難。GE具有友好的交互界面，便于用戶在一個符合真實情況的三維虛擬地球中進行瀏覽、下載、標記地理要素等操作，為地質數據管理和展示提供了極大的便利。特別是在地形地貌條件惡劣的地區(qū)，利用GE可以足不出戶地瀏覽區(qū)域三維地形地貌、圈定勘查靶區(qū)、測量目標區(qū)巖層的產狀，解決了勘查難度大、效率低的問題(蒲浩等，2012)。

本次研究探討將多種地質數據通過 GPS信息定位集成化，統(tǒng)一轉化為GE支持的 KML格式，以GE為平臺將地質信息直觀展示。由于GE影像更新頻率較高，可以近乎實時地看出目標區(qū)的變化情況，為地質信息分析與決策提供參考。

1 地質調查數據導入GE的方法

GE的文件格式為KML，用戶數據導入GE中時，需要轉換為KML格式。

1.1 KML格式

KML是GE支持的主要文件格式，是 Keyhole標記語言(Keyhole Markup Language)的縮寫，是一種基于XML語法和文本文件格式的文件，用來保存和描述諸如點、線、面、圖片等地理信息。目前，絕大多數虛擬地球都采用KML格式來描述地理目標，GE也不例外。KML可以通過人工交互和計算機程序自動生成，人工交互是在GE中采用不同的工具繪制出相應的地理要素，然后將這些地理要素保存為KML文件;后一種方式則是通過計算機程序將用戶數據自動生成KML文件，然后導入GE中。采用計算機程序可以產生更復雜的地理要素類型，同時減少人工干預所帶來的誤差，更為高效和精確。

地理要素由點、線和多邊形等幾何元素組成，數字地球中一般通過空間地理位置和屬性來表達。KML文件可包括點、線串、線環(huán)、多邊形、模型、集合6種圖元(表1)(Zhu et al，2014)。點是最基本的圖元，表征一個空間位置，由經度、緯度定義。其余的圖元均是由多個點構成，一些圖元又可以看作是其他圖元的子元素，例如線串由一系列的點構成，線環(huán)包含多個線串，多邊形由多個閉合的線環(huán)組成，集合則可以包含前5種圖元中的1個或多個。

表1 KML幾何元素的類型Table 1 Types of KML geometric elements

1.2 KML格式文件生成方法

生成 KML格式文件的方法較多，可以按照XML語言直接編寫，也可以借助第三方軟件進行轉換。XML語言比較專業(yè)，一般接觸甚少，難以廣泛推廣使用。故絕大多數GE用戶都是通過第三方軟件將數據轉為KML格式，使用如ArcGIS、MapInfo、Global Mapper等軟件，根據位置生成地理要素后轉為KML或KMZ格式，再導入到GE中(Ballagh et al，2011)。

筆者采用后一種方法，但使用效率更高的GMT(The Generic Mapping Tools)軟件，這是一款功能強大而開源的繪圖軟件，除具有圖形美觀、色彩強烈、組織靈活、移植性強等特點外，還具有數據分析功能，支持多種地圖投影，可由命令行、腳本和用戶程序調用，能繪制出非常漂亮的2D和3D圖形，具有很強的適應性，是制作高質量圖件的最佳工具之一(趙桂儒等，2012;蘇鶴軍等，2013)。本次研究用到其中的gmt2kml命令和ps2raster命令。gmt2kml可實現地理信息轉化為點、線、多邊形，并生成KML文件，用戶可根據需要選擇不同的參數，并對各種要素進行修飾，以獲得更美觀并符合要求的結果。ps2raster則可將 PS、EPS，BMP，JPEG，PDF，PNG，PPM，TIFF等格式轉換為KML格式。實踐證明，基于命令格式的GMT軟件具有功能強大、應用簡單、可擴展性強的特點，可以很好地服務于地質、地球物理等行業(yè)。

1.3 坐標轉換

我國的地質調查工作多采用北京54或西安80坐標(x，y，z)，而 GE 支持 WGS－84 坐標(B，L，H)，二者使用的橢球不同。因此，利用坐標將地質信息集成到GE中，首先需要將我國使用的國家坐標轉換為WGS－84經緯度坐標。坐標轉換在同一個橢球里是嚴密的，但不同的橢球之間轉換則不嚴密。國家坐標系與WGS－84坐標系之間的轉換就存在嚴密性問題，因為它們分屬不同的橢球，存在平移、旋轉和縮放的關系。常用的方法有三參數法和七參數法。相比而言，七參數法是比較嚴密的轉換方法，它充分考慮了兩個坐標系的平移、旋轉、縮放等因素，保證了轉換的精度(徐紹銓等，2003;姜衛(wèi)平等，2008)。計算一個地區(qū)的七參數至少需要3個以上的已知點。如果工作區(qū)范圍不大(通常最遠跨度不大于30 km)，此時可以使用三參數轉換法，即只考慮平移，而忽略掉旋轉和縮放，所以三參數只是七參數的一種特例。

2 應用

2.1 復雜地區(qū)地質調查前期研究與規(guī)劃

利用GE的高清影像，可為地質調查工作進行前期規(guī)劃。首先可以查看地形地貌，圈定勘查區(qū)范圍。特別是在地形、地質情況復雜的地區(qū)，通過GE對工作區(qū)開展預調查，將收集到的地質、遙感等資料轉換為KML格式并導入GE，建立解譯標志，篩選出重要的地質點，為后面的實際調查提供指導。其次，地質工作一般需要校正GPS，實現國家或地方坐標系下的精確定位。校正之前將GPS控制點轉入GE，可以看到控制點所處的位置，例如后期人文破壞情況、目前的通行情況，可以使工作更高效、更輕松。另外，還可通過GE提取巖層分界點坐標數據，利用最小二乘原理對巖層面方程進行擬合，根據擬合出的平面方程初步計算出巖層產狀要素(蒲浩等，2012)。對于部分有疑義的擬合結果進行實地勘測校正。

該功能尤其適用于境外地質調查項目。近年來，越來越多的外方機構在礦產資源領域與我國開展合作，迎來了一大批境外地質勘查項目 (龔德奎等，2013;羅晗等，2014)。圖1是南美地區(qū)秘魯境內安第斯山脈某區(qū)圈定的勘查靶區(qū)。該區(qū)海拔高度平均在4 000 m左右，地形切割劇烈，地質調查工作難度大。借助于GE，可以查看工作區(qū)的三維高清影像，進而觀察區(qū)內的地質現象，結合已有地質資料，圈定主要勘查靶區(qū)，提高工作效率。

圖1 勘查靶區(qū)圈定Fig.1 Delineation of exploration targets

2.2 地質路線數據管理

地質調查定位采用的GPS可以記錄所經過的航跡。航跡由一系列的位置點組成，包括日期、時間、經度、緯度、海拔高度等信息。將航跡導入GE，結合高清影像中的地物，可以更好地管理和分析地質現象。

圖2是江蘇金壇盆地內某一條地質路線調查的航跡，在GE中可以直觀地看出工作路線及地形地貌，其立體效果是常規(guī)平面地形圖所不能比擬的，且可在此基礎上調整確定下一步工作的路線。

2.3 地球物理數據管理與顯示

現階段的地質調查項目一般都會輔以地球物理勘探。地球物理方法是地質勘查不可或缺的技術支撐，深部勘探尤為重要。地質調查一般只能看到地表，對深部無能為力，必須依靠地球物理勘探技術。傳統(tǒng)的管理方式是將地球物理勘查區(qū)的位置投影到平面地形圖上，其成果圖件形成單獨的文件。解釋時需要結合地形圖，查看地球物理異常位置的地形地物，判斷解釋的正確性與合理性。如果將地球物理數據或圖件轉成KML格式，貼在Google Earth的三維地表模型上，有助于提高地球物理成果解釋的可靠性與準確性(圖3)。

圖2 地質路線調查三維航跡Fig.2 3D track of geological route survey

圖3 基于GE的磁法測量成果展示Fig.3 Display of magnetic measurement results based on Google Earth

3 結論

在全面分析前人應用GE的基礎上，提出將GE用于管理和顯示地質數據信息。由于GE有特定的格式，必須將各類數據轉換為其支持的格式。地質調查資料種類繁多，將大量且格式多樣的數據轉換為GE支持的KML格式并非易事。基于命令行的GMT軟件具有1個命令行便可實現單個或批量不同格式的文件轉換，實用且高效。其 gmt2kml和ps2raster命令可將文本、柵格、矢量等相關數據資料轉化為KML文件。應用實例表明，借助于GE虛擬三維地球模型，不僅有助于提高地質調查工作的效率，還能改善推斷成果的可靠性和準確性，從而提升成果的質量。在復雜地區(qū)或境外地質工作中，GE的作用更為明顯。

GE作為目前應用最廣的網絡GIS系統(tǒng)，已經得到普遍認可。通過GE的網絡數據服務和本地數據共享，可實現地質調查過程中相關數據的管理和三維可視化，為后續(xù)多元地學數據分析提供參考，在提高工作效率、降低工作成本的同時，還可豐富工作成果。在未來的地質工作中，應當更多地利用GE平臺，充分發(fā)揮其海量數據管理和三維顯示功能。

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