数字化填图技术在野外地质实习中的应用

向中林，司荣军，王润怀，文广超

河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000

数字化填图技术在野外地质实习中的应用

向中林，司荣军，王润怀，文广超

河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000

随着“数字国土”工程的启动和实施，数字化填图是信息时代区域地质调查发展的必然趋势，新的社会需求给大学野外地质教学的改革提出了新要求。本文在阐述了数字化填图技术的基础上，针对传统地质填图方法的缺陷，基于中国地质调查局推广应用的RGMAP数字填图系统，从实习动员及准备，野外实践到室内资料整理与成图三个阶段，探讨了野外地质实习过程中数字化地质填图的应用过程和技术要求，为地质专业野外实习应用数字地质填图技术提供参考。

区域地质调查；RGMAP；数字填图技术

地质填图是地质工作中的基础工作，是一切地质工作的先行步骤。地质填图方法和技术是地学类专业学生必须掌握的一项基本技能。随着“数字地球”、“数字国土”战略的启动和实施[1]，对地质填图[2]在内容、方法和技术上都提出了更高的要求，地质填图的数字化是信息时代地学发展的必然趋势，传统的地质填图是通过连续的野外地质路线观测和观察，把获得的第一手基础资料记录在纸介质的记录簿上，并把相应的地质观测点及界线标绘在地形图上[3-5]。其在数据采集方式与精度、存储方式、可利用性和使用效率上都存在着许多缺陷[6-7]，极大地制约了资源信息的充分发挥。开展地质填图数据采集与数字制图技术研究，以实现地质调查数据获取全过程的信息化，是世界技术先进国家的地质填图工作的普遍趋势。中国地质调查局进行了数字地质填图技术的研究和开发，开发了RGMAP数字填图系统，并于2005年开始在国内作为区域地质调查的基本工作方法和手段全面推广使用。为了培养适应我国新一轮国土资源大调查和地学研究要求的现代化新型地学人才，在野外地质填图实习中引入数字地质填图技术势在必行。

一、数字化填图技术

地质填图是在野外实地观察研究的基础上，按一定比例尺将各种地质体和地质现象填绘在地理基础底图上构建地质图的工作过程[2]。20世纪中后期，社会经济发展对地质工作的需求日益多样化，为适应城市、农业、环境、军事、旅游等对地质工作的需求，地质工作领域得到进一步拓展，相应的地质信息将更加丰富，要求精度将更高，表达方式将更加多样化。为了适应信息时代的这种要求，数字地质填图技术应运而生，即以“3S”信息技术为手段，以地质理论为基础，以掌上电脑、数码相机和GPS野外“新三件”为补充，实现从野外数据采集，室内数据整理、解释，室内成果图件、报告编制和输出全过程的数字化、数据库化、标准化和集成化，从根本上改变了使用纸质地图、记录本、笔、目视定位、人工解释和制图的传统工作方式，提高地质填图工作的现代化程度。

“3S”技术，即遥感技术(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)的统称。“3S”技术是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[8-9]，是现代地球科学，也是数字地质填图最重要、最基本的组成部分和关键技术支撑。在“3S”技术中，RS主要用于实时、快速地提供地表景物及环境的几何及物理的定性或定量数据，RS的应用使快速地质填图成为可能，通过相应比例尺卫片、航片的地质解译，可以从宏观上识别实地难以观察的构造现象，快速指导我们设计路线和确定岩性。GIS则为地质、地理、地球物理、地球化学和遥感等多源地学数据提供了管理、处理、分析和应用的平台和工具，不仅可存储大量的遥感、定位信息和地物属性信息，同时可提供大量的统计信息，进行多元多维动态复合分析。基于GIS地质图空间数据库的建立也增加了成果的表现形式，从根本上改变了地质图信息的表示、存储与服务方式。GPS则主要用于提供实时或准实时的目标定位信息和地面高程模型(DEM)，为快速获取路线调查的点源空间数据并实时导航定位提供有效手段。

地质填图是一项多学科综合的调查研究工作，地质调查野外路线的地质观测及其成果需要形成有区域性、多维性和时序性的地学空间数据库，涉及地理、遥感、基础地质、地球物理、地球化学、矿产地质、灾害地质、工程地质、农业地质、旅游地质、生态环境等多源信息[10-12]，信息量极大，如何实现这些野外第一手资料的快速采集，是制约整个填图过程的瓶颈。20世纪末，支持野外数据采集信息化的技术已基本成熟，掌上电脑、数码相机和GPS定位仪等已经成为野外地质工作的“新三件”(相对于地质锤、罗盘和放大镜“老三件”而言)。基于掌上计算机开发的野外数据采集系统是数字填图中的关键系统，实现了传统地质工作的数字化革命，即以支持非键盘输入技术(手写识别、语音识别等)的电子笔记簿取代了传统的手写记录簿，改变了传统地质调查繁琐的手工操作过程，实现了野外地质观察的图、文、像的数字化和属性数据库的快速创建。系统中“3S”的集成实现了地学空间数据库和属性数据库的无缝连接，极大地改变和优化了野外采集数据的精度和管理方式，实现了地质相关图件的自动化生成，极大地提高了野外地质填图的效率。

中国地质调查局推广使用的RGMAP数字填图系统就是一种集GIS、GPS、RS技术为一体的野外地质数据采集系统，已构成为中国数字地质填图的主要技术系统。其核心是数字PRB过程，即将野外数字地质路线调查过程分解为地质定点(Point，简写为P)过程、分段路线(Routing，简写为R)过程、点和点界线(Boundary，简写为B)过程三部分[13-15]，通过对野外观测的地质现象及描述进行定义、分类和归纳,分层并结构化存储在空间数据库和属性数据库中，实现地质路线、地质点、产状、样品、素描、化石、地质界线等空间位置和属性数据的集成管理和分析。其PRB数据操作流程图如图1所示。

图1 数字地质填图中PRB数据操作流程图

二、新技术在野外地质实习中的应用

地质填图实习是河南理工大学地质工程、水文与水资源工程和地球信息科学与技术专业的学生在大三阶段所开设的一门必修的野外实践教学课程，其目的是使学生熟悉区域地质调查（填图）的工作方法和程序，学习基本的野外地质工作技能和方法，培养适应新一轮国土资源大调查和“数字国土”工程建设所需要的新时代人才。根据数字化填图技术应用的特点，结合实习目的和要求，我们将地质填图实习分为实习动员及准备、野外实践和资料整理与成图三个阶段。其整个实习过程如图2所示。

1.实习动员及准备

在实习开始前，需要把学生组织起来进行动员，明确实习目的和要求，对实习安排进行部署和说明，对人员进行分组分工，对装备（包括“新三件”）进行配置和准备，针对新技术的应用，有必要对学生进行为期2～3天的强化培训，可以通过专题讲座的形式使学生熟悉数字化填图技术的基本技能，主要包括RGMAP数字填图系统和数字剖面测量系统，熟悉“新三件”的使用，条件允许时可以进行实际操作来模拟演练，使学生对整个数字化填图系统和过程程序有一个初步的认识。

图2 数字地质填图教学实习流程图

此外，室内数字地形资料的准备也可以选择作为本次实习的一项重要内容，选择并收集齐合适比例尺的地形数据或地形图作为数字填图野外手图库的数字化地理底图。对收集调查区已有地质调查、地球物理、地球化学数据和资料进行数字化，对收集的遥感影像数据进行校正配准、增强处理和预解译处理。对不同地球参照系和地图投影的各种数据和资料应进行统一的与图幅地形数据相一致的坐标参照系和地图投影方式转换处理。经预处理的数据应整合在数字填图系统中，作为数字地质填图的基础背景图层应用于地质填图中。时间比较紧的条件下，这一阶段的工作可以作为已有资料预先准备好，指导老师以基础背景图层的形式交给学生使用。

2.野外实践

这是野外地质实习的主体部分，根据实习内容、目的和数字化填图过程要求，将野外实践分成三个阶段：踏勘、实测剖面和填图。

（1） 踏勘及电子字典库的建立。

踏勘是野外实习的第一阶段，一般由实习指导老师统一组织，主要目的是让学生认识实习地区的地质概况，学会掌上电脑、GPS、数码相机和野外数据采集系统（RGMAP数字填图系统）的使用。我们采用的是内置GPS的Trimble系列Juno SB掌上机，野外数据采集系统采用RGMAP5.0，本阶段学生结合实习前的培训内容，应该能够实际操作空间定位和地质点、地层产状、采样等地质对象属性的录入建库步骤。此外，作为踏勘的重点，要求指导老师系统地讲授本地区的地层、构造、岩浆岩等区域地质特征，选择出露条件较好的典型地质点、地质现象和典型地质路线进行实地观察和描述，学生及时记录领会。由于踏勘的性质和时间的限制，学生重点在于全局特征的掌握，野外记录一般仍采用传统记录簿的形式。

踏勘结束后，对工作区有了初步认识，为了统一地质内容及其他填图术语的描述标准，电子字典库的建立是数字填图中的一个重要环节，通过对标准术语数据库的建立，野外输入时只需通过软件界面列表的选择或适当修改编辑，节省野外记录时间，减少错误出现，提高了记录的质量和野外数据采集的效率。

（2） 野外数字剖面测量及地层标准的建立。

这是野外实习的第二阶段，主要在教师指导下学生半独立完成。主要目的是掌握传统地层剖面测量的方法和技术，掌握数字化剖面测量技术的应用以及工作区标准地层的建立。野外测量过程中，用GPS确定起始点位，对学生进行分组分工，实测过程中仍沿用传统方法，按前测手、后测手、分层描述、标本采样、量产状等实习内容分工。数字剖面测量的重要区别是采用掌上机代替了野外记录簿，所有采集信息可以通过掌上机数字剖面测量软件数字化录入，借助于电子字典库建立起导线数据库、分层数据库、样本数据库、产状数据库和照片数据库等一系列剖面相关数据库。剖面完成后，在数字填图系统中，通过数据库信息抽取直接生成柱状图和剖面图，减少了传统方法中的大量计算与绘图工作。

野外剖面的选择一般要求具有代表性，剖面测量是对当前区域地层的一次精确厘定，通过剖面的测定，使学生准确掌握工作区地层的划分标志、各地层单元的典型特征。阶段工作结束后，注意适时补充完善字典数据库。

（3） 数字地质填图。

这是野外数据采集的主体内容，一般由学生独立完成，主要目的是培养学生野外独立观察能力，使学生能够熟练应用数字化填图技术解决实际地质填图任务，指导老师可以进行现场检查与辅导。

此阶段实质是观测路线地质调查的过程，即由设计路线、地质定点、路线观测、测量产状、采样、画素描和照相等过程组成。一般可按照野外手图组织、野外PRB过程和当天路线整理三步骤安排，核心是野外PRB过程。

①PRB图幅库的建立及野外手图的组织。在接图表上选择工作图幅，拷贝基础地理、地形和遥感影像等地理底图至背景图层，生成PRB图幅库，即ROUTE.MPJ工程文件。基于高分辨率遥感影像资料，参考其他地形地质资料，在PRB图幅库中设计好当前观测路线，生成以路线号为工程文件的野外手图，转成掌上电脑识别的CF卡数据，拷入掌上机，即完成了野外手图的组织。

②野外PRB过程填图。这是数字地质填图的核心。根据设计路线进行野外地质路线观测，其过程就是地质填图的数字化和附属性的过程，主要包括P（地质点）、R（分段路线）和B（点间界线）等三个基本过程。P过程是指对野外路线所通过的地质界线、重要接触关系、重要地质构造等重要地质现象进行地质观测点控制的过程。R过程是根据两个地质观测点之间的内容变化来进行分段描述记录控制的过程。B过程是对两段ROUTING之间界线进行描述记录控制的过程。该界线可以是两个地质单元的界线、也可以是一个地质单元的内部变化界线，将作为后期地质连图的重要依据。

③当天地质路线的整理。野外PRB过程实际是地质及相关信息的空间位置及属性建库和录入的过程，涉及地质点、分段路线、点间界线、GPS、样品、化石、产状、素描、照片、设计路线等10项内容，条目繁多，一般需要在当天野外路线观测数据采集过程结束后，及时进行室内路线整理。将掌上机数据转为桌面填图系统数据，对野外PRB检查和补充完善、对素描加工成图、对照片入库、进行野外PRB小结，通过PRB数据质量程序检查系统后进行PRB数据入库，即转入野外手图库。

3.资料整理与成图

这是野外实习的最后部分，也是地质教学实习中的必要阶段。需要学生把野外观测的全部原始资料，在前期局部阶段整理的基础上，通过查阅文献资料，收集前人工作研究成果，进行系统整理、分析对比、归纳总结，去伪存真，将感性认识上升到理性认识，认识工作区地质客观规律，形成最终报告和图件。内容主要有地质剖面图与综合柱状图、实际材料图、最终地质编图和实习报告。

相对于传统填图模式，该阶段处理的不再是大量的野外记录本、工作手图等原始纸质资料，而是已经初步数字化的各种数据库。将野外数字剖面测量阶段初步生成的剖面图和柱状图添加地质图案、图例、图名、比例尺和责任表等修饰信息进行规范化，形成最终地质剖面图和综合柱状图。对进入野外手图库的所有PRB过程进行检查和补充，数据整理后转入实际材料图，依据实际材料图图层中的BOUNDARY勾绘地质界线，并把BOUNDARY的属性通过软件附给相对应的地质界线，而把采集图层ROUTING的属性附给地质体面图层，形成附有空间属性的实际材料图和最终地质编图。完成全部的野外数据采集和填图与成图工作后，学生进入实习报告的编写。

三、结论

综上所述，数字填图技术的应用，改变了传统地质填图的工作效率和劳动强度，实现了多源地学信息的整合与再现；改变了传统的地质成果表现形式，创建了PRB数字地质填图的可视化过程。在本科生野外地质教学中，传授数字地质填图技术符合地质信息时代的要求，为学生将来从事地质工作打下良好基础，必将会推动地质调查方法的发展和地质调查工作的革新。

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Application of Digital Mapping Technique in the Field Geological Practice Teaching

XIANG Zhong-lin , SI Rong-jun ,WANG Run-huai ,WEN Guang-chao
Henan polytechnic University, Jiaozuo 454000, China

Digital mapping is an inevitable trend of regional geological survey in the information age, with the digital land engineering starting. It is necessary that undergraduate course practice teaching should catch up with the new social requirement that brings a reform demand to field geological practice teaching of the university. This paper introduces the basic concept of digital mapping techniques. In view of the deficiency of traditional geological mapping, based on the RGMAP digital mapping system platform popularized by CGS, the application process and technical requirements of digital geological mapping are discussed during field geological practice teaching, including three stages such as practice mobilization and preparation, outdoor practice and indoor data processing and mapping, which provides a reference for the application of field digital geological mapping in field practice teaching

regional geological survey; RGMAP; digital mapping techniques

G642

A

1006-9372 （2011）04-0039-05

2011-08-26。

河南1∶5万大口集幅、付店幅、江左幅、大金店幅等四幅区调（基［2010］矿评01-12-02）；西藏自治区矿产资源潜力评价项目（1212010813025）；地球信息科学与技术专业人才培养模式研究（2009JG049）。

向中林，男，讲师，主要从事矿产资源勘查评价与开发研究工作，地理信息系统开发与应用的教学和研究工作。