MapGIS軟件在地質(zhì)圖數(shù)字化中的運(yùn)用分析

蔣榮斌

（天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300380）

0.引言

地質(zhì)制圖是地質(zhì)工作的重要組成部分, 是地質(zhì)工作重要成果的展現(xiàn), 全過程參與在地質(zhì)工作中。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，MapGIS 軟件在地質(zhì)圖數(shù)字化中的作用也漸漸引起業(yè)界重視。傳統(tǒng)的地質(zhì)制圖過程數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,成圖周期長,工作效率低，勞動強(qiáng)度大,不便及時(shí)更新修改，不能滿足現(xiàn)階段城市發(fā)展需求。MapGIS 是中國地質(zhì)大學(xué)自主研發(fā)的具有自主版權(quán)的地理信息系統(tǒng)軟件平臺,是集數(shù)字制圖、空間分析及數(shù)據(jù)庫管理為一體的空間信息系統(tǒng),主要特色功能如下，圖形輸入簡單易操作、可靠,廣泛適用于各類地質(zhì)工程需求。具備強(qiáng)大的制圖管理功能,可實(shí)現(xiàn)數(shù)千幅地圖的拼接, 也可以制作編輯精度相對較低的地圖。MapGIS軟件具備高效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng), 可實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)一體化管理。查詢分析功能齊全可實(shí)現(xiàn)空間分析與查詢功能。MapGIS 軟件在地質(zhì)圖數(shù)字化制圖中的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)圖形操作簡化, 滿足數(shù)字圖形的精度要求，而且地質(zhì)圖繪制效果還可以得到提升。

1.數(shù)字地形地質(zhì)圖中MapGIS 軟件的應(yīng)用要點(diǎn)

1.1 基本應(yīng)用要點(diǎn)

在MapGIS 軟件的應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)更加系統(tǒng)化的MapGIS 軟件制圖，準(zhǔn)備工作不容忽視。整合地質(zhì)圖形的底稿，輸入圖形底稿的相關(guān)信息后，做好相應(yīng)備注。底稿需要使用掃描儀全方位掃描，向系統(tǒng)中輸入更清晰的底稿內(nèi)容，為圖形的矢量轉(zhuǎn)換提供支持。MapGIS軟件中的編輯圖形模板功能是較為重要的應(yīng)用，原稿文件存儲需按照原有的格式進(jìn)行，圖形精確度不變屬于變形處理的前提，同時(shí)，需基于實(shí)際要求生成地質(zhì)圖，圖像完善可采用子圖庫的方法。具體編輯需結(jié)合圖形的屬性情況，優(yōu)選地質(zhì)圖像模式并明確測繪工作質(zhì)量[1]。

1.2 數(shù)字柵格地圖數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

作為一種空間型地圖數(shù)據(jù)庫。在地質(zhì)圖數(shù)字化處理的過程中，數(shù)字柵格數(shù)據(jù)庫可在地質(zhì)測繪中提供很大程度的幫助。圖形文件中的大量信息必須得到重視，如物探信息、測量信息、地質(zhì)信息，這類信息關(guān)聯(lián)密切、互為補(bǔ)充，可通過MapGIS 圖層管理功能，對不同類型的圖形文件進(jìn)行區(qū)分管理并進(jìn)行不同類型圖形文件目標(biāo)制作。對于數(shù)據(jù)目錄，數(shù)字柵格數(shù)據(jù)庫可進(jìn)行DRG管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)。數(shù)據(jù)庫內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最小單位的數(shù)據(jù)檢索和存儲，即圖幅，管理數(shù)據(jù)庫也可以圖幅為單位實(shí)現(xiàn)。在MapGIS 軟件的支持下，基于已有的工作區(qū)域的內(nèi)圖形文件，如衛(wèi)星遙感圖片、地形圖、聚脂薄膜底圖、人工繪制的圖紙，開展統(tǒng)一掃描實(shí)現(xiàn)格式統(tǒng)一。

1.3 制圖效果的應(yīng)用

圍繞MapGIS 軟件的制圖效果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其在地理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)完善、提高數(shù)據(jù)應(yīng)用效果和準(zhǔn)確度方面的表現(xiàn)較好，同時(shí)在地質(zhì)研究過程中發(fā)現(xiàn)軟件的空間分析功能能夠發(fā)揮作用。軟件的空間分析功能可基于地理空間位置和數(shù)據(jù)的關(guān)系，提升研究的深度和廣度。如應(yīng)用電子沙盤系統(tǒng)，可結(jié)合完整收集的勘測地區(qū)三維地形數(shù)據(jù)，以提升電子沙盤系統(tǒng)實(shí)用性。創(chuàng)建DEM 數(shù)字高程模型，并加入地理屬性數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)，可提供強(qiáng)大的可視化環(huán)境。模型還能夠?qū)崿F(xiàn)三維交互地形更直觀地展示，并較好地服務(wù)于三維透視景觀圖形生成[2]。

1.4 圖形的屬性管理

需從專業(yè)圖形屬性管理系統(tǒng)、數(shù)字地形地質(zhì)庫建設(shè)兩方面入手，進(jìn)行圖形的屬性管理。通過建立動態(tài)屬性庫，結(jié)合用戶需求縮小或擴(kuò)大屬性庫字段，修改字段名稱，并結(jié)合分層分色的原理，即可完成包含屬性值的圖形繪制，如礦體傾斜程度、巷道面積和所屬體系等。同時(shí)MapGIS 軟件圖形屬性管理功能的，可實(shí)現(xiàn)交通、巖性范圍的解釋；數(shù)字地形地質(zhì)庫建設(shè)同樣可應(yīng)用MapGIS 軟件，圖紙入庫的數(shù)據(jù)誤差校正、圖庫管理子系統(tǒng)針對性建設(shè)、矢量化后數(shù)據(jù)圖形的數(shù)字接邊處理等需求均可在該應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)[3]。

2.實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以天津市北部山區(qū)三維地質(zhì)建模作為研究對象，本區(qū)地貌主要以山地為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂縱橫交錯，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，地質(zhì)資料稀缺。研究區(qū)面積為755km2，南北高差在1000m 左右，北部為山區(qū)，南部為平原，地勢呈北高南低趨勢。為明確地質(zhì)構(gòu)造，建立基巖地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型，研究采用了MapGISK9 軟件，以此編制建模方案、鉆孔數(shù)據(jù)庫，并通過全區(qū)數(shù)字高程模型建設(shè)、地質(zhì)剖面繪制，最終完成了基巖地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，MapGIS 軟件在這一過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。

研究基于新一代MapGIS 平臺（MapGISK9）展開，該平臺屬于的天津市三維可視化城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)，平臺將地質(zhì)調(diào)查工作與信息化相融合，結(jié)合天津市地質(zhì)工作實(shí)踐，充分應(yīng)用大規(guī)模存儲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間信息技術(shù)、多媒體技術(shù)，采用C/S 和B/S相結(jié)合的模式，同時(shí)具備相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)共享與發(fā)布體系、數(shù)據(jù)分析評價(jià)體系、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取體系，能夠同時(shí)面向社會公眾、專業(yè)人員、政府管理，具備顯示、應(yīng)用、分析、管理、采集、存儲等強(qiáng)大功能。MapGISK9 平臺存儲有近50 年來天津市的地質(zhì)成果資料，本文研究也依托該平臺的天津城市地質(zhì)調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫展開。MapGISK9 平臺由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取體系、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用體系、信息共享發(fā)布體系組成，其中,天津市城市綜合地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫包括元數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、地質(zhì)專題數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，MapGIS 城市三維地質(zhì)應(yīng)用支撐平臺能夠提供查詢統(tǒng)計(jì)、三維地質(zhì)建模、專業(yè)圖件生成、三維模型可視化、專業(yè)分析評價(jià)、三維模型分析、報(bào)表制作輸出、權(quán)限管理功能，城市地質(zhì)多元服務(wù)／用戶體系可為社會公眾、研究機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位、政府部門提供服務(wù)。

2.2 總體思路

在基于MapGISK9 軟件的三維地質(zhì)建模實(shí)踐中，需應(yīng)用軟件的兩個三維建模功能，包括基于交叉剖面的交互式建模方法和以控制性鉆孔為主的多源數(shù)據(jù)自動地層建模方法（如圖1 所示）：

圖1 交叉折剖面建模流程示意圖

研究利用的資料包括天津市地形等值線圖（1∶10000）、天津市基巖地質(zhì)圖（1∶250000）、第四系厚度等值線圖（1∶100000）、天津市北部地區(qū)鉆孔。由于研究區(qū)宏觀地質(zhì)背景資料缺乏，僅存在平面地質(zhì)圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此基巖地質(zhì)剖面繪制采用圖切地質(zhì)剖面的方式。在MapGISK9 軟件的“高程庫管理”和“DTM 分析”兩個子系統(tǒng)支持下，即可實(shí)現(xiàn)地形線的自動繪制，地質(zhì)圖上豐富的產(chǎn)狀信息則可較好服務(wù)于地層和斷裂繪制，輔以專家經(jīng)檢驗(yàn)糾正，最終得到精度較高的剖面圖。

2.3 剖面布設(shè)方案

為減小誤差，保證三維模型質(zhì)量，剖面布設(shè)嚴(yán)格遵循范圍控制全區(qū)、模型精度控制、兼顧建模工作量和模型實(shí)用性三方面原則。范圍控制全區(qū)原則指的是盡量要控制全區(qū)完成剖面布設(shè)，區(qū)外圍剖面也需要盡可能全面覆蓋；模型精度控制原則指的是網(wǎng)格剖面之間間隔需小于平原區(qū)1 倍以上，重點(diǎn)表達(dá)地層地區(qū)則需要針對性插密剖面；兼顧建模工作量和模型實(shí)用性原則需規(guī)避剖面布設(shè)太過密集問題出現(xiàn)，以此適度控制交互式建模單元網(wǎng)格和三維模型容量。（如圖2 所示）:

圖2 剖面布設(shè)示意圖

2.4 基巖地質(zhì)三維地質(zhì)建模

在具體的基巖地質(zhì)三維地質(zhì)建模實(shí)踐中，需開展平面地質(zhì)圖整飾處理、編制鉆孔數(shù)據(jù)庫、繪制地質(zhì)剖面、進(jìn)行基于交叉折剖面建模。平面地質(zhì)圖整飾處理需圍繞地層界線和斷裂、巖體精簡展開，以此保證圖幅邊緣的斷裂線或地層界線穿過剖面線，同時(shí)忽略北部山區(qū)小型的侵入巖體構(gòu)造；鉆孔數(shù)據(jù)庫編制基于420 個鉆孔數(shù)據(jù)展開，鉆孔基本分布于相對地勢較低地區(qū)，深度多在幾十米到三、四百米之間，山區(qū)鉆孔資料較少，以此基于Access 數(shù)據(jù)庫編制包括基巖地質(zhì)鉆孔基本情況表、基巖地質(zhì)鉆孔地層巖性表（如表1 所示）：

表1 基巖地質(zhì)鉆孔地層巖性表

地質(zhì)剖面的繪制需首先完成DEM 數(shù)字高程模型的建立，具體需提取大于研究區(qū)的地形等值線并開展整飾處理，在陡坎處進(jìn)行連接，基于實(shí)際的情況對高程值缺失地區(qū)進(jìn)行插值，完成高程屬性掛接，完成整理后即可應(yīng)用MapGISK9 軟件DTM 分析模塊的點(diǎn)線柵格化功能完成數(shù)字高程模型建設(shè)。剖面框架繪制需利用軟件的高程剖面分析功能，具體繪制需以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，沿著設(shè)定的剖面線，并保證選擇的地形高程點(diǎn)能夠表示和控制地形變化特征，為將這類地形高程點(diǎn)投影到以某一高程為基準(zhǔn)線的剖面上，需結(jié)合地質(zhì)圖的比例尺大小，依次連接。剖面地形線上的軌跡線繪制需結(jié)合剖面線交叉點(diǎn)的位置，相應(yīng)屬性內(nèi)容需錄入每條軌跡線上?？臻g定位上三維剖面的基準(zhǔn)線為軌跡線，軌跡線的屬性記錄三維空間信息，包括孔口標(biāo)高、縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)、鉆孔編碼、MPLAYER、MPLENGT 等?？紤]到收集鉆孔深度均在1000m 內(nèi)，建模底板標(biāo)高設(shè)定為－1000m，隨之完成地層界線和斷層繪制，并針對性修改地層界線，即可最終完成地質(zhì)剖面的繪制。在具體的地層界線和斷層繪制中，為確定第四系地層在每條軌跡線上的厚度值，需利用第四系等值線圖和鉆孔的方法，第四系地層的繪制需采用插值的方法。在天津市基巖地質(zhì)圖（1∶250000）上，需對各地層界線交點(diǎn)與組成交叉網(wǎng)格剖面線的距離進(jìn)行計(jì)算并記錄，平行線為寬度做剖面線起點(diǎn)垂向基準(zhǔn)線，由此從地層界線與平行線交點(diǎn)出發(fā)，地層界線即可根據(jù)巖層產(chǎn)狀完成繪制。斷層線繪制采用的方法與地層界線類似，從斷裂線與平行線交點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合斷裂產(chǎn)狀繪制斷層線，斷層兩側(cè)地層線需基于斷層位置針對性調(diào)整。此外，還需要圍繞420 個鉆孔開展數(shù)字化處理，以此對地層界線進(jìn)行修改，需選擇繪制的地層線與剖面線上及附近的鉆孔進(jìn)行對比并修改，剖面精度可由此進(jìn)一步提升；基于交叉折剖面建模需針對性開展交叉剖面、交互式地質(zhì)面建設(shè)，由此搭建、合并單元塊體，即可最終完成建立模型，（如圖3 所示）：

圖3 北部山區(qū)三維模型示意圖

3.結(jié)束語

綜上所述，MapGIS 軟件可較好用于數(shù)字地形地質(zhì)圖中。在實(shí)現(xiàn)基巖地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程中,建立了圖形和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫, 可實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)分層管理；實(shí)現(xiàn)了地圖信息查詢、編輯、管理、采集統(tǒng)計(jì)和分析等功能。同時(shí)借助MapGIS 軟件,縮短了地質(zhì)三維模型的構(gòu)建周期,提高了地質(zhì)圖件的應(yīng)用價(jià)值。為更好發(fā)揮MapGIS 軟件優(yōu)勢，必須認(rèn)識到基于平面地質(zhì)圖的剖面生成方法尚不夠完善，MapGIS 軟件繪制的地質(zhì)剖面在一些時(shí)候無法較好應(yīng)對地質(zhì)條件的復(fù)雜性，需人工進(jìn)行修改，這類問題的解決將成為筆者后續(xù)研究目標(biāo)。