幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造GIS數據模型

何撼東，胡 迪，閭國年，李安波，李軍利

1. 安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，安徽 合肥 230036； 2. 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023； 4. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造GIS數據模型

何撼東1，胡 迪2,3,4，閭國年2,3,4，李安波2,3,4，李軍利1

1. 安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，安徽 合肥 230036； 2. 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設點，江蘇 南京 210023； 4. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

隨著GIS在地質中的應用，地質GIS數據模型在幾何描述與表達方面日趨完善，但是對地質構造現象的語義描述與表達卻較為有限，制約了地質研究者對地質GIS地理解與應用。為了增強地質GIS數據模型中的語義信息，本文采用面向對象的方法，通過地質對象來統(tǒng)一描述和表達地質構造現象的幾何與語義特征，設計了幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造GIS數據模型。本文設計了基于“詞匯概念-名詞解釋-幾何圖例”的地質構造現象的語義三角描述方法。依據區(qū)域地質構造的語義特征，采用線性分類法將區(qū)域地質構造現象劃分為3個大類、10個中類和33個小類，在此基礎上定義了地質構造現象的基本要素集和要素類，并基于地質對象之間的幾何和語義關系，建立了區(qū)域地質構造現象要素的基本幾何網絡。采用ArcGIS Diagrammer Geodatabase建模工具，構建了幾何與語義統(tǒng)一的地質GIS數據模型。最后，以寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造現象為例對該數據模型進行了試驗驗證，結果表明該模型具有較好的實用性。

區(qū)域地質構造；數據模型；語義；GIS表達；面向對象

隨著GIS在地質中的應用，地質GIS數據模型在幾何描述與表達方面日趨完善，主要包括：基于幾何形態(tài)特征模型[1]、基于幾何對象特征模型[2-3]、基于幾何形態(tài)和對象特征模型[4]。盡管這些數據模型能夠很好地描述地質構造現象的幾何特征，但不能很好地描述地質構造現象的語義及各地質構造現象之間的復雜關系，從而導致地質構造現象描述過程中GIS語義表達較弱的問題，難以運用GIS幾何手段準確表達由地質語義概念和地質構造關系描述的地質構造現象。

隨著語義研究的不斷深入[5-12]，GIS語義數據模型不斷發(fā)展。為了有效地實現地質語義的空間數據建模，地質語義數據模型應運而生。目前大多數地質語義數據模型發(fā)展于地質本體[13-14]、地質語義共享[15]、地質語料庫[16]、地質語義標注元模型[17]等。這些地質語義模型在本體的地質規(guī)則表達和地質資料的語義共享方面取得了一定的進展，但是對于在語義數據模型中以GIS方法來區(qū)分地質時空關系、建立地質語義和幾何映射這些方面的研究需要深化，地質語義與幾何特征、拓撲特征和屬性特征的映射機制仍有待進一步探索。幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造數據模型目標在于實現地質構造語義與GIS幾何模型在時空地轉換和映射；實現GIS中點、線、面等幾何描述向地質對象轉換。

GIS的本質是描述地理現象中語義、空間位置、幾何形態(tài)、演化過程、要素關系、屬性的一門信息科學。幾何與語義統(tǒng)一的GIS數據模型將地質學家描述的地質語義與GIS之間架起一座橋梁，消除地質構造語義與幾何、數學、計算機在時空轉換、映射上的缺位，為地質構造現象的GIS描述提供新的思路與方法，對提升GIS幾何要素的語義表達與建模能力具有重要意義。

1 區(qū)域地質構造GIS數據模型概念設計

1.1 幾何與語義統(tǒng)一的建模思路

從空間數據庫建模角度出發(fā)，幾何與語義統(tǒng)一數據模型分為概念模型、邏輯模型和物理模型，分別對應地理語義描述、幾何與語義特征的映射及表達、數據模型存儲方式。因此，幾何與語義統(tǒng)一的建模理論主要包括：概念設計上的地理幾何與語義統(tǒng)一描述，邏輯設計上的幾何與語義映射與表達，物理設計上的數據模型存儲方式。

在GIS語義描述方面，設計一種基于概念、概念的解釋、幾何圖例的表達方法，實現地理現象的概念解釋，地理現象語義分類體系構建及地理現象規(guī)律性圖譜表達；在幾何與語義映射與表達方面，基于地理特征分析[18-19]，把地理現象中的幾何特征、屬性特征、關系特征與數據模型[20]中方位關系、距離關系、拓撲關系關聯起來，實現“幾何—語義”映射表達方法；在數據模型存儲方式方面，基于“對象—關系”數據庫之間的映射方法，利用面向對象的方法[21-22]，設計數據模型的對象以及對象間的關聯關系UML模型，采用ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式，采用標準關系數據庫支持下的Geodatabase空間數據模型，設計幾何與語義統(tǒng)一的數據模型。

1.2 語義特征表達

伴隨著GIS的發(fā)展，地理現象的幾何特征[19]需要通過GIS有效地表達[3]。然而在地球科學領域，語義一直沒有統(tǒng)一的概念，從不同的研究角度語義被定義為：(中文)文本的描述[7]、地理實體與地理特征的表達[1-4，12]、空間信息和短語的映射關系[5，20]、地理知識形式化圖形表達[6，15]等。

本文結合文獻[7]對GIS語義中地理實體與地理空間關系的思想以及文獻[11]提出的地理信息客觀存在性與抽象性、時空性與屬性的特點，將GIS的語義定義為：以自然語言為主體，對地理現象的概念化、非結構化描述。語義的表達包括概念解釋、分類體系及規(guī)律性圖譜表達。本文定義了GIS語義三角表達方法，包括概念、概念的解釋、幾何圖例3部分，以地質領域為例，如圖1所示的GIS語義三角在地質領域表達。

圖1 GIS語義三角在地質領域表達Fig.1 Expression of the GIS semantics triangle in geology

GIS的語義特征表達需要滿足：①通過自然語言對具有相同屬性、行為及關系的地理現象進行概念解釋；②遵循語義差異原則，實現語義分類標準，構建不同領域的統(tǒng)一分類體系；③實現相同語義特征的地理現象規(guī)律性圖譜表達方式。與自然語言文本描述、地理實體與特征表達、空間信息和短語的映射、地理知識圖形化表達不同的設計，本文要設計一種幾何與語義統(tǒng)一的數據模型，側重將地質構造現象中褶皺、斷層、地層等地質構造現象中的概念、概念的解釋、幾何圖例通過這種幾何與語義統(tǒng)一的數據模型進行表達。

1.3 幾何與語義映射機制

根據GIS特征中幾何特征、屬性特征和關系特征的分析和規(guī)律總結，實現GIS特征的幾何與語義映射方法，分別采用幾何形態(tài)、方位關系及度量關系、拓撲關系映射地質構造現象的語義，如圖2所示幾何—語義映射方法。

圖2 幾何—語義映射方法Fig.2 Mapping of geometry and semantics

對于地理現象中的幾何特征，采用GIS的幾何觀點分為點、線、面、體，分別對應于零維、一維、二維、三維幾何對象，來描述地質現象的幾何形態(tài)，簡單的幾何對象可以組合成復雜幾何對象來描述地理現象的位置、幾何形狀，通過“幾何分類—語義描述—地理現象”實現幾何特征的幾何—語義映射。對地質構造現象中諸如地層厚度、巖層產狀、巖層厚度等能夠采用GIS幾何觀點中方向、距離數據定量描述的幾何屬性，通過“巖層產狀、厚度、出露特征——方位關系、距離關系”的對應，實現地質對象幾何屬性的幾何—語義映射；對地質構造現象中諸如整合接觸、復式背斜等分布、組合關系，采用點集拓撲學理論中的四交模型，通過“構造分布、組合關系——拓撲關系”的對應，實現地質對象幾何關系特征的幾何—語義映射。

1.4 幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造概念數據模型

幾何與語義統(tǒng)一的數據模型是對地理現象地抽象概括與表達，應該能夠充分表達地理現象的語義、空間位置、幾何形態(tài)、時間過程、要素關系和屬性特征6個方面的信息。

本文采用面向對象的方法，幾何與語義統(tǒng)一邏輯模型總體框架設計如圖3所示，包括地質對象、點對象、線對象、面對象、語義分類、地質規(guī)則與拓撲關系。

(1) 地質對象(GEO-S object)由點要素、線要素、面要素組成的復雜對象。

(2) 點對象(GEO-S point feature)是地質對象的子類，點對象與地質構造現象存在對應關系，例如褶皺拐點、褶皺轉折端點、褶皺脊、褶皺槽、地層分界線點等。

(3) 線對象(GEO-S line feature)是地質對象的子類，線對象與地質構造現象存在對應關系，例如地層分界線、褶皺轉折端、褶皺樞紐、斷層線、地層分界線、背斜軸線、向斜軸線等。

(4) 面對象(GEO-S polygon feature)是地質對象的子類，面對象與地質構造現象存在對應關系，例如地層的縱橫剖面、褶皺軸面、褶皺脊面、褶皺槽面、斷層面、巖體面、背斜、向斜等。

(5) 語義分類(GEO-S semantics)地質構造現象在地質領域的分類。

(6) 地質規(guī)則(GEO-S rule)主要包括地質構造現象中點點(PP)、點邊(PL)、點面(PPL)、線線(LL)、線面(LPL)、面面(PLPL)交匯的規(guī)則，用于控制和校驗地質要素建模過程中的合理性。

(7) 拓撲關系(GEO-S topology)包括空間關系中點點相鄰、點點相離、線線相離、線線相鄰、線面相離、面面相交等。

圖3 幾何與語義統(tǒng)一概念模型Fig.3 Conceptual modeling design obtained by integrating geometry and semantics

2 區(qū)域地質構造GIS數據模型邏輯設計

區(qū)域地質構造領域中，存在著大量的自然語言描述，不同的區(qū)域地質構造現象[23]有不同的語義特征表達，同時地質構造現象間的要素關系十分復雜[24]。因此地質構造現象必須通過一個統(tǒng)一標準[25]來進行語義特征的表達，幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造數據模型構建的流程是：基于地質語義分析的地質要素幾何分類方法與要素類的設計；復雜的地質要素間關系的確定與表達；利用面向對象的技術，ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式，標準關系數據庫支持下的Geodatabase空間數據模型，設計地質語義的數據模型。

2.1 統(tǒng)一語義分類體系與要素類設計

區(qū)域地質構造語義分類原則是對一類具有相同屬性、行為及關系的地質構造現象的劃分，能夠揭示同類地質構造現象的本質。在此語義分類原則下劃分的地質對象是指在一定構造尺度(區(qū)域地質構造)下，對符合同一類地質形態(tài)、產狀、規(guī)模、形成條件、形成機制、分布和組合規(guī)律的原生構造、巖石產狀、地層接觸關系特征的定義。地質構造自然語言描述地質構造概念，地質對象載體是地質構造數據，表達出來方式是點、線、面等幾何符號表達。

本文參考GB/T 9649地質礦產術語分類代碼(含GB/T 9649.1—35)和GB958—99區(qū)域地質圖圖例，選取區(qū)域地質構造領域被行業(yè)廣泛認可、具有代表性的3大類10次級分類的33種地質對象，并基于此分類原則及面向對象建模方法，分別依據點、線、面3類幾何形態(tài)設計了33種地質對象的要素類名稱及要素幾何類型表達方式，如表1所示。

表1 區(qū)域地質構造現象要素設計表

表1定義了MultiPoint、PolyLine、Polygon、Polycurve 4種幾何(geometry)類型，其中MultiPoint定義地質對象幾何類型為多點，表示屬性相同的一組點；PolyLine定義地質對象幾何類型為相離或相連的路徑的有序集合，表示所有線性要素的幾何形狀；Polygon定義地質對象幾何類型為多邊形，用來表示面狀要素的幾何形狀；Polycurve用來定義地層的幾何類型，地層作為褶皺和斷層的載體是一個抽象的幾何類，由多個曲線構成的地質對象。

表1中設計的地質對象要素的幾何類型可以很好地描述地質志、地質平面圖、地質剖面圖等地質資料描述的地質現象。例如地質剖面圖中勾繪的地質界線、整合/不整合面可以通過Geo_StratumE_M(整合/不整合面)、Geo_StratumE_X(地質界線)兩類要素表達，地質剖面圖中的傾向、傾角、巖層產狀、地層年代等屬性特征可以通過幾何與語義統(tǒng)一數據模型中要素的屬性字段進行存儲。

2.2 地質要素間關系的確定與表達

本文定義的33種地質要素間具有多樣、復雜的關系，這些關系中由特定的地質構造關系語義概念進行描述，地質構造語義能夠很好地闡述地質構造要素之間的聯系方式，在不同尺度、不同抽象層次上更好地理解地質構造現象。在GIS領域，需要通過建立幾何、數學、計算機與地質構造要素關系映射的橋梁，來確定地質構造要素之間的關系。地質構造要素關系包括描述地質構造空間規(guī)律的拓撲關系和地質對象間組合規(guī)律的復雜要素關系兩大類：拓撲規(guī)則，如斷層面和斷盤、地質界線和整合/不整合面間拓撲關系；復雜的要素關系，如向斜/背斜與復式向斜/復式背斜的包含關系、褶皺軸線與背斜/向斜依存關系等。

具體方法是首先梳理能表達要素之間關系的地質構造概念，進而在地質構造特征的語義描述基礎上對語義關系解讀，轉換成能表達要素關系的地質構造語言，最后根據語義要素關系解讀的結果，將空間拓撲關系、復雜要素關系與地質構造語義進行映射，建立GIS要素關系與地質語義的對應，如圖4所示。

圖4 地質構造時空語義關系推斷流程Fig.4 Spatio-temporal semantic relation deduction of a geological structure

地質構造自然語言描述的空間關系通過GIS的拓撲關系進行表達；地質構造空間關系通過梳理、總結地質構造中各要素在地質構造領域的概念、解釋，找出要素之間的地質構造空間規(guī)律，在梳理地質構造要素空間關系詞匯的基礎上，總結有關的自然語言，并進行解讀，實現自然語言與拓撲關系的映射。表2給出了地質自然語言與拓撲關系的對應表達。

區(qū)域地質構造自然語言的描述不僅局限于描述空間拓撲關系，其描述更多的是地質要素間的復雜關系，例如要素間的空間分布特征、組合、相互聯合、交織的關系等。

表2 地質自然語言與拓撲關系映射表

Tab.2 Mapping table of geological natural language and topologic relation

空間關系拓撲關系概念詞匯01包含包含、屬于、交匯、相會、核部、翼部、拐點、轉折端、樞紐、軸面、脊、脊線、槽、槽線等02相等相等、等同、又稱、等稱、整合面等03相交橫貫、橫臥、橫跨、縱貫、貫穿、交疊、穿越、縱橫、橫切、不整合面、軸面產狀及兩翼產狀、翼間角大小等04相鄰相接、起點、發(fā)源背靠、背依、斷層線、斷層面、斷盤、線狀型、短軸型、穹窿型、向斜型、階梯式、圓弧形等05分離相離、相隔、相距、相間、隔、平行、大致平行等

本文將要素之間關系細分為5種：

(1) 關聯關系：①聚合關系，不同的地質要素間存在的關聯指向關系，如地質界線和線狀褶皺的關系；②組合關系，一種強語義的聚合，不同的地質要素之間存在以生命周期為約束的主次依附關系，如褶皺軸與背斜/向斜的關系。

(2) 包含關系：①同語義分類對象包含，同類地質對象之間，一個對象屬于另一個對象的一部分，如背斜/向斜與復式背斜/復式向斜；②不同語義分類對象包含，一個對象屬于另一個對象一部分，如背斜/向斜與縱斷層、橫斷層。

(3) 交接關系：同層對象之間，一個對象的一端與另一個對象相互銜接，如A褶皺軸與B褶皺軸相互交接，A地層的整合/不整合面與B地層的整合/不整合面與相互交接。

(4) 重疊關系：點要素落在線要素上、線要素和面要素邊界重合，如整合面與整合接觸地層。

(5) 依賴關系：一個地質構造現象的變化對依賴它的對象產生的影響情況，如當整合面/不整合面與斷層面關系發(fā)生變化時(一致、垂直、斜交)，所對應的地質構造現象分別為走向斷層、傾向斷層、斜向斷層。

2.3 幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造邏輯與物理數據模型

幾何與語義統(tǒng)一表達的區(qū)域地質構造數據模型利用面向對象的技術，采用標準關系數據庫支持下的Geodatabase空間數據模型，如圖5所示利用ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式，設計顧及地質語義的關系模式，數據模型的構建主要包含以下關鍵環(huán)節(jié)：

(1) 地質實體的編碼設計：為了實現地質實體的科學管理，必須為每個地質實體設計唯一標識的編碼，實現統(tǒng)一數據模型的高效存取，區(qū)域地質構造實體編碼結構圖。

(2) 建立地質要素類和地質對象類的數據結構。

(3) 定義地質要素與地質對象之間的關系：分別建立“褶皺”、“斷層”與“地層”3個對象類之間的關系，采用“一一對應”的表間關系，建立要素關系類，實現地質要素復雜關系的表達。

(4) 定義要素類的拓撲關系：根據地質自然語言與拓撲關系的一一對應表達表，構建數據模型拓撲關系。

(5) 建立地質要素類的幾何網絡；通過對多地質要素類間幾何網絡的建立，構建復雜地質關系中的聯通、交接關系。

圖5中構建了4個對象要素集：斷層對象(OO_Fault)、褶皺對象(OO_Flod)、地層對象(OO_Stratum)和關系對象(Relation)，定義了斷層對象、褶皺對象和地層對象中的33種地質對象，并構建幾何網絡。

在ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式下，依據圖5構建的邏輯模型，實現物理模型的存儲，圖6是區(qū)域地質構造空間數據模型在ArcGIS Catalog中的斷層對象(OO_Fault)、褶皺對象(OO_Flod)、地層對象(OO_Stratum)和關系對象(relation)要素集以及各要素集中共33種地質構造要素分類顯示結果。

本文針對各要素的幾何、語義屬性，進行屬性字段的設計，以地層要素集中的Geo_StratumE_M(整合/不整合面)、Geo_StratumE_X(地質界線)兩類要素為例設計幾何、語義屬性字段的存儲方式。圖7中對Geo_StratumE_M(整合/不整合面)要素設計幾何屬性字段SHAPE_Length(周長)、SHAPE_Area(面積)，設計語義屬性字段XJ(地質年代)、DCMC(巖石地層單位)、DCFH(巖性段)；圖8對Geo_StratumE_X(地質界線)要素設計幾何屬性字段SHAPE_Area(面積)，設計語義屬性字段XZ(產狀)、QingJiao(傾角)、ZouXiang(走向)、QingXiang(傾向)、YanXing(巖性)實現幾何與語義屬性存儲。

圖5 ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式區(qū)域地質構造空間數據模型Fig.5 Spatio data model of a regional geological structure based on the ArcGIS Diagrammer Geodatabase

圖6 空間數據庫存儲示意Fig.6 Diagram of spatial database storage

3 試驗與分析

本文選取寧鎮(zhèn)山脈為研究區(qū)域，實現區(qū)域地質構造現象的GIS數據模型構建，以地質學家描述該區(qū)域地質構造現象的自然語言(文獻)與本區(qū)域地質志中(文獻)的平面地質圖、構造剖面圖、地史演化表、地層典為主要試驗數據，結合南京市1∶1萬DLG、南京市1∶5萬地理底圖，寧鎮(zhèn)山脈1∶5萬地層數字化圖，采用對象—關系數據庫系統(tǒng)(GeoDatabase 10.2)為基礎，利用ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式，設計幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造數據模型并以XML Workspace Document格式存儲，實現基于語義的地質對象的數據庫存儲方法，實現地質對象的查詢與分析功能。

寧鎮(zhèn)山脈地質工作歷史悠久，研究成果豐碩，地質學家描述區(qū)域地質構造自然語言詳盡、豐富。自然語言的GIS人工解析，是地質構造現象及地質要素復雜關系幾何與語義統(tǒng)一表達的關鍵。GIS人工解析的基本任務是以GIS視角將地質構造現象的語義特征、幾何形態(tài)、空間位置、時間關系、要素關系、屬性通過人工解析的方法實現與地質自然語言一一對應。本文采用GIS幾何視角對區(qū)域內自然語言描述的地質構造現象進行人工解析，實現幾何與語義統(tǒng)一的寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造地質對象及地質要素復雜關系的表達。圖9為地質構造現象自然語言GIS人工解析方法。

寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造地質對象統(tǒng)一表達幾何對象包括：地層對象、褶皺對象、斷層對象。圖10是采用本研究中區(qū)域地質構造數據模型建立“褶皺”、“斷層”與“地層”3個對象類的方法，實現地層對象、褶皺對象、斷層對象幾何特征的圖形化表達。

圖11和圖12為地層對象幾何與語義統(tǒng)一表達試驗的結果。圖11依據寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造的地質年代自然語言，按照地層由新到老的順序(第四系、第三系、白堊系等)為分類標準，建立地層對象要素類，實現地層對象地質年代幾何與地質語義的統(tǒng)一表達。圖12是寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造以地方性地層單位自然語言(上黨組、幕府山組、茅山組等)為分類標準，建立地層對象要素類，實現地層對象地層屬性幾何與地質語義的統(tǒng)一表達。

圖7 Geo_StratumE_M幾何與語義屬性字段存儲Fig.7 Geo_StratumE_M geometric and semantic feature field storage

圖8 Geo_StratumE_X幾何與語義屬性字段存儲Fig.8 Geo_StratumE_X geometric and semantic feature field storage

圖13為褶皺對象幾何與語義統(tǒng)一表達試驗的結果，以《寧鎮(zhèn)山脈地質志》自然語言(龍?zhí)丁獋}頭復式背斜、范家塘復式向斜……)為分類標準，建立褶皺對象要素類，圖14實現褶皺對象統(tǒng)一表達，圖14(a)為區(qū)域內各背斜、向斜間的連接/相離的地質關系的圖形化表達，圖14(b)為區(qū)域內各褶皺軸與背斜、向斜的包含被包含關系地質關系的圖形化表達。

圖15為斷層對象幾何與語義統(tǒng)一表達試驗的結果。圖15(a)是以《寧鎮(zhèn)山脈地質志》自然語言(徐家山—金子山逆斷層、楊坊山—長林村逆斷層、雩山—厚角逆斷層……)為分類標準，建立斷層對象要素類，實現褶皺對象幾何與地質語義的統(tǒng)一表達；圖15(b)以斷層自然語言(正斷層、逆斷層、平移斷層、不明斷層)為分類標準，建立斷層對象要素類，實現斷層對象幾何與地質語義的統(tǒng)一表達。

圖10 寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造對象表達Fig.10 Expression of the modeling objects of a regional geological structure

圖11 地層年代幾何語義統(tǒng)一表達Fig.11 Stratum age expression obtained by integrating geometry and semantics

圖12 地層屬性幾何與語義統(tǒng)一表達Fig.12 Stratum property expression obtained by integrating geometry and semantics

圖13 褶皺幾何與語義統(tǒng)一表達Fig.13 Fold expression obtained by integrating geometry and semantics

圖14 褶皺要素關系表達Fig.14 Expression of the relation between fold elements

圖15 斷層對象幾何與語義統(tǒng)一表達Fig.15 Expression of fault age object obtained by integrating geometry and semantics

語義層次上看，寧鎮(zhèn)山脈數據模型能夠很好地表達地層對象、褶皺對象、斷層對象自然語言描述的語義特征；從幾何層次(空間位置、幾何形態(tài))上看，圖形化的表達方式，較好地描述了地質對象的幾何特征；演化過程：本研究通過地層對象中地層年代的表達，較好地描述了地質對象的時間信息；要素關系：褶皺對象中褶皺軸、背斜、向斜的連接、包含關系較好地描述了地質對象的要素關系；屬性特征：本研究通過地層對象中的“地層屬性”字段實現對地層屬性的存儲。綜上所述，幾何與語義統(tǒng)一的寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造數據模型，對區(qū)域地質對象從語義、空間位置、幾何形態(tài)、演化過程、要素關系和屬性特征6個方面做出較好的GIS表達。

4 結 論

針對目前地質構造現象幾何建模過程中忽視語義，缺乏有效的幾何與語義統(tǒng)一表達方法。本文提出了幾何與語義統(tǒng)一的GIS數據模型，主要作了以下幾方面工作：①在探討幾何與語義統(tǒng)一的建模理論及語義特征表達方式的基礎上，給出基于地理特征的幾何與語義映射機制；②在探討區(qū)域地質構造語義分類體系與要素類設計以及地質要素關系表達方法的基礎上，利用ArcGIS Diagrammer Geodatabase模式，設計幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造數據模型；③以寧鎮(zhèn)山脈區(qū)域地質構造為例，構建區(qū)域地質對象在語義、空間位置、幾何形態(tài)、演化過程、要素關系、屬性的GIS表達。

盡管幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造數據模型能夠較好地對地質對象進行表達、組織、存儲與分析，但由于地學現象的復雜性，該模型還存在以下不足：對于連續(xù)變化的地質構造現象描述有局限性；區(qū)域地質構造語義識別與定性空間關系提取方法，如褶皺軸的提取與褶皺要素關系的描述，正、逆、平移斷層的識別與描述等有待今后進一步探索。

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(責任編輯：宋啟凡)

GIS Data Modeling of a Regional Geological Structure by Integrating Geometric and Semantic Expressions

HE Handong1,HU Di2,3,4,Lü Guonian2,3,4,LI Anbo2,3,4,LI Junli1

1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036,China; 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment，Nanjing Normal University，Ministry of Education, Nanjing 210023, China; 3. State Key Laboratory Cultivation Base of Geographical Environment Evolution (Jiangsu Province), Nanjing 210023, China; 4. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

Using GIS, data models of geology via geometric descriptions and expressions are being developed. However, the role played by these data models in terms of the description and expression of geological structure phenomenon is limited. To improve the semantic information in geological GIS data models, this study adopts an object-oriented method that describes and expresses the geometric and semantic features of the geological structure phenomenon using geological objects and designs a data model of regional geological structures by integrating geometry and semantics. Moreover, the study designs a semantic “vocabulary-explanation-graph” method for describing the geological phenomenon of structures. Based on the semantic features of regional geological structures and a linear classification method, it divides the regional geological structure phenomenon into 3 divisions, 10 groups, 33 classes and defines the element set and element class. Moreover, it builds the basic geometric network for geological elements based on the geometric and semantic relations among geological objects. Using the ArcGIS Diagrammer Geodatabase, it considers the regional geological structure of the Ning-Zhen Mountains to verify the data model, and the results indicate a high practicability.

regional geological structure; data model; semantics; GIS expression; object-oriented

The National Natural Science Foundation of China (Nos.41601412; 41571400); The Key Project of Natural Science Foundation of the Anhui Higher Education Institutions (No. KJ2016A222); The Foundation of Anhui Agricultural University (No.yj2015-22); The Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (No.164320H116)

HU Di

何撼東，胡迪，閭國年，等.幾何與語義統(tǒng)一的區(qū)域地質構造GIS數據模型[J].測繪學報，2017,46(8)：1058-1068.

10.11947/j.AGCS.2017.20160427. HE Handong，HU Di，Lü Guonian，et al.GIS Data Modeling of a Regional Geological Structure by Integrating Geometric and Semantic Expressions[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(8):1058-1068. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160427.

P208

A

1001-1595(2017)08-1058-11

國家自然科學基金(41601412; 41571400)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A222)；安徽農業(yè)大學科研啟動基金(yj2015-22)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(164320H116)

2016-08-03

何撼東(1983—)，男，博士，講師，研究方向為地質語義、時空數據結構與數據模型。First author： HE Handong(1983—), male, PhD, lecturer, majors in geological semantics, spatio-temporal data structure and data model.

E-mail： hehandong@ahau.edu.cn

胡迪

E-mail： hud316@gmail.com

修回日期： 2017-07-15