地质学编辑

20世纪80年代开始，美国、德国、加拿大、英国、法国、荷兰、瑞典和澳大利亚等国都在不同程度上采用了新的技术生产地学图件。现在，越来越多的国家，如日本、意大利、丹麦、挪威、奥地利、希腊、西班牙，甚至泰国等也都开始用计算机辅助制图。

美、加、澳等国从20世纪80年代中期陆续开始了新一轮国家地质填图计划。如美国“全国地质填图计划”、澳大利亚“全国地质填图协定”和加拿大“能源和矿产地质填图计划”，其共同特点是提出了建立国家地质图数据库的总目标，而利用地理信息系统（GIS）管理地学信息以及开发和建立数字制图系统网络作为提高适应不同用户需求能力的重要技术途径。

目前，信息技术在野外填图中的应用程度各国存在较大差别，在美国等国家还处在探素阶段，而澳大利亚已实现从野外数据采集、建库、应用GIS进行综合分析到辅助制图出版的完整生产流程。本节主要介绍信息技术在美、加、澳等国野外数据采集和最终地质图的数字制图技术。

一、信息技术在野外数据采集中的应用

过去地质学家通常将野外观察、素描、测量数据和描述等信息记录在野外记录本上。这些记录方法目前仍然有效。然而，随着野外数字照片的增加和GPS等技术的使用，在过去10年中，采用野外数字采集系统进行野外记录和资料整理的工作在急剧增加。

1.美国野外数据采集

实现野外地质数据采集的数字化是现代各国地质填图的总趋势，但具体工作模式各具特色。为适应“地质现象引导地质路线”的填图需要，提高野外工作效率，美国主要采用野外数据采集和数字化分离的工作模式。野外填图由填图专家和辅助人员组成。前者主要为美国地质调查局雇员，负责完成地质填图工作，野外填图时采用卡片进行野外记录和地质现象素描；后者主要为从各大学聘请来的学生或者填图专家自己带的研究生，在野外营地负责数字化填图专家记录本上的地质资料（图6-14）。

图6-14 美国野外资料数字化

（据Athey et al.，2008）

以美国地质填图专家Kellogg为首席科学家的填图组就是典型例子。他们近年来先后完成了美国西部内华达、科罗拉多和加利福尼亚等基岩山区的多幅1∶100000和1∶24000地质填图。在完成科罗拉多州一幅1∶24000地质填图时，Kellogg负责填图，Theissen作为野外填图助手，野外资料数字化由Young和Brandt完成，而Bill Sowers负责设计数字地质图，Nancy Shock准备数字地质图的GIS文件。

同时，美国也在不断尝试在保障野外质量的前提下从传统填图到数字填图方式的转变，如Athey等（2007）在阿拉斯加地区进行的野外填图，利用野外数字填图设备进行野外填图试验（图6-15）。而1998年美国地质调查所在新罕布什尔州采用个人数字助理（PDA）和GPS开展的1∶24000基岩地质填图显示其填图技术已经比较成熟。填图过程中选择PDA3Com Palm Ⅲ，运行版本为的Pendragon Forms数据采集软件。该系统采用了Palm OS掌上机操作系统，只记录空间位置和属性信息，因此使用PDA，利用Windows 95，98或者NT系统的Microsoft Access部分数据库功能。表格可以由Pendragon Forms、Microsoft Excel或任一ASCⅡ文本编辑器产生，然后再转换为Palm Pilot格式。用户能够灵活地使用自己喜欢和熟悉的软件或者特定的数据字段。一旦完成了与数据模型匹配的表格，就可以在野外任一露头利用PDA和GPS采集属性数据和点位数据。野外工作完成后或在编图需要时，可将Microsoft Access数据转换成Arc/Info点图层（姜作勤等，2001）。

USGS目前的地质填图充满活力且富有成效，而且卫星图像、空中摄影、GPS技术和基于地理信息系统GIS的填图技术为填图提供了技术支撑。不过，所有地质填图最终还要归功于那些穿着靴子，带着罗盘、记录本和放大镜行走在地面的地质学家，正如他们在Powell时代所做的一样。

图6-15 阿拉斯加野外数字填图设备

（据Athey et al.，2008）

2.加拿大野外数据采集

加拿大安大略省地调所1984年就进行从野外画草图到出版彩色图件全过程计算机化的研究。1989年，在加拿大安大略地调所开发了辅助地质人员管理野外地质数据的“野外记录”（Fieldlog），并由加拿大地质调查局进一步研制开发而形成（Brodaric等，1997）。1990年地质学家开始进行区调工作自动化的研究，他们将从政府购买来的底图数据存入便携式计算机，每天晚上将记在笔记本上的观察信息填加到数字底图上，这样在野外即可制成草图。此项研究的成功改变了传统工作方式，大大加快了填图的速度。

从1991年开始野外地质数据的“野外记录”（Fieldlog）应用到加拿大区域地质填图和快速数字地质图生产中。这项技术在恶劣的自然环境中也可以使用，也很耐用，并在野外就能提供完整的数字图和相关信息。由于其具有以数字形式记录、储存、显示和分析野外观察数据，辅助图形准备和地质解释等功能，可以帮助地质学家进行野外地质观察数据数字化管理。Fieldlog实际上是对野外数据进行室内整理使用的软件，该系统也被加拿大地调所采用。

野外地质填图系统“野外记录”具有以下特征：

（1）该软件主要采用AutoCAD环境下的关系数据库，可以和多种GIS系统连接。项目数据库、图形表示方法、地质术语表等完全是按照常规地质填图模式建立的，并且增强了数据库和图形操作功能，因此野外很容易地引用或创建一个野外地质填图数据库；

（2）具有很强的数据输入功能。在野外工作准备阶段，可以将数字地理底图、航空照片或其他有关数据输入到野外地质填图数据库中。在野外工作阶段，可以将所观察到的几何形状（点、线、多边形）和图形（如符号、文本、线等）添加到数据库中，并连接到一个或多个AutoCAD图中，而线和多边形必须首先用AutoCAD标准图形功能添加，然后再连接到数据库中，也就是说点位、构造测量参数、岩石类型特征等观察可直接用野外记录软件直接记录，而接触界线、褶皱、断裂等必须使用AutoCAD线和多边形绘图工具进行勾绘；

（3）具有很强的数据库查询功能。使用可视界面进行查询，用户可以有目的查询数据库，并以表格形式查看结果。也可以把这些结果用通常使用的地质图符号投成AutoCAD图输出。所支持的查询输出形式包括文本文件和表格形式两种，并可使用Arc/InfO-Arcview，Mapinfo和SPANS TBA格式等转换工具直接转换到GIS系统中；

（4）支持多种操作平台。“野外记录”软件一般在AutoCAD图形环境中操作，并增加了地理、地质过程操作能力。自由开发环境和操作许多硬件和系统平台的能力，因此野外记录软件可用在DOS、、NT和AutoCAD release 12中，也可以使用各类数据库系统如dBase、ODBC和Oracle等用户很容易得到的关系数据库；

（5）支持多种输入设备。“野外记录”软件版本发展了由Apple Newton提供的笔式输入技术，输出野外数据库结构到Newton中，并用其输入所采集的数据。野外数据也可以从可移动设备GPS、PDA（手持个人数字电脑）或其他设备输入。

在野外填图过程中，地质学家可从地形图和航空照片上数字化点位和地质特征，或用GPS获得地理位置和特征，然后在野外用手持计算机记录数据（同时也可用传统的记录本），再用绘图、分析工具将数据可视化，进行地质解释和编辑地质图。在室内通过一系列编辑、制图过程形成最终产品。最终产品可以用传统纸介质、CD-ROMS和因特网三种形式发布。

3-D GIS是三维空间显示与数据分析的新技术。过去3-D GIS在地学上应用主要是在石油勘查、采矿、气象学、环境检测、景区建设和地质模型等方面。目前加拿大通过进一步研究和开发，拓展了3-D GIS工具包，并经过加拿大地质填图项目检验，在数据改写、投影和地表编辑技术等方面取得重要进展。现在的3-D GIS允许过去仅能靠想象的三维地质情况变得可视化和模型化。在地质填图过程中，地质学家通过使用3-D GIS技术生成近地表复杂地质可视图像，增加了他们对近地表和地表观察与测量结果的理解。结合GPS和雷达卫星图像，可以定量分析、显示和预测山体滑坡等地质灾害，生成三维地质灾害预测图。

地质填图或勘查项目成功的关键是能否有效地管理、处理大量数据。加拿大目前已经发展了地质填图系统，可以把野外采集的、解释的及公开发布的空间数据进行储存，并可以通过GIS技术提供的工具归档、操作、处理、分析及可视化这些数据。这样GIS已经改变了传统地质图概念。GIS工具可根据需要随时生产、创新非传统地质图，同时可以随时增加有用的数据。

另外，由于加拿大已开发了数据可视化的用户友好的统计和专家系统工具，所以用这些工具和定量数学方法把地质图和地球物理图像进行合成，产生显示新的特殊应用领域的地质图，如成矿预测图，并已取得了成功。

3.澳大利亚野外数据采集

早在1984年，澳大利亚昆士兰地质调查所在1∶250000地质填图的过程中，深深体会到传统的野外数据记录方式严重影响已有资料的使用效率，同时考虑如何应用现代信息技术迅速地检索、处理和分析在较详细的第二代填图中获得的大量信息。1986年，用于野外数据采集的系统REGMAP研究与试验成功，并在该州的所有地质调查项目中使用。REGMAP使用标准的野外记录本，将每个观察点采集的数据分成3个基本的数据类型：观察点信息、构造与岩性、规定记录结构。这种标准的结构化笔记本的思路在1990年开始实施的国家地学填图协定中被澳大利亚地调所AGSO采纳，又综合了其他项目成果如全岩地球化学数据库等，形成了AGSO的野外地质数据库OZROX的结构。

这种结构既作为管理野外数据的数据库结构，同时又是野外采集的标准化表格设计的依据。结构化的笔记本可以按照地质模型规定野外观察必须记录的基本信息。野外露头可采集到大量的信息，这些信息经常是解释和理解特定地区地质现象的关键。然而，野外地学工作者的注意力往往集中在自己感兴趣目标的描述上，所以在记录一个地点的地质特征时，常常会舍弃大量的露头信息。如果原始观察结果被记录下来，那么野外描述可以在新模型下进行重新解释。传统的记录方式很难避免上述问题。

澳大利亚地质地调局（AGSO）和资源工业协会（RIA）共同开发了AGSO野外数据采集系统（Fieldpad），Fieldpad运行在Apple Newton掌上机上，与加拿大的系统相比，该系统增加了地图数据的显示、草图的绘制以及与GPS数据的实时定位及叠加显示等功能。Fieldpad是在AGSO结构化野外记录本的基础上开发的数字式野外记录本，它可将野外数据在现场就数字化，不需要将记录本的记录再数字化，节省了大量的时间（姜作勤，1997）。

值得注意的是，虽然在野外采用手持式或掌上机直接记录观测信息的技术已经成熟，但澳大利亚仍然采用野外手工记录、室内输入到计算机的工作方式（姜作勤，1997）。

总之，以美、加、澳为代表的欧美国家目前仍然以传统野外记录为主，计算机技术主要应用于野外资料整理和最终成果出版等方面。

二、计算机辅助制图

数字制图技术的应用和开发得到了各国的广泛重视，虽然数字制图技术还没有占据统治地位，但已形成了初步的生产流程，20世纪70年代数字制图技术开始进入实用阶段。经过多年的研究、开发和试验，美、英、加、澳等国已将数字制图技术纳入了生产流程。

美国地质调查局新的填图比例尺主要为1∶24000，为采用数字制图技术，要求建立课题、部门及地区性的三级计算机网络，课题级配置微机为主，用于地图编辑、输入，部门级配备多用户微机或运行UNIX的工作站，进行结构分析，GIS分层，复审多个课题，地区级配置小型机或高档微机，扫描输入和高档输出设备，进行地图的最终编辑、制作线划图文件及成果图胶片。根据该计划，自1990年起每年要建立45个课题级工作站。

在美国地质调查局总部，数字图件的生产已形成了规模，几十套工作站在运行着。根据制定的标准和规范，确定数字化的内容、软、硬件配置、质量检查及相应的生产流程。美国和澳大利亚的工作流程略有差别，但都包括图件的准备、数字化输入、编辑修改、建库以及为生产出版质量好的图件所作的整饰、中间打样和制分色胶片，而制版印刷由印刷厂负责（姜作勤，1997），实现了全流程的数字化。

20世纪80年代以来，社会对地质数据的需求日益增多，在地学中需要发展数字技术等新方法，确保加拿大各地学政府部门中的数据协调一致。1989年为图件生产过程的现代化和实现流水线生产将计算机设备升级，负责数字制图的GSC的地学信息和通讯处存有从加拿大能源、矿业和资源部、测绘和遥感局以及其他单位买来的数字底图数据，开发有关的接口软件，建立输出流程，生产填图计划内具有出版质量的地质图。加拿大于1991年开始实施国家地质填图计划，鼓励所有对地学感兴趣的机构开展合作项目，特别支持那些应用计算机技术最多的项目。通过不同地学政府部门的相互合作，开展了野外基岩和第四系地质填图，并在所有类型的地质填图、地学图件生产和数据库建设中应用了数字技术。

澳大利亚从野外数据采集、建库、应用GIS进行综合分析到辅助制图出版，初步形成了完整的生产流程。为了实现用新的方法编出第二代图件，在野外采用GPS确定观测位置，建立了野外测量磁化率和伽马射线数据的工作流程，开发了记录岩性特征的数据库。现在，野外工作已利用笔记本式计算机，以新的采集表格采集数据，建立编图所需的各种数据库，如野外观测、露头岩性、地质年代、岩石地球化学和岩石性质等。全部数据用ORACLEDBMS进行管理，用ARC/INFO进行综合、叠加、交互式编辑修改，直到定稿，再用大幅面高精度激光照排机生成分色加网胶片制版印刷。研究了用数字制图方法的新流程，实现野外数据采集、建立数据库、综合叠加、制图印刷整个过程全部采用计算机辅助。1991～1992年仅Goldfield项目就完成了12幅1∶100000的数字地质图。他们将逐步用这种新技术全部代替传统的手工编图（张良弼等，1994）。