地質(zhì)圖的生產(chǎn)與地質(zhì)過程理解

地質(zhì)圖的生產(chǎn)與地質(zhì)過程理解

1地質(zhì)要素的更新地質(zhì)圖是地質(zhì)信息最重要的載體之一。它整合了科學(xué)家對地質(zhì)理論的研究成果和地質(zhì)過程的了解，以及礦產(chǎn)資源的賦權(quán)狀態(tài)、成礦規(guī)律、開發(fā)利用、水文條件和工程地質(zhì)條件的認識。在礦產(chǎn)資源評價中,地質(zhì)圖既是重要的信息源,又是成果主要表達形式。自世界上誕生第一張地質(zhì)圖以來,地質(zhì)圖的生產(chǎn)幾乎沒有什么變化。從本質(zhì)上講,它們只不過是地質(zhì)調(diào)查人員依據(jù)地質(zhì)規(guī)范在某段特定時間經(jīng)過特定篩選后記錄下的“瞬間”狀態(tài),具很強的時限性。由于地質(zhì)圖所表示的內(nèi)容在很大程度上是不可見的,主要基于有限的自然或人為露頭和剖面,如峭壁、沖溝、人工開挖場所、坑道及鉆孔等等揭示的信息,再加上人們依據(jù)一定地質(zhì)理論作出推斷,因此,它極大地受到所獲信息量和當時的地質(zhì)理論及對地質(zhì)過程理解的制約。尤其在露頭少的地區(qū),圖中許多地質(zhì)要素主要靠推測得出,反映的是當時的地質(zhì)理論及那時人們對地質(zhì)過程的理解。由于新的鉆孔或露頭獲取到新數(shù)據(jù),可能極大改變了原有解釋結(jié)果;另外,隨著地質(zhì)理論的不斷發(fā)展及對地質(zhì)過程理解的不斷深入,人們對地質(zhì)現(xiàn)象的解釋日益深入、詳細,也可能改變過去的推斷,導(dǎo)致新資料不斷增多,這些都迫切要求快速更新地質(zhì)圖。然而,傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的紙質(zhì)地質(zhì)圖最大缺陷就在于很難更新和修編,圖上任何一點更改都意味著重繪全部內(nèi)容。另一方面,對于紙質(zhì)地質(zhì)圖而言,一旦地質(zhì)信息進入地圖固定下來,就不再具有靈活性,再想從中派生出其它圖件同樣費錢費時,甚至難以辦到。例如分離、選取圖上地質(zhì)要素進行重分類、重組合,生成只包含選定要素的圖件將幾類地質(zhì)圖內(nèi)容疊置合并,或加入其它信息生成綜合地質(zhì)圖;從圖幅內(nèi)或圖與圖接合部位截取子區(qū);改變圖的比例尺或投影方式;將不同投影和比例尺的內(nèi)容組合產(chǎn)生新圖等。地質(zhì)圖只是地質(zhì)人員對地球表層觀察及推斷深部地質(zhì)體結(jié)果的圖示部分,為突出某些地質(zhì)內(nèi)容或減小圖面負擔,通常需對地質(zhì)要素進行必要的縮小、夸張、刪減、歸并等處理,這必然導(dǎo)致許多地方詳情被過濾或丟失,為此,人們提供附件、說明書或地質(zhì)報告進行更詳細的地質(zhì)特征說明。長期以來,地質(zhì)學(xué)家一直希望將地質(zhì)圖與同一區(qū)域其它地質(zhì)特征文檔信息合在一起進行深層次綜合分析,以便找出內(nèi)在地質(zhì)成礦規(guī)律,指導(dǎo)礦產(chǎn)資源評價,但這一愿望始終未能很好實現(xiàn),其原因就在于地質(zhì)信息描述不易定量化及很難用圖示表達。2計算機數(shù)字制劑計算機制圖又稱機助制圖或數(shù)字制圖,是隨電子計算機的出現(xiàn)發(fā)展起來的制圖新技術(shù)。1963年,美國學(xué)者HowardT.Fisher首次實踐用計算機制作地圖的思想,并在哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了最早的制圖程序SYMAP。隨后,大量計算機制圖系統(tǒng)在世界各國相繼開發(fā)出來。計算機制圖以采用計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工方式完成現(xiàn)存制圖過程為主要目的,基本原理基于從圖形到數(shù)字的變換,經(jīng)過處理,再由數(shù)字到圖形的轉(zhuǎn)變過程。在數(shù)字制圖中,地質(zhì)圖上圖形被看做空間地質(zhì)單元之間的分界面與地形表面的交會在二維制圖平面上的投影,圖上任何一點的平面位置用x,y表示,而用z表示其屬性特征(質(zhì)量、數(shù)量或類型),例如,一條地質(zhì)界線上各點具不同x,y坐標和相同的z值(如志留系與泥盆系的界線)。另外,所有圖形被分解為點線面種基本圖元點是最基本構(gòu)圖要素,點的連續(xù)移動構(gòu)成線,線的閉合構(gòu)成面(多邊形),圖形數(shù)字化就是按3種基本圖元依次進行的。但在數(shù)字制圖中,只采入x,y位置值,不采入z值。數(shù)字制圖研制圖形數(shù)據(jù)自動化采集設(shè)備如數(shù)字化儀、光電掃描儀,開發(fā)相應(yīng)數(shù)字化輸入程序及掃描輸入程序、掃描數(shù)據(jù)矢量化程序,以解決圖形的數(shù)字化輸入;開發(fā)各種空間變量數(shù)據(jù)處理程序、等值線生成程序、3維圖形生成程序、柵格-矢量數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換程序、各種專題圖點、線型符號、填充花紋圖案及顏色生成程序、圖形交互式屏幕編輯修改程序等,以解決圖形數(shù)據(jù)在計算機中的編輯、處理、轉(zhuǎn)換及圖形表示;研制各種柵格及矢量圖形顯示輸出設(shè)備如高性能彩色圖形終端、各類打印機、筆式、噴墨及靜電彩色繪圖儀、高精度照排機;開發(fā)相應(yīng)圖形顯示輸出設(shè)備驅(qū)動程序及基本繪圖子程序包、應(yīng)用繪圖子程序包,以解決圖形輸出,完成數(shù)字圖形到紙質(zhì)圖形的轉(zhuǎn)換。所有這些針對傳統(tǒng)制圖過程的開發(fā)工作在制圖學(xué)上引起了一次新的技術(shù)革命,并由此開創(chuàng)了一門新學(xué)科—計算機數(shù)字制圖。進入70年代后,由于計算機硬件及軟件技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是各種圖形輸入、輸出設(shè)備及大容量高速硬盤的開發(fā)、使用及快速更新,使計算機數(shù)字制圖技術(shù)迅速發(fā)展為一門實用的地圖制圖手段。到70年代末,地圖制圖上使用計算機已取得了長足進步,并研制開發(fā)出大量制圖軟件包,這些軟件包將制圖要素的輸入、編輯處理、輸出3大部分各種單一功能程序集成為一個完整的功能強大的數(shù)字制圖軟件系統(tǒng),極大地方便了用戶,并一直發(fā)展至今。計算機數(shù)字制圖技術(shù)的迅速完善及實用化很早就引起了國內(nèi)外地質(zhì)界的關(guān)注,并很快被引入地質(zhì)圖制圖。如北美及歐洲許多國家廣泛采用的數(shù)字制圖軟件包CorelDRAW。例如筆者在加拿大McGill大學(xué)及Montreal大學(xué)見到的地質(zhì)圖及筆者參與亞洲巖石圈地學(xué)大斷面項目由俄羅斯地質(zhì)學(xué)家提供的大斷面圖俄羅斯部分都是用這個軟件編制的。國內(nèi)這方面典型代表為中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)開發(fā)的MAPCAD,該軟件專門針對復(fù)雜的地學(xué)制圖,實現(xiàn)了在普通微機平臺上彩色地學(xué)圖件從輸入、編輯處理、輸出校樣、分色掛網(wǎng)到生成正式制版分色膠片全過程計算機化,并成功地編制出版了一系列高質(zhì)量地質(zhì)圖件,目前該軟件幾乎占據(jù)了國內(nèi)地制圖計算機制圖的全部市場,并廣泛覆蓋了其它相關(guān)行業(yè)的數(shù)字地圖制圖。計算機數(shù)字制圖技術(shù)發(fā)展至今相當精致地解決了現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)制圖過程原稿數(shù)據(jù)采集錄入編輯處理圖件輸出及生成印刷制版分色膠片各階段工作的自動化,完全能夠替代傳統(tǒng)人工從提交圖件原稿至產(chǎn)生分色印刷膠片的全部生產(chǎn)過程,較好解決了地質(zhì)圖的及時修編更新問題。盡管計算機數(shù)字制圖技術(shù)并未完全滿足地質(zhì)工作者希望全面發(fā)掘、充分利用全部地質(zhì)圖信息的需求,但這一技術(shù)至少給地質(zhì)圖制圖帶來如下好處:1)由于圖面上所有要素均以數(shù)字形式存貯,對老圖只需作相應(yīng)局部數(shù)據(jù)修改,即可完成一次版本更新,從而大大節(jié)省了人力、財力及時間,方便了地質(zhì)圖的及時修編、更新;2)與紙質(zhì)地質(zhì)圖易破損、易變形;不易攜帶、占存放空間、難以抵御突發(fā)災(zāi)害(如水情、火情、蟲情)等相比,繪圖數(shù)據(jù)以磁介質(zhì)方式存儲具有占地少、多備份、抗突發(fā)事故、安全、攜帶方便、易交換和多方式提供(數(shù)字的或紙質(zhì)的)等優(yōu)點;3)在一定條件下,通過對數(shù)字地質(zhì)圖內(nèi)容作簡單疊加、刪減、或?qū)ν粓D幅數(shù)據(jù)作整圖放大、縮小及轉(zhuǎn)角處理,便可迅速滿足用戶的特殊制圖要求;4)對現(xiàn)存地質(zhì)圖的重復(fù)制作(包括再版正式印刷地圖)與手工過程相比顯然更快、更便宜;5)可制作人工難以制出的特殊地圖,如3維圖或立體圖。3建立地質(zhì)模型對地質(zhì)工作者來說,計算機數(shù)字制圖通過將地質(zhì)圖轉(zhuǎn)成數(shù)字形式基本解決了地質(zhì)圖的更新、修編問題,但從本質(zhì)上看,它只是對傳統(tǒng)地質(zhì)圖的數(shù)字復(fù)制,數(shù)字地質(zhì)圖的點、線、面仍只是一般圖形學(xué)意義上的圖元,不能真正代表具體地質(zhì)要素,因為它們不具有所表示地質(zhì)要素的地質(zhì)特征描述內(nèi)容。由于一般數(shù)字制圖軟件主要解決現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)制圖過程的自動化,強調(diào)的是制圖,不關(guān)心圖形要素所代表的非圖形文字描述的地質(zhì)特征。盡管有些系統(tǒng)也引入“圖層”概念,可對3種基本圖元進行次級再分類管理,但畢竟功能太弱,無法全部表示出地質(zhì)圖中每個圖元所代表的豐富的地質(zhì)含義。例如,對礦床點文件中的礦床能給一個圖層碼區(qū)分是銅礦還是鐵礦,但不可能再給若干個圖層碼區(qū)分出品位、儲量、規(guī)模等,即不能用“圖層”概念來多級分類。由于沒有有效的存貯管理機制,在輸入點、線、面圖元時并不同時錄入相關(guān)的地質(zhì)特征描述數(shù)據(jù)。另外,地質(zhì)圖上的所有地質(zhì)要素都具有唯一的地理坐標,且全球統(tǒng)一,圖與圖之間可以相互參照。而一般通用制圖軟件通常只負責盡可能精確地原樣復(fù)制每一份原圖,不關(guān)心圖幅之間的地理位置關(guān)系,不要求圖幅坐標必須統(tǒng)一配準點線面數(shù)據(jù)在計算機中仍以每張原圖為管理單位,圖幅之間坐標自成一體,不能統(tǒng)一管理和操縱,這自然不可能很好解決由原圖靈活派生多樣化數(shù)字或紙質(zhì)地質(zhì)圖產(chǎn)品的問題。在礦產(chǎn)資源評價工作中,一項非常重要的工作就是建立找礦模型。通常,為了建立找礦模型,地質(zhì)工作者需要收集研究區(qū)內(nèi)與礦床有關(guān)的3維空間地質(zhì)體的信息,在前人資料的支持下進行野外填圖,并綜合物探、化探及遙感等現(xiàn)代找礦技術(shù)手段的研究結(jié)果,建立起一個地質(zhì)體3維空間找礦概念模型,然后選取地質(zhì)體3維空間的不同側(cè)面繪出斷面圖,將概念模型轉(zhuǎn)化成圖的方式表示出來。顯然,這是一個不斷試驗的過程,涉及到大量空間圖形與屬性數(shù)據(jù)的綜合、疊加、檢索、抽取等操作,包括從現(xiàn)有圖件按屬性檢索形成派生圖件(如從現(xiàn)有地質(zhì)圖中提取可能的控礦地層單元形成特定地層圖),特定地質(zhì)要素之間綜合疊置分析(如各種特定地質(zhì)要素及物探、化探異常等值線與礦產(chǎn)疊置進行控礦地質(zhì)要素分析),地質(zhì)要素多重疊置分析(如不同蝕變類型疊加進行多種蝕變復(fù)合控礦分析;將研究得出的地、物、化、遙等多種控礦地質(zhì)要素疊置求交,精確確定所有控礦要素重疊位置范圍,得出找礦遠景區(qū))等。這要求兩個前提,第一要有地質(zhì)屬性數(shù)據(jù),第二要能有效管理圖形數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù),并能將二者有機聯(lián)系在一起進行操縱。而這些實際上是數(shù)據(jù)庫所具有的管理功能。然而,數(shù)字制圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理為文件管理方式,對于計算機能夠處理的其它地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)(如已有的地質(zhì)特征信息數(shù)據(jù)庫)也未提供連接方法,因而無法將與地質(zhì)圖同時提交的地質(zhì)特征文檔資料與數(shù)字地質(zhì)圖數(shù)據(jù)綜合在一起,分析、產(chǎn)生派生圖件,以幫助建立找礦模型。地理信息系統(tǒng)GIS(GeographicalInformationSystem)的出現(xiàn)為地質(zhì)工作者帶來新的契機。GIS是一種融計算機圖形與數(shù)據(jù)庫于一體、用于存貯和處理空間信息的現(xiàn)代高新技術(shù),它能將地質(zhì)體地理位置與相關(guān)地質(zhì)屬性有機結(jié)合起來,按照各種實際需要準確真實、圖文并茂地把它們輸出給用戶,同時借助其獨有的空間分析功能和圖示化表達能力,幫助地質(zhì)工作者進行各種地質(zhì)輔助決策分析,是一種可以超越傳統(tǒng)方法解決地質(zhì)問題的先進手段。GIS有4大要素,即計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)及用戶。從軟件模塊上看它有5個基本部分:數(shù)據(jù)輸入與轉(zhuǎn)換、圖形與文本編輯、空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)空間查詢與分析、數(shù)據(jù)顯示與輸出。其中1、2、5部分為數(shù)字制圖系統(tǒng)已有模塊另外把數(shù)字制圖中薄弱的數(shù)據(jù)管理功能增強為空間數(shù)據(jù)庫,并增加了數(shù)據(jù)空間抽詢與分析功能模塊。正是這兩個部分使GIS在功能上較數(shù)字制圖系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍。GIS自誕生之日起,就與數(shù)字地圖制圖密切相關(guān)。事實上,GIS最初就是從機助制圖起步,從如何在計算機中表示地圖開始的。早期大多數(shù)GIS都是以產(chǎn)生特殊專題地圖和報表為直接設(shè)計目的,對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)空間分析和綜合功能反倒只是作為達到這一目的的工具和中間過程。今天,數(shù)字地圖仍是GIS最重要的數(shù)據(jù)源,也是GIS分析結(jié)果的表達形式,而數(shù)字制圖則是GIS的重要組成部分,這也是許多人一直把計算機數(shù)字制圖與GIS混為一談的原因。GIS與數(shù)字制圖系統(tǒng)主要有以下不同:首先,GIS用空間數(shù)據(jù)庫管理地質(zhì)圖數(shù)據(jù),它不以任何傳統(tǒng)觀念存貯地質(zhì)圖,而是存貯地質(zhì)圖數(shù)據(jù),包括圖形數(shù)據(jù)及地質(zhì)特征屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫方式存貯和管理,圖形數(shù)據(jù)則被劃分成點、線、面基本圖元來組織存貯,且3種幾何圖元之間建立了嚴格的拓撲關(guān)系。另外,屬性與圖形兩種數(shù)據(jù)之間也已建立起有機聯(lián)系,如斷層方向、正逆性質(zhì)等非圖形屬性數(shù)據(jù)一定與某條代表斷層的線圖元通過一個唯一代碼聯(lián)系在一起。這樣,任何時候輸入地質(zhì)圖,圖形與屬性數(shù)據(jù)在GIS內(nèi)部均被置于一個統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫進行存貯管理,其中拓撲關(guān)系的建立、屬性數(shù)據(jù)的存在及其與圖元數(shù)據(jù)之間的有機聯(lián)系使得能最小至每一個基本圖元實現(xiàn)對地質(zhì)圖形要素進行各種典型的數(shù)據(jù)庫查詢操作。而在數(shù)字制圖系統(tǒng)中,雖然圖形數(shù)據(jù)的輸入、編輯、操縱及存貯也按點、線、面基本圖元進行,但3種圖元之間未建立拓撲關(guān)系,也沒有屬性數(shù)據(jù),因而不能對地圖數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、有效的管理、操縱。建立拓撲關(guān)系是GIS與數(shù)字制圖之間一個最重要的區(qū)別,拓撲關(guān)系的建立使GIS實現(xiàn)了對地質(zhì)圖數(shù)據(jù)的有效管理,并為實施地圖數(shù)據(jù)的空間操縱和分析打下基礎(chǔ)。其次,GIS具有強大的空間查詢和空間分析功能,這是GIS有別于數(shù)字制圖系統(tǒng)的本質(zhì)特征。例如計算地質(zhì)體出露總面積、斷層長度、礦床到斷層的距離;由某地質(zhì)單元檢索與之對應(yīng)的地質(zhì)屬性或以某些地質(zhì)屬性特征為條件查出滿足條件的所有地質(zhì)體、查出某類礦床落在哪些地層內(nèi)以確定地層的控礦性;通過緩沖區(qū)分析確定斷層或構(gòu)造線對礦床成礦的最佳影響范圍、通過疊置分析將地、物、化、遙多種控礦因素疊加確定找礦靶區(qū)的準確位置等。這些功能將能極方便地對地質(zhì)圖與地質(zhì)屬性文檔資料進行綜合利用,地質(zhì)工作者可由此獲取很多派生信息和新的地質(zhì)認識,而這正是數(shù)字制圖系統(tǒng)做不到的。顯然,數(shù)字制圖數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)變成GIS數(shù)據(jù),但需加做兩項工作,一是建立拓撲關(guān)系,二是加入屬性數(shù)據(jù)。在數(shù)字制圖系統(tǒng)中,圖形數(shù)據(jù)沒有建立拓撲關(guān)系。具體說,對于由數(shù)字制圖系統(tǒng)產(chǎn)生的地質(zhì)圖數(shù)據(jù),點、線、面3種圖元對應(yīng)的地質(zhì)要素不要求進行統(tǒng)一編號,面圖元邊界線起點與終點也不必嚴格重合,即可以出現(xiàn)區(qū)域邊界不封口或封閉處弧線超出等現(xiàn)象,而這些是建立拓撲關(guān)系所不允許的。因此,首先必須按照GIS軟件的要求,編輯現(xiàn)有數(shù)字地質(zhì)圖數(shù)據(jù),然后通過拓撲關(guān)系生成工具,建立地質(zhì)圖數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系。為了加入地質(zhì)屬性,首先需要確定一個公共字段作為連接屬性與圖形的關(guān)鍵字,通常將在建立拓撲關(guān)系時對點、線、面圖元統(tǒng)一編號作為公共字段。加入具體地質(zhì)屬性一般有兩種情況,一種是對已建立拓撲關(guān)系的點、線、面圖元直接輸入所對應(yīng)地質(zhì)體的地質(zhì)屬性值,這只需按所用GIS軟件的要求先定義好地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)項,再輸入屬性值即可完成;另一種情況是利用現(xiàn)成地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫。自80年代以來,有關(guān)部門曾花費大量人力財力基于地質(zhì)區(qū)調(diào)成果建成許多單一地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫,如地層數(shù)據(jù)庫、礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫等等。然而,由于地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)不易定量化及不能直觀表達,絕大部分幾乎沒有發(fā)揮過實際效益。建立GIS空間