基于Google Earth的地质调查数据管理和三维显示

2015-04-11沈雪华姚春彦

地质学刊 2015年2期

沈雪华，姚春彦

(中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 210016)

0 引言

地质调查资料丰富，种类繁多。随着3S技术的发展与进步，虚拟数字地球已经成为现实，利用虚拟数字地球，结合实际地形地物以三维的形式展示地质数据成果，便可以更好地利用已有数据资源，挖掘潜在信息(吕小婷等，2012)。

Google Earth(GE)能够实现立体三维遥感影像空间展示，目前已经在城市安全、防震减灾、水文、油气等许多领域得到了广泛应用(银正彤等，2009;朱升等，2010;Chien et al，2011;Liu et al，2013)。在地学领域，虚拟技术正在成为构造地质可视化的一项标准流程，已经实现利用GE建立构造地质可视化符号和曲流河地质知识库，为地质勘查提供了便利(石书缘等，2012;王俊锋等，2014;Blenkinsop，2012)。

由于地质资料的多样性，统一管理和三维展示存在一定的困难。GE具有友好的交互界面，便于用户在一个符合真实情况的三维虚拟地球中进行浏览、下载、标记地理要素等操作，为地质数据管理和展示提供了极大的便利。特别是在地形地貌条件恶劣的地区，利用GE可以足不出户地浏览区域三维地形地貌、圈定勘查靶区、测量目标区岩层的产状，解决了勘查难度大、效率低的问题(蒲浩等，2012)。

本次研究探讨将多种地质数据通过 GPS信息定位集成化，统一转化为GE支持的 KML格式，以GE为平台将地质信息直观展示。由于GE影像更新频率较高，可以近乎实时地看出目标区的变化情况，为地质信息分析与决策提供参考。

1 地质调查数据导入GE的方法

GE的文件格式为KML，用户数据导入GE中时，需要转换为KML格式。

1.1 KML格式

KML是GE支持的主要文件格式，是 Keyhole标记语言(Keyhole Markup Language)的缩写，是一种基于XML语法和文本文件格式的文件，用来保存和描述诸如点、线、面、图片等地理信息。目前，绝大多数虚拟地球都采用KML格式来描述地理目标，GE也不例外。KML可以通过人工交互和计算机程序自动生成，人工交互是在GE中采用不同的工具绘制出相应的地理要素，然后将这些地理要素保存为KML文件;后一种方式则是通过计算机程序将用户数据自动生成KML文件，然后导入GE中。采用计算机程序可以产生更复杂的地理要素类型，同时减少人工干预所带来的误差，更为高效和精确。

地理要素由点、线和多边形等几何元素组成，数字地球中一般通过空间地理位置和属性来表达。KML文件可包括点、线串、线环、多边形、模型、集合6种图元(表1)(Zhu et al，2014)。点是最基本的图元，表征一个空间位置，由经度、纬度定义。其余的图元均是由多个点构成，一些图元又可以看作是其他图元的子元素，例如线串由一系列的点构成，线环包含多个线串，多边形由多个闭合的线环组成，集合则可以包含前5种图元中的1个或多个。

表1 KML几何元素的类型Table 1 Types of KML geometric elements

1.2 KML格式文件生成方法

生成 KML格式文件的方法较多，可以按照XML语言直接编写，也可以借助第三方软件进行转换。XML语言比较专业，一般接触甚少，难以广泛推广使用。故绝大多数GE用户都是通过第三方软件将数据转为KML格式，使用如ArcGIS、MapInfo、Global Mapper等软件，根据位置生成地理要素后转为KML或KMZ格式，再导入到GE中(Ballagh et al，2011)。

笔者采用后一种方法，但使用效率更高的GMT(The Generic Mapping Tools)软件，这是一款功能强大而开源的绘图软件，除具有图形美观、色彩强烈、组织灵活、移植性强等特点外，还具有数据分析功能，支持多种地图投影，可由命令行、脚本和用户程序调用，能绘制出非常漂亮的2D和3D图形，具有很强的适应性，是制作高质量图件的最佳工具之一(赵桂儒等，2012;苏鹤军等，2013)。本次研究用到其中的gmt2kml命令和ps2raster命令。gmt2kml可实现地理信息转化为点、线、多边形，并生成KML文件，用户可根据需要选择不同的参数，并对各种要素进行修饰，以获得更美观并符合要求的结果。ps2raster则可将 PS、EPS，BMP，JPEG，PDF，PNG，PPM，TIFF等格式转换为KML格式。实践证明，基于命令格式的GMT软件具有功能强大、应用简单、可扩展性强的特点，可以很好地服务于地质、地球物理等行业。

1.3 坐标转换

我国的地质调查工作多采用北京54或西安80坐标(x，y，z)，而 GE 支持 WGS－84 坐标(B，L，H)，二者使用的椭球不同。因此，利用坐标将地质信息集成到GE中，首先需要将我国使用的国家坐标转换为WGS－84经纬度坐标。坐标转换在同一个椭球里是严密的，但不同的椭球之间转换则不严密。国家坐标系与WGS－84坐标系之间的转换就存在严密性问题，因为它们分属不同的椭球，存在平移、旋转和缩放的关系。常用的方法有三参数法和七参数法。相比而言，七参数法是比较严密的转换方法，它充分考虑了两个坐标系的平移、旋转、缩放等因素，保证了转换的精度(徐绍铨等，2003;姜卫平等，2008)。计算一个地区的七参数至少需要3个以上的已知点。如果工作区范围不大(通常最远跨度不大于30 km)，此时可以使用三参数转换法，即只考虑平移，而忽略掉旋转和缩放，所以三参数只是七参数的一种特例。

2 应用

2.1 复杂地区地质调查前期研究与规划

利用GE的高清影像，可为地质调查工作进行前期规划。首先可以查看地形地貌，圈定勘查区范围。特别是在地形、地质情况复杂的地区，通过GE对工作区开展预调查，将收集到的地质、遥感等资料转换为KML格式并导入GE，建立解译标志，筛选出重要的地质点，为后面的实际调查提供指导。其次，地质工作一般需要校正GPS，实现国家或地方坐标系下的精确定位。校正之前将GPS控制点转入GE，可以看到控制点所处的位置，例如后期人文破坏情况、目前的通行情况，可以使工作更高效、更轻松。另外，还可通过GE提取岩层分界点坐标数据，利用最小二乘原理对岩层面方程进行拟合，根据拟合出的平面方程初步计算出岩层产状要素(蒲浩等，2012)。对于部分有疑义的拟合结果进行实地勘测校正。

该功能尤其适用于境外地质调查项目。近年来，越来越多的外方机构在矿产资源领域与我国开展合作，迎来了一大批境外地质勘查项目 (龚德奎等，2013;罗晗等，2014)。图1是南美地区秘鲁境内安第斯山脉某区圈定的勘查靶区。该区海拔高度平均在4 000 m左右，地形切割剧烈，地质调查工作难度大。借助于GE，可以查看工作区的三维高清影像，进而观察区内的地质现象，结合已有地质资料，圈定主要勘查靶区，提高工作效率。

图1 勘查靶区圈定Fig.1 Delineation of exploration targets

2.2 地质路线数据管理

地质调查定位采用的GPS可以记录所经过的航迹。航迹由一系列的位置点组成，包括日期、时间、经度、纬度、海拔高度等信息。将航迹导入GE，结合高清影像中的地物，可以更好地管理和分析地质现象。

图2是江苏金坛盆地内某一条地质路线调查的航迹，在GE中可以直观地看出工作路线及地形地貌，其立体效果是常规平面地形图所不能比拟的，且可在此基础上调整确定下一步工作的路线。

2.3 地球物理数据管理与显示

现阶段的地质调查项目一般都会辅以地球物理勘探。地球物理方法是地质勘查不可或缺的技术支撑，深部勘探尤为重要。地质调查一般只能看到地表，对深部无能为力，必须依靠地球物理勘探技术。传统的管理方式是将地球物理勘查区的位置投影到平面地形图上，其成果图件形成单独的文件。解释时需要结合地形图，查看地球物理异常位置的地形地物，判断解释的正确性与合理性。如果将地球物理数据或图件转成KML格式，贴在Google Earth的三维地表模型上，有助于提高地球物理成果解释的可靠性与准确性(图3)。

图2 地质路线调查三维航迹Fig.2 3D track of geological route survey

图3 基于GE的磁法测量成果展示Fig.3 Display of magnetic measurement results based on Google Earth

3 结论

在全面分析前人应用GE的基础上，提出将GE用于管理和显示地质数据信息。由于GE有特定的格式，必须将各类数据转换为其支持的格式。地质调查资料种类繁多，将大量且格式多样的数据转换为GE支持的KML格式并非易事。基于命令行的GMT软件具有1个命令行便可实现单个或批量不同格式的文件转换，实用且高效。其 gmt2kml和ps2raster命令可将文本、栅格、矢量等相关数据资料转化为KML文件。应用实例表明，借助于GE虚拟三维地球模型，不仅有助于提高地质调查工作的效率，还能改善推断成果的可靠性和准确性，从而提升成果的质量。在复杂地区或境外地质工作中，GE的作用更为明显。

GE作为目前应用最广的网络GIS系统，已经得到普遍认可。通过GE的网络数据服务和本地数据共享，可实现地质调查过程中相关数据的管理和三维可视化，为后续多元地学数据分析提供参考，在提高工作效率、降低工作成本的同时，还可丰富工作成果。在未来的地质工作中，应当更多地利用GE平台，充分发挥其海量数据管理和三维显示功能。

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