基于专家知识的地质体制图综合方法研究

陈堂雷，王永志,2，徐可，陈圆圆，苏钧驿，李仰春，蒋作瑞

1.吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026；2.吉林大学 综合信息矿产预测研究所，长春 130026；3.河北省区域地质调查院，河北 廊坊 065000；4.合肥工业大学 软件学院，合肥 230601；5.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；6.北京创时空科技发展有限公司，北京 100083

0 引言

在地质图缩编过程中，需要对部分地质体进行综合处理(如合并、移除、夸大等)[1]，以保证地质体空间分布的一致性、几何形态相似性等特性。为克服传统地质图制图综合的耗费时间长、效率低、定制服务不及时等缺点[2]，国内外针对计算机辅助地质图制图综合方法进行了深入的研究，直接使用ArcGIS等GIS软件或在其中加入插件以满足制图需要，但难以满足地质图制图综合的复杂逻辑，且不易解决重复操作多、周期长等问题。人工智能技术为解决此问题开辟了一条新思路[3]，基于地质专业知识[4]、制图专业知识构建地质专家知识模型[5]，模拟地质专家的思维，从而实现智能化地质体制图综合。笔者对使用地质专家知识进行面状地质体自动综合方法开展进一步的研究，采用智能算法[6]、制图综合等技术，在地质专家知识的驱动下，实现提升地质图制图综合效率。

1 基于专家知识的地质体制图综合框架

地质体制图综合方法将人工智能、数据驱动、地质图制图、地质专家知识[7]等多种技术进行融合，以地质演化关系知识为核心进行智能化地质体制图综合工作。将编图单位划分精度、地质体要素归并原则、地质年代演化原则以及国家标准文件等整理成地质演化关系模型，作为数据与原始地质图一并输入[8]，使得原始图幅的属性得到继承、更新，再结合ArcGIS Engine[9]、ADO.NET、OLEDB等组件、自研算法[10]以及其他相关技术，在地质专家知识的驱动下[11]，采用计算机自动化和人机交互式的方式完成地质体同属性合并、消除微小地质体、地质体夸大以及地质体圆滑等地质体制图综合功能，其基本框架如图1所示。

图1 基于专家知识的地质体综合制图框架Fig.1 Framework of geological body mapping generalization based on expert knowledge

2 地质演化关系模型

地质体制图综合方法处理的核心是对面状地质体的综合处理，基于制图综合知识、GIS技术及自主研发的智能算法，吸纳地质规律、空间关系、属性值等因素，对面状地质体的几何图形进行自动或半自动的合并(融合、聚合等)[12]、夸大、消除、简化、平滑、缝隙区填充等一系列处理，最终输出符合制图要求的地质体图层及相关数据库。地质体智能制图综合的过程需参考地质演化关系模型[13]，地质演化关系模型由地质演化关系知识构建，地质演化关系知识包含了专家的专业理论、认知以及丰富的经验[14]。编图专家根据研究目的和应用需求[15]，制定思想和规则，其中包含编图单位划分精度、地质体要素归并原则等。为达成智能化地质体制图综合的目的，最终将地质演化关系知识构建成专家知识模型，以地质演化关系模型为核心，应用到地质体制图综合方法中。

地质演化关系模型是经过地质专家知识演化的精髓，是采用计算机软件实现智能化地质体制图综合，该模型反映了地质专家的综合思想，严格控制着地质体智能制图综合的过程，最终形成科学性图件。表1显示了地质演化关系模型实例 (少斜沟幅K47E011007)，该模型为二维表，从左到右依次为地质年代、目标图(代号及名称)、源图(代号及名称)、子类型标识、重要性标识。该模型充分反映了源图层与目标图层之间的属性映射关系，由地质专家按照统一标准进行编制[16]。依据此模型将源图地质体的属性特征与目标地质体的属性特性进行匹配用以实现数据继承、约束、综合和更新等，支撑计算机进行知识识别，并根据地质演化关系模型执行地质体制图综合。可以实现地质体的属性自动更新、自动实现地质体的同属性合并、根据重要性标识判断地质体是否需要删除或夸大、根据子类型标识可以判断地质体之间的接触关系。

表1 地质演化关系模型实例

3 知识驱动的地质体制图综合方法

3.1 地质体合并

地质体合并即将空间相邻、属性相同的地质体进行合并[17]，可对全图或指定范围的多个地质体按指定的一个或多个属性字段自动合并[18]，字段值是严格按照笔者所设计的地质演化关系模型经属性继承、提取并更新而得到的。其合并方式可分为自动同属性合并与人机交互式合并。

自动同属性合并当需要处理大量空间相邻且属性相同的地质体时，计算机自动完成相同属性的地质体的合并。图2显示了自动同属性合并的基本原理，地质体Aa、Ab、Ac合并成目标地质体A，地质体Ba、Bb合并成地质体B，地质体Ca、Cb合并成地质体C。

人机交互式合并当需要处理少量空间相邻且属性相同或相近甚至不同的地质体时，可以采用人机交互式合并。

a.原始地质体数；b.同属性合并的结果。图2 地质体自动同属性合并基本原理图Fig.2 Fundamental principle of automatic merging geological bodies with same properties

3.2 消除微小地质体

消除微小地质体即删除非重要类型且面积小于固定值的图元[19]，并将该图元与周围较大面积的图元进行合并，从而达到消除微小地质体的效果。微小地质体与周围图元的接触关系较为复杂，常存在有微小地质体与单个地质体、双地质体或更多地质体的接触关系。与单个地质体的空间接触关系包括完全被包含以及单侧边界相邻，与双地质体的接触关系有双地质体相接与切双地质体。不同的接触关系一般采用相应的综合方法，常采用直接综合、合至长边、合至面积大以及切割合并等方法。

直接综合法该方法可直接应用于具有完全被包含以及单侧边界相邻空间接触关系的微小地质体。图3显示了直接综合法的基本原理，可知小地质体Cb、Cc、Cd融入了地质体A，小地质体Da、Db、Cf被地质体B吞并，地质体E溶解了小地质体Ab、Ac、Ad。

合至长边法该方法可直接应用于具有与双地质体边界相接的空间接触关系的微小地质体，目的是将微小地质体合并至相邻且公共边最长的地质体中。图4显示了合至长边法的基本原理，左图可知小地质体B与地质体A拥有最长公共边，小地质体G与地质体C拥有最长公共边，小地质体I与地质体H拥有最长公共边，小地质体F与地质体E拥有最长公共边。因此，地质体A融合了小地质体B，地质体C吞并了小地质体G，地质体H溶解了小地质体I，小地质体F纳入了地质体E，图4b为融合后的效果。

a.原始地质体数据；b.综合多个与单个大地质体相邻小地质体的结果。图3 合并小地质体至单个大地质体基本原理图Fig.3 Fundamental principle of merging small geological body into single large geological body

a.原始地质体数据；b.合至长边的结果。图4 合并小地质体至拥有公共边最长的大地质体基本原理图Fig.4 Fundamental principle of merging small geological body into large geological body with longest shared edge

合至面积大法该方法可直接应用于具有与双地质体边界相接的空间接触关系的微小地质体，目的是将微小地质体合并至相邻且面积最大的地质体中，其融合效果与合至长边法相似。

切割合并法该方法主要应用于具有与双地质体边界相接且在相邻的边界处具有横向“切断”现象，并分别向两侧延伸至外侧大地质体内的微小地质体。其基本原理为在小地质体与相邻双地质体的交点处将微小地质体分割成两部分，然后将分割后的地质体合并至两侧相邻的大地质体中。

3.3 地质体夸大

一些微小地质体面积较小但又非常重要，可对这种微小地质体进行夸大处理(图5)。其原理为在几何形状相似且不影响其他地质体的情况下，将大比例尺地质图中的小地质体进行等比例扩大，从而保证小地质体在小比例尺地质图中清晰可见。

3.4 地质体圆滑

小比例尺地质图中地质体边界的部分细节不需表达(如去除掉起伏变化较大的局部边界)，处理后的图元使整体图面更加美观(图6)。通过“地质体边界简化-地质体边界圆滑”两个步骤实现[20]。边界简化的本质是减少边界点的个数以达到精简的目的[21]，地质体圆滑是通过对边界线元组成线段来实现，常用3次B样条、3次Bézier样条等插值方法完成曲线光滑。

a.原始地质体数据；b.地质体夸大的结果。图5 地质体夸大基本原理图Fig.5 Fundamental principle of exaggerating geological body

a.原始地质体数据；b.地质体简化的结果；c.地质体圆滑的结果。图6 地质体圆滑基本原理图Fig.6 Fundamental principle of smoothing geological body

4 应用效果分析

以中国地质调查局提供的1∶5万的MapGIS格式地质图、配套地质演化关系表、数字地质填图数据库等作为实验数据，在专家知识的驱动下对地质体进行综合。地质体图层的属性含有地质年代、地质代号、子类型标识、重要性标识等主要字段。在经过智能化综合以及质量检查后[22]，该结果符合编图的标准，其工作效率以同属性合并为例，10 s内即可完成上千个图元的同属性合并操作，可以满足用户需求。

(1)同属性合并

以地质年代作为综合字段在地质演化关系模型的约束下完成同属性合并，图7显示了相同属性地质体合并的直观结果，经对比可以看到图中右侧和下方地质年代为C2的地质体合并为整体，图面上的小图元明显减少，图幅整体显得更加简洁。在实际应用中，还可用地质体代号、地质体名称等作为合并字段进行合并，以达到地质体制图综合的需求。

C2.晚石炭世；T2.中三叠世。图7 地质体同属性合并Fig.7 Merging geological bodies with same properties

(2)消除微小地质体

图8显示消除图上面积不足5 mm2的小地质体效果。图8b目标图层符合过滤规则的小图消除效果明显，图元明显减少。消除功能需要基于制图的图面美观、地质体重要程度定义等。消除小图元后的地质图更加简洁，主要地质体表达更直观。

D1.早泥盆世；N2.上新世。图8 消除微小地质体Fig.8 Eliminating tiny geological bodies

(3)地质体夸大

对图面上面积小但重要的地质体进行夸大是一项非常实用的工具。图9展示了夸大图上小于2 mm2的地质体效果，可非常清楚地看出夸大后的小地质体∑S3，能够较清晰地展示在图面上，避免被大地质体“淹没”，并在成果地质图中清晰可见。

(4)地质体圆滑

地质体边界圆滑常采用人机交互式实现。图10显示了在智能地质编图软件中交互式完成地质体圆滑的效果，该图元左侧较凸起的分支经圆滑处理后变得平整。边界圆滑处理并未减少图元数量，处理后的图元更为平滑，图面更加美观。

∑S3.晚志留世超基性岩。图9 地质体夸大Fig.9 Exaggerating geological body

D2.中泥盆世；Qh.全新世。图10 地质体圆滑Fig.10 Smoothing geological body

5 结论

(1)设计了以地质专家知识为核心驱动力的地质体智能综合框架，并将地质专家知识以二维地质演化关系表形式构建核心编图知识模型。

(2)研究地质体合并、交互式合并、地质体消除、地质体夸大、地质体圆滑等地质体制图综合方法与专家知识全面融入技术，实现地质专家知识驱动下的地质体制图综合。

(3)以1∶5万真实地质数据为基础，采用智能化地质体制图综合方法快速完成了1∶25万地质图的地质体缩编任务，以往耗时长的重复性操作被自动化算法秒级完成，至少节省65%以上工作量，极大提高工作效率且综合结果符合制图要求，验证了以地质专家知识为主线的智能化地质体制图综合方法的有效性，可在今后地质图编图工作中推广应用。