我国矿产资源行业主要采用MapGIS软件编制地质图件, 研发MapGIS图件空间数据库自动检查功能模块具有重要的实际意义。韩坤英等^[1]采用Visual Basic语言对MapGIS6.7软件进行二次开发, 开发了全国1:100万地质图空间数据库的检查系统; 常思思, 汪新庆等^{[2, 3, 4, 5]}开发了“ 全国矿产资源潜力评价项目” 数据模型使用软件GEOMAG。目前, 空间数据库的自动检查功能主要集中于对文件命名规范性、属性规范性、数据完整性以及数据项值域一致性的检查^{[1, 2, 6]}, 而对地层属性的自动检查功能尚未实现。在已有的空间数据拓扑关系检查研究中, 一些学者引入了知识与规则集的概念^{[7, 8, 9]}, 通过建立统一的规则集, 完成空间数据要素间拓扑关系的自动检查^{[10, 11, 12, 13]}, 但这些工作也只是对数据的空间拓扑关系进行检查, 并未考虑目标在时间维上的拓扑关系, 而地层数据不仅在空间上存在相邻、包含及覆盖等拓扑关系, 在时间上也存在先后顺序关系。因而需要在已有的基础上做进一步的研究。

本文针对地层具有的时间和空间特性, 结合地学知识, 对地层的时空拓扑关系进行分析, 建立了地层时空拓扑关系检查规则集, 并采用VC⁺⁺语言对MapGIS6.7软件进行二次开发, 开发了地层时空拓扑关系自动检查程序, 进一步完善了“ 全国矿产资源潜力评价项目” 数据模型使用软件GEOMAG的空间数据库检查功能, 实现了地质图地层时空拓扑关系的高效检查。

时空拓扑关系揭示了时空实体在时间和空间上的相关性, 描述了时空实体空间拓扑关系改变事件间的时间拓扑关系^[14]。因此对地层时空拓扑关系进行分析时, 需要从地层时空变化过程的角度来分析地层的时空拓扑关系。Claramunt和Theriault^[15]提出了16种时空变化过程, 魏海平^[16]在此基础上做了总结和提炼, 提出了11种时空变化最小集, 并对它们进行组合形成其他复杂的时空变化类型。本文对地层中比较常见的时空拓扑关系进行分析, 为实现地层时空拓扑关系的自动检查奠定基础。

1)地层在形成过程中为连续沉积, 它们在空间拓扑关系上表现为相邻的关系, 在时间拓扑关系上表现为时间相遇(TR_meet)^[17]。如图1(a)所示, 石门组(K₁s)和五龙组(K₁w)是下白垩纪形成的地层, 2套地层在时间上连续, 利用其整合接触的性质可实现该类地层时空拓扑关系的检查。

图1

Fig.1

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	图1 地层接触关系Fig.1 Formation contact relations

2)地层在构造作用下经历隆起、风化、剥蚀, 导致地层不连续, 它们在空间拓扑关系上表现为相邻关系, 在时间拓扑关系上表现为时间后(TR_after)^[17]。如图1(b)所示, 掇刀石组(Nd)是新近纪形成的地层, 与下白垩纪形成的石门组(K₁s)地层在时间上存在明显的间隔, 利用其不整合接触的性质可实现该类地层时空拓扑关系的检查。

3) 在地层形成以后, 火山喷发过程中的岩浆侵入到地层中, 导致空间拓扑关系表现为相邻或包含关系, 时间拓扑关系表现为时间后(TR_after)^[17]。这类地层的时空拓扑关系需要依靠地层接触关系、地层包含律以及地层切割律来分析确定。如图2(a)所示, 地层a与b, c, d之间的接触关系为侵入接触, 根据地层切割律, 判断其形成的先后顺序为b, c, d, a。利用该规则集可实现此类地层的时空拓扑关系检查。

图2

Fig.2

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	图2 地层切割和地层包含Fig.2 Formation cutting and formation containing

4)岩浆岩在形成过程中, 其周边岩石可能会掉入岩浆中, 最终形成如图2(b)所示的情况; 已经形成的岩浆岩也会受到剥蚀, 当其周围又有沉积时, 则会出现如图2(c)所示的情况。根据地层包含律可以知道图2(b)中地层的形成先后顺序为b, a, 图2(c)中地层的形成先后顺序为a, b。对这类地层的时空拓扑关系进行检查时, 可以以地层的接触关系作为标识, 当涉及到沉积接触和侵入接触时, 便可引入地层包含律和地层切割律对地层的时空拓扑关系进行检查。

5)地层中还存在一类数据在地质图上呈环状分布(图3), 这种情况一般与褶皱相关, 地层在空间拓扑关系上呈现多重包含关系, 在时间拓扑关系上根据褶皱的类型表现有所不同, 当褶皱类型是向斜时, 环内地层新, 环外地层老, 地层a, b, c, d的形成先后顺序为d, c, b, a; 当褶皱类型为背斜时, 地层形成先后顺序正好相反, 为a, b, c, d。

图3

Fig.3

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	图3 地层中存在褶皱Fig.3 Folds in formation

采用VC⁺⁺对MapGIS6.7进行二次开发, 对湖北省宜昌市地质建造构造图中的地层时空拓扑关系进行检查。图7(a)是对切割线所经过的地层数据的检查示意图, 岩浆岩和沉积岩之间的接触关系是侵入接触。根据岩石地层单位序列表、地层间接触关系、地层切割律和包含律约束规则, 可以判断该切割线所经过的地层时空拓扑关系并未出现错误。

图7

Fig.7

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	图7 地层时空拓扑关系检查Fig.7 Checking of formation spatio-temporal topological relationships

图7(b)中切割线经过了包含向斜褶皱的区域, 因而越靠近褶皱轴部的地层形成的时间越晚。先根据岩石地层单位来确定地层之间的年代关系, 然后利用上文分析的不同褶皱类型所对应的约束规则对地层的时空拓扑关系进行判断。利用程序发现C₁j-h所代表的地层和C₂d+h所代表的地层的时间先后顺序出现了问题, 利用程序找到的类似问题需要引起地质工作者和填图人员进一步的矫正和研究。这些问题可能是数据采集或者填图过程中出现了错误; 也有可能通过地质工作者的研究发现该地层确实是由于某种地质作用而形成的特殊规则集, 属于一种正常情况。

已有知识规则集的研究只是对数据的空间拓扑关系进行检查, 并未考虑数据在时间维上的拓扑关系。针对这一问题, 本文在地层所具有的空间拓扑关系的基础上, 结合地层所具有的时间特性及地学知识, 对地层中常见的时空拓扑关系进行了详细分析, 并从时空拓扑关系的角度建立了湖北省宜昌市岩石地层单位序列表以及用于地层时空拓扑关系检查的规则集。利用分级编码和数据库技术实现了数据和规则从概念模型到物理模型的转变, 进而开发了地层时空拓扑关系自动检查程序。实验证明: ①数据库和编码技术可以有效地对地层数据和知识规则集进行管理和存储, 为数据检查提供强大的后台支撑; ②基于地学知识和规则集构建的地层时空拓扑关系检查模型成功应用于地层数据的时空拓扑关系的自动检查, 为解决地质图件数据库的质量问题提供了一种可行的方法。本文仅从基础层面讨论了地层时空拓扑关系检查的流程和方法, 针对地质构造复杂地区的地层时空拓扑关系检查还需要做进一步的研究。