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) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2.吉林大學(xué) 綜合信息礦產(chǎn)預(yù)測研究所，長春 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.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；6.北京創(chuàng)時空科技發(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)圖制圖綜合的耗費時間長、效率低、定制服務(wù)不及時等缺點[2]，國內(nèi)外針對計算機輔助地質(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[4]、制圖專業(yè)知識構(gòu)建地質(zhì)專家知識模型[5]，模擬地質(zhì)專家的思維，從而實現(xiàn)智能化地質(zhì)體制圖綜合。筆者對使用地質(zhì)專家知識進(jìn)行面狀地質(zhì)體自動綜合方法開展進(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)專家知識的驅(qū)動下，實現(xiàn)提升地質(zhì)圖制圖綜合效率。

1 基于專家知識的地質(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、地質(zhì)圖制圖、地質(zhì)專家知識[7]等多種技術(shù)進(jìn)行融合，以地質(zhì)演化關(guān)系知識為核心進(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)專家知識的驅(qū)動下[11]，采用計算機自動化和人機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面狀地質(zhì)體的綜合處理，基于制圖綜合知識、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，對面狀地質(zhì)體的幾何圖形進(jìn)行自動或半自動的合并(融合、聚合等)[12]、夸大、消除、簡化、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)系知識構(gòu)建，地質(zhì)演化關(guān)系知識包含了專家的專業(yè)理論、認(rèn)知以及豐富的經(jīng)驗[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)系知識構(gòu)建成專家知識模型，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)專家知識演化的精髓，是采用計算機軟件實現(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(代號及名稱)、源圖(代號及名稱)、子類型標(biāo)識、重要性標(biāo)識。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)行匹配用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)繼承、約束、綜合和更新等，支撐計算機進(jìn)行知識識別，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。可以實現(xiàn)地質(zhì)體的屬性自動更新、自動實現(xiàn)地質(zhì)體的同屬性合并、根據(jù)重要性標(biāo)識判斷地質(zhì)體是否需要刪除或夸大、根據(jù)子類型標(biāo)識可以判斷地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系。

表1 地質(zhì)演化關(guān)系模型實例

3 知識驅(qū)動的地質(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自動合并[18]，字段值是嚴(yán)格按照筆者所設(shè)計的地質(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同屬性合并與人機交互式合并。

自動同屬性合并當(dāng)需要處理大量空間相鄰且屬性相同的地質(zhì)體時，計算機自動完成相同屬性的地質(zhì)體的合并。圖2顯示了自動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，可以采用人機交互式合并。

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的地質(zhì)體中。圖4顯示了合至長邊法的基本原理，左圖可知小地質(zhì)體B與地質(zhì)體A擁有最長公共邊，小地質(zhì)體G與地質(zhì)體C擁有最長公共邊，小地質(zhì)體I與地質(zhì)體H擁有最長公共邊，小地質(zhì)體F與地質(zhì)體E擁有最長公共邊。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.綜合多個與單個大地質(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.合至長邊的結(jié)果。圖4 合并小地質(zhì)體至擁有公共邊最長的大地質(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)體邊界簡化-地質(zhì)體邊界圓滑”兩個步驟實現(xiàn)[20]。邊界簡化的本質(zhì)是減少邊界點的個數(shù)以達(dá)到精簡的目的[21]，地質(zhì)體圓滑是通過對邊界線元組成線段來實現(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)庫等作為實驗數(shù)據(jù)，在專家知識的驅(qū)動下對地質(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、子類型標(biāo)識、重要性標(biāo)識等主要字段。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潔。在實際應(yīng)用中，還可用地質(zhì)體代號、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

對圖面上面積小但重要的地質(zhì)體進(jìn)行夸大是一項非常實用的工具。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交互式實現(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)計了以地質(zhì)專家知識為核心驅(qū)動力的地質(zhì)體智能綜合框架，并將地質(zhì)專家知識以二維地質(zhì)演化關(guān)系表形式構(gòu)建核心編圖知識模型。

(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全面融入技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)專家知識驅(qū)動下的地質(zhì)體制圖綜合。

(3)以1∶5萬真實地質(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)，以往耗時長的重復(fù)性操作被自動化算法秒級完成，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，驗證了以地質(zhì)專家知識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。