地理信息系统_gis_在地质学中的应用

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1、地理信息系统( GIS) 在地质学中的应用1998 年 3 月 10 日收稿. 国家“九五”重中之重科技攻关项目( No . 96-B02-03) 资助.郑贵洲( 中国地质大学信息工程学院, 武汉 430074)摘 要 简要讨论了地理信息系统( GIS) 的研究情况, 重点阐述了 GIS 制图技术、可视化技 术、空间分析技术、遥感制图技术在地质学领域中的应用, 总结了世界各国地学中 GIS 的应 用情况. 关键词 地质学, 地理信息系统, 地质制图, 可视化, 空间分析, 遥感制图. 中图法分类号 P623, TP311. 52 作者简介 郑贵洲, 男, 讲师, 1963 年生, 1994毕业

2、于中国地质大学( 武汉) 研究生院, 获硕士 学位, 现主要从事计算机制图及地理信息系统的教学和科研工作.世界各国日益关注 GIS 这一热点技术 ,投入大 量人力、 物力、 财力进行 GIS 技术研究和应用开发 .目前国外开发的具有代表性的 GIS 软件有 : ARC/INFO, IGDS/MRS , TIGRIS , SPANS, MAP/ INFO , GENAMAP , ERDAS 等. 随着 GIS 的迅速发展, 它被广泛应用于城乡规划、资源评价、环境管理、宏观决策 、灾害预测、作战指挥以及全球性问题 . 其中ARC/INFO 已经愈来愈多地为世界各国地质调查 部门所采用 1 , 并在

3、区域地质调查 、区域矿产资源与环境评价 、 矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要的作用. 我国对 GIS 的研究和应用也非常重视 ,先后成立了“中国地理信息系统协会”和“中国 GPS 应用技术协会” ,并在武汉测绘科技大学和中国科学院地理研究所建立了两个国家级重点实验室, 专门从事地理信息系统的研究和开发 ,对地理信息系统 在理论探讨 、 实验分析和开发应用方面进行了广泛的研究, 取得了可喜的成绩. 地矿部 GIS 研究始于80 年代中期 ,为了满足地学研究的需要 ,中国地质大学( 武汉) 吴信才教授领导的科研小组, 承担了地 矿部在 GIS 方面的“八五”攻关项目 ,现已推出具有自主版权的地理

4、信息系统 MAPGIS . 该系统达到同类系统的世界先进水平, 适用于地质 、矿产 、地 理、 测绘、水利、石油 、 煤炭 、 交通、 旅游、城建、土地管理等领域 .1 GIS 与地质制图地质制图是地质工作的有机组成部分 ,在开展多学科、 多途径的地质科研工作中 ,自始至终都运用制图方法表现它的研究成果. 传统的地质制图过程 ,工艺繁锁复杂 ,成图周期长 ,劳动强度大. 区调图幅是地质图件中一种最为重要的类型 ,多年来其出版周期过长 ,编缉 、 出版 、 印刷过程需经十几道工序, 中间要经历若干个成图步骤 . 一幅 1 20 万或 1 5 万的图幅 ,从野外填图到提交成果 ,一般需要 4 5

5、年. 很显然在计算机技术越来越发达的今天 ,传统的地质制图方法在某种程度上已不能适应地质科学发展的需要, 为此迫切要求尽可能提高地质制图过程自动化. 1986 年美国地调所制定了旨在实现地质制图现代化的计划 ,命名为 MARK , 它的任务是大规模地扩充和改进地图数字化设备 , 制定数据库信息交换标准,提高地图的数字修编能力 ,改革传统的制图工艺, 形成现代化数字制图流程. GIS 的出现为地质制图提供了现代化的技术手段 . GIS 应用于地质制图,可实现地质图形数字化,建立图形和属性两类地学数据相结合的数据库, 地质信息全部存贮于计算机中 ,实现对地图数据分层信息成片存贮,易于管理和查询 ,

6、 可灵活地分幅检索 、添加图幅、删除图幅 .GIS 数字地面模型( DTM) 使地质制图立体显示成为可能 ,并为分析应用开拓了新领域. GIS 与多媒体、 Internet等结合 , 可实现地质制图的信息共享及多途径显示、 输出、 分析, 实现动态化制图.第 23 卷 第 4 期地球科学 中国地质大学学报Vol . 23 No . 41 9 9 8 年 7 月Earth Science Journal of China Universityof GeosciencesJuly 1 9 9 8地学信息总是处在动态变化过程中 ,地学图件 内容的变更 ,引起修改再版时注入新资料 . 利用 GIS可方

7、便地将信息调出 ,作必要修改, 重新输入, 大大缩短修编周期, 提高地质图件的应用价值 . GIS 借助 绘图仪输出的地质图件精度高 、 速度快 .2 GIS 可视化技术不同学科对可视化概念描述不尽相同, 但其基本思想是用图形与图象来表征数据 ,也用于表示形 成某些不可见事物的视觉图象的过程; 在某种程度上也可以说可视化是运用计算机图形图象处理技术,将复杂的科学现象 , 甚至十分抽象的概念图形 化,使人们便于理解现象、发现规律 . GIS 可视化技术主要有 3 个发展方向: 人机交互系统 、 动画技术和超媒体技术 2. 早期地质工作中利用计算机技术主 要是用来进行数据处理, 近年来 GIS 可

8、视化技术已被应用于解决地质领域中更深层次的问题. 由于地质现象复杂, 地质信息量大 ,地质工作所采集的数据庞大 ,且不少信息是通过文字和图件来描述的. 对于大量的数字 、文字和图件, 地质工作者 完全凭直觉想得出综合性的推理和判断是不可能的. GIS 可视化技术则不同 ,它可以将地质信息包括数字 、 文字 、 图件等转化成形象化的图形 ; 反过来, 图 形可以提供关于数据的特征和它所属的地质现象的附加信息, 把测量的数据以直观形式呈现在我们面前,以便快速浏览和观察多种数据集、 相互关系和趋 势,判断地质体空间、时间和属性特征, 建立起一个总体的时空分布概念 .在地质研究领域中, 三维地质空间的

9、研究更为 重要 ,对于复杂地质体进行解释,不仅仅只是研究它的剖面、 平面特征,更重要的是研究地质体内部结构 构造、空间特征和变化规律 ,揭示地质体不同角度 、不同方向 、 不同深度的构造特征. 那么如何进行可视化模型的定量分析, 以不规则断面 、 平面去观察复杂 地质体,快速证实数据、 解释结果呢 ? 目前最有效的方法是利用 GIS 可视化技术 . 首先是对三维空间数据进行系统分析 ,得出一系列确定的三维结构描述 , 编辑成文本文件, 然后利用 GIS 数据转换功能 , 将其转换成三维立体数据, 制作三维立体模型. 在模型基础上,采用人机交互方式 ,作任意方向、任意地点 和任意深度的切剖面,

10、观察地质体内部结构及变化规律. GIS 可视化技术还被广泛应用在盆地分析、油气勘探等诸多领域, 用以模拟盆地原型 ,建立三维油 藏地质模型.3 GIS 空间分析技术长期以来人们对地质信息综合解释的各项工作仍普遍采用传统方法, 由于每次解释所涉及的数据庞大 ,图形 、 图象往往达上百幅 ,需要大量人力、 物力 和时间; 同时由于各种原因,解释过程中难免会产生一些误差 ,从而给解释结果带来不确定性,影响结论的可靠性 . 空间分析技术是GIS 的核心 3,GIS 的突出优势在于可提供分析、变换能力 ,提供各种空间分析方法 ,因此利用 GIS 空间分析技术可以为地质信息综合解释,提取多元地学信息,建立

11、综合信息找矿模式 ,开展理论找矿 ,提供有力的技术手段.自然界地质信息丰富多彩 ,但地学领域空间数据主要可归结为矢量数据和栅格数据两种形式 4.物化探图件、 地面地质信息图件等为矢量数据,遥感图象等为栅格数据 . 对矢量数据可进行必要的拓扑处理, 对遥感数据可通过图象处理功能来改变灰度值大小以及色彩的色相、亮度 、 饱和度 5, 矢量数据和栅格数据在必要的时候可作格式转换 6. 数据处理结果在 GIS 空间分析系统中可对地质、物探 、化探、 遥感等信息进行矢量叠加分析或栅格叠加分析 ,找出复合后平面增强的点和区域 ,圈定构造特殊部位或找矿靶区 .4 GIS 与遥感制图地理信息系统和遥感的结合经

12、历了由低级向高级阶段的发展过程 ,最早的结合是把遥感象片经目视判读和处理编制成各种专题稿图 ,然后数字化输入地理信息系统 ,地理信息系统借助计算机编辑和输出专题信息 . 目视解译随意性大 ,必然影响制图的质量. 随着遥感制图技术和地理信息系统技术的飞 速发展 ,遥感图象处理系统和地理信息系统数据结构日趋融合 ,使得遥感的栅格信息与地理信息系统的矢量信息之间相互转化成为可能. ERDAS 与ARC/INFO 的结合便是很好一例 , ERDAS 不但具备强大的栅格图象处理功能, 而且包括主要的矢量处理功能和GIS 分析功能. 在 GIS 支持下利用遥感影象不仅可以自动提取专题信息, 修编地形图,而

13、且421第 4 期 郑贵洲: 地理信息系统( GIS) 在地质学中的应用可以把各种制图要素尽可能予以最大程度地显示 , 根据专业需要编制专业性的解释图或专题图, 提供具有大量信息的 TM 影象图、影象地形图、影象地质图 、 遥感地质图,开展如土地调查 、 资源勘查 、 环境 监测等多个领域的应用和研究 . 利用地理信息系统叠置功能进行遥感影象与地理数据的信息复合 , 可确定制图目标、结构之间的相互关系,这样就可大大 地增强作业人员的判读能力. 遥感与地理信息系统结合, 使遥感制图从人工调绘、解释、转绘、编绘、印 刷等传统工艺向利用地理信息系统进行遥感图象处理、 机助制图方向发展,从而提高了遥感

14、制图的速度和质量.5 GIS 在世界各国地学中的应用5. 1 GIS 应用于多学科综合研究 从地域上看 ,GIS 早在本世纪 70 年代就引起了各国地学界普遍注意 ,1970 年至 1976 年 ,美国地质调查局就建成了 50 多个信息系统. 作为地理、地质 和水资源等领域空间信息的工具, 1984 年美国地质调查局( USGS) 与自然保护中心合作 , 组织了 4 个 应用项目来评价 GIS 技术的有效性. 此后他们便开展多学科多部门协作项目研究, 探索利用 GIS 进行综合研究的方法 . 其中每个项目都集中了地质 、 地球 物理、 地球化学、工程、制图和计算机等方面的专家进行跨学科的综合研

15、究. 1989 年 Mejia, Navarro 和Wohl 7利用GRASS 系统, 综合分析了哥伦比亚麦 知德林地区的基岩及第四纪地质、构造 、 气候 、 地形 、地貌形成过程、土地利用 、水文等因素, 对该区的地质灾害进行了危险性评价 . 5. 2 GIS 应用于基础地质研究GIS 在基础地质方面主要用于区域地质调查 、 构造形迹模拟和地质体三维模型分析. 1986 年 , 德国研制的 DASCH 系统, 实现了利用计算机对地质填图原始数据进行存贮加工、处理 、 检索并编制各种 地质图件的愿望, 1 2. 5 万基础地质图件基本使用了计算机自动成图 . 英国在威尔士中部的填图项目中,采用

16、了专门设计的野外记录本 , 所有的地质测 线、 钻孔编录 、 工程数据、矿山和其他有关数据等都已存在数据库内 ,将这些信息输入到 GIS 中与光栅扫描的地形数据综合, 最后由计算机根据需要生成 地质图和应用地质图. 1985 年至 1989 年, 美国 、加拿大、澳大利亚三国先后开始实施新一轮的地质填图计划 4, 提出了建立国家地质图数据库的总目 标,利用GIS 分层管理地学信息以及开发和建立数字制图系统网络 ,作为适应不同用户需求能力的重要技术途径 . 澳大利亚为了实现用新的方法编出第 二代图件, 审查和批准了以数字形式采集野外地质数据的标准表格和工作过程 ,确定了支持 GIS 的数据库的格式要求 ,野外工作利用笔记本式计算机采集数据,建立编图所需要的各类数据库 ,全部数据用 ORACLEDBMS 进行管理, 用 ARC/INFO 这个在地学领域内使用最广的 GIS 进行综合叠加 、 交互式编辑修改, 直到输出 . 中国已将 GIS 应用于区域地质 调查过程的各个环节, 地质矿产部专门组