CN1477567A - 基于便携机的计算机辅助地质调查系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于便携机的计算机辅助地质调查系统，其采用包括GIS、GPS、DBS、RS、CADS、ES和ANNS系统的多S集成技术和面向对象的方法进行设计与开发，系统所采集的数据均进入统一的空间数据库和属性数据库，通过数据仓库技术进行有效连接和信息提取，支持并实现区域地质调查的全程计算机辅助化和无纸填图作业。该调查系统包含前期资料收集整理、野外数据采集和室内数据综合整理三个子系统平台。本发明提供室内室外一体化的灵活方便和功能强劲的操作环境，能够实时、快速、全面地获取、管理和处理各种地质勘查信息，是较之传统工作环境的具有明显特征的新的工作模式，用途广泛，具有可持续发展的特性。

Description

基于便携机的计算机辅助地质调查系统

技术领域

本发明涉及数据采集、信息管理和系统集成的信息处理和地学信息工程领域，特别是一种基于便携机的计算机辅助地质调查系统。

背景技术

自20世纪50-60年代以来，许多国家相继注意利用物探、化探和遥感等技术方法开始探索新的地质调查野外工作方法、手段，加强对区域地质情况的调查，极大地提高了野外工作效率和速度。20世纪70-80年代，由于地质科学领域中各门学科的理论、方法和技术的迅猛发展和相互渗透，特别是地理信息系统(Geographical Information System，GIS)技术的发展和应用，大大丰富了地质调查野外工作的内容和方法，也相对提高了地质调查的质量和速度。20世纪80年代中期开始，西方经济发达国家开始探讨利用计算机进行野外数据采集方面的试验。由于当时计算机硬件设备发展的限制，普遍采用掌上机为系统硬件设备，且主要用于以文字信息为主的属性信息采集。加拿大、澳大利亚、美国等发达国家自20世纪80年代中期起，开始重点研究地质调查野外属性数据获取、管理的方法和技术，开展以计算机为主的各种高新技术辅助野外地质调查试验。在野外普遍采用固化于掌上机的专门的野外数据采集系统，来采集野外点位和路线的全球定位系统(GlobePositioning System，GPS)数据和属性描述数据。在我国，建立计算机辅助地质调查系统的设想提出已经有十几年的历史了，但由于种种原因至今还没有形成一个基于便携机(包括平板机在内的轻型便携机)的从野外数据采集到室内数据综合整理全过程计算机化的完整的实用系统，因此大多数地质调查工作仍沿用传统方式。随着计算机软硬件技术的发展，我们已经能够研制出这样的新型计算机辅助地质调查系统，以支持新时期地质调查工作实现数字化、标准化和信息化的目标。

在系统的硬件平台方面，传统的掌上机工作模式有其轻便和省电的优点，但是它内存小(一般只有32M)，处理图形能力差，比较适合于记录文字信息。然而，野外地质描述信息除了需要准确的定位信息外，有大量的关于地层、构造以及矿产等属性信息，还有遥感影像、素描和数码照片等图像信息。因此，野外工作平台要求能够装载GIS和数据库系统软件，实现对野外地质信息进行现场的完整记录。迅速发展的便携机就能够胜任这一工作。关于便携机人们关心它在重量、工作时间、屏幕以及输入方式等方面对于野外工作的适应性问题。目前，轻型便携机的重量在1350g以下的品种已很常见，基于节能型芯片(如Crusoe芯片、Intel迅驰芯片)的笔记本计算机工作时间可达8小时以上，阳光下可见屏幕和穿戴式电脑的出现说明便携机使用方式上的变革。技术上的不断进步使便携机更加轻便实用，能够满足野外工作的需要。

在系统的软件平台方面，由于地质现象的复杂性，采集、存储和管理具有多源、多量、多类、多维和多主题特征的地质调查数据，仅仅使用传统的GIS和GPS是不能胜任的，因此地质调查数据的特征客观上决定了一个完整的计算机辅助地质调查系统是一个包含多种技术，如GIS、RS、GPS、DBS和CADS等，涉及多种小型高技术设备(如GPS和数码相机等)的一个综合性系统。对于涉及复杂的描述地质现象的空间信息和属性信息，GIS系统平台是处理空间信息和图形图像信息的合适的集成平台，而后台数据库(Database System，DBS)能够弥补GIS在属性信息管理方面的不足，用于进行复杂属性信息的管理和处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用多S集成的技术思想，设计开发出一种基于便携机(包括平板机在内的轻型便携机)的计算机辅助地质调查系统，该系统服务于地质调查工作全程计算机辅助化，为野外地质调查工作提供方便的数字化地质信息采集工具，支持实施无纸填图，为室内数据综合整理、信息提取和地质图的生成提供灵活高效的信息管理和处理工具。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：采用集GIS、GPS、DBS、RS、CADS、ES和ANNS于一体的多S集成技术和面向对象的方法进行设计与开发，系统所采集的数据均进入统一的空间数据库和属性数据库，通过数据仓库技术进行有效连接和信息提取，构成区域地质调查的全程计算机辅助化的基于便携机的计算机辅助地质调查系统，该调查系统包含下述三个子系统：

(1)前期资料收集整理子系统：含属性数据采集模块、空间数据采集模块、二维图形编辑模块和数据综合整理分析模块；

(2)野外数据采集子系统：含GPS数据采集模块、手图标绘模块、遥感解译图标绘模块、属性数据采集模块、地质草图修编模块、地质现象素描模块、实测剖面测绘模块；

(3)室内数据综合整理子系统：含属性数据整理模块、属性数据处理模块、空间数据整理模块、空间数据处理模块、地质图编辑模块、插图与图切剖面模块。

本发明由于利用专业化的“多S”集成的高新技术方案，因而具有如下主要优点：

其一.由于系统的目标是变革传统工作模式，实现区域地质调查的全程计算机辅助化，以及地质调查成果的数字化、标准化和信息化，显著提高地质调查工作的效率和精度。

其二.可以在野外方便地采集路线和地质点的全部属性数据、空间数据和影像数据；也可以以直接修编国土资源草图和地质草图的方式进行填图，甚至实现“无纸填图”。

其三.由于采用了成功的集成化技术，实现了基于GIS、DBS的主题式对象-关系数据库的各子系统之间的数据动态交换。由于基础数据在主题式对象-关系数据库中统一管理，能够实时、快速、全面地获取、管理和处理各种地质勘查信息。

其四.主管部门(如省局和部委)可以在本系统的基础上建立区调点源信息系统，再利用计算机网络技术，来组建一个信息齐备而又功能完善的“基础地质信息系统”和“国土资源信息系统”，有效地推进“数字国土工程”建设，为实现地质调查工作信息化与国土资源信息社会化奠定坚实的基础。

其五.用途广泛，除了区域地质调查外，还可为金属、非金属、煤炭、石油、天然气、地下水和各类建设工程的地质勘探，以及城乡规划、建设、管理和政府决策提供强力支持。

其六.操作方便：室内室外操作环境一体化，不存在复杂的数据转换及因此带来的数据损耗和丢失的弊病，具有可持续发展的趋势。

附图说明

图1是计算机辅助地质调查系统的组成与联系示意图。

图2是计算机辅助地质调查系统的数据流向示意图。

图3是计算机辅助地质调查系统的硬件平台体系示意图。

具体实施方式

本发明是一种基于便携机(包括平板机在内的轻型便携机)的计算机辅助地质调查系统。该系统是一个多种技术联合应用、多S集成的以数据为核心的高新技术系统。系统的开发基于地质矿产点源信息系统的设计原理与方法，体现了以主题式关系数据库和空间数据库系统为基础，以空间信息和属性信息管理为核心的设计思路。系统在室外配备以超轻型便携机(包括平板机)为硬件支撑的野外数据采集子系统；在室内则配备以PC-586以上微型计算机为硬件支撑的整理编图子系统，内含综合整理、统计分析、空间分析、区域评价、地质图编绘和报告编写等处理模块。利用该系统可以在野外方便地采集路线和地质点的全部属性数据、空间数据和影像数据；也可以以直接修编国土资源草图和地质草图的方式进行填图，实现地质调查工作的全程计算机辅助化。该系统以图幅为单位，可以将野外调查资料、物探资料、化探资料和钻探资料集成起来，达到“多S”信息交互检索、综合处理和综合应用的目的，使图幅内的各种空间数据和属性数据的存贮、检索和处理实现数字化、自动化、高速化、网络化、综合化和智能化，进而为立体填图打下良好的基础。系统采用行业统一的数据模型、标准的代码体系、规范的图式图例和通用的软件接口，有较高的专业化特点。

上述的便携机是指运行Windows操作系统的轻型便携式计算机，可采用基于WindowsXP的Tablet PC，即轻型平板式便携机(简称平板机)，支持手写输入和语音输入，野外地质调查人员可以直接携带到野外进行操作。与传统的掌上机相比，最明显的特征是可以直接装载功能齐全的GIS和DBS软件系统，而且软件数据结构和功能与室内台式机上运行的软件系统一致，不需要中间转换过程。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明的组成与联系如图1所示：采用包括GIS、GPS、DBS、RS、CADS、ES和ANNS系统的多S集成技术和面向对象的方法进行设计与开发，系统所采集的数据均进入统一的空间数据库和属性数据库，通过数据仓库技术进行有效连接和信息提取，构成区域地质调查的全程计算机辅助化的基于便携机的计算机辅助地质调查系统，该调查系统包含下述三个子系统：

(1)前期资料收集整理子系统：含属性数据采集模块、空间数据采集模块、二维图形编辑模块和数据综合整理分析模块；

(2)野外数据采集子系统：含GPS数据采集模块、手图标绘模块、遥感解译图标绘模块、属性数据采集模块、地质草图修编模块、地质现象素描模块、实测剖面测绘模块；

(3)室内数据综合整理子系统：含属性数据整理模块、属性数据处理模块、空间数据整理模块、空间数据处理模块、地质图编辑模块、插图与图切剖面模块。

由于地质现象的复杂性，对于岩性、地层、构造等现象的完整描述和记录必须使用以GIS和DBS为核心的多S集成方式来完成，其中DBS负责记录属性信息；GIS负责记录空间信息；RS(Remote Sensing，)负责遥感数据，在GIS中与电子手图进行集成，也能起到很好的辅助定点和导航的作用；GPS提供实时的空间定位信息并在野外起到导航的作用；CADS(Computer-Aided Design System)为计算机辅助设计技术，用于地质图件的辅助编绘；ES(Expert System)和ANNS(Artificial Neural Network System)即专家系统和技术人工神经网络技术，用于信息的提取和综合，对于后期的成果整理有重要作用。

图2是系统的数据流向图，是系统开发必要的基础，反映了系统实现的具体方式。GIS平台和DBS平台是系统的核心软件处理平台，其中GIS是操作和数据调度的集成平台，DBS的操作也由GIS进行激活和连接。矢量化手图数据、遥感正射影像、GPS定点数据均直接进入空间数据采集子系统，完成野外数据采集操作。标准化手簿数据是系统的补充，形式上和屏幕上的标准输入数据项是一致的，可在基地输入系统中。数码相机拍摄的地质现象照片和手写板输入的素描图等多媒体信息直接进入DBS统一关联管理。在室内操作中，GIS提供可视化查询功能，采用集成化操作技术连接DBS，提高了系统的操作效率，可以看到，GIS与DBS之间的信息交换是双向的。室内在GIS环境中基于CAD技术辅助生成地质图等系列成果图件，在DBS环境中提供地质调查报告的辅助编写和信息提取与处理工具。

多S集成系统的应用：必须着重编制数据库与图形库的数据接口、属性数据库与空间数据库的数据接口。其中，GIS采用了性能良好的ArcView GIS，使用其面向对象的二次开发语言Avenue进行空间数据采集系统的开发，数据库系统采用Visual FoxPro和SQLServer开发，而图形编绘系统采用面向对象的可视化开发语言IDL和Visual C++完成开发。由于系统是采用外部集成方式开发的，必须解决Visual FoxPro、SQL SERVER、ArcView、IDL和Visual C++等多种软件平台的数据连接问题。为此，系统使用Windows环境下的动态数据交换技术(DDE)、对象的链接与嵌入技术(OLE)、以及开放数据库连接技术(ODBC)等，并且不断地加以拓展和再开发，形成各子系统之间双向或多向灵活、流畅的信息流通体制，使各子系统融为一体。系统采用行业统一的数据模型、标准的代码体系、规范的图式图例和通用的软件接口，室内多图幅的大数据量的最终管理我们使用Arc/Info、MapGIS和Oracle软件系统实行统一管理，也符合国家数据汇总的标准格式。

前期资料收集整理子系统：应采用地质现象描述信息的标准格式和记录规范，即：在野外数据采集标准的基础上结合国家标准和行业标准，按野外描述内容分为包括地层、岩石、矿物、构造、图件若干大类，并分别建立路线、点及剖面的项目描述标准格式和记录规范，作为子系统建模的基础。

野外数据采集子系统：实现模型是以超轻型便携计算机(包括平板机)支持的“多S”集成野外数据采集方式，该方式是利用野外数据采集标准，结合系统设计和地质模型的研究基础，调查国内外野外数据采集方式，在研究分析了国内外掌上机、便携机特点及发展趋势的基础上而确立的。其工作方式为：所有程序和数据均直接装载到轻型便携机中；野外露头点上，通过GPS获得满足精度要求的经度、纬度和高程等点位三维信息，结合机器中的电子手图，直接在屏幕上进行地质点位的标定和信息记录，同时在空间信息系统中打开属性信息系统进行点位地质描述信息的记录，并在点位上根据实际情况表示出地层界线等相关信息；野外照片等多媒体信息通过数码相机进行拍摄和记录。野外采集的原始数据汇总后直接进入室内数据库，可以进行数据整理和处理，具体工作包括：利用系统提供的查询功能，能够在图形环境下查询相应点位或路线上的属性信息，如通过热连接查询点位上的照片，回答用户提出的诸如哪些点上见到断层、哪些点上出露了某种岩层等问题，为室内综合整理和编图提供支持。图形操作还包括：用不同的标准线型连接观察路线、连接地质界线和构造界线以及封闭地质体区域等。铁锤、罗盘、放大镜这“老三件”和便携机、GPS、数码相机这“新三件”构成了本发明新的工作模式。由于系统是直接基于通用的IBM-PC微型计算机平台和Windows环境开发，室内室外系统的数据格式是完全一致的，硬件系统更新的新技术可以马上被系统应用，目前商业化的轻型平板式(Tablet PC)便携机就为系统数据输入提供了手写输入和声音输入两种方式。系统操作界面的设计上，主要采取了两类措施：依照地质调查工作流程，设置一些操作向导，用户可以按照向导提示的步骤完成操作；针对属性输入数据项较多的情况，提供按钮式选择菜单，对于不同的属性项提供对应按钮菜单选择项，用户只需点击相应按钮即可输入属性数据，简化操作。由于可以通过直接修编电子地质草图而形成新的地质图初稿，就为越过手工编图阶段实现无纸填图奠定了基础。这是本专利申请者在国内、外做出首次尝试，也是本项成果的重要创新点。

室内数据综合整理子系统：对于区域地质调查所面临的具有多类型、多因子、多维数特征的数据，关键在于开发一个面向终端用户的全开放式点源主题数据库系统。

每个子系统都由若干功能模块组成。系统运行可以取两种方式：即单个子系统独立运行和多个子系统联合运行。由于采用了成功的集成化技术，基础数据由对象-关系数据库统一管理，实现了基于GIS和DBS的主题式对象-关系数据库的各子系统之间的动态交换数据。软件具有专为野外数据采集设计的方便灵活的数据输入界面和多种图形建模、编辑功能，还可以用于空间信息查询检索和为室内数据综合整理服务。整个系统工作过程与区域地质调查日常工作流程有很好的对应关系。利用计算机系统进行空间数据采集及整理的工作流程为：在野外填图工作之前，需要作细致的项目设计与资料准备工作，主要是搜集目标区域的地形图、地质图以及其它各类有关的资料，并通过图像扫描和图形矢量化方式将上述资料输出到计算机中，分别由基于GIS的野外空间数据采集系统和基于DBS的野外属性数据采集子系统进行管理；在野外填图过程中，在计算机中的地形图上进行地质路线、地质观察点的编录，并通过调用专题模块进行实测剖面编绘、地质现象素描等工作，所有采集的空间和属性数据汇总到室内的空间数据库和属性数据库中，最后完成信息的综合处理、图件生成和报告编写。具体特征和实现过程如下：

系统以图幅为管理单位，能够支持大、中、小各种比例尺的地质调查工作。图幅基础数据首先通过矢量化的方式或直接购买数字化成果(如调查区数字高程DEM数据)的方式进入到系统中，其中包括调查区的地形数据(含对应属性数据)、校正的遥感正射影像、以前的同区地质调查成果和地质草图(含对应属性数据)等，构成了数字化的电子手图。所有数据均按标准化的分层进行管理，属性数据系统内部使用标准化的术语代码。图幅基础数据装载到野外数据采集系统后，即可以展开实际的地质调查工作，具体的工作包括：在空间数据采集系统中地质点的标定，相应地质点的描述信息进入到属性信息采集模块中，两个子系统中使用惟一的标识码进行连接。图幅基础数据采集完成后，需要进行地质点的标注、地质界线的交互表示和注记、产状的标注等操作；在点位信息的基础上，由地质点信息连接地质界线，由各个地质界线围成各地质实体的区域信息。属性数据采集的主要内容包括：野外地质属性数据采集部分，采集数据包括地质点上和点间的地质特征数据、采样数据、多媒体信息等；其它数据为前人资料收集、实测剖面数据输出打印；设置工作分为系统设置、工作设置和属性设置三部分。

图形经过编绘软件的处理和编辑生成完整的地质图，计算机辅助生成综合柱状图和图切剖面图，可以在大幅面彩色打印机上进行输出。属性信息经过提取、分类和整理，是形成正式调查报告的重要原始素材，系统按照地质调查报告的格式提供了一定的分类检索辅助报告编写的功能。

本发明实施过程中，其硬件设置如图3所示：整个硬件平台体系由三个部分组成，与地质调查工作的三个阶段相对应。室内以台式机为主要的工作平台，处理完的基础数据可以直接传输到具有相同类型操作系统平台的轻型便携机上带出野外。在野外分为野外基地和野外露头点上两级操作。野外基地以便携机操作为主，可以配备一些小型的输入输出设备。野外调查的露头点上，以便携机为操作平台完成各项数据采集和入库工作。可以看到本发明中，以能装载全功能GIS和DBS等系统的轻型便携机为硬件操作平台，提供室内室外一体化的灵活方便和功能强劲的操作环境，是较之传统工作环境的具有明显特征的新的工作模式，具有可持续发展的特性。

Claims (10)

1.一种基于便携机的计算机辅助地质调查系统，其特征在于采用包括GIS、GPS、DBS、RS、CADS、ES和ANNS系统的多S集成技术和面向对象的方法进行设计与开发，系统所采集的数据均进入统一的空间数据库和属性数据库，通过数据仓库技术进行有效连接和信息提取，构成区域地质调查的全程计算机辅助化的基于便携机的计算机辅助地质调查系统，该调查系统包含下述三个子系统：

(1)前期资料收集整理子系统：含属性数据采集模块、空间数据采集模块、二维图形编辑模块和数据综合整理分析模块；

(2)野外数据采集子系统：含GPS数据采集模块、手图标绘模块、遥感解译图标绘模块、属性数据采集模块、地质草图修编模块、地质现象素描模块、实测剖面测绘模块；

(3)室内数据综合整理子系统：含属性数据整理模块、属性数据处理模块、空间数据整理模块、空间数据处理模块、地质图编辑模块、插图与图切剖面模块。

2.根据权利要求1所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于前期资料收集整理子系统，应采用地质现象描述信息的标准格式和记录规范，即：在野外数据采集标准的基础上结合国家标准和行业标准，按野外描述内容分为包括地层、岩石、矿物、构造、图件若干大类，并分别建立路线、点及剖面的项目描述标准格式和记录规范，作为子系统建模的基础。

3.根据权利要求1所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于野外数据采集子系统，其实现模型是以轻型便携计算机支持的“多S”集成野外数据采集方式，即：所有程序和数据均直接装载到轻型便携机中；在野外露头点上，通过GPS获得满足精度要求的经度、纬度和高程等点位三维信息，结合机器中的电子手图，直接在屏幕上进行地质点位的标定和信息记录，同时在空间信息系统中打开属性信息系统进行点位地质描述信息的记录，并在点位上根据实际情况表示出相关信息；多媒体信息通过数码相机进行拍摄和记录。

4.根据权利要求1所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于室内数据综合整理子系统，对于区域地质调查所面临的具有多类型、多因子、多维数特征的复杂数据，建立面向终端用户的全开放式点源主题数据系统，存储管理和处理这些数据。

5.根据权利要求1所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于多S集成系统的应用，必须着重编制数据库与图形库的数据接口、属性数据库与空间数据库的数据接口，其中：GIS采用性能良好的ArcView GIS，用其面向对象的二次开发语言Avenue进行空间数据采集系统的开发；数据库系统采用Visual FoxPro和SQL SERVER开发；图形编绘系统采用面向对象的可视化语言IDL和Visual C++开发。

6.根据权利要求5所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于多S集成系统，使用包括Windows环境下的动态数据交换技术、对象的链接与嵌入技术，以及开放数据库连接技术，并且不断地加以拓展和再开发，形成各子系统之间双向或多向灵活、流畅的信息流通体制，使多S融为一体。

7.根据权利要求5所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于多S集成系统，以图幅为管理单位，支持大、中、小各种比例尺的地质调查工作，

图幅基础数据首先通过矢量化的方式或直接购买数字化成果的方式进入到系统中，构成数字化的电子手图，内含调查区的地形数据和对应的属性数据；校正的遥感正射影像及其解译成果、前期小比例尺区调成果、地质勘探和物化探成果等，通过矢量化的方式进入到系统中，并综合成新的地质草图，

所有数据均按标准化的分层进行管理，属性数据系统内部使用标准化的术语代码。

8.根据权利要求7所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于图幅基础数据装载到野外数据采集系统后，即展开实际的地质调查工作，具体的工作包括：在空间数据采集系统中地质点的标定，相应地质点的描述信息进入到属性信息采集模块中，两个子系统中使用惟一的标识码进行连接，

图幅基础数据采集完成后，需要进行地质点的标注、地质界线的交互表示和注记、产状的标注操作；在点位信息的基础上，由地质点信息连接地质界线，由各个地质界线围成各地质实体的区域信息；在野外通过直接修编地质草图，形成支撑“无纸填图”技术的地质图初稿。

9.根据权利要求3所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于空间信息直接进入室内地质图编辑系统，经过编绘软件的处理和编辑生成完整的、符合国家标准的地质图；计算机辅助生成的综合柱状图和图切剖面图，由大幅面彩色打印机上进行输出；属性信息经过提取、分类和整理，形成正式调查报告的重要原始素材，系统按照地质调查报告的格式编写一定的分类检索辅助报告。

10.根据权利要求1所述的计算机辅助地质调查系统，其特征在于便携机的种类有包括平板机在内的轻型便携机。

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