徐 可王永志陳圓圓陳堂雷蔣作瑞

1.吉林大學地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130061;2.吉林大學綜合信息礦產(chǎn)預測研究所,吉林 長春 130061;3.河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院,河北 廊坊 065000;4.北京創(chuàng)時空科技發(fā)展有限公司,北京 100083

地質(zhì)圖編制是一項復雜的專業(yè)性系統(tǒng)工程(王家耀等,2011;李廷棟,2011),重復性工作量巨大且專業(yè)性要求高。為了提高工作效率和制作效果,GIS軟件中的地圖綜合模塊在計算機輔助制圖過程中起到了重要作用(毋河海,2012;王忠蕾等,2012;劉素楠和李通國,2014;艾廷華,2016),但其處理邏輯簡單難以滿足地質(zhì)圖編制專業(yè)級要求。近年來,制圖專家一直在探索采用人工智能方法協(xié)助地質(zhì)圖編圖(應申和李霖,2003;王家耀等,2005;王家耀和錢海忠,2006;武芳等,2017),將基于規(guī)則(李麗,2018)、基于模型(何文娜等,2020a;黃新文等,2020)、基于知識(王楊剛等,2019;楊星辰等,2020a)等制圖方法融入地質(zhì)圖編制工作中,使得地質(zhì)編圖過程更為科學、智能。為了有效提升地質(zhì)編圖工作中地質(zhì)體綜合的工作效率(柯學等,2008;鄒勝武等,2013;游晉卿等,2015;何文娜等,2019;李仰春,2020;楊星辰等,2020b),文章提出了一種將制圖綜合方法和地質(zhì)約束條件(以專家知識形式體現(xiàn))相結(jié)合實現(xiàn)地質(zhì)體智能綜合的方法,在地質(zhì)代號、地質(zhì)年代等地質(zhì)專家知識和編圖規(guī)則驅(qū)動下,自動或交互完成屬性相同或相近、空間相鄰地質(zhì)體合并等任務,為人機交互式快速完成地質(zhì)體綜合提供了一種新型工作模式。

1 地質(zhì)約束條件下的地質(zhì)體綜合框架

在地質(zhì)圖縮編工作中,處理的核心是面狀地質(zhì)體(張思科等,2009;翁正平,2013),單個地質(zhì)體或多個地質(zhì)體處理后形態(tài)要與原始地質(zhì)體保持幾何相似性,同時每個地質(zhì)體的地質(zhì)年代、巖石名稱等屬性數(shù)據(jù)更新結(jié)果要符合地質(zhì)規(guī)律,這些處理涉及地層、巖體、礦床等形態(tài)、分布和相互關系等(Winchester,2002)。地質(zhì)體的處理主要以地質(zhì)體的一個或多個重要屬性(如地質(zhì)代號)為依據(jù),采用化簡、概括、位移、刪除等地圖制圖的綜合方法完成,即同時從空間形態(tài)、屬性值上對地質(zhì)體進行綜合(王家耀等,2014),實現(xiàn)大比例尺到小比例尺的地質(zhì)圖縮編或同比例尺其他專題圖件的編制(劉立國等,2011;陳圓圓等,2021)。

為了將制圖專家從耗時費力的地質(zhì)體綜合工作中解放出來,文章借助人工智能、地圖制圖、地圖可視化、地質(zhì)專家知識等跨學科的多種技術融合的優(yōu)勢,以地質(zhì)專家知識作為重要約束條件驅(qū)動地質(zhì)體的綜合任務(合并、夸大、移除等)。起重要約束條件的地質(zhì)知識包括地質(zhì)格架、構(gòu)造單元、地層分區(qū)、巖漿演化、斷裂系統(tǒng)等內(nèi)容(黃輝等,2021),地質(zhì)代號、地質(zhì)單位名稱、地質(zhì)年代、類型標識等專家知識和原始地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)一起作為數(shù)據(jù)輸入,由智能算法驅(qū)動地質(zhì)體綜合過程的完成(圖1)。地質(zhì)體智能綜合采用自動化無人值守和人機交互式兩種方式合作完成同屬性相鄰地質(zhì)體合并、屬性相近相鄰地質(zhì)體合并。此外,亦可在地質(zhì)約束條件下完成夸大地質(zhì)體、微小地質(zhì)體消除等地質(zhì)體綜合任務。

圖1 地質(zhì)約束條件下的地質(zhì)體智能綜合框架Fig.1 Framework of using geology-constrained intelligence to merge geologic bodies

2 地質(zhì)體智能綜合方法

地質(zhì)體智能綜合方法包括對地質(zhì)體開展的同屬性合并、交互式選擇合并、繪圖合并、消除微小地質(zhì)體、夸大小地質(zhì)體等多種方法,文章以前三種方法為例加以說明。

2.1 同屬性合并

同屬性合并是地質(zhì)體智能綜合的重要任務之一,是指對兩個以上屬性相同且空間上相鄰的地質(zhì)體進行自動化合并,可對全圖或指定范圍的多個地質(zhì)體按指定的一個或多個屬性字段快速、自動合并(孟祥卉等,2020),這些字段值是從大比例尺地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中經(jīng)屬性繼承提取并更新過來的專家知識(巖石名稱等)。將指定的屬性相同、空間范圍相鄰的地質(zhì)體(圖2a)合并形成新的更大一些的地質(zhì)體(圖2b),即屬性相同的A1、A2、A3合并生成A,B1、B2、B3合并形成B,C1、C2消除邊界創(chuàng)建了C,根據(jù)地質(zhì)專家知識中的源圖幅到目標圖幅的地質(zhì)代號、地質(zhì)時代等映射關系,為合并后的地質(zhì)體賦予符合地質(zhì)規(guī)律的新屬性(如新的地質(zhì)代號);D、E未發(fā)生改變。此操作適用于快速完成大數(shù)據(jù)量的地質(zhì)體的智能合并。

圖2 同屬性合并原理圖Fig.2 Diagram of merging geologic bodies with the same properties. (a) Original geologic body data. (b) Merging result of the geologic bodies with the same properties

同屬性合并一般是對一個地質(zhì)體圖層中所有要素或部分符合條件的要素進行的自動化的處理,其完成任務的偽代碼如下:

(1)獲得地質(zhì)體集合D;

(2)創(chuàng)建合并后地質(zhì)體保存集合N;

(3)從集合N中提取屬性字段集合F=∑Fi,i=1,2,…,n;

(4)選擇用于合并的字段集合C(C∈F,C=∑Cj,j=1,2,…,m,m＜n);

(5)提取符合條件集W的地質(zhì)體子集G(G∈D∩W,G=∑Gt,t=1,2,…,p,W=∑Wk,k=1,2,…,q);

(6)從子集G中提取下一個地質(zhì)體Gt;

(7)若Gt為空(最后一個地質(zhì)體后面),則執(zhí)行步驟(15);

(8)Gt地質(zhì)體非空,則提取與之空間相鄰的地質(zhì)體集合E(E=∑Er,r=1,2,…,v);

(9)提取E的下一個要素Er;

(10)若Er為空,則執(zhí)行(13);

(11)若Er未合并過,則計算Ns+Gt∪Er;

(12)執(zhí)行步驟(9);

(13)為Ns屬性賦值,將Ns保存至地質(zhì)體集合N;

(14)執(zhí)行步驟(6);

(15)清除內(nèi)存,結(jié)束合并任務。

2.2 交互式選擇合并

當合并少量空間相鄰、屬性相同或相近的地質(zhì)體時,可采用較同屬性合并更為靈活的交互式選擇綜合方法。在圖3a中選擇兩個空間相鄰、屬性相同或相近甚至不同的地質(zhì)體B2、B3,合并形成了圖3b中一個新的地質(zhì)體B,屬性可用兩個原地質(zhì)體的屬性映射值或重新賦值。A1、A2、A3、C1、C2、C3等未被選中則無變化。此方法適用于小范圍、綜合考慮地質(zhì)知識的較復雜合并任務(如接邊)。

圖3 交互式選擇合并原理圖Fig.3 Merging diagram of interactively selected geological bodies. (a) Original geologic body data. (b) Merging result of the selected geologic bodies

2.3 繪圖合并

在地質(zhì)圖編制時(如縮編),經(jīng)常需要對空間不相鄰、屬性相同或相近的多個非重要小地質(zhì)體進行處理,受不同地質(zhì)圖可視化規(guī)則制約(如小比例尺),在合并成一個新的較大地質(zhì)體后,該地質(zhì)體的幾何形態(tài)仍需真實反映原始多個小地質(zhì)體的空間分布效果?？刹捎枚鄠€地質(zhì)體的外包絡邊界或在其外圍繪制一個覆蓋所有小地質(zhì)體的新地質(zhì)體以完成綜合;經(jīng)融合實現(xiàn)綜合的地質(zhì)體屬性可由被合并的一個小地質(zhì)體的關聯(lián)地質(zhì)知識映射得到,亦可賦予新值。在圖4中,屬性相同的3個地質(zhì)體B1、B2、B3被融入新繪制的地質(zhì)體B中。對于多個屬性不完全相同(屬性相近)的小地質(zhì)體(如圖5a中D1、D2、E),需編圖專家干預并確認后,方可被融入新地質(zhì)體內(nèi)(如圖5b所示)。

圖4 繪圖合并原理圖(屬性相同)Fig.4 Diagram of merging geologic bodies with the same property into a drawn bigger polygon. (a) Original small geologic bodies with the same properties. (b) Merging small geological units with the same property into a drawn outer polygon

圖5 繪圖合并原理圖(屬性相近)Fig.5 Diagram of merging geologic bodies with similar properties into a drawn bigger polygon. (a) Original small geologic bodies with similar properties. (b) Merging small geologic bodies with similar properties into a drawn outer polygon

3 數(shù)據(jù)驗證及效果分析

3.1 實現(xiàn)技術

地質(zhì)體智能綜合算法集成了地質(zhì)、地學信息、計算機、制圖等多領域的交叉學科技術(王楊剛等,2019;何文娜等,2020b),以軟件功能形式呈現(xiàn)和使用。地質(zhì)體智能綜合算法模塊基于MapGIS K10桌面組件,使用Visual Studio 2013作為開發(fā)工具,采用面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言C#編程實現(xiàn),數(shù)據(jù)庫采用易于移動的Access。此外,還基于ArcGIS Engine 10.X開發(fā)了ArcGIS版智能地質(zhì)編圖軟件。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

以中國地質(zhì)調(diào)查局提供的1∶5萬的內(nèi)蒙古北山地區(qū)雙紅山幅(K47E010007)和青山幅(K47E011007)兩幅地質(zhì)圖作為實驗數(shù)據(jù)(雙紅山幅包含621個圖元、青山幅包含366個圖元),開展地質(zhì)約束條件下的地質(zhì)體智能綜合算法驗證。兩幅數(shù)據(jù)使用西安1980坐標系、投影類型為高斯-克呂格 (橫切橢圓柱等角)投影、數(shù)據(jù)格式為MapGIS,地質(zhì)體圖層的屬性含有地質(zhì)年代、地質(zhì)代號、地質(zhì)單位名稱、子類型標識、重要性標識等主要字段。對兩幅地質(zhì)圖數(shù)據(jù)配套報告進行深入分析,從中提取出地質(zhì)專家知識,整理并保存在按上述屬性建立的結(jié)構(gòu)化的地質(zhì)演化關系表中,導入到數(shù)據(jù)庫后由地質(zhì)體智能綜合模塊自動調(diào)用。

3.3 效果分析

(1)同屬性合并

采用青山幅(K47E011007)作為輸入數(shù)據(jù),以地質(zhì)年代作為綜合字段進行同屬性合并實驗(李鐵鋼,2004;徐志剛等,2020;董培培,2021)。對比合并前后的圖件(圖6)可以看到,圖幅上部地質(zhì)年代為晚石炭世(C2)的多個地質(zhì)體全部被合并,中下部地質(zhì)年代為早石炭世(C1)的若干個地質(zhì)體亦被合并為一個整體,地質(zhì)體的數(shù)量明顯減少,圖面表達更為簡潔。 “一鍵操作”的同屬性合并功能在地質(zhì)知識驅(qū)動下完成,即基于原始數(shù)據(jù)、目標數(shù)據(jù)之間地質(zhì)代號、地質(zhì)年代等地質(zhì)專家知識的約束,對原始地質(zhì)體進行空間要素、屬性數(shù)據(jù)的智能化高效合并。

圖6 同屬性合并效果對比圖Fig.6 The original geologic body data (a) vs. the merging result of geologic bodies with the same properties (b)C1-the early Carboniferous;> C2-the late Carboniferous;> T3-the late Triassic;> Qh-the Holocene

(2)交互式選擇合并

以雙紅山幅(K47E010007)數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù),對其開展人機交互選擇的地質(zhì)體合并操作。選擇多個地質(zhì)年代為早石炭世(C1)的小地質(zhì)體(圖7a),并將其綜合成一個新的地質(zhì)體的結(jié)果(圖7b),其他未涉及的地質(zhì)體則不受影響。

圖7 交互式選擇合并效果對比圖Fig.7 The original geologic body data (a) vs. the merging result of selected geologic bodies C1-the early Carboniferous;> C2-the late Carboniferous;> D2-the middle Devonian;> S3-the late Silurian

(3)繪圖合并

以雙紅山幅(K47E010007)作為原始數(shù)據(jù)(圖8a),在圖中地質(zhì)代號為γπ(花崗斑巖脈)的兩個小地質(zhì)體外圍繪制多邊形,綜合效果顯示在圖8b中;亦可用兩個小地質(zhì)體的外包絡線生成新地質(zhì)體實現(xiàn)綜合。綜合后的地質(zhì)體屬性要符合該區(qū)域的地質(zhì)規(guī)律,可繼承某個小地質(zhì)體的屬性(如地質(zhì)代號)或賦以新值。以圖9a為例,地質(zhì)代號為γπ的地質(zhì)體與其鄰近地質(zhì)代號為ηγ(二長花崗巖)的地質(zhì)體合并后,目標地質(zhì)體的地質(zhì)代號為ηγ(圖9b)。

圖8 繪圖合并效果對比圖(屬性相同)Fig.8 The original geologic body data (a) vs. the merging result of small gologic bodies with the same property into a drawn outer polygon (b)γπ-granitic porphyry dike

圖9 繪圖合并效果對比圖(屬性相近)Fig.9 The original geologic body data (a) vs. the merging result of small gologic bodies with similar properties into a drawn outer polygon (b)γπ-granitic porphyry dike;> ηγ-monzonitic granite

4 結(jié)論

(1)為了提高地質(zhì)圖編制過程中地質(zhì)體的合并速度,文章提出了地質(zhì)約束條件下的地質(zhì)體智能合并方法,設計了基于地質(zhì)專家知識的地質(zhì)體智能綜合框架。

(2)以地質(zhì)專家知識為核心約束條件,設計了同屬性合并、交互式選擇合并、繪圖合并三種主要的地質(zhì)體綜合方法,基于MapGIS實現(xiàn)了桌面版地質(zhì)體智能綜合模塊。

(3)采用北山地區(qū)兩幅1∶5萬的地質(zhì)圖作為數(shù)據(jù)源,對地質(zhì)體的智能綜合模塊進行驗證,經(jīng)測試地質(zhì)體智能綜合方法幾何形態(tài)符合地質(zhì)規(guī)律、地質(zhì)知識數(shù)據(jù)映射結(jié)果正確,可極大提升地質(zhì)體綜合效率。

目前,地質(zhì)體智能綜合模塊已在智能地質(zhì)編圖軟件中發(fā)布且已投入使用,后續(xù)將繼續(xù)完善和增加新的地質(zhì)體、地質(zhì)界線等綜合模塊,為地質(zhì)圖編制人員提供了更大便利。