[科普中国]-地质信息系统数据

地理信息系统简介

地理信息系统（GIS）在城市地质中的应用，系通过应用信息技术，采集、存储、管理、分析、可视化城市地质数据的系统。

可应用于城市规划、建设和管理之中。同地理信息系统类似，主要元素包括人员、数据、硬件、软件、模型。

福建省在全国首创了“1+N”模式，即一个全省通用的城市地质信息系统，让数据即时共享、协同办公成为可能，为海峡西岸城市群地质调查工作打下牢固基础。

中国地质科学院水文地质环境地质研究所张礼中研究员、国家GIS工程技术研究中心吴亮教授、福建省地质矿产勘查开发局谢含华主任与福建省城市地质“1+N”项目组组长，分别围绕重要经济区和城市群地质环境信息平台建设进展、地质调查信息云服务关键技术研究与实践、福建省城市地质信息系统“1+N”模式综述以及福建省城市地质“1+N”项目实施解析等内容发表了主旨演讲，并与参会代表进行了互动交流。借助于用户单位所做的成功经验分享，让其他省市单位直观了解“1+N”模式建设方式和效果。

福建省在全省积极推进城市地质调查工作及其信息化建设，在全国首创了“1+N”模式，即一个全省通用的城市地质信息系统，各市县在此基础上做定制化开发。这种模式打通了各城市、各部门的“信息壁垒”，让数据即时共享、协同办公成为可能，为海峡西岸城市群地质调查工作打下牢固基础。

目前，系统已在平潭、漳州、宁德三个地区取得了初步的成果在系统初步建成之后，面向政府管理、规划人员和专业人员，为福建多个设区市地质规划和工程选址、农业产业结构调整、 地质灾害防治、地下空间利用等方面提供了丰富的地质信息服务。

福建省城市地质“1+N”创新模式，将厦门、福州等地多年建设经验应用到通用系统中，再结合地方特点定制开发，节约了大量成本，显著提高了城市地质信息化建设推进速度，对福建全省乃至全国的城市地质信息化建设都具有重要的借鉴和启发意义。

重要案例地下空间资源利用涉及基岩地质、工程地质、水文地质、地下空间、地下水资源等众多专题，数据量大、来源广泛、结构不一，这给城市地下科学建设带来了很大的困难，如何提高地质信息精度深挖地质应用成为城市管理亟需解决的问题。

在此背景下，武汉中地数码科技有限公司基于以往地质资料和新收集地质调查资料，将嘉兴多专业的地质信息和成果进行集成和综合，建设具有建库、存储、分析、管理、三维显示和应用等强大功能的嘉兴城市地质信息管理与服务系统。该系统利用建立的三维地质结构模型参与多方向的专业分析评价建立集信息化、采用三维数字化技术，直观、形象的图形图像方式表达城市地质构造单元的时空展布特征和各种地质参数，为政府决策和公众需求提供信息服务，实现地质信息的科学管理。

地质信息管理系统的数据分类GIS对数据的管理是基于图层的，并通过关键字段将空间数据和属性数据连接起来.为了能对数据合理地分层，首先必须进行合理地分类，设立主题、亚层主题等.其次，应对每一层的空间符号(点、线、面)进行定义，制定出合理分类、分层体系。1

数据的种类和特点就其基础数据库而言，数据具有多源和多样的特点，表示和反映的数据包括：

(1)地理信息(点、线、多边形)包括地形、人文(道路、居民地等)、水文、行政区界限等;

(2)地质信息包括地层单位、地质界限类型、断层、褶皱、岩体关系等;

(3)物探信息包括重力和磁力两大类，主要有磁力异常、重力异常等;

(4)其他信息包括比例尺、图例、各种地质剖面图等.这些数据不仅具有多源性(来自于不同的行业、部门)，而且在空间上具有表现形式的多样性(具有种类繁多的点、线、面)，以及在属性上既有精确的、半精确的数字信息和解释性的说明性信息.这些决定了数据标准制定的困难性和复杂性.

数据的分类、分层以渤海区域为例，根据国家和相关行业已公布的数据标准，并考虑到地学数据的实际情况，我们规定对数据的分类、分层是按照以下的原则进行的：

(1)按地理、区域构造、重力、磁力四大类进一步划分成若干图层，以适应不同的需要;

(2)相同逻辑内容空间信息尽量放在一个图层;

(3)图层划分要适合GIS软件功能特点;

(4)图层划分要满足我国海洋信息系统的需求.根据前述原则，将渤海地质数据划分成地理、区域构造、重力、磁力4大主题图层、29个亚图层

见于下表。

|| || 表1渤海区域地质信息管理系统基础地质数据分类、分层

基于GIS的数据模型空间数据在GIS系统中将被地理区域所界定并具有与它相联系的不同属性或特征的空间实体，称为空间物体.表示空间物体的数据称为空间数据。空间数据具有空间相关、时间相关、语义相关的特点，比非空间数据的复杂性更大，它的数据组织形式具有特殊性.在本数据模型中主要有以下空间数据元素(图元):

点为无区域的一种空间物体.点的一个属性由它的地理编码坐标来表示(如经纬度坐标、大地坐标等).点元素可表示城市、海洋钻孔等.

线为由一组顺序相连的点所组成的空间要素.它无宽度，地理编码后由一组点的坐标来表示.组成线的点成为节点(node).海岸线、海底等深线、断层、重力异常等都可以用线来表示.

面是一个封闭区域.在GIS中行政区域、湖泊等可用区域表示.

层为具有相似属性的一组空间物体(点、线、面)的集合，如在水系图层中海洋是由海岸线组成的，分布在海洋中的小岛可用点表示.

空间对象的层次结构具有图表示的关系.在一个层中一般包括多边形、线、点三类空间图元，其中线由点构成，面由线构成，单独的点也可作为一个图元.

在GIS中空间数据是分图层管理的，我们采用了下列分组码命名规则来对图层文件进行命名，它可以保证多幅拼接后每个图形信息及相应属性信息的独立性，防止图层名重复出现.图层名编码结构如图所示.

对于每个图层中的点、线、面等图元，除给出惟一的图元编码外，还按有关规定定义了其空间属性(点符号、线形、线色等)。

属性数据每个图层的图元(点、弧段、多边形)的性质、意义等通过属性数据描述，这些数据的集合构成了一个图层的属性文件，为保证其惟一性与相应空间图层的相关性，采用如图的图层属性文件命名规则.编码方式与图层名编码相同，识别码采用字符，取属性表主要含义的1个汉语拼音的首字母.对于图层属性表中每一个属性字段均按GB9649-1988中定义进行编码。

空间数据与属性数据的连接图元编号是GIS连接空间图元和属性的关键字，在两者之中必须保持一致.图元编码由顺序码和识别码两段组成，顺序码视图元数可取1 ~4位数字填写;为保证多幅图拼接相同图元素的图元编号不重码，应在不同的图幅的图元顺序前分别加识别码.应将原有图幅统一的顺序编码的顺序号((1 ~3）作为识别码加在图元顺序码前构成图元编码.

地层信息系统的实体在地理信息系统经典概念中，地理实体是一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象，而地理目标是地理实体在数据库中的表现[y，这里是从现实世界与数据表达的关系的角度定义的，实体包含了抽象的现象。而实体和现象是不同的，比如岩层、岩层面等等是实在存在的，是确定的、有边界的，而褶皱是多个岩层面表现出来的一种起伏现象，是一种抽象的概念，在现实世界中不是确定的，边界是人为指定的。在地层信息系统中需要区分这一点，才能明确实体、数据的层次关系，因此，下面将地层信息系统中的实体和现象分别称之为地质实体(包括人工的实体)、地质现象。2

基础地质实体地层信息系统的基础地质实体包括体、面、线、点。体基础地质实体包括广义的岩层体、人工构建筑物。面基础地质实体包括断层面、节理面、滑坡面等，面基础地质实体有时穿越多个体。

体、面基础地质实体是现实世界中确定存在的，而线、点基础地质实体是数据采集或数据表达中产生的。

广义的岩层体

基础地质实体中的体是构成地层信息系统的框架，广义的岩层体应该包括地下溶洞等液体、气态的空间，地面上的大气也可以看作是材质为气体的广义的岩层体，只是地面是地层信息系统的边界，地层信息系统不考虑大气。

连续变化量的边界:实际上所有地质实体的儿何边界都是以某个或者某些属性量为标准划分的。地层信息系统中的属性量，有的是离散的，这种情况下很容易确定对应的面和体的地质实体;有的是连续变化的，如各种场(各种气态、液态流场)和量(浓度、压力)。有时属性量是地层信息系统中的求解目标，或者作为建模时具体岩层体的随空间位置变化的属性，比如求解连续变化的海水入侵时地下水的矿化度，可以不划分成不同的岩层体;在建模时需要表达边界时，或者在表达求解量的结果时，比如地下水发生污染，污染物浓度是连续变化的，当需要在地层信息系统中表达出污染体范围时，通常人工指定某一浓度的边界，由边界的面包围构成基础地质实体—广义的岩层体。这个时界线只存在于信息表达中，不存在于现实世界中。

在这种离散模型中，即使是针对离散的量，也有不确定性，很难定义清晰的区分标准，理论上可以用模糊集合理论来解决这个问题，但目前没有应用的实例，所以边界常常是基于个人的判断来划分的。

岩层体的分界:现实世界中的岩层之问的划分实质和上面情形是一样的，即根据属性一一岩石的外观、物理力学性质、化学性质进行划分。这些属性的变化有时不是离散的，是连续的，比如渐变的风化、变质程度等。同样的，在不需要划分为不同岩层体的时候，只把声波速度、力学强度等参数作为具体岩层体的随空问位置变化的属性;在需要划分时，通常是根据约定俗成的方法人为确定岩层之间的界线，比如人为认定某处岩体某个界线下为岩浆岩岩层、上面为变质岩岩层，人为区分原岩岩层、微风化岩层、弱风化岩层。

面与体基础地质实体的转换

断层面、节理、滑坡面等有厚度或者张开度等儿何要素，一般情况下这些要素不重要或者差别不大而不考虑它们，只在必要时把它们作为面的统一的属性，在需要考虑这些要素不同空问位置的变化时，就把它们作为面的随着空间变化的属性。这两种情况下，这些面还是作为面处理。在某些力学计算中，节理等作为特殊的体一一无厚度单元考虑，从地层信息系统表达的角度考虑应该算作面。在断层面、节理、滑坡面等的厚度、张开度比较可观，或者形成了新的由类似材料构成的体时(比如断层碎裂带、滑坡泥层)，可以把它们作为地层信息系统的框架一一广义的岩层体考虑，此时，这些面就是体。

地理信息系统中体的简化在地理信息系统中，如果区分目标与手段，就可以发现岩层体、隧道、断层面等基础地质实体是地理信息系统研究的目标，是预先存在的，这些都是体、面，不可能出现线和点，而在采集数据和表达数据时，可以出现线、点基础地质实体。在采集数据时，会形成一些点、线、面、体，这些需要作为基础地质实体在地质信息系统中表现出来，比如地质调查的采样点和调查线路，一些物探方法反演得到剖面。采用钻孔得到柱状图的过程也是数据采集，钻孔实际上是体，但通常不需要考虑钻孔的直径，所以钻孔数据在地层信息系统中表达出来是线。一些人工构筑物，某些情况下必须考虑三维参数，有时可以简化为线，截面的信息不考虑或者是作为非几何属性，比如一些隧道和管线在尺度很大的模型里就可以这样处理。水文观测井是一种体人工构筑物，在大多数数值模拟中简化为线，如果进行同位素试验，试验井就简化为线源或者点源。

地质实体层次关系地理实体的定义规定它不可再分割为同类，体地质实体是体，所以体地质实体之问的关联—相交的部分就不可能是体。一般情况下，现实世界中的体地质实体之问的关联是面(比如岩层面、地层面)，很少可能是线、点，面地质实体之问的关联是线，很少可能是点。不过，在地层信息系统模型中，由于地层信息系统数据常常不完备和要保证算法健壮性，需要考虑现实世界中少见的情形。基础地质实体之问的关联和这些关联之问的关联，也是地质实体，位置是确定的。地质实体有许多要素，有的是地质实体之问的关联，这些要素的儿何要素是确定的，比如节理的迹线，是节理面和地面或者开挖面的交线;有的不是地质实体之问的关联，人们表达和应用这些概念时常常保留一些模糊性，不追求准确地确定它们的儿何量，即使现实中可以做到这一点也不追求，比如滑坡面的主轴线和地面的山谷线、山脊线，人们在数据采集的过程中，容许它们的儿何要素有较大的误差，在由地质调查人员人为指定这些要素时，则更缺乏确定性了。这些非关联要素，如果要在地质信息系统表达出来，也是地质实体。

技术方案空间数据库：以渤海区域为例。在渤海区域地质管理信息系统开发中，使用的GIS工具平台是MAPINFO。按照上述确定的数据模型，建立了空间数据符号库，包括点库、线库(线形、线色、线宽)、面库(填充颜色、填充形式)，由于MAPINFO的符号是以位图形式出现的，因此应将符号库转成矢量库，这些可通过编程或利用MAPINFO公司提供的符号编辑器完成。

其次，由于黄海、东海数据库包括的数据量很大，如大量的地理、区域地质、物化探、地貌等数据，总数据量可达到几千兆级。为此我们设计了在MAPINFO平台上对大量数据进行管理的技术方案，主要包括：

(1)图层显示控制，

(2)图层的分层设计，

(3)使用索引图层等。

最后，在每一层数字化过程中，根据编码原则对图元进行了编码，这样较好地实现了空间数据与属性数据的连接。

属性数据库:图层属性数据是对各图层中图元的说明，是描述各图层基本属性的数据集合。MAPINFO既可以形成内部属性库，也可以外接关系数据库.在系统的开发过程中，我们采用了外接ACCESS数据库方案.这样做的优点是保持了属性数据库的相对独立，便于数据库的管理、维护，也有利于进一步对数据库的二次开发.

属性数据既有定性数据，也有定量数据，为了对数据形成准确的描述，我们引进了基础表，每一个属性表可以有多个基础表.基础表是专门用来管理具有表值的属性的.将具有表值的属性作为实体集，建立起新的数据库，即基础表。一个表值包括一系列单个数据项.引入基础表的目的主要是使所有数据库都更加规范化。图层属性表与基础表之间的关系如图表示。每一个表的格式也并不完全固定，用户可以根据需要增加或减少其中的字段。