地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊義輝， 汪新慶,2, 李國慶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢　430074； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)

資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢　430074)

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地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊義輝1， 汪新慶1,2, 李國慶1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,武漢430074； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)

資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)圖中地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查，以湖北省宜昌市地質(zhì)建造構(gòu)造圖為例，應(yīng)用地層學(xué)知識(shí)剖析了研究區(qū)地層的時(shí)空特性，建立了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查規(guī)則集，采用VC++語言對(duì)MapGIS6.7進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查功能，并將該功能模塊嵌入到“全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)項(xiàng)目”數(shù)據(jù)模型使用軟件GEOMAG中，對(duì)地質(zhì)建造構(gòu)造圖進(jìn)行了空間數(shù)據(jù)庫質(zhì)量檢查。結(jié)果表明，應(yīng)用該模塊可以準(zhǔn)確地判定地質(zhì)圖中地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系，有效地提高了地質(zhì)圖件空間數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：規(guī)則集； 地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系； GIS； 檢查系統(tǒng)

0引言

我國礦產(chǎn)資源行業(yè)主要采用MapGIS軟件編制地質(zhì)圖件，研發(fā)MapGIS圖件空間數(shù)據(jù)庫自動(dòng)檢查功能模塊具有重要的實(shí)際意義。韓坤英等[1]采用Visual Basic語言對(duì)MapGIS6.7軟件進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了全國1∶100萬地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫的檢查系統(tǒng)； 常思思，汪新慶等[2-5]開發(fā)了“全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)項(xiàng)目”數(shù)據(jù)模型使用軟件GEOMAG。目前，空間數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)檢查功能主要集中于對(duì)文件命名規(guī)范性、屬性規(guī)范性、數(shù)據(jù)完整性以及數(shù)據(jù)項(xiàng)值域一致性的檢查[1-2，6]，而對(duì)地層屬性的自動(dòng)檢查功能尚未實(shí)現(xiàn)。在已有的空間數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系檢查研究中，一些學(xué)者引入了知識(shí)與規(guī)則集的概念[7-9]，通過建立統(tǒng)一的規(guī)則集，完成空間數(shù)據(jù)要素間拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)檢查[10-13]，但這些工作也只是對(duì)數(shù)據(jù)的空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查，并未考慮目標(biāo)在時(shí)間維上的拓?fù)潢P(guān)系，而地層數(shù)據(jù)不僅在空間上存在相鄰、包含及覆蓋等拓?fù)潢P(guān)系，在時(shí)間上也存在先后順序關(guān)系。因而需要在已有的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究。

本文針對(duì)地層具有的時(shí)間和空間特性，結(jié)合地學(xué)知識(shí)，對(duì)地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析，建立了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查規(guī)則集，并采用VC++語言對(duì)MapGIS6.7軟件進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)檢查程序，進(jìn)一步完善了“全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)項(xiàng)目”數(shù)據(jù)模型使用軟件GEOMAG的空間數(shù)據(jù)庫檢查功能，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)圖地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的高效檢查。

1地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系分析

時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系揭示了時(shí)空實(shí)體在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，描述了時(shí)空實(shí)體空間拓?fù)潢P(guān)系改變事件間的時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系[14]。因此對(duì)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，需要從地層時(shí)空變化過程的角度來分析地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。Claramunt和Theriault[15]提出了16種時(shí)空變化過程，魏海平[16]在此基礎(chǔ)上做了總結(jié)和提煉，提出了11種時(shí)空變化最小集，并對(duì)它們進(jìn)行組合形成其他復(fù)雜的時(shí)空變化類型。本文對(duì)地層中比較常見的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)檢查奠定基礎(chǔ)。

1)地層在形成過程中為連續(xù)沉積，它們?cè)诳臻g拓?fù)潢P(guān)系上表現(xiàn)為相鄰的關(guān)系，在時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系上表現(xiàn)為時(shí)間相遇(TR_meet)[17]。如圖1(a)所示，石門組(K1s)和五龍組(K1w)是下白堊紀(jì)形成的地層，2套地層在時(shí)間上連續(xù)，利用其整合接觸的性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)該類地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查。

(a) 地層整合接觸 (b) 地層不整合接觸

圖1地層接觸關(guān)系

Fig.1Formation contact relations

2)地層在構(gòu)造作用下經(jīng)歷隆起、風(fēng)化、剝蝕，導(dǎo)致地層不連續(xù)，它們?cè)诳臻g拓?fù)潢P(guān)系上表現(xiàn)為相鄰關(guān)系，在時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系上表現(xiàn)為時(shí)間后(TR_after)[17]。如圖1(b)所示，掇刀石組(Nd)是新近紀(jì)形成的地層，與下白堊紀(jì)形成的石門組(K1s)地層在時(shí)間上存在明顯的間隔，利用其不整合接觸的性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)該類地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查。

3) 在地層形成以后，火山噴發(fā)過程中的巖漿侵入到地層中，導(dǎo)致空間拓?fù)潢P(guān)系表現(xiàn)為相鄰或包含關(guān)系，時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系表現(xiàn)為時(shí)間后(TR_after)[17]。這類地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系需要依靠地層接觸關(guān)系、地層包含律以及地層切割律來分析確定。如圖2(a)所示，地層a與b，c，d之間的接觸關(guān)系為侵入接觸，根據(jù)地層切割律，判斷其形成的先后順序?yàn)閎，c，d，a。利用該規(guī)則集可實(shí)現(xiàn)此類地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查。

(a) 地層切割 (b) 地層包含及侵入接觸 (c) 地層包含及沉積接觸

圖2地層切割和地層包含

Fig.2Formation cutting and formation containing

4)巖漿巖在形成過程中，其周邊巖石可能會(huì)掉入巖漿中，最終形成如圖2(b)所示的情況； 已經(jīng)形成的巖漿巖也會(huì)受到剝蝕，當(dāng)其周圍又有沉積時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)如圖2(c)所示的情況。根據(jù)地層包含律可以知道圖2(b)中地層的形成先后順序?yàn)閎，a，圖2(c)中地層的形成先后順序?yàn)閍，b。對(duì)這類地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查時(shí)，可以以地層的接觸關(guān)系作為標(biāo)識(shí)，當(dāng)涉及到沉積接觸和侵入接觸時(shí)，便可引入地層包含律和地層切割律對(duì)地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查。

5)地層中還存在一類數(shù)據(jù)在地質(zhì)圖上呈環(huán)狀分布(圖3)，這種情況一般與褶皺相關(guān)，地層在空間拓?fù)潢P(guān)系上呈現(xiàn)多重包含關(guān)系，在時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系上根據(jù)褶皺的類型表現(xiàn)有所不同，當(dāng)褶皺類型是向斜時(shí)，環(huán)內(nèi)地層新，環(huán)外地層老，地層a,b,c,d的形成先后順序?yàn)閐,c,b,a； 當(dāng)褶皺類型為背斜時(shí)，地層形成先后順序正好相反，為a,b,c,d。

圖3　地層中存在褶皺

2地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查

2.1巖石地層單位序列表

通過對(duì)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的分析，可以看出判斷相鄰地層之間的時(shí)間順序關(guān)系是地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)檢查中至關(guān)重要的一步。要判斷相鄰地層形成的先后順序，需要對(duì)所要檢查的區(qū)域建立一套完整的巖石地層單位序列。本文建立了湖北省宜昌市巖石地層單位序列表[18-20]。表中橫向記錄了地層區(qū)劃； 縱向記錄了地質(zhì)年代單位及年代地層單位； 中間則對(duì)應(yīng)著地層分區(qū)中所具有的巖石地層單位。利用該表可以查詢巖石地層所對(duì)應(yīng)的具體地層分區(qū)和地層形成年代； 但是表中的內(nèi)容還不能為計(jì)算機(jī)所用，需要構(gòu)建合適的邏輯模型和物理模型來對(duì)該序列表進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，從而使計(jì)算機(jī)能利用該模型實(shí)現(xiàn)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查。

本文采用分級(jí)編碼的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石地層單位序列表的管理和存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表如圖4所示。分級(jí)編碼以反應(yīng)地層單位的先后順序，進(jìn)而判斷地層是否連續(xù)。

圖4　巖石地層單位序列表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

2.2地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查流程

本文提出了2種對(duì)地層數(shù)據(jù)進(jìn)行提取的方法： ①通過切割線方法對(duì)切割線所經(jīng)過的地層數(shù)據(jù)進(jìn)行提取； ②通過地質(zhì)界線對(duì)地層數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。一般而言，切割線方法比較靈活，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查時(shí)，用戶需要檢查哪一目的區(qū)域地層，只需要在該塊地層區(qū)域畫條切割線即可，不需要提取所有的數(shù)據(jù)，可以提高檢查的靈活性和效率，但其缺點(diǎn)是，當(dāng)需要對(duì)整個(gè)地質(zhì)圖中的所有地層進(jìn)行檢查時(shí)，利用切割線并不能達(dá)到該目的，由于地質(zhì)界線幾乎貫穿整個(gè)地質(zhì)圖，所以以地質(zhì)界線為對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)地質(zhì)圖中所有地層數(shù)據(jù)的提取。不過不論以哪種方式提取地層數(shù)據(jù)，最終都需要將所提取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一張數(shù)據(jù)表中，通過循環(huán)遍歷數(shù)據(jù)表中的每一條數(shù)據(jù)，結(jié)合制定的規(guī)則集便可實(shí)現(xiàn)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查，檢查流程如圖5所示。

圖5　地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查流程

在對(duì)地層進(jìn)行檢查時(shí)，首先需要判斷相鄰的2套地層是否在同1個(gè)地層分區(qū)； 然后，根據(jù)巖石地層單位序列表分別得到相鄰2套地層對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代，由于利用了分級(jí)編碼的方式對(duì)地層進(jìn)行管理，通過編碼即可以判斷相鄰2套地層是否連續(xù)； 最后，根據(jù)相鄰2套地層對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代關(guān)系，以及地層需要滿足的約束規(guī)則，如地層接觸關(guān)系、包含律、切割律規(guī)則(表1)，實(shí)現(xiàn)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查。地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查往往需要不同約束規(guī)則的組合來實(shí)現(xiàn)，如侵入接觸與地層切割律和包含律結(jié)合、沉積接觸與地層切割律和包含律結(jié)合來判斷巖漿巖組成的地層和沉積地層之間的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系。

表1　地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查規(guī)則集

圖5中的包含律和切割律規(guī)則存儲(chǔ)在地層信息表(圖6)的約束規(guī)則字段中，在對(duì)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查的過程中，可以利用約束規(guī)則字段中的規(guī)則來判斷地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的正確性。地層信息表中每一條數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的約束規(guī)則對(duì)地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的檢查都至關(guān)重要，因此需要進(jìn)行區(qū)和區(qū)包含關(guān)系的計(jì)算，判斷2個(gè)區(qū)對(duì)象是否為包含關(guān)系。先判斷其外接矩形是否包含，如果不包含，則可直接判斷這2個(gè)區(qū)對(duì)象不包含； 如果外接矩形包含，則依次判斷區(qū)對(duì)象是否包含構(gòu)成另一個(gè)區(qū)對(duì)象的每一條線段。當(dāng)區(qū)和區(qū)之間僅僅是簡(jiǎn)單的包含關(guān)系，則約束規(guī)則為地層包含律； 當(dāng)區(qū)和區(qū)之間是類似于同心圓的多重包含關(guān)系，則約束規(guī)則應(yīng)為褶皺約束規(guī)則。

圖6　地層信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)表

3實(shí)例驗(yàn)證

采用VC++對(duì)MapGIS6.7進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)湖北省宜昌市地質(zhì)建造構(gòu)造圖中的地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查。圖7(a)是對(duì)切割線所經(jīng)過的地層數(shù)據(jù)的檢查示意圖，巖漿巖和沉積巖之間的接觸關(guān)系是侵入接觸。根據(jù)巖石地層單位序列表、地層間接觸關(guān)系、地層切割律和包含律約束規(guī)則，可以判斷該切割線所經(jīng)過的地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系并未出現(xiàn)錯(cuò)誤。

(a) 不同巖性地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查 (b) 包含褶皺的地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查

圖7　地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查

圖7(b)中切割線經(jīng)過了包含向斜褶皺的區(qū)域，因而越靠近褶皺軸部的地層形成的時(shí)間越晚。先根據(jù)巖石地層單位來確定地層之間的年代關(guān)系，然后利用上文分析的不同褶皺類型所對(duì)應(yīng)的約束規(guī)則對(duì)地層的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行判斷。利用程序發(fā)現(xiàn)C1j-h所代表的地層和C2d+h所代表的地層的時(shí)間先后順序出現(xiàn)了問題，利用程序找到的類似問題需要引起地質(zhì)工作者和填圖人員進(jìn)一步的矯正和研究。這些問題可能是數(shù)據(jù)采集或者填圖過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤； 也有可能通過地質(zhì)工作者的研究發(fā)現(xiàn)該地層確實(shí)是由于某種地質(zhì)作用而形成的特殊規(guī)則集，屬于一種正常情況。

4結(jié)論

已有知識(shí)規(guī)則集的研究只是對(duì)數(shù)據(jù)的空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行檢查，并未考慮數(shù)據(jù)在時(shí)間維上的拓?fù)潢P(guān)系。針對(duì)這一問題，本文在地層所具有的空間拓?fù)潢P(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層所具有的時(shí)間特性及地學(xué)知識(shí)，對(duì)地層中常見的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，并從時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的角度建立了湖北省宜昌市巖石地層單位序列表以及用于地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查的規(guī)則集。利用分級(jí)編碼和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和規(guī)則從概念模型到物理模型的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而開發(fā)了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)檢查程序。實(shí)驗(yàn)證明： ①數(shù)據(jù)庫和編碼技術(shù)可以有效地對(duì)地層數(shù)據(jù)和知識(shí)規(guī)則集進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)檢查提供強(qiáng)大的后臺(tái)支撐； ②基于地學(xué)知識(shí)和規(guī)則集構(gòu)建的地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查模型成功應(yīng)用于地層數(shù)據(jù)的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的自動(dòng)檢查，為解決地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量問題提供了一種可行的方法。本文僅從基礎(chǔ)層面討論了地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查的流程和方法，針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系檢查還需要做進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

Design and realization of computer automatic checking of the stratigraphic spatio-temporal topological relationships

XIONG Yihui1， WANG Xinqing1,2, LI Guoqing1

(1.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China； 2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:In order to achieve computer automatic checking of stratigraphic spatio-temporal topological relationships in geological map，the authors chose the Geological Formation Structural Map of Yichang City in Hubei Province as an example. The rule set of computer automatic checking of stratigraphic spatio-temporal topological relationships was built by deeply analyzing the spatio-temporal characteristics of the strata in the study area. The computer automatic checking function of spatio-temporal topological relationships of strata was developed using GIS development platform MapGIS67-SDK, the function was integrated into the application software (GEOMAG) of national mineral resources potential evaluation data model and finally the quality checking of spatial database was achieved. The result shows that this software can accurately determine the correctness of topological relationships of the strata and improve the quality of spatial database of geological maps effectively.

Keywords:rule set; spatio-temporal topological relationships of strata; GIS; checking system

作者簡(jiǎn)介：第一 熊義輝(1991-)，男，碩士研究生，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)與信息技術(shù)研究。Email： xiongyh_cug@163.com。

中圖法分類號(hào)：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)01-0197-06

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局“全國稀土礦預(yù)測(cè)成果綜合”項(xiàng)目(編號(hào)： 2011020034)資助。

收稿日期：2014-09-04；

修訂日期：2014-11-21

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.29

引用格式： 熊義輝，汪新慶,李國慶.地層時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國土資源遙感,2016,28(1):197-202.(Xiong Y H，Wang X Q,Li G Q.Design and realization of computer automatic checking of the stratigraphic spatio-temporal topological relationships[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):197-202.)