让三维GIS成为地质员的基本工具

气质、尐侽亽 · 发表于 2013-7-24 09:10

采访：董慧杨帆
熟悉地理信息行业的人可能都知道“天地图”，它是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站。正是它的建立，搭建起了大众了解“地理信息”的平台。而在地质调查领域，也有这样的一个网站，能把地学数据展示给公众，让大家了解神秘的地学世界，提供社会化服务。这个网站就是“中国地质调查数据网”，它是中国地质调查局面向全社会发布国家地质调查成果数据的信息平台。
打开网站，我们既可以看到平面模式的二维数据展示，也可以看到球面的三维模式展示，无论是地质调查成果，还是多矿区的矿体模型，都可以在网站上找到，它也搭建起了地学信息与社会公众之间的桥梁。“我们希望采用新一代信息技术，通过互连网以时效性、全面性、特色性和信息化为特点，全面展示中国地质调查调查成果，全面提升地质调查成果信息化服务水平，把地质调查数据网建成世界一流的中国地质调查局‘窗口’”。李超岭老师满怀期待的说到。
与信息技术同行为社会服务
“‘中国地质调查数据网’只是地质调查领域信息技术应用的冰山一角。”李老师不无骄傲的说到，“在基础地质调查和矿产资源调查这两个领域，我们已经实现了从野外数据采集到数据综合处理，到最终成果提交和发布全过程的数字化和信息化。基本上可以说我们从80年代引入计算机技术，90年代引入GIS技术，现在开始融入云计算、大数据的概念，已经基本实现了地质调查主流程信息化。这个主流程涉及论证、设计和数据采集、数据处理，一直到成果综合，最后面向社会服务。”
野外数据采集是主流程信息化中的重要一环，李老师为我们介绍了即将推出的“智能数据采集系统”，“从空间数据到属性数据采集，从电子罗盘、北斗通信到声音、照片、视屏一体化数据采集，，一个智能手机可以全部实现，而且能够有序的把这些信息存储在数据库里。这种创新的工作模式，并没有改变原来传统的已经成熟的地质方法，只是用新技术代替了传统的模式。这种模式既会方便野外数据采集，又能很好的指导地质员的野外工作，提高工作效率。”
除了已经实现的信息化手段，新技术的应用前景也是李超岭所在的团队一直关心的。“现在这个时代可能最热的就是大数据了，奥巴马政府甚至将大数据定义为‘未来的石油’。大数据有两种，一种是本身数据很大，比如说遥感数据，常有几百个G，或者更大；而像地质调查数据，是数据数量很多，比如一条线路的地质调查，就有文本、图片、音频、素描等等牵涉几千个文件。所以在大数据时代，重要的是进行数据挖掘，才能为社会服务。我们作为公益性的地质调查，本身这些地质信息在国民经济里占有重要地位，也是和公众直接相关的，要采用这些新技术为社会服务。”
三维地质建模的真正意义，地质员的基本工具
“地质调查分很多方面，我们现在做的，着重的是面向基础地质调查，所以谈三维地质调查也从这个方面谈。其实从二维到三维，最近十年发展是很快的。但是对三维GIS的认识，学术界有不同的看法。有人认为“Google Earth”代表着三维GIS的未来，我觉得那只是三维GIS的一个方面，它反映的东西是有限的，绝不是三维GIS的全部。我们现在做的模型，与现在通常建模最大的不同点就在于，不是为了可视化而建模。为可视化而建的模型是死的东西，只起到一个展示的作用。在地质调查过程中，我们希望建模过程贯穿地质调查全过程，建模不但能反映地质调查成果，同时建模还能为地质调查过程服务，提高地质调查研究的深度和精度，这是我们所需要的软件。”
“我常常也和软件商讲，可能现在的三维GIS软件，更多的是面向专家或专业团队，但在我们基础地质调查领域，三维建模工具，更应该面向的是每一个地质员，成为每一个地质员的基本工具。在整个地质填图过程中，地质员在野外工作，其实在他的头脑中已经有一个反映地质体空间关系的三维场景，而计算机能够把他想的东西以三维的形式表现出来。当工作程度越来越深，这个模型也会越来越客观。其实在实际的建模过程中，可能会是这样一种情况：计算机按照地质员的思路展示出来，但地质员的认识也是有限的，从二维到三维的展示，更直观，暴露的问题也更多。当认识不是很正确的情况下，三维会把这些问题暴露的更彻底。比如地质体之间的关系，也许在二维下可能是环状接触，但在三维中，可能就是一个火山机构了。而这在二维是表现不出来的。所以我们希望在三维建模过程中，计算机能够展示三维建模的场景，反映地质员地质模型的思想；反过来，在这个过程中，它又能指导地质员的野外填图，使之成为一个相互验证和正确表达的过程，这是三维建模非常重要的一个过程。当三维建模工具能够变为每个地质员的基本工具，通过建模来指导他们野外的工作，这样对提高地质调查精度也很有帮助。”
缺乏三维数据模型，效率是当务之急
地下世界是神秘莫测的，而这其中很重要的一个原因是因为地下是我们直观不可见的，正是这个原因造成了地下三维建模的特殊性。李老师认为，三维建模其实分了两部分，一部分是地表、地面上的三维建模，一部分是地下建模，这两部分是完全不一样的概念。“一方面，地下信息看不见、摸不着，只能靠推测、分析，信息量完全不能和可以直观可见的地上比；另一方面，地质体建模本身就非常复杂。传统的建模都是从一个剖面一个剖面开始的，把剖面的体连接好，再解决剖面和剖面之间的地质体构建，要靠手工连接。这种连接对人来说都很难判断，要经过分析，靠计算机就更没法做了。而如果我从一个角度看到的有5个地质分层，你从另一边看到有1个、2个或者8个、10个地质分层，这样中间部分怎么连接，又是另外的问题。所以地下建模和地上建模完全不同，它很复杂，不好实现。”
“目前在基础地质调查三维建模中，当务之急是解决效率低下的问题。当前无论是国内还是国外的软件，由于建模方法所限，效率低下是推广应用最大的瓶颈。例如1：50000地质填图，图中剖面连成的栅栏所构成的网格有数百个，每个网格得体连接，至少要一天的时间，如果地质体关系复杂，就需要跟多的时间，甚至三到四天，有几百个这样的网格，就要上百天才能完成。再比如英国地调局做的高精度建模，每天建模效率是小于2平方公里，1：50000的填图面积约四百平方公里左右，就要花半年或更多时间来做。如果是这样的效率，作为一种技术推广，可想而知很难被地质人员所接受。因此也制约了其应用的广度和深度。为什么效率低下，三维地质建模又存在哪些问题，该如何解决？李老师也从几个方面谈了他的看法。“三维GIS目前缺乏描述复杂目标的高精度多细节层次的3 维数据模型，这是一个比较基础的问题。如地质体的三维拓扑关系，如何描述？如何控制和表示？现在仍不能像二维GIS那样，有空间拓扑关系这样成熟的模型，地质体之间是什么关系，很容易控制和表示。现在我们看到的更多是三维的交换文件，这个软件做了一种模型，另一个软件做了另一种模型，最后再做标准，大家交换成果，在不同平台展示。这种交换更多是在可视化数据模型的层面上，屏蔽了地质体的三维拓扑关系的许多信息，并没有解决三维GIS数据模型的问题。”
“第二个就是我们要在三维建模过程中，实现分析功能。现在的三维GIS，还是主要集中在展示阶段，不像二维一样，实现了丰富的覆盖分析、缓冲分析等功能，其实理论上三维GIS可以实现很多二维实现不了的分析功能，如坡度分析、通视分析等。但目前仍然缺乏真正满足大规模3 维空间数据分析应用的通用平台，还难以为复杂的空间决策问题提供完整的解决方案。这也是我们将来需要研究的内容。
“目前的建模是靠手工建模，不是动态建模，每个模型只能反映出建模者的思想，或只针对一个对象。而在实际工作中，我们采集了许多基础资料，这些资料是客观的，利用这些资料建模，模型可能用于基础地质调查、理论研究，或是其他应用，针对不同的对象或者不同的解决方案，反映的模型是不同的，因而要求动态建模，根据应用不同可以动态派生不同模型，实现动态建模，也是要解决的问题之一。”
“还有一个问题，目前提的不多，但很重要，就是三维建模精度的可信度描述问题。前面说过现在的三维地质建模有人的分析因素在里面，所以所建模型存在一个可信度，也就是模型的精度问题。而现在有关三维建模精度的评价，很少涉及。但这个评价指标的确是一个很重要的指标。比如说在应用过程中，进行社会化服务，用户需要知道该模型的可信度是多少？在应用过程中才能采取相应措施，有效应对。所以现在三维GIS在地质应用过程中，精度评价标准也要作为一个比较重要的指标进行研究。”
站在前人的肩膀上，通过实践解决问题
“针对以上这些问题，我们会从建模和数据挖掘这块，结合大数据及其他科学研究，一起来解决问题。针对正在开展的三维地质填图工作，我们提出了地质填图PRB双重三维构模技术与方法，3D地质填图建模是始于野外地质路线和实测地质剖面的一种建模方法。通过地质路线（PRB）在水平方向（平面）和深度方向（剖面）的研究和地质建模，动态生成地质图（实际材料图、编稿地质图），并在此基础上，在地质图（或实际材料图、编稿地质图）框架和路线剖面框架双重约束下，通过面模型方法的建模工具，自动生成具有一定深度（取决调查精度）3D地质图（PRB双重建模主体）。在3D地质图深部建模中，根据工程、地球物理等方法所获取的数据进行，分别对“目标地质要素”建模并自动与3D地质图集成一体，形成地表与地下不同尺度的多源信息3D地质图。地“而作为三维模型的发布渠道---中国地质数据网，目前可以将三维模型能够像二维数据一样，组织到网格数据库里，不同的模型有相应的材质库进行支撑；在平面上点击模型位置，会打开另一个窗口反映地下地质体。地下的位置和平面上的位置，是完全同步的，如果平面旋转，地球三维也随之旋转。较好的解决了因为地下和地表尺度不同、精度不同而造成的展示问题。同时可以查询相应的属性信息。”
“总之，三维GIS是地质学家非常好的一个应用工具，我们将会把各种技术融合到一起，继续深入研究和实践，逐步解决现在存在的问题。，让它在应用上发挥更大的作用。”
未来基础地质调查的智慧化之路
从二维到三维地质调查，是“十二五”时期就提出的地质调查信息化工作重点，李老师也谈到了未来地质调查主流程信息化的发展目标，从数字化走向智能化，再到智慧化，实现智慧地质调查。
“我们现在做的系统是根据实际推广应用中的需求变化而不断完善的，就像Windows不断发布新的版本一样。我们现在的软件每隔两三个月也会发布一个新版本，完全根据用户需求完善。从数字化到智能化，再到智慧化，是我们确定的大方向。近期的目标是从数字化走向智能化。以智能位置服务为例，在野外你可以通过北斗提出请求，通过云计算、数据中心、网格等技术，进行大量的数据挖掘，系统会帮助你获取你所在区域的地质信息。这样就会把每一条地质路线调查的过程变成了在地质员背后会有一个强大的技术平台支撑整个地质调查过程。这是真正使得地质调查从最原始、传统的模式，走向数字、走向智能，最后走向真正的智慧地质调查的模式。当然，到智慧化还有很多相应的技术需要完善，比如云计算、数据挖掘等。但我们相信当这些技术成熟以后，会走到智慧化地质调查的那一天。每一项技术都融入到地质人员的业务中去，让地质人员能够充分享用新技术给他们的工作带来的便利，成为他们手中的“傻瓜相机”。
李超岭：1957年生，河南长葛人。博士、二级研究员。现任中国地质调查局发展研究中心副总工程师。主要从事数字地质调查技术、空间信息网格技术、地质领域数据模型与建模技术、地质调查主流程信息化相关标准、多源数据整合技术等在地学中的应用科学项目研究和软件开发。