基于專家知識(shí)的地質(zhì)體制圖綜合方法研究

陳堂雷，王永志,2，徐可，陳圓圓，蘇鈞驛，李仰春，蔣作瑞

1.吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026；2.吉林大學(xué) 綜合信息礦產(chǎn)預(yù)測(cè)研究所，長(zhǎng)春 130026；3.河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，河北 廊坊 065000；4.合肥工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，合肥 230601；5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；6.北京創(chuàng)時(shí)空科技發(fā)展有限公司，北京 100083

0 引言

在地質(zhì)圖縮編過程中，需要對(duì)部分地質(zhì)體進(jìn)行綜合處理(如合并、移除、夸大等)[1]，以保證地質(zhì)體空間分布的一致性、幾何形態(tài)相似性等特性。為克服傳統(tǒng)地質(zhì)圖制圖綜合的耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、定制服務(wù)不及時(shí)等缺點(diǎn)[2]，國(guó)內(nèi)外針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)圖制圖綜合方法進(jìn)行了深入的研究，直接使用ArcGIS等GIS軟件或在其中加入插件以滿足制圖需要，但難以滿足地質(zhì)圖制圖綜合的復(fù)雜邏輯，且不易解決重復(fù)操作多、周期長(zhǎng)等問題。人工智能技術(shù)為解決此問題開辟了一條新思路[3]，基于地質(zhì)專業(yè)知識(shí)[4]、制圖專業(yè)知識(shí)構(gòu)建地質(zhì)專家知識(shí)模型[5]，模擬地質(zhì)專家的思維，從而實(shí)現(xiàn)智能化地質(zhì)體制圖綜合。筆者對(duì)使用地質(zhì)專家知識(shí)進(jìn)行面狀地質(zhì)體自動(dòng)綜合方法開展進(jìn)一步的研究，采用智能算法[6]、制圖綜合等技術(shù)，在地質(zhì)專家知識(shí)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)提升地質(zhì)圖制圖綜合效率。

1 基于專家知識(shí)的地質(zhì)體制圖綜合框架

地質(zhì)體制圖綜合方法將人工智能、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、地質(zhì)圖制圖、地質(zhì)專家知識(shí)[7]等多種技術(shù)進(jìn)行融合，以地質(zhì)演化關(guān)系知識(shí)為核心進(jìn)行智能化地質(zhì)體制圖綜合工作。將編圖單位劃分精度、地質(zhì)體要素歸并原則、地質(zhì)年代演化原則以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件等整理成地質(zhì)演化關(guān)系模型，作為數(shù)據(jù)與原始地質(zhì)圖一并輸入[8]，使得原始圖幅的屬性得到繼承、更新，再結(jié)合ArcGIS Engine[9]、ADO.NET、OLEDB等組件、自研算法[10]以及其他相關(guān)技術(shù)，在地質(zhì)專家知識(shí)的驅(qū)動(dòng)下[11]，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化和人機(jī)交互式的方式完成地質(zhì)體同屬性合并、消除微小地質(zhì)體、地質(zhì)體夸大以及地質(zhì)體圓滑等地質(zhì)體制圖綜合功能，其基本框架如圖1所示。

圖1 基于專家知識(shí)的地質(zhì)體綜合制圖框架Fig.1 Framework of geological body mapping generalization based on expert knowledge

2 地質(zhì)演化關(guān)系模型

地質(zhì)體制圖綜合方法處理的核心是對(duì)面狀地質(zhì)體的綜合處理，基于制圖綜合知識(shí)、GIS技術(shù)及自主研發(fā)的智能算法，吸納地質(zhì)規(guī)律、空間關(guān)系、屬性值等因素，對(duì)面狀地質(zhì)體的幾何圖形進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)的合并(融合、聚合等)[12]、夸大、消除、簡(jiǎn)化、平滑、縫隙區(qū)填充等一系列處理，最終輸出符合制圖要求的地質(zhì)體圖層及相關(guān)數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)體智能制圖綜合的過程需參考地質(zhì)演化關(guān)系模型[13]，地質(zhì)演化關(guān)系模型由地質(zhì)演化關(guān)系知識(shí)構(gòu)建，地質(zhì)演化關(guān)系知識(shí)包含了專家的專業(yè)理論、認(rèn)知以及豐富的經(jīng)驗(yàn)[14]。編圖專家根據(jù)研究目的和應(yīng)用需求[15]，制定思想和規(guī)則，其中包含編圖單位劃分精度、地質(zhì)體要素歸并原則等。為達(dá)成智能化地質(zhì)體制圖綜合的目的，最終將地質(zhì)演化關(guān)系知識(shí)構(gòu)建成專家知識(shí)模型，以地質(zhì)演化關(guān)系模型為核心，應(yīng)用到地質(zhì)體制圖綜合方法中。

地質(zhì)演化關(guān)系模型是經(jīng)過地質(zhì)專家知識(shí)演化的精髓，是采用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)智能化地質(zhì)體制圖綜合，該模型反映了地質(zhì)專家的綜合思想，嚴(yán)格控制著地質(zhì)體智能制圖綜合的過程，最終形成科學(xué)性圖件。表1顯示了地質(zhì)演化關(guān)系模型實(shí)例 (少斜溝幅K47E011007)，該模型為二維表，從左到右依次為地質(zhì)年代、目標(biāo)圖(代號(hào)及名稱)、源圖(代號(hào)及名稱)、子類型標(biāo)識(shí)、重要性標(biāo)識(shí)。該模型充分反映了源圖層與目標(biāo)圖層之間的屬性映射關(guān)系，由地質(zhì)專家按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制[16]。依據(jù)此模型將源圖地質(zhì)體的屬性特征與目標(biāo)地質(zhì)體的屬性特性進(jìn)行匹配用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)繼承、約束、綜合和更新等，支撐計(jì)算機(jī)進(jìn)行知識(shí)識(shí)別，并根據(jù)地質(zhì)演化關(guān)系模型執(zhí)行地質(zhì)體制圖綜合?？梢詫?shí)現(xiàn)地質(zhì)體的屬性自動(dòng)更新、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的同屬性合并、根據(jù)重要性標(biāo)識(shí)判斷地質(zhì)體是否需要?jiǎng)h除或夸大、根據(jù)子類型標(biāo)識(shí)可以判斷地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系。

表1 地質(zhì)演化關(guān)系模型實(shí)例

3 知識(shí)驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)體制圖綜合方法

3.1 地質(zhì)體合并

地質(zhì)體合并即將空間相鄰、屬性相同的地質(zhì)體進(jìn)行合并[17]，可對(duì)全圖或指定范圍的多個(gè)地質(zhì)體按指定的一個(gè)或多個(gè)屬性字段自動(dòng)合并[18]，字段值是嚴(yán)格按照筆者所設(shè)計(jì)的地質(zhì)演化關(guān)系模型經(jīng)屬性繼承、提取并更新而得到的。其合并方式可分為自動(dòng)同屬性合并與人機(jī)交互式合并。

自動(dòng)同屬性合并當(dāng)需要處理大量空間相鄰且屬性相同的地質(zhì)體時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成相同屬性的地質(zhì)體的合并。圖2顯示了自動(dòng)同屬性合并的基本原理，地質(zhì)體Aa、Ab、Ac合并成目標(biāo)地質(zhì)體A，地質(zhì)體Ba、Bb合并成地質(zhì)體B，地質(zhì)體Ca、Cb合并成地質(zhì)體C。

人機(jī)交互式合并當(dāng)需要處理少量空間相鄰且屬性相同或相近甚至不同的地質(zhì)體時(shí)，可以采用人機(jī)交互式合并。

a.原始地質(zhì)體數(shù)；b.同屬性合并的結(jié)果。圖2 地質(zhì)體自動(dòng)同屬性合并基本原理圖Fig.2 Fundamental principle of automatic merging geological bodies with same properties

3.2 消除微小地質(zhì)體

消除微小地質(zhì)體即刪除非重要類型且面積小于固定值的圖元[19]，并將該圖元與周圍較大面積的圖元進(jìn)行合并，從而達(dá)到消除微小地質(zhì)體的效果。微小地質(zhì)體與周圍圖元的接觸關(guān)系較為復(fù)雜，常存在有微小地質(zhì)體與單個(gè)地質(zhì)體、雙地質(zhì)體或更多地質(zhì)體的接觸關(guān)系。與單個(gè)地質(zhì)體的空間接觸關(guān)系包括完全被包含以及單側(cè)邊界相鄰，與雙地質(zhì)體的接觸關(guān)系有雙地質(zhì)體相接與切雙地質(zhì)體。不同的接觸關(guān)系一般采用相應(yīng)的綜合方法，常采用直接綜合、合至長(zhǎng)邊、合至面積大以及切割合并等方法。

直接綜合法該方法可直接應(yīng)用于具有完全被包含以及單側(cè)邊界相鄰空間接觸關(guān)系的微小地質(zhì)體。圖3顯示了直接綜合法的基本原理，可知小地質(zhì)體Cb、Cc、Cd融入了地質(zhì)體A，小地質(zhì)體Da、Db、Cf被地質(zhì)體B吞并，地質(zhì)體E溶解了小地質(zhì)體Ab、Ac、Ad。

合至長(zhǎng)邊法該方法可直接應(yīng)用于具有與雙地質(zhì)體邊界相接的空間接觸關(guān)系的微小地質(zhì)體，目的是將微小地質(zhì)體合并至相鄰且公共邊最長(zhǎng)的地質(zhì)體中。圖4顯示了合至長(zhǎng)邊法的基本原理，左圖可知小地質(zhì)體B與地質(zhì)體A擁有最長(zhǎng)公共邊，小地質(zhì)體G與地質(zhì)體C擁有最長(zhǎng)公共邊，小地質(zhì)體I與地質(zhì)體H擁有最長(zhǎng)公共邊，小地質(zhì)體F與地質(zhì)體E擁有最長(zhǎng)公共邊。因此，地質(zhì)體A融合了小地質(zhì)體B，地質(zhì)體C吞并了小地質(zhì)體G，地質(zhì)體H溶解了小地質(zhì)體I，小地質(zhì)體F納入了地質(zhì)體E，圖4b為融合后的效果。

a.原始地質(zhì)體數(shù)據(jù)；b.綜合多個(gè)與單個(gè)大地質(zhì)體相鄰小地質(zhì)體的結(jié)果。圖3 合并小地質(zhì)體至單個(gè)大地質(zhì)體基本原理圖Fig.3 Fundamental principle of merging small geological body into single large geological body

a.原始地質(zhì)體數(shù)據(jù)；b.合至長(zhǎng)邊的結(jié)果。圖4 合并小地質(zhì)體至擁有公共邊最長(zhǎng)的大地質(zhì)體基本原理圖Fig.4 Fundamental principle of merging small geological body into large geological body with longest shared edge

合至面積大法該方法可直接應(yīng)用于具有與雙地質(zhì)體邊界相接的空間接觸關(guān)系的微小地質(zhì)體，目的是將微小地質(zhì)體合并至相鄰且面積最大的地質(zhì)體中，其融合效果與合至長(zhǎng)邊法相似。

切割合并法該方法主要應(yīng)用于具有與雙地質(zhì)體邊界相接且在相鄰的邊界處具有橫向“切斷”現(xiàn)象，并分別向兩側(cè)延伸至外側(cè)大地質(zhì)體內(nèi)的微小地質(zhì)體。其基本原理為在小地質(zhì)體與相鄰雙地質(zhì)體的交點(diǎn)處將微小地質(zhì)體分割成兩部分，然后將分割后的地質(zhì)體合并至兩側(cè)相鄰的大地質(zhì)體中。

3.3 地質(zhì)體夸大

一些微小地質(zhì)體面積較小但又非常重要，可對(duì)這種微小地質(zhì)體進(jìn)行夸大處理(圖5)。其原理為在幾何形狀相似且不影響其他地質(zhì)體的情況下，將大比例尺地質(zhì)圖中的小地質(zhì)體進(jìn)行等比例擴(kuò)大，從而保證小地質(zhì)體在小比例尺地質(zhì)圖中清晰可見。

3.4 地質(zhì)體圓滑

小比例尺地質(zhì)圖中地質(zhì)體邊界的部分細(xì)節(jié)不需表達(dá)(如去除掉起伏變化較大的局部邊界)，處理后的圖元使整體圖面更加美觀(圖6)。通過“地質(zhì)體邊界簡(jiǎn)化-地質(zhì)體邊界圓滑”兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)[20]。邊界簡(jiǎn)化的本質(zhì)是減少邊界點(diǎn)的個(gè)數(shù)以達(dá)到精簡(jiǎn)的目的[21]，地質(zhì)體圓滑是通過對(duì)邊界線元組成線段來實(shí)現(xiàn)，常用3次B樣條、3次Bézier樣條等插值方法完成曲線光滑。

a.原始地質(zhì)體數(shù)據(jù)；b.地質(zhì)體夸大的結(jié)果。圖5 地質(zhì)體夸大基本原理圖Fig.5 Fundamental principle of exaggerating geological body

a.原始地質(zhì)體數(shù)據(jù)；b.地質(zhì)體簡(jiǎn)化的結(jié)果；c.地質(zhì)體圓滑的結(jié)果。圖6 地質(zhì)體圓滑基本原理圖Fig.6 Fundamental principle of smoothing geological body

4 應(yīng)用效果分析

以中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供的1∶5萬的MapGIS格式地質(zhì)圖、配套地質(zhì)演化關(guān)系表、數(shù)字地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)庫等作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在專家知識(shí)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行綜合。地質(zhì)體圖層的屬性含有地質(zhì)年代、地質(zhì)代號(hào)、子類型標(biāo)識(shí)、重要性標(biāo)識(shí)等主要字段。在經(jīng)過智能化綜合以及質(zhì)量檢查后[22]，該結(jié)果符合編圖的標(biāo)準(zhǔn)，其工作效率以同屬性合并為例，10 s內(nèi)即可完成上千個(gè)圖元的同屬性合并操作，可以滿足用戶需求。

(1)同屬性合并

以地質(zhì)年代作為綜合字段在地質(zhì)演化關(guān)系模型的約束下完成同屬性合并，圖7顯示了相同屬性地質(zhì)體合并的直觀結(jié)果，經(jīng)對(duì)比可以看到圖中右側(cè)和下方地質(zhì)年代為C2的地質(zhì)體合并為整體，圖面上的小圖元明顯減少，圖幅整體顯得更加簡(jiǎn)潔。在實(shí)際應(yīng)用中，還可用地質(zhì)體代號(hào)、地質(zhì)體名稱等作為合并字段進(jìn)行合并，以達(dá)到地質(zhì)體制圖綜合的需求。

C2.晚石炭世；T2.中三疊世。圖7 地質(zhì)體同屬性合并Fig.7 Merging geological bodies with same properties

(2)消除微小地質(zhì)體

圖8顯示消除圖上面積不足5 mm2的小地質(zhì)體效果。圖8b目標(biāo)圖層符合過濾規(guī)則的小圖消除效果明顯，圖元明顯減少。消除功能需要基于制圖的圖面美觀、地質(zhì)體重要程度定義等。消除小圖元后的地質(zhì)圖更加簡(jiǎn)潔，主要地質(zhì)體表達(dá)更直觀。

D1.早泥盆世；N2.上新世。圖8 消除微小地質(zhì)體Fig.8 Eliminating tiny geological bodies

(3)地質(zhì)體夸大

對(duì)圖面上面積小但重要的地質(zhì)體進(jìn)行夸大是一項(xiàng)非常實(shí)用的工具。圖9展示了夸大圖上小于2 mm2的地質(zhì)體效果，可非常清楚地看出夸大后的小地質(zhì)體∑S3，能夠較清晰地展示在圖面上，避免被大地質(zhì)體“淹沒”，并在成果地質(zhì)圖中清晰可見。

(4)地質(zhì)體圓滑

地質(zhì)體邊界圓滑常采用人機(jī)交互式實(shí)現(xiàn)。圖10顯示了在智能地質(zhì)編圖軟件中交互式完成地質(zhì)體圓滑的效果，該圖元左側(cè)較凸起的分支經(jīng)圓滑處理后變得平整。邊界圓滑處理并未減少圖元數(shù)量，處理后的圖元更為平滑，圖面更加美觀。

∑S3.晚志留世超基性巖。圖9 地質(zhì)體夸大Fig.9 Exaggerating geological body

D2.中泥盆世；Qh.全新世。圖10 地質(zhì)體圓滑F(xiàn)ig.10 Smoothing geological body

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了以地質(zhì)專家知識(shí)為核心驅(qū)動(dòng)力的地質(zhì)體智能綜合框架，并將地質(zhì)專家知識(shí)以二維地質(zhì)演化關(guān)系表形式構(gòu)建核心編圖知識(shí)模型。

(2)研究地質(zhì)體合并、交互式合并、地質(zhì)體消除、地質(zhì)體夸大、地質(zhì)體圓滑等地質(zhì)體制圖綜合方法與專家知識(shí)全面融入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)專家知識(shí)驅(qū)動(dòng)下的地質(zhì)體制圖綜合。

(3)以1∶5萬真實(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用智能化地質(zhì)體制圖綜合方法快速完成了1∶25萬地質(zhì)圖的地質(zhì)體縮編任務(wù)，以往耗時(shí)長(zhǎng)的重復(fù)性操作被自動(dòng)化算法秒級(jí)完成，至少節(jié)省65%以上工作量，極大提高工作效率且綜合結(jié)果符合制圖要求，驗(yàn)證了以地質(zhì)專家知識(shí)為主線的智能化地質(zhì)體制圖綜合方法的有效性，可在今后地質(zhì)圖編圖工作中推廣應(yīng)用。