礦產圖儲量數據智能匹配與更新關鍵技術

鄧吉秋，李晨菡，方青磊，路馥毓

(中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083)

礦產資源利用現狀調查成果反映我國資源供應能力和供應趨勢，現階段成果數據多以MAPGIS與Access 數據庫格式存儲。地質礦產數據具有數據種類多、數據量大、存儲組織格式復雜等特點[1]，難以按通用方式進行管理與更新，不利于礦產資源可持續發展[2]。礦產儲量圖更新類似于GIS地圖更新。FRITSCH等[3]認為當前GIS的核心已經從數據生產轉為數據更新，數據更新關系著GIS的可持續發展，國內外眾多學者對高效數據更新機制進行了研究，并應用于實際生產工作中。蔣捷等[4]提出了基礎地理信息數據庫更新的若干關鍵技術問題，分別從更新策略、變化信息獲取、變化信息采集等方面進行了論述；陳軍等[5]針對基礎地理信息動態更新技術體系，提出了基礎地理信息數據“應適時更新”的觀點。數據匹配與更新的前提是存在已有數據，其必然包含一定的先驗知識，韓敏等[6]提出以GIS 數據為先驗知識，對拐點位置進行更新的矢量邊界更新方法；COBB 等[7]提出了一種基于知識的非空間屬性數據匹配策略；BAILLOEUL 等[8]基于GIS 數據提供的先驗知識和數字表面模型的輸入，以衛星圖像更新城市數字地圖。GIS數據包含一定的空間拓撲關系，可利用空間拓撲對數據進行更新；周曉光等[9]通過對地籍數據庫進行研究，提出了一種表達不同地塊間空間拓撲關系的雙四元交模型；SUN 等[10]提出了一種基于空間位置和幾何特征唯一識別矢量地理對象的方法；張豐等[11]提出了一種基于時空過程的地籍數據更新模型，并根據時空對象的拓撲關系實現了地籍特征的回溯與更新。目前，對礦產資源現狀調查成果數據庫更新方面的研究較少。吳曉萍[12]研究了四川省礦產資源利用現狀調查成果與儲量庫兩庫銜接的方法、關鍵技術與精度評價方法。與礦產資源現狀調查成果有關的國土資源數據更新多采用人工為主的更新方式，林文忠[13]在制定更新方案和流程基礎上，對電子或矢量數據逐項進行人工修改；楊輝山等[14]基于構建統一數據模型建立“一縱一橫”的國土資源數據聯動更新機制；許揚[15]利用“3S”集成技術實現國土資源數據更新；唐權等[16]在理論上對空間數據更新進行探討，但未能形成可實際應用的系統。盡管空間數據更新理論研究與技術開發得到較大發展，但現有研究與實踐主要是針對基礎地理信息、土地資源等基礎類數據，對專業性程度較高的礦產資源數據更新尤其是數據生產與管理相分離模式下的數據更新仍無有效解決方法[17-24]。為此，本文作者結合先驗知識與空間拓撲對礦產圖儲量數據進行智能匹配與更新，以便提高工作效率，降低更新成本。

1 礦產圖儲量數據特征及其更新思路

1.1 礦產圖儲量數據內容與特征

礦產圖儲量數據在不同國家或地區、不同部門有其固有內容與特征，其內容與表達形式隱含了專業領域范圍的先驗知識，從中提取具體構成與形式是設計更新技術路線與方法的前提，對其進行深入分析是礦產圖儲量數據更新的關鍵。

1.1.1 數據內容與整體特征

在我國，礦產儲量數據一般由基層礦山或礦業公司采用MapGIS軟件處理，其礦產資源利用現狀數據在未統一入庫處理前，多基于文件系統以礦區為單位進行管理。每個礦區的所有數據單獨存儲至1個獨立目錄，并按其專題與種類分別存儲至不同子目錄。數據可分為空間圖形數據、屬性數據以及少量文檔數據(如報告文件、說明文件)，其中礦產圖儲量數據涉及其中部分的圖形數據及其相關屬性數據(圖1 中最右邊框內容是與儲量相關的數據文件)。

1.1.2 礦產圖儲量圖形數據

圖1 文件存儲組織格式Fig.1 Format of file storage organization format

儲量圖形數據為基于MapGIS 格式的地圖文件，一般包括工程文件(即地圖文檔)及所包含的圖層文件。地圖文件的組織分為2種：一種是數據按類別(如地層、斷層等)與實體類型(點、線、面、注記)被分成多個圖層，不同類別與實體類型的要素數據根據相應分類被存儲在不同圖層，如塊段圖層、注記圓圖層、圖例圖層等；另一種是僅按實體類型分點、線、面、注記4個圖層，每個實體類型圖層文件中包含所有可能的類別，如線圖層中包含地層界線、斷層線、標注線、圖框等。MapGIS圖形數據一般未建立空間拓撲關系，線存在過頭、未連接等現象，多邊形存在未封閉、重疊等問題。

儲量塊段及其注記圓是儲量圖形的主要要素。儲量塊段在圖層中是一個具有一定面積的不規則多邊形，塊段數據記錄了礦塊儲量的相關信息，塊段多邊形內中會出現注記圓(當多邊形內部空間不夠時亦可能出現在多邊形外)、文本標簽(記錄塊段名稱或編號)等。注記圓被圓中直線分割成多個子塊，每個子塊內由1個標注信息記錄對應儲量塊段的某個屬性信息，如圖2所示對應關系。注記圓的組成也分2種情形：一種是線模式，由一系列線要素組成，圓形區域中線要素將圓形區域從形式上分割為若干子塊；另一種是注記圓整體是1個子圖，該子圖以點的符號形式存儲，子圖的構成與線模式一致。圖件中一般存在對注記圓分塊進行說明的圖例圓，圖例圓存在于圖件圖例部分中(見2(b))。圖例圓也是1 個被分割成多塊的圓形區域，圖例圓的組成有與注記圓相似的2 種情形(線分割和子圖)。圖例圓中被分割的每個子塊上注記1 個數字編號(AnnoID)，并在圖例圓右側有編碼說明，每個編碼子塊均對應一個儲量塊段的屬性。在1個地圖文檔中注記圓與圖例圓的子塊分割模式相同，注記圓中每個子塊的注記對應于圖例圓子塊編碼指示即儲量塊段屬性。

每個注記圓均與1個塊段對應，一般注記圓與對應塊段在空間上是最臨近的(與其他塊段的距離更遠)；注記圓可能在塊段多邊形內部，否則會有1條引線將注記圓與其對應的塊段相連接，此引線會同時跨越對應塊段的邊界與注記圓外接矩形的邊界；也有可能注記圓最近的塊段與此注記圓無引線連接；此外，注記圓的第1或第2個子塊記錄對應塊段編號。

1.1.3 礦產圖儲量屬性數據

具體礦種或金屬的儲量信息存儲有2 種形式：一種是在圖形數據中以儲量塊段注記形式存儲具體塊段某種礦種或金屬的儲量，另一種是在Access數據庫中以屬性表存儲。Access數據庫針對不同數據類型設計不同的屬性表，主要包括儲量塊段表、塊段新舊編碼對照表、礦種/金屬儲量表等，各表之間通過主鍵關聯。

所有礦產圖儲量數據的內容、形式與特征均可作為智能數據匹配與更新的先驗知識與空間拓撲控制準則。

圖2 注記圓與圖例圓Fig.2 Annotation circle and legend circle

1.2 礦產圖儲量數據智能匹配、更新整體思路及方法

更新時，先對文件系統下的原始目錄與新目錄按照礦區進行匹配，并遍歷不同礦區下的新、舊目錄，以其大小和時間為依據進行變化檢測[25]。對于發生變化的礦區目錄，遞歸該目錄下的子目錄及文件，對其變化進行檢測，直至識別出變化的文件及其類型為止。

文件的更新有2種情形：一種是對文件及目錄進行整體更新，此類情形一般較少出現，只需用新文件替換舊文件或者用新礦區目錄替換舊礦區目錄即可實現更新；另一種是對文件進行局部增量更新，其中儲量數據更新主要是對此類文件中注記圓與塊段進行更新。

增量更新先檢測文件是否根據數據類別與實體類型分為多個圖層，之后遍歷文件各圖層，根據空間位置及特征識別并提取出圖例圓、注記圓及儲量塊段，將圖例圓與其相對應的注記圓匹配，根據兩者的坐標偏移量提取注記圓中的標注信息，根據規則對新舊注記圓、新舊塊段以及注記圓與塊段進行匹配，最終對塊段儲量信息進行更新。塊段儲量信息更新包括對Access 屬性表更新、注記圓更新以及塊段圖形更新，更新思路流程如圖3所示。

2 基于制圖規則與空間拓撲的儲量數據智能匹配與更新

在文件系統中，礦區目錄包含該礦區所有數據文件，分別設某礦區原始目錄與新目錄為Ms={ms1,ms2,…,msn}，Mp={mp1,mp2,…,mpn}，礦區目錄中圖形文件所包含的圖層集合設為C ={c1,c2,…,cu}，儲量塊段集合、注記圓集合分別用B ={b1,b2,…,bn}和N ={n1,n2,…,nr}表示。其中，每個注記圓子塊集合為S ={s1,s2,…,sm}，子塊內的標注信息集合為T ={t1,t2,…,tm}。此外，N 中每個注記圓均對應1個標注字典，以子塊編號為字典的鍵，對應的標注信息為字典的值。對于屬性文件，該礦區的屬性表集合為Z ={z1,z2,…,zx}，每張表中所包含的屬性名集合為P ={p1,p2,…,py}。

2.1 新舊礦產儲量文件智能匹配

將新舊文件進行正確匹配是后續數據更新操作的基礎，步驟如下。

1)遍歷原始目錄Ms中文件，其中Msi為Ms中任意文件。

2) 遍歷新目錄Mp中文件，其中Mpi為Mp中任意文件，以文件名作為匹配依據。若msi與mpi的文件名匹配，則msi與mpi匹配成功。

3)若Mp中沒有與msi文件名匹配的文件，則以文件類型為依據；若msi和mpi分別為Ms與Mp中同類型單一文件，則msi與mpi匹配成功。

4)重復步驟2)和3)，若新目錄中沒有與msi匹配的文件，則msi未能實現匹配。

5)重復步驟1)至4)，實現新舊文件的匹配。

2.2 基于制圖規則的單一圖件儲量注記圓、儲量塊段多邊形智能發現

圖3 更新思路流程圖Fig.3 Flow chart of update idea

由于圖形數據種類多、結構復雜且一般未建立空間拓撲關系，因此，在進行數據識別前，需將圖形數據進行預處理，包括數據質量檢查、坐標變換、拓撲檢查等，之后通過識別要素圖層對要素進行識別。

1)計算文件中圖層數量card(C)。

2)若card(C)＞4，則文件數據按類別與實體類型被分成多個圖層，遍歷各個圖層，根據圖層的命名規則識別要素所在圖層(塊段一般出現在圖層名包含“塊段”字符串的圖層中，圖例圓出現在圖層名包含“圖例”字符串的圖層中)，直接從相關的圖層中識別出塊段集合與圖例圓。

3) 若card(C)=4，圖層集合為C ={c1,c2,c3,c4}，則根據要素類型確定其所在圖層，遍歷圖層中每一個要素，根據儲量塊段以及圖例圓的特征判斷各要素，識別出塊段集合與圖例圓。

4)由于注記圓與圖例圓的子塊分割模式相同，根據相同的分割模式，識別出圖例圓對應的注記圓集合。最后，通過注記圓與塊段的空間關系與對應規則，對所有注記圓與塊段進行匹配。

2.3 新舊礦產圖儲量注記圓、儲量塊段多邊形智能匹配與更新

2.3.1 新舊注記圓的智能匹配與更新

在進行匹配與更新前，需要將新數據根據原始數據坐標系進行坐標變換。此外，注記圓與圖例圓由線或點要素組成，需要對它們進行拓撲構面再進行提取。拓撲構面過程如下：遍歷圖例圓子圖和注記圓集合中的注記圓，得到組成圖例圓或注記圓的各個要素數據，將此部分數據提取出來存儲至臨時數據庫；若圖例圓或注記圓以子圖形式組成，則根據提取的要素構建圖例圓或注記圓數據；對提取的要素數據進行數據處理及拓撲檢查，最后將生成具有拓撲關系的面。提取的圖例圓與注記圓集合分別D 和N，即為所需的匹配數據。

根據相同子圖定位，將提取的新舊注記圓進行匹配，提取標注信息后，通過建立關系字典將新舊標注信息進行匹配，實現注記圓的更新。具體更新步驟如下。

1) 遍歷原始文件中注記圓集合Ns={ns1,ns2,…,nsr}，nsi為Ns中任意注記圓。

2) 遍歷新文件中注記圓集合 Np={np1,np2,…,npr}，npi為Np中任意注記圓，計算

式中：d()為距離計算函數。若t＜dt(其中，dt為新舊注記圓相匹配時它們之間距離的閾值)，則認為原始注記圓nsi與新注記圓npi相匹配，以此實現新舊注記圓的匹配。

3)計算原始數據中圖例圓D 與注記圓的坐標偏移量(圓心間距離)：

式中：Ox和Oy分別為x 和y 方向的偏移量；(Dx和Dy)為D 圓心坐標；(nsi,x,nsi,y)為注記圓nsi圓心坐標。

4)將D的外包矩形R根據坐標偏移量移動，并計算其所在區域范圍：

5) 遍歷注記圓nsi中的所有子塊S，若Sj在R中，則提取Sj中標注信息tsj,查詢新舊注記圓對應的標注字典，得到對應的新標注信息，記為tpj，因此，tsj與tpj相匹配，實現新舊標注信息的匹配。

6)用新注記信息tpj替換舊注記信息tsj，并將其填至原始注記圓對應的子塊中。

7) 重復步驟5)和6)，將注記圓中所有標注信息替換，實現注記圓nsi更新。

8)重復步驟1)至7)，完成所有注記圓的更新。

記原始標注信息集合為Ts={ts1,ts2,…,tsm}，新標注信息集合為Tp={tp1,tp2,…,tpm}，由于新舊標注信息已實現匹配，因此，兩者存在映射關系Ts→Tp，將映射關系寫至標注項關系字典中(見表1)。當字典中映射關系覆蓋所有新舊標注信息時，新舊標注信息匹配可直接通過查找標注項關系字典實現。與表1對應的某個實例礦產圖的新舊圖例圓及其編碼說明見圖4。

2.3.2 新舊塊狀多邊形的匹配與更新

首先遍歷塊段集合，判斷每個塊段要素的面積是否大于閾值at(一般為10)，若是，則對該儲量塊段進行提取，并其加至塊段集合B；之后對提取的新舊塊段進行匹配，采用GIS空間疊加分析的方法，通過計算面積比權值構建關系決策樹，實現新舊數據的匹配，具體步驟如下。

1)將新舊數據進行疊加，如圖5(a)所示。

2) 遍歷原始塊段的集合Bs={bs1,bs2,…,bsn}，其中，bsi為Bs中任意塊段。

圖4 新舊圖例圓及其說明Fig.4 New and old legend circle and its description

圖5 疊加分析與關系決策樹Fig.5 Overlay analysis and relation decision tree

3)遍歷新文件中塊段集合Bp={bp1,bp2,…,bpn}，bpi為Bp中任意塊段，并計算原始塊段與新塊段重疊部分在原始塊段中所占面積比v為

式中：boi為bsi與bpi相交部分；A( )為面積計算函數。

若v＞vt(vt為面積比閾值，一般設為0.1)，則認為新塊段bpi與原始塊段bsi相交。

4)重復步驟3)，找出所有與原始塊段bsi相交的新塊段。

5) 重復步驟2)至4)，找出所有原始塊段與新塊段的對應關系(存在一對多、多對一、多對多、一對一關系)，將所有對應關系均拆分為1 個原始塊段對應1 個新塊段的映射關系f:bsi→bpi，建立映射關系集F ={f1,f2,…,ft}。

6)遍歷F，計算綜合面積比權值：

式中：bsj為原始塊段；bpj為與之一一對應的新塊段，因此，存在映射fj:bsj→bpj；boj為bsj與bpj重疊部分。

7) 若u＞100%，則將fj:bsj→bpj及比例構成寫至關系決策樹，如圖5(b)所示。

8) 重復步驟6)和7)，將所有映射關系均寫至關系決策樹。遍歷決策樹每個節點，確定塊段之間對應關系：

①若原始數據中多個塊段對應新數據中的同一個塊段，則認為此多個塊段被合并成1 個新塊段，如圖5(b)中塊段A與塊段C在新數據中合并為塊段E。

②若原始數據中某個塊段對應新數據中多個塊段，則認為該塊段被分割，如圖5(b)中塊段B在新數據中被分割為塊段G與塊段K；

③若塊段邊界發生變化且面積增加，則認為塊段發生外延。

④若疊加后若塊段的邊界變化不是十分明顯且面積變化不大，則認為該塊段沒有變化，如圖5(b)中塊段D與塊段H。

⑤若塊段的儲量類型變為采空，則需對塊段進行采空區標記，以便于后續更新。

塊段多邊形圖形的更新基于增量更新、采取“挖補”[26]的更新技術?！巴谘a”指從舊數據中“挖”出已顯著變化部分，根據變化部分從新數據中提取對應數據，再將提取的新數據“補”回原始數據。其中，對于塊段儲量類型變為采空區的情形，根據塊段采空區標記，在更新圖層數據文件時，同步更新圖層文件中的采空區文件圖層，核查塊段圖層和儲量類型圖層。

2.4 儲量屬性數據的更新

1)對于在Access 數據庫中以屬性表存儲的屬性數據，遍歷屬性表集合Z，利用數據庫的事務機制對屬性表zi進行更新。在更新過程中，錄入相關更新信息，如更新時間、更新原因、負責人操作員等信息，便于更新后的質檢工作。

2)對于以儲量塊段注記形式存儲的屬性數據，記其屬性名為pi，匹配其所在的儲量塊段bi，并找到bi所對應的屬性表zi，表中屬性名集合為P。若pi∈P，則將pi對應屬性值用該屬性數據替換，否則，將pi添加至入P，并將該屬性數據寫至pi對應屬性字段。

3 礦產資源利用現狀調查儲量數據智能匹配與更新技術實驗

3.1 實驗數據

本次實驗數據采用全國礦產資源利用現狀普查成果中的部分湖南省礦區數據，新儲量成果數據由基礎單位(如礦山等)基于往年全國礦產資源利用現狀普查成果進行更新而來，或者來自于新開采礦產資源數據。

3.2 原型系統的設計

原型系統包括GIS 基礎功能模塊(包含圖形編輯、屬性編輯、查詢等)、文件數據更新模塊(包含文本數據更新、圖片數據更新、圖層文件更新等)、圖形數據更新模塊(包含幾何圖形更新、注記圓更新、標注更新等)與屬性表數據更新模塊。

系統主界面主要分為菜單欄、工具欄、原始圖層管理區、新圖層管理區、原始地圖顯示區、新地圖顯示區、結果顯示區、狀態欄等多個部分，可實現新舊數據對比顯示。子界面整體以文件列表的式對文件數據進行管理展示，分為工程文件管理區域與數據顯示區域，可對MPJ文件、Access文件以及附件文件進行管理與顯示。

3.3 更新過程與效果

以東崗山礦區儲量數據更新為例，在系統中打開匹配的新舊工程文件，識別文件中新舊注記圓及塊段，并進行匹配。圖6所示為某個匹配的新舊儲量塊段及其對應的注記圓，左側為原始圖形數據，右側為新圖形數據。通過自動比對可見：新舊注記圓的分割方式及圓中的標注數據有差異，塊段形狀及其塊段多邊形中文本標簽亦不同。

對注記圓中標注信息進行匹配，圖7所示為新舊注記圓中標注信息的對應關系。通過自動比對可見：新舊標注信息不相同，Access 屬性表中新舊字段名及屬性值亦不等同。

最后，將匹配后的數據進行更新。圖8所示為數據更新前后對照圖，經人工核實與對比發現：更新后注記圓中標注信息發生改變，即其對應塊段屬性發生變化，如注記圓中第2個子塊對應塊段的屬性由儲量類型變為資源儲量類別，值由‘122b’變為‘采空’，此外塊段的外形與文本標簽亦發生變化。

圖6 更新前新舊注記圓Fig.6 New and old annotation circle before update

圖7 標注信息的匹配Fig.7 Matching of label information

圖8 更新前后對照效果Fig.8 Comparison effect before and after update

此外，系統也能檢查出原始新舊數據中存在的注記與屬性表不匹配的問題。通過圖7中的2個對照表可查看新舊對照關系及注記與數據庫的對應關系，通過界面直接定位其所對應注記圓中的標注信息，為數據檢查提供便利。但系統仍存在一些不足之處，如由于目錄命名的隨意性很難形成統一規則，目錄的匹配暫未實現，新舊目錄需人為指定等。

3.4 算法分析

通過理論分析，儲量塊段及注記圓的自動匹配與更新算法的時間復雜度均為O(n2)，空間復雜度均為O(1)，從理論上驗證了該算法對于數據更新切實可行，且在一定程度上提高了更新效率。以東崗山礦區的儲量數據作為實驗數據，分別利用原型系統以及人工方法進行數據更新實驗。

1) 采用人工方法，要求操作人員非常熟悉MapGIS軟件操作，熟悉儲量數據庫表結構及表之間的關系，熟練操作人員需要2個工作日才能完成各種圖形及屬性信息的更新與核對。

2)采用原型系統，操作人員在10 min 之內可以完成數據的更新與核對。

實驗對比結果表明：自動更新算法大大節省了時間，證明自動更新算法對更新效率的提升有很大作用。自動更新算法結果與人工更新結果完全一致，證明自動更新算法具有通用性與可靠性。

但自動更新算法依然存在不足，圖層類別的識別依賴于文件名，若圖形文件文件名上沒有圖例、注記等字樣，則需對算法進一步優化，將更多的先驗知識與規則納入算法。

4 結論

1)針對礦產圖儲量數據更新，提出了一種基于先驗知識與空間拓撲的儲量數據匹配與更新方法，對其中注記圓與儲量塊段的識別、匹配與更新等關鍵技術進行了研究，并設計、開發了自動更新系統。

2)基于全國礦產資源利用現狀普查成果實現了對其中儲量數據的更新，更新效果良好，提高了數據更新的工作效率與精度，說明該方法與系統具有通用性與可靠性，對礦產資源數據的更新具有重要的指導與現實意義。

3)現階段所實現的效果仍存在一些不足之處，如由于MapGIS數據規范性差，會出現標注數據缺失、屬性數據與圖形要素不匹配等情況，從而導致一些數據無法實現自動化匹配與更新，因此，后續工作需對圖形數據識別與匹配進行優化。