地層信息系統數據（Geological Information System Data）可以歸類為屬性數據、幾何數據、關係數據、元數據4類，數據獲取方法可分為地表調查、鑽入調查、岩層透視調查、岩層非透視調查。
基本介紹
- 中文名：地層信息系統數據
- 外文名：Geological Information System Data
- 涉及學科：信息科學、地理
- 套用：地質學
- 分類：屬性數據、幾何數據、關係數據等
- 獲取方法：地表調查、鑽入調查等
地理信息系統,簡介,重要案例,地質信息管理系統的數據分類,數據的種類和特點,數據的分類、分層,基於GIS的數據模型,空間數據,屬性數據,空間數據與屬性數據的連線,地層信息系統的實體,基礎地質實體,地理信息系統中體的簡化,地質實體層次關係,技術方案,
地理信息系統
簡介
福建省在全國首創了“1+N”模式，即一個全省通用的城市地質信息系統，讓數據即時共享、協同辦公成為可能，為海峽西岸城市群地質調查工作打下牢固基礎。
中國地質科學院水文地質環境地質研究所張禮中研究員、國家GIS工程技術研究中心吳亮教授、福建省地質礦產勘查開發局謝含華主任與福建省城市地質“1+N”項目組組長，分別圍繞重要經濟區和城市群地質環境信息平台建設進展、地質調查信息雲服務關鍵技術研究與實踐、福建省城市地質信息系統“1+N”模式綜述以及福建省城市地質“1+N”項目實施解析等內容發表了主旨演講，並與參會代表進行了互動交流。藉助於用戶單位所做的成功經驗分享，讓其他省市單位直觀了解“1+N”模式建設方式和效果。
福建省在全省積極推進城市地質調查工作及其信息化建設，在全國首創了“1+N”模式，即一個全省通用的城市地質信息系統，各市縣在此基礎上做定製化開發。這種模式打通了各城市、各部門的“信息壁壘”，讓數據即時共享、協同辦公成為可能，為海峽西岸城市群地質調查工作打下牢固基礎。
目前，系統已在平潭、漳州、寧德三個地區取得了初步的成果在系統初步建成之後，面向政府管理、規劃人員和專業人員，為福建多個設區市地質規劃和工程選址、農業產業結構調整、 地質災害防治、地下空間利用等方面提供了豐富的地質信息服務。
福建省城市地質“1+N”創新模式，將廈門、福州等地多年建設經驗套用到通用系統中，再結合地方特點定製開發，節約了大量成本，顯著提高了城市地質信息化建設推進速度，對福建全省乃至全國的城市地質信息化建設都具有重要的借鑑和啟發意義。
重要案例
地下空間資源利用涉及基岩地質、工程地質、水文地質、地下空間、地下水資源等眾多專題，數據量大、來源廣泛、結構不一，這給城市地下科學建設帶來了很大的困難，如何提高地質信息精度深挖地質套用成為城市管理亟需解決的問題。
圖2
在此背景下，武漢中地數碼科技有限公司基於以往地質資料和新收集地質調查資料，將嘉興多專業的地質信息和成果進行集成和綜合，建設具有建庫、存儲、分析、管理、三維顯示和套用等強大功能的嘉興城市地質信息管理與服務系統。該系統利用建立的三維地質結構模型參與多方向的專業分析評價建立集信息化、採用三維數位化技術，直觀、形象的圖形圖像方式表達城市地質構造單元的時空展布特徵和各種地質參數，為政府決策和公眾需求提供信息服務，實現地質信息的科學管理。
地質信息管理系統的數據分類
GIS對數據的管理是基於圖層的，並通過關鍵欄位將空間數據和屬性數據連線起來.為了能對數據合理地分層，首先必須進行合理地分類，設立主題、亞層主題等.其次，應對每一層的空間符號(點、線、面)進行定義，制定出合理分類、分層體系。
數據的種類和特點
就其基礎資料庫而言，數據具有多源和多樣的特點，表示和反映的數據包括：
(1)地理信息(點、線、多邊形)包括地形、人文(道路、居民地等)、水文、行政區界限等;
(2)地質信息包括地層單位、地質界限類型、斷層、褶皺、岩體關係等;
(3)物探信息包括重力和磁力兩大類，主要有磁力異常、重力異常等;
(4)其他信息包括比例尺、圖例、各種地質剖面圖等.這些數據不僅具有多源性(來自於不同的行業、部門)，而且在空間上具有表現形式的多樣性(具有種類繁多的點、線、面)，以及在屬性上既有精確的、半精確的數字信息和解釋性的說明性信息.這些決定了數據標準制定的困難性和複雜性.
數據的分類、分層
以渤海區域為例，根據國家和相關行業已公布的數據標準，並考慮到地學數據的實際情況，我們規定對數據的分類、分層是按照以下的原則進行的：
(1)按地理、區域構造、重力、磁力四大類進一步劃分成若干圖層，以適應不同的需要;
(2)相同邏輯內容空間信息儘量放在一個圖層;
(3)圖層劃分要適合GIS軟體功能特點;
(4)圖層劃分要滿足我國海洋信息系統的需求.根據前述原則，將渤海地質數據劃分成地理、區域構造、重力、磁力4大主題圖層、29個亞圖層
見於下表。
類 | 圖層劃分 | 類 | 圖層劃分 |
|---|---|---|---|
地理基礎圖層 | 圖層基本信息圖層 水系圖層 交通圖層 居民地圖層 境界圖層 地形等高線圖層 海底地形等深線圖層 其他圖層 | 區域地質構造圖層 | 圍岩蝕變圖層 混合岩化帶、變質岩相帶圖層 斷層(帶)圖層 韌性變形帶圖層 褶皺圖層 礦產圖層 礦產符號圖層 其他圖素圖層 |
區域地質構造圖層 | 區域地質構造單元圖層 地層圖層 火山岩性及火山岩相 非正式地層單位地層 侵入岩圖層 岩脈圖層 | 重力圖層 | 重力測點位置及數據圖層 測區信息圖層 布格重力異常圖 |
磁力圖層 | 自由空間重力異常 測區信息圖層 磁力異常圖層 |
基於GIS的數據模型
空間數據
在GIS系統中將被地理區域所界定並具有與它相聯繫的不同屬性或特徵的空間實體，稱為空間物體.表示空間物體的數據稱為空間數據。空間數據具有空間相關、時間相關、語義相關的特點，比非空間數據的複雜性更大，它的數據組織形式具有特殊性.在本數據模型中主要有以下空間數據元素(圖元):
- 點為無區域的一種空間物體.點的一個屬性由它的地理編碼坐標來表示(如經緯度坐標、大地坐標等).點元素可表示城市、海洋鑽孔等.
- 線為由一組順序相連的點所組成的空間要素.它無寬度，地理編碼後由一組點的坐標來表示.組成線的點成為節點(node).海岸線、海底等深線、斷層、重力異常等都可以用線來表示.
- 面是一個封閉區域.在GIS中行政區域、湖泊等可用區域表示.
- 層為具有相似屬性的一組空間物體(點、線、面)的集合，如在水系圖層中海洋是由海岸線組成的，分布在海洋中的小島可用點表示.
圖3：空間對象的層次結構
在GIS中空間數據是分圖層管理的，我們採用了下列分組碼命名規則來對圖層檔案進行命名，它可以保證多幅拼接後每個圖形信息及相應屬性信息的獨立性，防止圖層名重複出現.圖層名編碼結構如圖4所示.
圖4：圖層名編碼結構
對於每個圖層中的點、線、面等圖元，除給出惟一的圖元編碼外，還按有關規定定義了其空間屬性(點符號、線形、線色等)。
屬性數據
每個圖層的圖元(點、弧段、多邊形)的性質、意義等通過屬性數據描述，這些數據的集合構成了一個圖層的屬性檔案，為保證其惟一性與相應空間圖層的相關性，採用如圖的圖層屬性檔案命名規則.編碼方式與圖層名編碼相同，識別碼採用字元，取屬性表主要含義的1個漢語拼音的首字母.對於圖層屬性表中每一個屬性欄位均按GB9649-1988中定義進行編碼。
圖5：圖層屬性檔案命名
空間數據與屬性數據的連線
圖元編號是GIS連線空間圖元和屬性的關鍵字，在兩者之中必須保持一致.圖元編碼由順序碼和識別碼兩段組成，順序碼視圖元數可取1 ~4位數字填寫;為保證多幅圖拼接相同圖元素的圖元編號不重碼，應在不同的圖幅的圖元順序前分別加識別碼.應將原有圖幅統一的順序編碼的順序號((1 ~3）作為識別碼加在圖元順序碼前構成圖元編碼.
地層信息系統的實體
在地理信息系統經典概念中，地理實體是一種在現實世界中不能再劃分為同類現象的現象，而地理目標是地理實體在資料庫中的表現[y，這裡是從現實世界與數據表達的關係的角度定義的，實體包含了抽象的現象。而實體和現象是不同的，比如岩層、岩層面等等是實在存在的，是確定的、有邊界的，而褶皺是多個岩層面表現出來的一種起伏現象，是一種抽象的概念，在現實世界中不是確定的，邊界是人為指定的。在地層信息系統中需要區分這一點，才能明確實體、數據的層次關係，因此，下面將地層信息系統中的實體和現象分別稱之為地質實體(包括人工的實體)、地質現象。
基礎地質實體
地層信息系統的基礎地質實體包括體、面、線、點。體基礎地質實體包括廣義的岩層體、人工構建築物。面基礎地質實體包括斷層面、節理面、滑坡面等，面基礎地質實體有時穿越多個體。
體、面基礎地質實體是現實世界中確定存在的，而線、點基礎地質實體是數據採集或數據表達中產生的。
廣義的岩層體
基礎地質實體中的體是構成地層信息系統的框架，廣義的岩層體應該包括地下溶洞等液體、氣態的空間，地面上的大氣也可以看作是材質為氣體的廣義的岩層體，只是地面是地層信息系統的邊界，地層信息系統不考慮大氣。
連續變化量的邊界:實際上所有地質實體的兒何邊界都是以某個或者某些屬性量為標準劃分的。地層信息系統中的屬性量，有的是離散的，這種情況下很容易確定對應的面和體的地質實體;有的是連續變化的，如各種場(各種氣態、液態流場)和量(濃度、壓力)。有時屬性量是地層信息系統中的求解目標，或者作為建模時具體岩層體的隨空間位置變化的屬性，比如求解連續變化的海水入侵時地下水的礦化度，可以不劃分成不同的岩層體;在建模時需要表達邊界時，或者在表達求解量的結果時，比如地下水發生污染，污染物濃度是連續變化的，當需要在地層信息系統中表達出污染體範圍時，通常人工指定某一濃度的邊界，由邊界的面包圍構成基礎地質實體—廣義的岩層體。這個時界線只存在於信息表達中，不存在於現實世界中。
在這種離散模型中，即使是針對離散的量，也有不確定性，很難定義清晰的區分標準，理論上可以用模糊集合理論來解決這個問題，但目前沒有套用的實例，所以邊界常常是基於個人的判斷來劃分的。
岩層體的分界:現實世界中的岩層之問的劃分實質和上面情形是一樣的，即根據屬性一一岩石的外觀、物理力學性質、化學性質進行劃分。這些屬性的變化有時不是離散的，是連續的，比如漸變的風化、變質程度等。同樣的，在不需要劃分為不同岩層體的時候，只把聲波速度、力學強度等參數作為具體岩層體的隨空問位置變化的屬性;在需要劃分時，通常是根據約定俗成的方法人為確定岩層之間的界線，比如人為認定某處岩體某個界線下為岩漿岩岩層、上面為變質岩岩層，人為區分原岩岩層、微風化岩層、弱風化岩層。
面與體基礎地質實體的轉換
斷層面、節理、滑坡面等有厚度或者張開度等兒何要素，一般情況下這些要素不重要或者差別不大而不考慮它們，只在必要時把它們作為面的統一的屬性，在需要考慮這些要素不同空問位置的變化時，就把它們作為面的隨著空間變化的屬性。這兩種情況下，這些面還是作為面處理。在某些力學計算中，節理等作為特殊的體一一無厚度單元考慮，從地層信息系統表達的角度考慮應該算作面。在斷層面、節理、滑坡面等的厚度、張開度比較可觀，或者形成了新的由類似材料構成的體時(比如斷層碎裂帶、滑坡泥層)，可以把它們作為地層信息系統的框架一一廣義的岩層體考慮，此時，這些面就是體。
地理信息系統中體的簡化
在地理信息系統中，如果區分目標與手段，就可以發現岩層體、隧道、斷層面等基礎地質實體是地理信息系統研究的目標，是預先存在的，這些都是體、面，不可能出現線和點，而在採集數據和表達數據時，可以出現線、點基礎地質實體。在採集數據時，會形成一些點、線、面、體，這些需要作為基礎地質實體在地質信息系統中表現出來，比如地質調查的採樣點和調查線路，一些物探方法反演得到剖面。採用鑽孔得到柱狀圖的過程也是數據採集，鑽孔實際上是體，但通常不需要考慮鑽孔的直徑，所以鑽孔數據在地層信息系統中表達出來是線。一些人工構築物，某些情況下必須考慮三維參數，有時可以簡化為線，截面的信息不考慮或者是作為非幾何屬性，比如一些隧道和管線在尺度很大的模型里就可以這樣處理。水文觀測井是一種體人工構築物，在大多數數值模擬中簡化為線，如果進行同位素試驗，試驗井就簡化為線源或者點源。
地質實體層次關係
地理實體的定義規定它不可再分割為同類，體地質實體是體，所以體地質實體之問的關聯—相交的部分就不可能是體。一般情況下，現實世界中的體地質實體之問的關聯是面(比如岩層面、地層面)，很少可能是線、點，面地質實體之問的關聯是線，很少可能是點。不過，在地層信息系統模型中，由於地層信息系統數據常常不完備和要保證算法健壯性，需要考慮現實世界中少見的情形。基礎地質實體之問的關聯和這些關聯之問的關聯，也是地質實體，位置是確定的。地質實體有許多要素，有的是地質實體之問的關聯，這些要素的兒何要素是確定的，比如節理的跡線，是節理面和地面或者開挖面的交線;有的不是地質實體之問的關聯，人們表達和套用這些概念時常常保留一些模糊性，不追求準確地確定它們的兒何量，即使現實中可以做到這一點也不追求，比如滑坡面的主軸線和地面的山谷線、山脊線，人們在數據採集的過程中，容許它們的兒何要素有較大的誤差，在由地質調查人員人為指定這些要素時，則更缺乏確定性了。這些非關聯要素，如果要在地質信息系統表達出來，也是地質實體。
技術方案
空間資料庫：以渤海區域為例。在渤海區域地質管理信息系統開發中，使用的GIS工具平台是MAPINFO。按照上述確定的數據模型，建立了空間數據符號庫，包括點庫、線庫(線形、線色、線寬)、面庫(填充顏色、填充形式)，由於MAPINFO的符號是以點陣圖形式出現的，因此應將符號庫轉成矢量庫，這些可通過編程或利用MAPINFO公司提供的符號編輯器完成。
其次，由於黃海、東海資料庫包括的數據量很大，如大量的地理、區域地質、物化探、地貌等數據，總數據量可達到幾千兆級。為此我們設計了在MAPINFO平台上對大量數據進行管理的技術方案，主要包括：
(1)圖層顯示控制，
(2)圖層的分層設計，
(3)使用索引圖層等。
最後，在每一層數位化過程中，根據編碼原則對圖元進行了編碼，這樣較好地實現了空間數據與屬性數據的連線。
屬性資料庫:圖層屬性數據是對各圖層中圖元的說明，是描述各圖層基本屬性的數據集合。MAPINFO既可以形成內部屬性庫，也可以外接關係資料庫.在系統的開發過程中，我們採用了外接ACCESS資料庫方案.這樣做的優點是保持了屬性資料庫的相對獨立，便於資料庫的管理、維護，也有利於進一步對資料庫的二次開發.
屬性數據既有定性數據，也有定量數據，為了對數據形成準確的描述，我們引進了基礎表，每一個屬性表可以有多個基礎表.基礎表是專門用來管理具有表值的屬性的.將具有表值的屬性作為實體集，建立起新的資料庫，即基礎表。一個表值包括一系列單個數據項.引入基礎表的目的主要是使所有資料庫都更加規範化。圖層屬性表與基礎表之間的關係如:6表示。每一個表的格式也並不完全固定，用戶可以根據需要增加或減少其中的欄位。
圖6：圖層屬性表與基礎表之間的關係
