地層時空拓撲關系的計算機自動檢查設計與實現

熊義輝， 汪新慶,2, 李國慶

(1.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢　430074； 2.中國地質大學(武漢)地質過程與礦產

資源國家重點實驗室,武漢　430074)

?

地層時空拓撲關系的計算機自動檢查設計與實現

熊義輝1， 汪新慶1,2, 李國慶1

(1.中國地質大學(武漢)資源學院,武漢430074； 2.中國地質大學(武漢)地質過程與礦產

資源國家重點實驗室,武漢430074)

摘要：為了實現對地質圖中地層時空拓撲關系的計算機自動檢查，以湖北省宜昌市地質建造構造圖為例，應用地層學知識剖析了研究區地層的時空特性，建立了地層時空拓撲關系檢查規則集，采用VC++語言對MapGIS6.7進行二次開發，實現了地層時空拓撲關系的計算機自動檢查功能，并將該功能模塊嵌入到“全國礦產資源潛力評價項目”數據模型使用軟件GEOMAG中，對地質建造構造圖進行了空間數據庫質量檢查。結果表明，應用該模塊可以準確地判定地質圖中地層的時空拓撲關系，有效地提高了地質圖件空間數據庫的質量。

關鍵詞：規則集； 地層時空拓撲關系； GIS； 檢查系統

0引言

我國礦產資源行業主要采用MapGIS軟件編制地質圖件，研發MapGIS圖件空間數據庫自動檢查功能模塊具有重要的實際意義。韓坤英等[1]采用Visual Basic語言對MapGIS6.7軟件進行二次開發，開發了全國1∶100萬地質圖空間數據庫的檢查系統； 常思思，汪新慶等[2-5]開發了“全國礦產資源潛力評價項目”數據模型使用軟件GEOMAG。目前，空間數據庫的自動檢查功能主要集中于對文件命名規范性、屬性規范性、數據完整性以及數據項值域一致性的檢查[1-2，6]，而對地層屬性的自動檢查功能尚未實現。在已有的空間數據拓撲關系檢查研究中，一些學者引入了知識與規則集的概念[7-9]，通過建立統一的規則集，完成空間數據要素間拓撲關系的自動檢查[10-13]，但這些工作也只是對數據的空間拓撲關系進行檢查，并未考慮目標在時間維上的拓撲關系，而地層數據不僅在空間上存在相鄰、包含及覆蓋等拓撲關系，在時間上也存在先后順序關系。因而需要在已有的基礎上做進一步的研究。

本文針對地層具有的時間和空間特性，結合地學知識，對地層的時空拓撲關系進行分析，建立了地層時空拓撲關系檢查規則集，并采用VC++語言對MapGIS6.7軟件進行二次開發，開發了地層時空拓撲關系自動檢查程序，進一步完善了“全國礦產資源潛力評價項目”數據模型使用軟件GEOMAG的空間數據庫檢查功能，實現了地質圖地層時空拓撲關系的高效檢查。

1地層時空拓撲關系分析

時空拓撲關系揭示了時空實體在時間和空間上的相關性，描述了時空實體空間拓撲關系改變事件間的時間拓撲關系[14]。因此對地層時空拓撲關系進行分析時，需要從地層時空變化過程的角度來分析地層的時空拓撲關系。Claramunt和Theriault[15]提出了16種時空變化過程，魏海平[16]在此基礎上做了總結和提煉，提出了11種時空變化最小集，并對它們進行組合形成其他復雜的時空變化類型。本文對地層中比較常見的時空拓撲關系進行分析，為實現地層時空拓撲關系的自動檢查奠定基礎。

1)地層在形成過程中為連續沉積，它們在空間拓撲關系上表現為相鄰的關系，在時間拓撲關系上表現為時間相遇(TR_meet)[17]。如圖1(a)所示，石門組(K1s)和五龍組(K1w)是下白堊紀形成的地層，2套地層在時間上連續，利用其整合接觸的性質可實現該類地層時空拓撲關系的檢查。

(a) 地層整合接觸 (b) 地層不整合接觸

圖1地層接觸關系

Fig.1Formation contact relations

2)地層在構造作用下經歷隆起、風化、剝蝕，導致地層不連續，它們在空間拓撲關系上表現為相鄰關系，在時間拓撲關系上表現為時間后(TR_after)[17]。如圖1(b)所示，掇刀石組(Nd)是新近紀形成的地層，與下白堊紀形成的石門組(K1s)地層在時間上存在明顯的間隔，利用其不整合接觸的性質可實現該類地層時空拓撲關系的檢查。

3) 在地層形成以后，火山噴發過程中的巖漿侵入到地層中，導致空間拓撲關系表現為相鄰或包含關系，時間拓撲關系表現為時間后(TR_after)[17]。這類地層的時空拓撲關系需要依靠地層接觸關系、地層包含律以及地層切割律來分析確定。如圖2(a)所示，地層a與b，c，d之間的接觸關系為侵入接觸，根據地層切割律，判斷其形成的先后順序為b，c，d，a。利用該規則集可實現此類地層的時空拓撲關系檢查。

(a) 地層切割 (b) 地層包含及侵入接觸 (c) 地層包含及沉積接觸

圖2地層切割和地層包含

Fig.2Formation cutting and formation containing

4)巖漿巖在形成過程中，其周邊巖石可能會掉入巖漿中，最終形成如圖2(b)所示的情況； 已經形成的巖漿巖也會受到剝蝕，當其周圍又有沉積時，則會出現如圖2(c)所示的情況。根據地層包含律可以知道圖2(b)中地層的形成先后順序為b，a，圖2(c)中地層的形成先后順序為a，b。對這類地層的時空拓撲關系進行檢查時，可以以地層的接觸關系作為標識，當涉及到沉積接觸和侵入接觸時，便可引入地層包含律和地層切割律對地層的時空拓撲關系進行檢查。

5)地層中還存在一類數據在地質圖上呈環狀分布(圖3)，這種情況一般與褶皺相關，地層在空間拓撲關系上呈現多重包含關系，在時間拓撲關系上根據褶皺的類型表現有所不同，當褶皺類型是向斜時，環內地層新，環外地層老，地層a,b,c,d的形成先后順序為d,c,b,a； 當褶皺類型為背斜時，地層形成先后順序正好相反，為a,b,c,d。

圖3　地層中存在褶皺

2地層時空拓撲關系檢查

2.1巖石地層單位序列表

通過對地層時空拓撲關系的分析，可以看出判斷相鄰地層之間的時間順序關系是地層時空拓撲關系自動檢查中至關重要的一步。要判斷相鄰地層形成的先后順序，需要對所要檢查的區域建立一套完整的巖石地層單位序列。本文建立了湖北省宜昌市巖石地層單位序列表[18-20]。表中橫向記錄了地層區劃； 縱向記錄了地質年代單位及年代地層單位； 中間則對應著地層分區中所具有的巖石地層單位。利用該表可以查詢巖石地層所對應的具體地層分區和地層形成年代； 但是表中的內容還不能為計算機所用，需要構建合適的邏輯模型和物理模型來對該序列表進行管理和存儲，從而使計算機能利用該模型實現地層時空拓撲關系的檢查。

本文采用分級編碼的方式來實現對巖石地層單位序列表的管理和存儲，設計的數據表如圖4所示。分級編碼以反應地層單位的先后順序，進而判斷地層是否連續。

圖4　巖石地層單位序列表存儲結構

2.2地層時空拓撲關系檢查流程

本文提出了2種對地層數據進行提取的方法： ①通過切割線方法對切割線所經過的地層數據進行提取； ②通過地質界線對地層數據進行提取。一般而言，切割線方法比較靈活，在對數據進行檢查時，用戶需要檢查哪一目的區域地層，只需要在該塊地層區域畫條切割線即可，不需要提取所有的數據，可以提高檢查的靈活性和效率，但其缺點是，當需要對整個地質圖中的所有地層進行檢查時，利用切割線并不能達到該目的，由于地質界線幾乎貫穿整個地質圖，所以以地質界線為對象，可以實現對整個地質圖中所有地層數據的提取。不過不論以哪種方式提取地層數據，最終都需要將所提取的數據存儲到一張數據表中，通過循環遍歷數據表中的每一條數據，結合制定的規則集便可實現地層時空拓撲關系的檢查，檢查流程如圖5所示。

圖5　地層時空拓撲關系檢查流程

在對地層進行檢查時，首先需要判斷相鄰的2套地層是否在同1個地層分區； 然后，根據巖石地層單位序列表分別得到相鄰2套地層對應的地質年代，由于利用了分級編碼的方式對地層進行管理，通過編碼即可以判斷相鄰2套地層是否連續； 最后，根據相鄰2套地層對應的地質年代關系，以及地層需要滿足的約束規則，如地層接觸關系、包含律、切割律規則(表1)，實現地層時空拓撲關系的檢查。地層時空拓撲關系檢查往往需要不同約束規則的組合來實現，如侵入接觸與地層切割律和包含律結合、沉積接觸與地層切割律和包含律結合來判斷巖漿巖組成的地層和沉積地層之間的時空拓撲關系。

表1　地層時空拓撲關系檢查規則集

圖5中的包含律和切割律規則存儲在地層信息表(圖6)的約束規則字段中，在對地層時空拓撲關系進行檢查的過程中，可以利用約束規則字段中的規則來判斷地層時空拓撲關系的正確性。地層信息表中每一條數據所對應的約束規則對地層時空拓撲關系的檢查都至關重要，因此需要進行區和區包含關系的計算，判斷2個區對象是否為包含關系。先判斷其外接矩形是否包含，如果不包含，則可直接判斷這2個區對象不包含； 如果外接矩形包含，則依次判斷區對象是否包含構成另一個區對象的每一條線段。當區和區之間僅僅是簡單的包含關系，則約束規則為地層包含律； 當區和區之間是類似于同心圓的多重包含關系，則約束規則應為褶皺約束規則。

圖6　地層信息存儲結構表

3實例驗證

采用VC++對MapGIS6.7進行二次開發，對湖北省宜昌市地質建造構造圖中的地層時空拓撲關系進行檢查。圖7(a)是對切割線所經過的地層數據的檢查示意圖，巖漿巖和沉積巖之間的接觸關系是侵入接觸。根據巖石地層單位序列表、地層間接觸關系、地層切割律和包含律約束規則，可以判斷該切割線所經過的地層時空拓撲關系并未出現錯誤。

(a) 不同巖性地層的時空拓撲關系檢查 (b) 包含褶皺的地層時空拓撲關系檢查

圖7　地層時空拓撲關系檢查

圖7(b)中切割線經過了包含向斜褶皺的區域，因而越靠近褶皺軸部的地層形成的時間越晚。先根據巖石地層單位來確定地層之間的年代關系，然后利用上文分析的不同褶皺類型所對應的約束規則對地層的時空拓撲關系進行判斷。利用程序發現C1j-h所代表的地層和C2d+h所代表的地層的時間先后順序出現了問題，利用程序找到的類似問題需要引起地質工作者和填圖人員進一步的矯正和研究。這些問題可能是數據采集或者填圖過程中出現了錯誤； 也有可能通過地質工作者的研究發現該地層確實是由于某種地質作用而形成的特殊規則集，屬于一種正常情況。

4結論

已有知識規則集的研究只是對數據的空間拓撲關系進行檢查，并未考慮數據在時間維上的拓撲關系。針對這一問題，本文在地層所具有的空間拓撲關系的基礎上，結合地層所具有的時間特性及地學知識，對地層中常見的時空拓撲關系進行了詳細分析，并從時空拓撲關系的角度建立了湖北省宜昌市巖石地層單位序列表以及用于地層時空拓撲關系檢查的規則集。利用分級編碼和數據庫技術實現了數據和規則從概念模型到物理模型的轉變，進而開發了地層時空拓撲關系自動檢查程序。實驗證明： ①數據庫和編碼技術可以有效地對地層數據和知識規則集進行管理和存儲，為數據檢查提供強大的后臺支撐； ②基于地學知識和規則集構建的地層時空拓撲關系檢查模型成功應用于地層數據的時空拓撲關系的自動檢查，為解決地質圖件數據庫的質量問題提供了一種可行的方法。本文僅從基礎層面討論了地層時空拓撲關系檢查的流程和方法，針對地質構造復雜地區的地層時空拓撲關系檢查還需要做進一步的研究。

參考文獻(References)：

[1]韓坤英,龐健峰,丁孝忠,等.地質圖空間數據庫自動檢查系統的設計[J].地球學報,2010,31(6):885-891.

Han K Y,Pang J F,Ding X Z,et al.The design of the automatic checking system for geological map spatial database[J].Acta Geoscientica Sinica,2010,31(6):885-891.

[2]常思思,汪新慶,過劍,等.礦產資源潛力評價中定性數據標準化檢查[J].物探化探計算技術,2010,32(3):320-324.

Chang S S,Wang X Q,Guo J,et al.Standard check of qualitative data on the mineral resources potential assessment[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2010,32(3):320-324.

[3]過劍,汪新慶,常思思,等.全國礦產資源潛力評價地質圖件規范化技術研發[J].電子科技,2010,23(5):15-17.

Guo J,Wang X Q,Chang S S,et al.Research on and development of the standardized technology for geological map based on the evaluation of national potentiality of mineral resources[J].Electronic Science & Technology,2010,23(5):15-17.

[4]張龍,汪新慶.基于數據字典的空間數據庫通用建庫技術[J].國土資源遙感,2014,26(1):173-178.doi:10.6046/gtzyyg.2014.01.29.

Zhang L,Wang X Q.General geo-spatial database construction method based on data dictionary[J].Remote Sensing for Land and Resources,2014,26(1):173-178.doi:10.6046/gtzyyg.2014.01.29.

[5]鄔曉芳,鄧毅,王常薇,等.如何運用GEOMAG軟件使圖件結構規范化——以貴州省分幅實際材料圖為例[J].貴州地質,2012,29(2):156-159.

Wu X F,Deng Y,Wang C W,et al.How to make the graph structure standardization by GEOMAG software-the division factual datum map is taken as the example[J].Guizhou Geology,2012,29(2):156-159.

[6]左仁廣,汪新慶,夏慶霖.礦產預測基礎數據庫的數據檢查[J].地質通報,2006,25(4):528-532.

Zuo R G,Wang X Q,Xia Q L.Data check on the basis mineral resources prediction database[J].Geological Bulletin of China,2006,25(4):528-532.

[7]吳長彬,閭國年,舒飛躍.基于知識與規則的地籍數據質量檢查方法[J].地理與地理信息科學,2007,23(5):22-25,30.

Wu C B,Lyu G N,Shu F Y.Research on quality checking method based on knowledge and rule to cadastral data[J].Geography and Geo-Information Science,2007,23(5):22-25,30.

[8]舒飛躍,閭國年,陸婧,等.基于知識對象的土地管理空間數據庫模型設計與實現[J].地球信息科學學報,2010,12(3):348-357.

Shu F Y,Lyu G N,Lu J,et al.Design of spatial database model for knowledge object based land management[J].Journal of Geo-Information Science,2010,12(3):348-357.

[9]江瑋,陳曉勇,劉昕,等.利用“規則-模型-方案”模式的質量控制體系及其應用[J].東華理工大學學報:自然科學版,2013,36(1):76-80.

Jiang W,Chen X Y,Liu X,et al.Quality control system and application based on the “rule-model-program” mode[J].Journal of East China Institute of Technology:Natural Science,2013,36(1):76-80.

[10]潘雅輝,馮杭建,李偉.土地利用現狀空間數據庫拓撲關系分析及基于規則的高效檢測[J].測繪科學,2008,32(6):116-119.

Pan Y H,Feng H J,Li W.Topology relationship analysis of land use database and highly effective validity method based on rule[J].Science of Surveying and Mapping,2008,32(6):116-119.

[11]馮杭建.基于RSTT模型的空間數據質檢系統研究[J].地球信息科學,2007,9(1):129-135.

Feng H J.Research of spatial data quality checkering system based on RSTT model[J].Geo-Information Science,2007,9(1):129-135.

[12]何光旭,何宗宜,喻霞.空間數據質量檢查系統的研制[J].地理空間信息,2004,2(2):20-22.

He G X,He Z Y,Yu X.Research on spatial data quality check system[J].Geospatial Information,2004,2(2):20-22.

[13]陳龍泉,鄒鳳瓊.基于知識規則集的城市工程地質數據庫質量控制[J].大地測量與地球動力學,2011,31(1):156-159.

Chen L Q,Zou F Q.Quality control of urban engineering geology database based on knowledge rule set[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2011,31(1):156-159.

[14]舒紅,陳軍,杜道生,等.時空拓撲關系定義及時態拓撲關系描述[J].測繪學報,1997,26(4):299-306.

Shu H,Chen J,Du D S,et al.Definition of spatio-temporal topological relationships and description of temporal topological relationships[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1997,26(4):299-306.

[15]Claramunt C,Theriault M.Toward semantics for modelling spatio-temporal processes within GIS[C]//Proceedings of International Symposium on Spatial Data Handing.Netherlands,1996:27-43.

[16]魏海平.時空GIS建模研究與實踐[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2007.

Wei H P.Research and Application of Spatio-temporal GIS Modeling[D].Zhengzhou:The PLA Information Engineering University,2007.

[17]Allen J F.Towards a general theory of action and time[J].Artificial Intelligence,1984,23(2):123-154.

[18]陳公信,金經緯.湖北省巖石地層[M].武漢:中國地質大學出版社,1996.

Chen G X,Jin J W.Stratigraphy(Lithostratic) of Hubei Province[M].Wuhan:China University of Geosciences Press,1996.

[19]金經緯.湖北省區域地質調查主要成果[J].中國區域地質志,1987(2):104-112.

Jin J W.Main achievements in regional geological surveys in Hubei province[J].Regional Geology of China,1987(2):104-112.

[20]牛志軍,李志宏,段其發,等.鄂西地區二疊系大隆組與吳家坪組的兩種接觸關系[J].地球學報,2001,22(3):249-252.

Niu Z J,Li Z H,Duan Q F,et al.Two types of contact relationship between Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in Western Hubei[J].Acta Geoscientia Sinica,2001,22(3):249-252.

(責任編輯： 刁淑娟)

Design and realization of computer automatic checking of the stratigraphic spatio-temporal topological relationships

XIONG Yihui1， WANG Xinqing1,2, LI Guoqing1

(1.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China； 2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:In order to achieve computer automatic checking of stratigraphic spatio-temporal topological relationships in geological map，the authors chose the Geological Formation Structural Map of Yichang City in Hubei Province as an example. The rule set of computer automatic checking of stratigraphic spatio-temporal topological relationships was built by deeply analyzing the spatio-temporal characteristics of the strata in the study area. The computer automatic checking function of spatio-temporal topological relationships of strata was developed using GIS development platform MapGIS67-SDK, the function was integrated into the application software (GEOMAG) of national mineral resources potential evaluation data model and finally the quality checking of spatial database was achieved. The result shows that this software can accurately determine the correctness of topological relationships of the strata and improve the quality of spatial database of geological maps effectively.

Keywords:rule set; spatio-temporal topological relationships of strata; GIS; checking system

作者簡介：第一 熊義輝(1991-)，男，碩士研究生，主要從事數學地質與信息技術研究。Email： xiongyh_cug@163.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0197-06

基金項目：中國地質調查局“全國稀土礦預測成果綜合”項目(編號： 2011020034)資助。

收稿日期：2014-09-04；

修訂日期：2014-11-21

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.29

引用格式： 熊義輝，汪新慶,李國慶.地層時空拓撲關系的計算機自動檢查設計與實現[J].國土資源遙感,2016,28(1):197-202.(Xiong Y H，Wang X Q,Li G Q.Design and realization of computer automatic checking of the stratigraphic spatio-temporal topological relationships[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):197-202.)