沈雪華，姚春彥

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

地質(zhì)調(diào)查資料豐富，種類繁多。隨著3S技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，虛擬數(shù)字地球已經(jīng)成為現(xiàn)實，利用虛擬數(shù)字地球，結(jié)合實際地形地物以三維的形式展示地質(zhì)數(shù)據(jù)成果，便可以更好地利用已有數(shù)據(jù)資源，挖掘潛在信息(呂小婷等，2012)。

Google Earth(GE)能夠?qū)崿F(xiàn)立體三維遙感影像空間展示，目前已經(jīng)在城市安全、防震減災(zāi)、水文、油氣等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(銀正彤等，2009;朱升等，2010;Chien et al，2011;Liu et al，2013)。在地學(xué)領(lǐng)域，虛擬技術(shù)正在成為構(gòu)造地質(zhì)可視化的一項標(biāo)準(zhǔn)流程，已經(jīng)實現(xiàn)利用GE建立構(gòu)造地質(zhì)可視化符號和曲流河地質(zhì)知識庫，為地質(zhì)勘查提供了便利(石書緣等，2012;王俊鋒等，2014;Blenkinsop，2012)。

由于地質(zhì)資料的多樣性，統(tǒng)一管理和三維展示存在一定的困難。GE具有友好的交互界面，便于用戶在一個符合真實情況的三維虛擬地球中進(jìn)行瀏覽、下載、標(biāo)記地理要素等操作，為地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和展示提供了極大的便利。特別是在地形地貌條件惡劣的地區(qū)，利用GE可以足不出戶地瀏覽區(qū)域三維地形地貌、圈定勘查靶區(qū)、測量目標(biāo)區(qū)巖層的產(chǎn)狀，解決了勘查難度大、效率低的問題(蒲浩等，2012)。

本次研究探討將多種地質(zhì)數(shù)據(jù)通過 GPS信息定位集成化，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為GE支持的 KML格式，以GE為平臺將地質(zhì)信息直觀展示。由于GE影像更新頻率較高，可以近乎實時地看出目標(biāo)區(qū)的變化情況，為地質(zhì)信息分析與決策提供參考。

1 地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)導(dǎo)入GE的方法

GE的文件格式為KML，用戶數(shù)據(jù)導(dǎo)入GE中時，需要轉(zhuǎn)換為KML格式。

1.1 KML格式

KML是GE支持的主要文件格式，是 Keyhole標(biāo)記語言(Keyhole Markup Language)的縮寫，是一種基于XML語法和文本文件格式的文件，用來保存和描述諸如點、線、面、圖片等地理信息。目前，絕大多數(shù)虛擬地球都采用KML格式來描述地理目標(biāo)，GE也不例外。KML可以通過人工交互和計算機程序自動生成，人工交互是在GE中采用不同的工具繪制出相應(yīng)的地理要素，然后將這些地理要素保存為KML文件;后一種方式則是通過計算機程序?qū)⒂脩魯?shù)據(jù)自動生成KML文件，然后導(dǎo)入GE中。采用計算機程序可以產(chǎn)生更復(fù)雜的地理要素類型，同時減少人工干預(yù)所帶來的誤差，更為高效和精確。

地理要素由點、線和多邊形等幾何元素組成，數(shù)字地球中一般通過空間地理位置和屬性來表達(dá)。KML文件可包括點、線串、線環(huán)、多邊形、模型、集合6種圖元(表1)(Zhu et al，2014)。點是最基本的圖元，表征一個空間位置，由經(jīng)度、緯度定義。其余的圖元均是由多個點構(gòu)成，一些圖元又可以看作是其他圖元的子元素，例如線串由一系列的點構(gòu)成，線環(huán)包含多個線串，多邊形由多個閉合的線環(huán)組成，集合則可以包含前5種圖元中的1個或多個。

表1 KML幾何元素的類型Table 1 Types of KML geometric elements

1.2 KML格式文件生成方法

生成 KML格式文件的方法較多，可以按照XML語言直接編寫，也可以借助第三方軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。XML語言比較專業(yè)，一般接觸甚少，難以廣泛推廣使用。故絕大多數(shù)GE用戶都是通過第三方軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為KML格式，使用如ArcGIS、MapInfo、Global Mapper等軟件，根據(jù)位置生成地理要素后轉(zhuǎn)為KML或KMZ格式，再導(dǎo)入到GE中(Ballagh et al，2011)。

筆者采用后一種方法，但使用效率更高的GMT(The Generic Mapping Tools)軟件，這是一款功能強大而開源的繪圖軟件，除具有圖形美觀、色彩強烈、組織靈活、移植性強等特點外，還具有數(shù)據(jù)分析功能，支持多種地圖投影，可由命令行、腳本和用戶程序調(diào)用，能繪制出非常漂亮的2D和3D圖形，具有很強的適應(yīng)性，是制作高質(zhì)量圖件的最佳工具之一(趙桂儒等，2012;蘇鶴軍等，2013)。本次研究用到其中的gmt2kml命令和ps2raster命令。gmt2kml可實現(xiàn)地理信息轉(zhuǎn)化為點、線、多邊形，并生成KML文件，用戶可根據(jù)需要選擇不同的參數(shù)，并對各種要素進(jìn)行修飾，以獲得更美觀并符合要求的結(jié)果。ps2raster則可將 PS、EPS，BMP，JPEG，PDF，PNG，PPM，TIFF等格式轉(zhuǎn)換為KML格式。實踐證明，基于命令格式的GMT軟件具有功能強大、應(yīng)用簡單、可擴展性強的特點，可以很好地服務(wù)于地質(zhì)、地球物理等行業(yè)。

1.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

我國的地質(zhì)調(diào)查工作多采用北京54或西安80坐標(biāo)(x，y，z)，而 GE 支持 WGS－84 坐標(biāo)(B，L，H)，二者使用的橢球不同。因此，利用坐標(biāo)將地質(zhì)信息集成到GE中，首先需要將我國使用的國家坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS－84經(jīng)緯度坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在同一個橢球里是嚴(yán)密的，但不同的橢球之間轉(zhuǎn)換則不嚴(yán)密。國家坐標(biāo)系與WGS－84坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換就存在嚴(yán)密性問題，因為它們分屬不同的橢球，存在平移、旋轉(zhuǎn)和縮放的關(guān)系。常用的方法有三參數(shù)法和七參數(shù)法。相比而言，七參數(shù)法是比較嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換方法，它充分考慮了兩個坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等因素，保證了轉(zhuǎn)換的精度(徐紹銓等，2003;姜衛(wèi)平等，2008)。計算一個地區(qū)的七參數(shù)至少需要3個以上的已知點。如果工作區(qū)范圍不大(通常最遠(yuǎn)跨度不大于30 km)，此時可以使用三參數(shù)轉(zhuǎn)換法，即只考慮平移，而忽略掉旋轉(zhuǎn)和縮放，所以三參數(shù)只是七參數(shù)的一種特例。

2 應(yīng)用

2.1 復(fù)雜地區(qū)地質(zhì)調(diào)查前期研究與規(guī)劃

利用GE的高清影像，可為地質(zhì)調(diào)查工作進(jìn)行前期規(guī)劃。首先可以查看地形地貌，圈定勘查區(qū)范圍。特別是在地形、地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)，通過GE對工作區(qū)開展預(yù)調(diào)查，將收集到的地質(zhì)、遙感等資料轉(zhuǎn)換為KML格式并導(dǎo)入GE，建立解譯標(biāo)志，篩選出重要的地質(zhì)點，為后面的實際調(diào)查提供指導(dǎo)。其次，地質(zhì)工作一般需要校正GPS，實現(xiàn)國家或地方坐標(biāo)系下的精確定位。校正之前將GPS控制點轉(zhuǎn)入GE，可以看到控制點所處的位置，例如后期人文破壞情況、目前的通行情況，可以使工作更高效、更輕松。另外，還可通過GE提取巖層分界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用最小二乘原理對巖層面方程進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合出的平面方程初步計算出巖層產(chǎn)狀要素(蒲浩等，2012)。對于部分有疑義的擬合結(jié)果進(jìn)行實地勘測校正。

該功能尤其適用于境外地質(zhì)調(diào)查項目。近年來，越來越多的外方機構(gòu)在礦產(chǎn)資源領(lǐng)域與我國開展合作，迎來了一大批境外地質(zhì)勘查項目 (龔德奎等，2013;羅晗等，2014)。圖1是南美地區(qū)秘魯境內(nèi)安第斯山脈某區(qū)圈定的勘查靶區(qū)。該區(qū)海拔高度平均在4 000 m左右，地形切割劇烈，地質(zhì)調(diào)查工作難度大。借助于GE，可以查看工作區(qū)的三維高清影像，進(jìn)而觀察區(qū)內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合已有地質(zhì)資料，圈定主要勘查靶區(qū)，提高工作效率。

圖1 勘查靶區(qū)圈定Fig.1 Delineation of exploration targets

2.2 地質(zhì)路線數(shù)據(jù)管理

地質(zhì)調(diào)查定位采用的GPS可以記錄所經(jīng)過的航跡。航跡由一系列的位置點組成，包括日期、時間、經(jīng)度、緯度、海拔高度等信息。將航跡導(dǎo)入GE，結(jié)合高清影像中的地物，可以更好地管理和分析地質(zhì)現(xiàn)象。

圖2是江蘇金壇盆地內(nèi)某一條地質(zhì)路線調(diào)查的航跡，在GE中可以直觀地看出工作路線及地形地貌，其立體效果是常規(guī)平面地形圖所不能比擬的，且可在此基礎(chǔ)上調(diào)整確定下一步工作的路線。

2.3 地球物理數(shù)據(jù)管理與顯示

現(xiàn)階段的地質(zhì)調(diào)查項目一般都會輔以地球物理勘探。地球物理方法是地質(zhì)勘查不可或缺的技術(shù)支撐，深部勘探尤為重要。地質(zhì)調(diào)查一般只能看到地表，對深部無能為力，必須依靠地球物理勘探技術(shù)。傳統(tǒng)的管理方式是將地球物理勘查區(qū)的位置投影到平面地形圖上，其成果圖件形成單獨的文件。解釋時需要結(jié)合地形圖，查看地球物理異常位置的地形地物，判斷解釋的正確性與合理性。如果將地球物理數(shù)據(jù)或圖件轉(zhuǎn)成KML格式，貼在Google Earth的三維地表模型上，有助于提高地球物理成果解釋的可靠性與準(zhǔn)確性(圖3)。

圖2 地質(zhì)路線調(diào)查三維航跡Fig.2 3D track of geological route survey

圖3 基于GE的磁法測量成果展示Fig.3 Display of magnetic measurement results based on Google Earth

3 結(jié)論

在全面分析前人應(yīng)用GE的基礎(chǔ)上，提出將GE用于管理和顯示地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。由于GE有特定的格式，必須將各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其支持的格式。地質(zhì)調(diào)查資料種類繁多，將大量且格式多樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GE支持的KML格式并非易事?；诿钚械腉MT軟件具有1個命令行便可實現(xiàn)單個或批量不同格式的文件轉(zhuǎn)換，實用且高效。其 gmt2kml和ps2raster命令可將文本、柵格、矢量等相關(guān)數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化為KML文件。應(yīng)用實例表明，借助于GE虛擬三維地球模型，不僅有助于提高地質(zhì)調(diào)查工作的效率，還能改善推斷成果的可靠性和準(zhǔn)確性，從而提升成果的質(zhì)量。在復(fù)雜地區(qū)或境外地質(zhì)工作中，GE的作用更為明顯。

GE作為目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)，已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。通過GE的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)和本地數(shù)據(jù)共享，可實現(xiàn)地質(zhì)調(diào)查過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的管理和三維可視化，為后續(xù)多元地學(xué)數(shù)據(jù)分析提供參考，在提高工作效率、降低工作成本的同時，還可豐富工作成果。在未來的地質(zhì)工作中，應(yīng)當(dāng)更多地利用GE平臺，充分發(fā)揮其海量數(shù)據(jù)管理和三維顯示功能。

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