活動(dòng)斷層自動(dòng)化制圖關(guān)鍵技術(shù)研究

甘德強(qiáng) 張學(xué)剛 杜克平* 于貴華

1)北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875

2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，國(guó)家地震活動(dòng)斷層研究中心，北京 100029

活動(dòng)斷層自動(dòng)化制圖關(guān)鍵技術(shù)研究

甘德強(qiáng)1)張學(xué)剛1)杜克平1)*于貴華2)

1)北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875

2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，國(guó)家地震活動(dòng)斷層研究中心，北京 100029

地圖制圖的自動(dòng)化可以大大提高制圖的效率和規(guī)范性。如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化制圖成為地理信息科學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容之一。文中探討了自動(dòng)化制圖的流程;結(jié)合城市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目的實(shí)際情況，提出了增加自動(dòng)匹配檢查、拓?fù)錂z查兩項(xiàng)輔助技術(shù)，用以保障制圖質(zhì)量;最后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)斷層制圖的自動(dòng)化。系統(tǒng)所采用的技術(shù)和方法，對(duì)于其他如氣候、地理、資源以及土地利用等領(lǐng)域的自動(dòng)化制圖有著重要的參考價(jià)值。

活動(dòng)斷層 自動(dòng)化制圖 自動(dòng)匹配檢查 拓?fù)錂z查

0 引言

“十五”期間建立的國(guó)家活動(dòng)斷層數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)收集了全國(guó)20個(gè)城市地球化學(xué)、地球物理、地質(zhì)以及地震等方面的海量數(shù)據(jù)。如何利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行專題圖的制作，為政府和有關(guān)部門進(jìn)行城市發(fā)展規(guī)劃、土地利用、重大工程選址和城市防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)成為一個(gè)值得研究的課題。而傳統(tǒng)的地圖制圖有許多弱點(diǎn)，例如:生產(chǎn)難度大、成本高、周期長(zhǎng)、制印技術(shù)復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng);手工勞動(dòng)占比例較大;地圖產(chǎn)品種類單一，更新困難，不能反映空間地理事物的動(dòng)態(tài)變化，信息難以共享等(陸國(guó)玲等，2008)。因此，自動(dòng)化地圖制圖應(yīng)運(yùn)而生，它很好地解決了海量數(shù)據(jù)的專題地圖批量出圖問(wèn)題，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外已有不少針對(duì)自動(dòng)化制圖的研究。如Xie等(2006)利用GIS和一系列的Perl scripts以及C++程序?qū)崿F(xiàn)了下一代氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和快速顯示。Gustavsson等(2008)將不同類型的地貌數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后基于數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行地貌制圖。遼寧省基礎(chǔ)地理信息中心從成果庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、裁剪和投影變換等一系列的操作，最后加入制圖元數(shù)據(jù)，通過(guò)形成制圖產(chǎn)品庫(kù)進(jìn)行制圖(肖文芳，2009)。李東平等(2006)在探索基于GIS的地震專題制圖自動(dòng)化中，開(kāi)發(fā)建立了基于TrueType技術(shù)的地震專題符號(hào)庫(kù)，提出了地震制圖自動(dòng)化中線性和面型的解決方法，利用2次開(kāi)發(fā)彌補(bǔ)了MapInfo軟件在標(biāo)注功能上的不足，基本滿足了地震專題制圖的要求。

前述的研究大都針對(duì)制圖過(guò)程本身的問(wèn)題，很少涉及屬性和空間數(shù)據(jù)檢查。這樣就很難保證制圖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可能導(dǎo)致自動(dòng)化制圖的質(zhì)量下降。本文探索把地物的空間和屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)匹配檢查以及空間數(shù)據(jù)的拓?fù)錂z查兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化制圖中，以達(dá)到質(zhì)量控制的目的。

1 自動(dòng)化制圖的流程及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 自動(dòng)化制圖流程

自動(dòng)化地圖制圖是利用計(jì)算機(jī)和圖形輸入、輸出等設(shè)備，運(yùn)用數(shù)字制圖的原理和方法，從事地圖的設(shè)計(jì)、編繪和印前制版等工作，實(shí)現(xiàn)地圖設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的自動(dòng)化。目前，一般的自動(dòng)化制圖流程大致是:首先分別構(gòu)建地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和符號(hào)庫(kù)，然后采用制圖系統(tǒng)把兩個(gè)庫(kù)關(guān)聯(lián)起來(lái)生成原始的地圖，最后對(duì)原始地圖做圖幅整飾生成電子或紙質(zhì)地圖。

根據(jù)城市活動(dòng)斷層項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)一般的自動(dòng)化制圖流程進(jìn)行了改進(jìn)。在構(gòu)建地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，對(duì)原始數(shù)據(jù)庫(kù)和制圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)匹配檢查，保證空間和屬性數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)構(gòu)建完成的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行拓?fù)錂z查，保證空間信息的準(zhǔn)確性。形成了一套新的自動(dòng)化制圖流程，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的自動(dòng)化制圖流程Fig.1 Improved flow of automatic cartography.

1.2 自動(dòng)匹配檢查技術(shù)

按照城市活動(dòng)斷層項(xiàng)目的要求，需要對(duì)野外采集到的數(shù)據(jù)分別建庫(kù)，保留所有原始數(shù)據(jù)。這些存有原始數(shù)據(jù)的庫(kù)(可能是Geodatabase也可能是Shapefile)被稱作“原始數(shù)據(jù)庫(kù)”或“專題數(shù)據(jù)庫(kù)”。在各個(gè)城市進(jìn)行成果整理出圖時(shí)，會(huì)從各個(gè)原始數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取需要的數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)用于制圖。理論上，制圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)子集，應(yīng)該完整地保留原始數(shù)據(jù)信息。但在實(shí)際工作中，制圖數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)空間數(shù)據(jù)缺失或?qū)傩詳?shù)據(jù)不匹配的情況。出現(xiàn)這種情況主要有以下兩方面的原因:

(1)數(shù)據(jù)格式的不同。由于在前期進(jìn)行的城市活動(dòng)斷層項(xiàng)目并沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，有的采用ArcGIS格式，有的采用MapInfo格式。這就導(dǎo)致在抽取數(shù)據(jù)構(gòu)建制圖庫(kù)時(shí)部分?jǐn)?shù)據(jù)需要手工錄入，難免出現(xiàn)錯(cuò)錄或者遺漏。

(2)庫(kù)結(jié)構(gòu)的變化。在構(gòu)建原始數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，有的城市沒(méi)有按照標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。在后期進(jìn)行成果整理構(gòu)建制圖庫(kù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)某些數(shù)據(jù)無(wú)法錄入的狀況。

自動(dòng)匹配檢查技術(shù)就是要對(duì)原始數(shù)據(jù)庫(kù)和制圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，然后檢查出制圖數(shù)據(jù)庫(kù)與原始數(shù)據(jù)庫(kù)不一致的記錄。方便技術(shù)人員進(jìn)行修改，從而構(gòu)建出一個(gè)數(shù)據(jù)完整的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，供自動(dòng)化制圖使用。

自動(dòng)匹配檢查技術(shù)的大致流程(圖2)是:

(1)通過(guò)空間數(shù)據(jù)的幾何字段進(jìn)行匹配，找出制圖數(shù)據(jù)庫(kù)與原始數(shù)據(jù)庫(kù)中幾何信息相同的記錄;

(2)對(duì)這些相同的記錄做屬性檢查，看是否一致。如果有任何的不一致(包括空間信息的缺失，不匹配或者屬性數(shù)據(jù)不相同)，則記錄下該條記錄供技術(shù)人員修改。如果全部一致，則允許該條記錄進(jìn)入地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

其中，自動(dòng)匹配按幾何字段類型的不同分為3種情況:

(1)點(diǎn)狀數(shù)據(jù)匹配。通過(guò)點(diǎn)的坐標(biāo)找出幾何信息相同的記錄;

(2)線狀數(shù)據(jù)匹配。首先檢查制圖數(shù)據(jù)庫(kù)是否有線的長(zhǎng)度相同的記錄，如果有長(zhǎng)度相同的記錄，則通過(guò)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)找出幾何信息相同的記錄。如果沒(méi)有長(zhǎng)度相同的記錄，則直接通過(guò)線的長(zhǎng)度找出幾何信息相同的記錄;

(3)面狀數(shù)據(jù)匹配。首先找出面的質(zhì)心，再通過(guò)質(zhì)心的坐標(biāo)找出幾何信息相同的記錄。

圖2 自動(dòng)匹配檢查技術(shù)路線Fig.2 Technical route of automatch check.

1.3 拓?fù)錂z查技術(shù)

由于有些原始數(shù)據(jù)是通過(guò)掃描紙質(zhì)地圖后進(jìn)行數(shù)字化得到的(楊緒連等，2009)，因此不能保證技術(shù)人員在數(shù)字化過(guò)程中不出現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤。而拓?fù)潢P(guān)系是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到基于該數(shù)據(jù)的應(yīng)用、分析、決策的正確性和可靠性，影響到系統(tǒng)的成敗(左志進(jìn)等，2008)。因此，在數(shù)據(jù)進(jìn)入地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)后，還要檢查其空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系。

圖3 主要拓?fù)湟?guī)則示例Fig.3 Samples of primary topology rules.

1.3.1 拓?fù)湟?guī)則

根據(jù)活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了若干條拓?fù)湟?guī)則(圖3)，保證空間數(shù)據(jù)能夠正確地反映真實(shí)地物的空間關(guān)系。主要包括以下幾條:

(1)esriTRTLineCoveredByLineClass(與它層線要素重疊)規(guī)定某圖層的線要素必須與另一圖層的線要素重疊。例如，活動(dòng)斷層數(shù)據(jù)庫(kù)中CO2AbnSegment必須重疊在CO2SvyLine圖層上。

(2)esriTRTPointCoveredByLine(點(diǎn)被線覆蓋)規(guī)定某圖層的點(diǎn)要素必須在另一圖層的線要素上。例如，活動(dòng)斷層數(shù)據(jù)庫(kù)中DrillHole必須在SvyLine圖層上。

(3)esriTRTAreaNoOverlap(面不相交)規(guī)定圖層內(nèi)部的面與面之間不能存在重疊相交關(guān)系。例如，活動(dòng)斷層數(shù)據(jù)庫(kù)中Rock圖層中的各個(gè)面狀要素不能相互重疊。

1.3.2 拓?fù)錂z查過(guò)程

拓?fù)錂z查就是按照既定的拓?fù)湟?guī)則對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，并對(duì)檢查出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行修改。拓?fù)錂z查的過(guò)程包括如下步聚:

(1)根據(jù)活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，制定拓?fù)湟?guī)則，并構(gòu)建拓?fù)錂z查模板數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的拓?fù)湟?guī)則。

(2)通過(guò)模板數(shù)據(jù)庫(kù)將拓?fù)湟?guī)則導(dǎo)入地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各個(gè)要素集進(jìn)行檢查，最后記錄下所有的檢查結(jié)果。記錄的檢查結(jié)果按類型的不同，分別存儲(chǔ)在3個(gè)文件中。第1個(gè)是Excel格式文件，記錄了出錯(cuò)的拓?fù)湟?guī)則以及出錯(cuò)要素的OID。第2個(gè)是日志文本文件，記錄了檢查過(guò)程中出現(xiàn)的異常。第3個(gè)是.lyr格式的臟數(shù)據(jù)(即有拓?fù)溴e(cuò)誤的數(shù)據(jù))文件，記錄了出現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤的區(qū)域。

(3)技術(shù)人員根據(jù)拓?fù)錂z查結(jié)果，利用ArcMap對(duì)拓?fù)溴e(cuò)誤進(jìn)行修改。

(4)修改過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生新的拓?fù)溴e(cuò)誤，因此要重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)，直至沒(méi)有任何拓?fù)溴e(cuò)誤。

2 自動(dòng)化制圖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化制圖系統(tǒng)是采用ArcEngine組件和C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)包括自動(dòng)匹配檢查、拓?fù)錂z查、圖層連接與符號(hào)化、整飾出圖4的各部分。其中，自動(dòng)匹配檢查和拓?fù)錂z查兩個(gè)功能的原理和流程在前面已經(jīng)討論過(guò)了。下面將對(duì)另外2個(gè)部分的功能做簡(jiǎn)單介紹。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.4 System operation interface.

圖層連接與符號(hào)化是自動(dòng)化制圖中形成地圖文檔的關(guān)鍵步驟。該功能首先從預(yù)存的MXD模板文檔讀出待顯示的圖層，然后對(duì)圖層和地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的要素類做連接，最后根據(jù)要素類的不同屬性從符號(hào)庫(kù)中讀取相應(yīng)的符號(hào)，對(duì)地圖做符號(hào)化。這樣就完成了一個(gè)初步的地圖文檔。

整飾出圖是自動(dòng)化制圖的最后一步。它主要是對(duì)地圖文檔加入一些必要元素，如圖名、圖例、比例尺、指北針等。經(jīng)過(guò)整飾出圖就可以形成完整的成果(圖5)。

圖5 自動(dòng)化制圖成果示意Fig.5 Product of automatic cartography.

3 討論及展望

活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目后期制圖工作的實(shí)踐證明，自動(dòng)化制圖大大降低了制圖難度，減少了工作量，提高了工作效率。特別是引入了自動(dòng)匹配檢查與拓?fù)錂z查兩項(xiàng)技術(shù)后，制圖的質(zhì)量也大大提高。

但自動(dòng)化制圖系統(tǒng)仍有許多不足之處。比如，自動(dòng)匹配和拓?fù)錂z查過(guò)程都需要人工干預(yù)才能完成最后的工作，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。另外，在圖層符號(hào)化時(shí)，由于某些斷層(線狀數(shù)據(jù))太長(zhǎng)，致使地圖上標(biāo)記斷層本身及其走向的符號(hào)相隔較遠(yuǎn)，影響了地圖信息的表達(dá)。以上這些問(wèn)題都需要在進(jìn)一步的研究中解決。

致謝 在成文過(guò)程中得到寧夏回族自治區(qū)地震局王銀的幫助，特此表示感謝。

陸國(guó)玲，曲直.2008.淺談應(yīng)用ArcGIS技術(shù)建設(shè)自動(dòng)化地圖制圖系統(tǒng)［J］.測(cè)繪與空間地理信息，31(1):127—130.

LU Guo-ling，QU Zhi.2008.Discussion on the construction of automated mapping system using ArcGIS［J］.Geomatics＆ Spatial Information Technology，31(1):127—130(in Chinese).

李東平，盧愛(ài)剛，孫建國(guó).2006.基于GIS的地震專題圖制圖中的功能開(kāi)發(fā)［J］.西北地震學(xué)報(bào)，28(3):285—287.

LI Dong-ping，LU Ai-gang，SUN Jian-guo.2006.Some function exploring in the seismic thematic mapping based on GIS［J］.Northwestern Selsmological Journal，28(3):285—287(in Chinese).

肖文芳.2009.基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的制圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，32(1):31—36.

XIAO Wen-fang.2009.The cartographic design and implementation based on fundamental geographic information database［J］.Modern Surveying and Mapping，32(1):31—36(in Chinese).

楊緒連，劉芳.2009.天津活斷層信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.科技咨詢，(1):222.

YANG Xu-lian，LIU Fang.2009.The design and research of active fault information management system of Tianjing［J］.Science ＆ Technology Information，(1):222(in Chinese).

左志進(jìn)，方德平，李兆雄.2008.國(guó)家1:5萬(wàn)DLG數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.四川測(cè)繪，31(2):89—92.

ZUO Zhi-jin，F(xiàn)ANG De-ping，LI Zhao-xiong.2008.Design and application of quality checking software for national 1:50 000 DLG data［J］.Surveying and Mapping of Sichuan，31(2):89—92(in Chinese).

Gustavsson M A，Seijmonsbergen C，et al.2008.Structure and contents of a new geomorphological GIS database linked to a geimorphological map-With an example from Liden，central Sweden［J］.Geomorphology，95(3):335—384.

Xie H J，Zhou X，et al.2006.GIS-based NEXRAD Stage Ⅲ precipitation database:Automated approaches for data processing and visualization ［J］.Computers Geosciences，31(1):65—76.

KEY TECHNIQUES RESEARCH OF AUTOMATIC CARTOGRAPHY OF ACTIVE FAULT

GAN De-qiang1)ZHANG Xue-gang1)DU Ke-ping1)YU Gui-hua2)

1)School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China
2)National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

Mass of data in geochemical，geophysical，geological，seismological and other aspects were collected for the national active fault database system in the Tenth Five-Year Plan.How to make use of these mass of data to produce thematic map for government's decision making in urban development planning，land use，significant engineering site selection and providing the scientific basis for urban earthquake resistance and disaster mitigation has become an issue worth studying.Automatic cartography solves this problem well.

By summarizing，we find that most of present researches in automatic cartography care much about cartography process itself，rarely involve property and spatial data inspection.Thus，it is hard to ensure the accuracy of data and may lead to a drop in quality of automatic cartography.Firstly，this paper discusses the process of automatic cartography.Secondly，considering the actual situation of urban active fault detecting project，we propose to add inspection of automatic cartography and topology check to guarantee the quality of cartography.Thirdly，further research is done in the principle of automatic matching and topology checking to develop a feasible process for automatic matching and topology checking.Finally，a system is designed to realize the function of automatic matching.

The techniques and methods used in this system have important reference value in mapping automation in other areas，such as climate，geography，resources and land use，etc.

active fault，automatic cartography，automatic matching，topology checking

P208

A

0253－4967(2011)04－0990－07

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.04.021

2011－10－19收稿，2011－11－13改回。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAC38B04)和國(guó)家自然科學(xué)基金“汶川地震應(yīng)急科考數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)”項(xiàng)目共同資助。

*通訊作者:杜克平，北京師范大學(xué)副教授，E－mail:kpdu@bnu.edu.cn。

甘德強(qiáng)，男，1986年生，北京師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生，從事地圖學(xué)與地理信息研究，電話:18910603127，E－mail:recalled@163.com。