地质信息系统技术

一、内容概述
进入21世纪以来，信息服务行业的集群化产业化发展趋势已成为共识。地质资料作为信息服务的一个分支，传统的服务模式和服务方式已不能适应新时代的要求，经济社会的发展对地质资料信息产品和服务提出了更高的要求，迫切需要地质资料信息服务实现质的飞跃。为了适应国民经济与社会发展的发展需求，更好地促进地质工作为国民经济和社会发展服务，构建地质资料信息服务的新机制，地质资料信息服务集群化产业化建设已成为新时期地质资料信息服务面临的重要任务（王永生，2011）。
地质信息集成化，其原则和出发点是：使各部分有机地组成一个整体，每个元素都要服从整体，追求整体最优，而不是每个元素最优；各个信息处理环节相互衔接，数据在其间流转顺畅，能够充分共享。系统有了这样的整体性，即使在系统中每个元素并不十分完善，通过综合与协调，仍然能使整体系统达到较完美的程度。
从地质信息系统实现的逻辑结构看，系统集成的内容包括：技术集成、网络集成、数据集成和应用集成。系统技术集成是指将系统建设中使用的多种技术或技术系统有机地结合起来，共同实现某项功能要求。系统网络集成是指通过现代化的网络技术（包括硬件和软件），将地质上呈分布状态的各子系统或功能模块连接起来，达到信息共享和增强系统功能的目的。系统数据集成则指通过一定的技术方法，将系统的各类数据或信息连接起来进行提取和处理。系统应用集成是指将各子系统或功能模块通过先进的技术方法连接组合或相互作用，实现系统的功能集成和操作集成。分布式地质点源信息系统的研发，是上述四方面集成的结果（吴冲龙等，2005）。
二、应用范围及应用实例
当前，世界上约有40 多个国家都制定了致力于本国国家空间数据基础设施（NSDI）建设的相关计划。NSDI 是将全国范围的地质空间数据汇集在一起为各类用户提供服务的一种手段（也是集群化的表现形式之一），从而促进空间数据的生产、管理和使用，以确保本国地质空间信息、资源的建设和共享。其发展水平直接关系国家安全和未来空间信息产业的国际竞争力。近年国内空间信息产业也呈加速发展态势，北京等地方政府陆续开展了空间信息产业发展战略及相关政策研究。地质资料信息作为空间信息的重要组成部分，理应在空间信息集群化产业化方面发挥先导作用（王永生，2011）。
20世纪初，英国地质调查局首先运用 GIS 技术开发并应用了一套数字地图系统。这个系统能够从一个包含有空间信息及其相关信息的地质数据库中生产出多种产品（Jennifer Walsby，2004）。“空间资料基础机构”（spatial data infrastructure，简称SDI）这个概念也是在这个时期诞生的（王永生，2011）。
美国地质调查局开发了一个统一的产品分发系统（the Uniform Product Distribution System），可以公平地完成网络服务功能（Tim Ahern，2004）；日本地质调查局（GSJ）在2006 年开发了一个数字地质数据库和一个地质信息索引（Koji Wakita，2007）；Yoon-Seop Chang et al.（2004）研发了一个管理钻孔地质资料的网络地图服务信息系统；Aryee et al.（2006）研究了加纳矿业部地质资料信息管理系统（名叫 IMS）的规划与运行；Pierce et al.（2005）研究分析了地质空间信息系统维护中要注意到一个特殊问题是编辑入侵；Moon et al.（1990）运用案例互证的方法构建明显的信任功能以弥补地质资料集成中部分数据不可靠问题；Lunetta et al.（1991）研究构建了远距离辨识与地质信息系统资料集成技术用于解决错误的资料辨别问题。Jenson et al.（1988）从数字海拔资料中提取地形结构进行地质信息系统分析；Rafferty（2005）研究了一个在线地质信息系统（GSHP系统）公众服务指南。
欧美等西方国家也在致力于地质数据的共享，如欧盟国家的 eEarth 计划、INSPIRE计划，美国的地质调查局的信息服务项目等（朱卫红等，2010）。eEarth是electronic access to the Earth through boreholes的缩写，是欧盟内不同语言的地质资料的商业服务实施的信息共享项目。目前有英国、德国、荷兰、波兰、捷克、斯洛维亚、立陶宛、意大利等国参加，采用欧洲数据库标准统合原有的各国地质数据库。服务方式有互联网服务、邮寄服务，收费有预付和按量计费多种标准。INSPIRE是Infrastructure for Spatial InfoRmation in Europe的缩写，是欧盟为了提高空间环境数据的相互共享性和利用效率而开发的指令管理方法。
美国地质调查局（USGS）于2006年12月在其网站上发布了《美国地质调查局信息技术战略计划：2007～2011财年》。该计划是在美国地质调查局的信息技术面临一系列挑战的情况下，依据美国《内政部（DOI）信息技术战略计划：2007 ～2012 年》制定的。在分析现状和存在问题的基础上，该计划提出了4项战略目标及相应的年度任务，战略目标的核心是建立集成信息环境（姜作勤等，2006）。
对自然科学数据、信息和知识的采集、管理、交换和保管是 USGS 的基本职能。USGS的科学家们获取、保存和交换原始科学数据，对其进行解释和分析并提供各种科学产品。美国地调局的管理者汇总和分析管理信息和相关业务的信息，以便制定项目预算和规划，评估项目和编写相关报告。
信息专家以各种数据库、档案、图书以及其他数字和非数字信息资源的形式，管理各种不断增加的、不可替代的、海量的科学信息和知识。信息是USGS的主要流通物。这些信息从 USGS 流向科学家、管理者、合作伙伴和其他各类用户，如地方、州和联邦政府、私营机构和个人。
支持这类信息流的是这样一种基础设施，它由计算机系统、远程通信设备、软件、数字和非数字的信息资源、技术专家，以及信息政策和相关规定构成。
多年来，该基础设施不断发展，产生了满足各种计划和项目特定要求的独立开发的工具和技术。由于基础设施各部分是独立开发的，其设计一般不考虑数据和信息的跨计划、跨学科交流，不考虑信息资源或专家的共享，也不考虑是否将其结合到全局内或更广的范围来构建信息基础设施。
USGS正在建立一个集成信息环境，以增强其完成科学任务和满足客户现在及将来需求的能力。集成信息环境既包括由硬件、软件、标准、规定、能力组成的基础设施，也包括分发有价值的工具、提供服务的过程，还包括部分可预见的、成本-效益合理的和可调整的能力。它将符合并支持内政部的IT战略。
三、资料来源
姜作勤，郭佳.2006.美国地质调查局信息技术战略计划：2007～2011财年
王永生.2011.地质资料信息服务集群化产业化政策研究.中国地质大学（北京）博士学位论文
吴冲龙，刘刚等.2005.地矿勘查工作信息化的理论与方法问题.地球科学：中国地质大学学报，30（3）：359～365
朱卫红，丁辉等.2010.国外地质资料信息服务的经验及其启示.科技情报开发与经济，20（28）：122～124

城市地质信息系统是地理信息系统（GIS）在城市地质中的应用，系通过应用信息技术，采集、存储、管理、分析、可视化城市地质数据的系统。
推进城市地质调查工作及其信息化建设，在全国首创了“1+N”模式，即一个全省通用的城市地质信息系统，各市县在此基础上做定制化开发。这种模式打通了各城市、各部门的“信息壁垒”，让数据即时共享、协同办公成为可能，为海峡西岸城市群地质调查工作打下牢固基础。

一、内容概述

地质信息系统（GIS），产生于20 世纪60 年代。它随着人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生，是一种对大批量空间数据采集、存储、管理、检索、处理和综合分析并以多种形式输出结果的计算机系统。1965 年，W.L.Garrison首先提出了“地质信息系统”这一术语，开创了这一新技术的发展史。此后，美国、加拿大、英国、澳大利亚等国均投入了大量人力、物力和财力，并逐步确立了他们在这一领域里的国际领先地位（黄润秋，2001）。

二、应用范围及应用实例

1.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用

随着人口的急剧增长，经济的迅速发展和自然资源的大量消耗，不仅生态环境恶化，而且导致自然灾害（包括地质灾害）频繁发生。美国、印度等国是世界上地质灾害较为严重的国家，地质灾害具有类型多、分布广和成灾强度高的特点。这些地质灾害大部分发生在承灾能力较低的地区，给当地的经济和社会稳定构成了严重的威胁。地质灾害是地质环境质量低劣的表现，它的频发不仅反映了自然地质环境的脆弱性，而且反映了人类工程经济活动与地质环境间矛盾的激化。要使人类工程经济活动与地质环境之间保持较为协调的关系，就必须对地质环境进行评价，以了解不同经济发展过程中区域地质环境的基本态势和变化趋势，为环境管理和城市规划等提供依据，但传统技术手段已不能完全应付迅速反应的地质灾害。地质信息系统作为当前高科技发展的产物，集图形、图像与属性数据管理、处理、分析、输入输出等功能为一体，应是当前地质环境评价与地质灾害预测的强有力工具（赵金平等，2004）。

GIS 技术的产生是计算机技术和信息化发展的共同产物。是管理和研究空间数据的技术系统。可以迅速地获取满足应用需要的信息，能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果（曹修定等，2007）。国外尤其是发达国家在GIS应用与地质灾害研究方面已做了很多工作。从20世纪60年代至今，GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到DEM或DTM模型的使用，到GIS结合灾害评价模型的扩展分析，到GIS与决策支持系统（DSS）的集成，到网络GIS，逐步发展深入应用（黄润秋，2001）。

印度Roorkee大学地球科学系的R.P.Gupta和B.C.Joshi（1990）用GIS方法对喜马拉雅山麓的Ramganga Catchment地区进行滑坡灾害危险性分带。该项研究基于多源数据集，如航空像片、MSS磁带数据、MSS图像、假彩色合成图像及各种野外数据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字、图像等处理，然后解译绘制出专题平面图，包括地质图（岩性与构造）、滑坡分布图、土地利用图等。这些图件经数字化及有关数据都存储在GIS系统中，找出与滑坡灾害评价相关的因素，如滑坡活动与岩性的关系，滑坡活动与土地利用的关系，不同斜坡类型的滑坡分布情况，滑坡分布与主要断裂带的距离关系。经过统计及经验分析，引入一个滑坡危险系数（LNRF）。LNRF值越大，表示该地滑坡灾害发生的危险性越高。并且对LNRF的3个危险级别分别赋予0、1、2三个权重。考虑到滑坡的发生是多个因素综合作用的结果，故调用GIS的叠加分类模型，将各因素的权重叠加，得到综合图件，图上反映的是每个地区的权重总和。根据给定标准，即可在这张图上勾绘出滑坡灾害危险性分区图。

荷兰ITC的C.J.Van Westen和哥伦比亚IGAC的J.B.Alzate Bonilla（1990）基于GIS对山区地质灾害进行分析。他们在数据采集、整理方面做了大量工作，建立了一套完整的数据库。在此基础上，开发出了分析评价模型，如斜坡稳定性分析模型，其主要功能是计算斜坡稳定的安全系数。另外，两位学者还利用GIS所生成的数字高程模型（DEM），开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了研究区内落石速率分区图（黄润秋，2001）。

美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro和Ellen E.Wohl（1994）在哥伦比亚的麦德林地区，用GIS进行地质灾害和风险评估（姜作勤，2008）。利用GIS对麦德林地区地质灾害进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素。根据各因素的组成成分和灾害之间的对应关系，把每一种因素细分为不同范畴等级，借助于GIS软件（GRASS）的空间信息存储、缓冲区分析、DEM模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了灾害分析，并对某一具体事件各构成因素的脆弱性进行评价。

同样是美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro博士后等人（1996）将GIS技术与决策支持系统（DSS）结合，利用GIS（主要是地质资源分析系统GRASS软件）及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统并应用在科罗拉多州的Glenwood Springs地区（姜作勤等，2001）。应用GIS建立指标数据库，并建立基于GIS的多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析、脆弱性分析及风险评估，辅助政府部门做出决策。

美国地质调查局（USGS）已把加强城市地质灾害研究列为21世纪初的重要工作，借助GIS编制美国主要城市地区多种灾害的数字化图件，这种做法与西欧国家的城市地质工作的总趋势一致。其中，美国科罗拉多州格伦伍德斯普林市的城市地质灾害评价项目最具代表性。由于该市位于山区河谷地区，崩滑流地质灾害制约着城市的发展，为此，城市规划部门委托科罗拉多州立大学，开展了GIS地质灾害易损性和风险评价编图研究，最终按14种土地利用适宜性等级，对评价区进行了土地利用区划，圈出了未来城市发展的适宜地段和高风险区，在此基础上建立了城市整体化决策支持系统。

综上所述，可以看出，国外尤其是发达国家将 GIS 应用于地质灾害研究起步较早（表1），研究程度已远远超过我们，此方面的应用也随着GIS技术的自身发展而深入（黄润秋，2001）。

2.GIS在地质矿产勘查中的应用

地质信息系统与现代地球及其相关科学日益增长的需求相适应，以处理地球上任何具有空间方位的海量信息为特征，具定量、定时、定位等优点，近10年来已在地质矿产勘查中得到广泛应用。一个区域各种地质资料（图形、图像、文字、逻辑、数值）的GIS分析实际上代表该区域现阶段较为客观的总认识。目前，野外收集资料、数据建库、GIS分析等尚存在规范化、标准化等问题，GIS本身解决诸多专业性较强地质问题的能力亦不足。但GIS的进一步发展与完善必将使地质矿产勘查进入一个数字化的新时期（周军等，2002）。

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

表1 国外GIS在地质环境与地质灾害研究中的应用

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

ArcInfo与ArcView GIS是当前最流行的两个软件包，为美国ESRI（Environmental Systems Research Institute，Inc.）的重要产品，被许多国家官方确定为国土资源、地质、环境等管理、研究的主要地质信息系统。ESRI始建于1969年，由Jack Dansermond和Laura Dangermond用自己平时积蓄的1100美元起步，经过20世纪70年代的艰苦奋斗，1981年推出新型ArcInfo，1986年微机版的PC ArcInfo投入市场，1991 年又一力作ArcView GIS问世。1981年ESRI在其Redlands总部召开首次用户会议，仅18人到场，而1998年的用户大会有来自90个国家的8000多位代表。

ESRI的发展史反映了GIS从无到有、从弱到强、迅速成长壮大的发展历程，也从一个侧面显示出GIS巨大的市场潜力和难以估量的应用价值。

据悉，1995年市场上有报价的GIS 软件已达上千种，但主要占据市场的不过10 余种。除上述提到的ArcInfo与ArcView GIS外，国外的GIS代表作还有MapInfo、ErMapper、Idrisi Endas、Erdas、Genamap、Spans、Tigris等。

GIS已在地质矿产勘查中得到广泛应用，并取得许多瞩目成果。美国、加拿大、澳大利亚早在1985～1989年就将其应用于地质矿产调查和填图。目前，澳大利亚开始利用笔记本电脑以数字形式采集野外地质数据，建立有关数据库，借助ArcInfo与ArcViewGIS编制第二代地质图件。

三、资料来源

曹修定，阮俊等.2007.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用.中国地质灾害与防治学报，18（3）：112～115

黄润秋.2001.面向21世纪地质环境管理及地质灾害评价的信息技术.国土资源科技管理，18：30～34

姜作勤.2008.国内外区域地质调查全过程信息化的现状与特点.地质通报，27（7）：956～964

姜作勤，张明华.2001.野外地质数据采集信息化所涉及的主要技术及其进展.中国地质，28（2）：36～42

赵金平，焦述强.2004.基于GIS的地质环境评价在国外的研究现状.南通工学院学报（自然科学版），3（2）：46～50

周军，梁云.2002.地理信息系统及其在地质矿产勘查中的应用.西安工程学院学报，24（2）：47～50