地球化学调查野外信息化技术构架与实现

Framework and implementation of field informatization technology for geochemical exploration

摘要

地球化学野外样品采集是勘查地球化学工作的重要环节。然而，长期以来缺乏专门针对地球化学野外样品采集的信息化软件支持。随着信息技术的迅猛发展，传统的野外地球化学调查模式正加速向智能化、便捷化和现代化方向转型。因此，实现地球化学野外样品采集全流程的信息化已成为必然趋势。本文基于国内外地质调查信息化的最新进展，系统总结了地球化学野外调查及地质调查信息化的关键发展方向与核心技术特点，并深入探讨了未来地球化学野外调查系统的功能需求和特性。研究旨在推动地球化学野外样品采集向数字化与信息化迈进，为构建覆盖勘查地球化学全流程的信息化产品体系奠定基础，同时助力地质调查信息化服务能力的全面提升。为最终形成勘查地球化学全流程信息化的产品体系，提升地质调查信息化服务品质打下基础。

关键词

勘查地球化学 / 地球化学野外数据采集 / 信息化 / 移动GIS / 内外业一体化

Key words

geochemical exploration / geochemical field sampling / informatization / mobile GIS / integration of internal and external work

0 引言

地球化学野外样品采集是勘查地球化学获取数据的重要来源。在这一过程中采集的样品及其信息作为第一手原始资料,不仅承载了大量属性信息和空间信息,其准确性与真实性更对后续的数据统计分析和综合研究具有直接而深远的影响。

在传统的地球化学野外调查方式中,该过程往往需要投入大量的财力、物力和人力。采样时需携带多种采样工具,例如铲子(洛阳铲、地质锤等)、各类图件、样品袋、记号笔、记录本、手持GPS、手机等。工具多且携带不便,尤其在地形复杂和环境恶劣的地区还会增大野外工作的难度。因此,在野外调查过程中存在以下几种问题:(1)纸质记录卡易玷污和丢失;(2)由于野外一线人员能力素质的差异,在记录过程中易出现缺项漏项、字迹潦草等问题,增大质量监控难度;(3)样品较多工区纸质记录卡达几千页,不易管理和保存;(4)纸质记录卡和航迹报告等其它表格的电子化过程增加了野外一线人员工作量。

传统地质调查方法的信息化程度较低,各环节相对独立和脱节,严重制约了野外工作效率和质量的提升。自20世纪80年代起,美国、加拿大、澳大利亚等国家率先开展了野外地质数据采集的信息化探索。随着Fieldpad的引入以及REGMAP试验的成功,澳大利亚地质调查局于1986年初步实现了野外地质调查的信息化。1989年,加拿大地质调查局推广了FieldLog系统、基于MiniCAD的数据采集软件以及基于CARIS GIS的数据输入系统。1998年,美国地质调查局研发了GeoMapper,并结合ArcGIS等GIS软件进行野外地质数据采集。进入21世纪初期,ArcPad逐渐在美国地质调查工作中得到广泛应用^{[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-10]}。

在国内,野外数据采集信息化的代表性研究始于RGMap(数字填图系统)^{[11⇓⇓⇓-15]},随着PDA和移动GIS的普及,经过近40年的发展,野外数据采集的信息化在多个领域取得了显著进展^{[16⇓⇓⇓⇓⇓-22]}。例如,不同地勘单位相继开发了针对区域地质调查数字填图^{[23⇓⇓⇓⇓⇓⇓-30]}、矿产资源调查^[31⇓-33]、地下水资源调查^{[34⇓⇓-37]}以及地质灾害调查^[33⇓-35]等专业化操作系统和软件。近年来,中国地质调查局依托“地质云”平台开发并运行了“在线调查”系统,为野外地质调查提供了数字化、移动化的技术支持,并已在局属单位内推广应用^{[38⇓⇓⇓⇓-43]}。

与其他地质调查方法相比,地球化学调查具有显著的独特性。每种调查方法对应特定的采样介质和专用记录卡,同时涉及质量检查、样品加工等一系列复杂表格。这导致地球化学数据信息种类繁多、内容复杂,其数据的准确性和精度也极易受到人为因素的干扰。

结合现有的信息化技术,最大化实现地球化学调查工作的数字化和无纸化,将显著提升野外工作效率和精度,减轻一线工作人员的负担,并为海量数据的统一管理与成果服务提供有力支持。

1 地球化学野外调查流程

目前,地球化学调查主要包括土地质量地球化学调查、国际地球化学填图、生态地球化学调查和常规地球化学调查四大类技术方法。每种方法依据目标任务细分为不同的工作手段,不同手段又对应特定的采样介质(图1)。地球化学野外调查的工作流程主要分为四个阶段:工作准备、野外采集、质量检查和样品加工(图2)。

在前期准备阶段,需要收集大量基础资料,包括地形图、地质图、高精度遥感解译影像图、高程图和水系图等。在此基础上进行采样点位布设和其他工作安排,并完成GPS校验(图2黄框)。野外采集阶段,外业人员需导航至目标点位进行定点、记录(填写样品信息)、取样、拍照等操作,返回驻地后完成样品交接,并进行自检和互检,相关表格需填写完整,自互检率要求达到100%(图2绿框)。在质量检查阶段,项目组及承担单位需分别完成二级和三级室内外质量检查,具体内容和比例有所不同。例如,二级室内质量检查率要求达到20%,而二级野外质量检查和样品加工检查率需达到5%(图2紫框)。样品加工阶段主要包括样品的预处理、送样以及实验室分析等工作(图2蓝框)。

因此,一个完整的地球化学野外样品采集系统需同时覆盖上述四大类技术方法和各个工作阶段,从而实现地球化学野外调查全流程的信息化与智能化。

2 关键技术与应用

为推进野外地球化学调查的信息化,需基于现行的地球化学调查规范,集成GPS定位技术、移动GIS技术、数据库技术和通讯技术,以确保调查工作的高效性、稳定性和智能化。

2.1 卫星定位技术

目前,主流的定位技术包括GPS卫星定位技术、无线定位技术、网络定位技术及混合定位技术^[44]。随着北斗三号全球卫星系统的建成,中国的北斗系统(BDS)现已正式向全球提供定位、导航和授时服务,并在交通、能源、农业、通信、气象及自然资源等领域得到广泛应用。除此之外,当前主要的全球定位系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及中国的BDS。这些系统可为用户提供不同精度的在线或离线空间定位数据,具备全天候、连续性和实时性的特点^{[45⇓⇓⇓-49]}。

GPS定位技术是野外采集数据的根本和基础,GPS 不仅可以获得点的位置信息,并且可以在此基础上提供导航辅助功能^[50]。在野外地质调查过程中,该技术可以满足定位、航迹记录的需求。为实现更高精度的定位,通常采用GPS与BDS的混合定位方式,可显著提升模糊度解算的固定率和可靠性^[51]。传统地球化学调查中,GPS校验表需手动填写,并计算相对误差等值,最终通过多软件生成校验报告,过程繁琐。因此,将GPS技术与数据采集过程整合,形成完备的功能模块至关重要。

2.2 移动GIS技术

移动GIS集成了GIS、GNSS、移动通信和互联网等技术。在移动定位技术的支持下,移动GIS可以确定移动用户的地理位置,并且实时提供与此地理位置相关的地理信息服务^{[52⇓⇓⇓⇓-57]}。 该技术的实现需要利用GIS服务进行二次开发,将GIS的空间分析、空间数据库管理以及处理等功能移植到软件中。目前国内应用比较成熟的GIS开发平台有ArcGIS(美国)、QGIS(瑞士)、MapGIS(中国)、GeoScen(中国)以及DGSGIS(中国)^[24,58]。移动GIS技术应用领域非常广泛,在建筑业^[59⇓-61]、交通运输业^[62]等领域取得了显著成果。

传统的地球化学调查过程中,工作人员依赖地质图、地形图等图件开展工作,但影像和道路等地图的时效性低、交互性差,增加了采样工作的难度。而移动GIS技术可支持用户获取实时位置,并调用导航、在线(离线)地图、空间数据共享、空间查询、数据处理等一系列的GIS的服务。利用以上服务,可以实现野外采集数据的实时传输与共享,便于多方业务协同工作。此外,通过知识库和模型库,移动GIS可优化野外工作路线与计划,实现高效决策支持。其轻量化和强交互性特点使得一线人员能够直观高效地完成采样任务,确保工作质量和效率。

2.3 基于Android平台的ArcGIS开发技术

ArcGIS Runtime SDK for Android是ESRI为Android平台提供的专门的开发包,支持使用Java 等各语言开发移动应用程序^[63]。该 SDK 提供了丰富的工具、文档和示例,开发者可以利用它构建基于 Android 平台的移动应用程序,这些应用程序可借助 ArcGIS for Server 提供的强大功能,包括制图、地理编码、地理处理和自定义功能。通过该开发包,用户能够将应用部署到 Android 系统的移动终端上,实现地图数据加载、基础地理信息处理和空间分析等功能。在离线环境下,ArcGIS提供的服务模式将基础数据发布为要素服务,用户可以从服务器上下载数据并以Runtime Geodatabase的格式保存,这种设计特别适合地球化学野外工作人员在无网络状态下的工作需求。当前,该技术已广泛应用于多个领域的外业数据采集,可为地球化学野外采集工作提供强有力的技术保障^[64]。

2.4 数据库技术

在数据驱动的时代,数据库类型主要包括关系型数据库、非关系型数据库和时间序列数据库。地球化学数据具有时空性和多元性,野外数据不仅包括样品的空间地理信息和样品描述信息,除此之外,质量检查以及样品加工的表格也需统一管理。因此,针对地球化学野外调查数据的需求,关系型数据库最为契合。

空间数据库是移动GIS的核心数据存储中心,也是GIS应用服务器处理并实现多种功能的数据源。从广义上讲,空间数据库不仅包括空间数据本身,还涵盖计算机硬件系统、数据库管理系统以及地理空间数据库的管理人员,共同构成一个完整的运行系统。作为一种集成化的逻辑数据库,空间数据库能够在统一的界面下实现数据的调度、浏览、查询和输出,其架构设计为GIS应用提供了重要支撑。空间数据库的核心技术主要包括以下五个方面:空间概念模型、空间数据类型与操作、空间查询语言、空间操作算法以及空间索引访问方法^[65-66]。常见的空间关系型数据库有MySQL Spatial、Oracle Spatial、SQL Server Spatial和SQLite。MySQL Spatial作为一种开源的数据库管理系统,被广泛用于Web应用程序和动态网站的数据存储,适合轻量级GIS应用,并且支持跨平台使用。Oracle Spatial是一种商业级的数据库管理系统,被广泛应用于大型企业和组织,例如电信网络规划和城市规划等。SQL Server Spatial主要应用于Windows平台,并且集成了与Windows操作系统和其他微软产品的功能。SQLite是一款单机的轻量级数据库系统,查询速度快,每种数据库在功能与应用场景上各有特色^[67-68]。

在勘查地球化学工作中,主要涉及的数据库主要可分为三种:野外地球化学数据库,包含样品的时空信息、描述性信息以及质量检查等信息;实验室分析结果数据库,主要包含样品加工、实验室样品分析测试数据;数据管理与共享数据库,目的为服务于项目的数据提交和成果共享。野外地球化学数据库的选择需要综合考虑软件服务范围、软件架构模式以及不同数据库之间的兼容性等因素。

3 地球化学野外样品采集系统的实现方向

3.1 系统的基本架构

现阶段典型的软件体系结构主要有C/S(客户机/服务器)和B/S(浏览器/服务器)两种风格。C/S架构有交互性强、响应速度块、安全性强等特点,但兼容性差,需要专门的客户端安装程序;B/S架构无需安装客户端,用户可以跨平台和操作系统访问服务器,但响应速度较慢,安全性较低。两种架构各有优劣^[69-70]。

结合地球化学野外采集的工作方式,根据现有的信息化技术,野外样品采集系统的基本架构应包含用户界面层、应用逻辑层、数据访问层、逻辑模型层以及基础设施层等(图3)。各层面的划分有助于实现软件系统的模块化和可扩展化。

3.2 地球化学野外调查的信息化实现

结合信息化技术,围绕地球化学野外调查工作全流程。在前期准备工作中,可利用ArcGIS等GIS软件对地形图、地质图等图件进行地理配准和矫正;借助DEM数据和研究区矢量文件生成水系、流域及采样网格等数据,实现采样点位的工作布置,并生成工作布置矢量文件。野外调查前期实施阶段,按照规范,工作人员需完成移动设备的GPS精度校验,生成GPS校验表和校验报告,从而确认GPS的准确性。项目组选择合适的地理坐标系或投影坐标系,以度分秒或米为单位进行校验,系统需自动获取10次当前位置坐标,并自动计算均值、标准差、最大误差和平均误差,再根据获得和计算的值自动生成GPS校验报告。在野外调查过程中,外业人员将前期准备的工作布置等数据导入地球化学野外采集系统中,在此系统中完成项目信息、人员信息的配置,将待采集样品分配并发送至各采样小组的移动终端设备。采样人员基于采集端在野外完成导航、定点、记录、采样、拍照等工作,并将数据传输至数据管理端,基于是数据管理端完成原始采样数据的管理、自互检、二三级室内室外质量检查等工作。映照地球化学野外调查的流程,为满足以上需求,系统需由数据管理端和数据采集端两个部分构成。

数据管理端主要负责数据的汇集和管理,应包含如下功能:图层显示和编辑的功能,实现工作布置点位以及其他矢量文件的加载和编辑;数据库管理的功能,实现采集数据的统计、查询、输入和输出;GIS服务的接入,以实现加载地理信息、地图显示与交互、空间分析和统计、支持地理空间信息查询等功能;数据传输功能,接收来自移动终端用户的野外采集数据,完成数据交互。

采集端主要负责数据的采集与传递,其核心功能涵盖多个方面。首先,通过地理空间参考的设置,包括地理坐标系与投影坐标系的配置及坐标转换,确保地理空间数据的精准采集。其次,实现图层管理与显示,能够对工作布置点、实际采样点、临时增加点、在线和离线地图、地质图及其他栅格图层进行统一管理,保证数据的高效组织与直观呈现。同时,采集端还提供地图服务与辅助功能,如导航、定位和位置搜索等,为外业人员提供强有力的支持。此外,移动终端取代传统纸质记录卡作为样品信息的载体,实现数据的无纸化记录、编辑与存储,并通过可视化方式直观展示采样数据,如图4^[71]。

数据传输功能,满足采集端和管理端双向交互的需求。总之,完整的地球化学野外样品采集系统应具备多个关键功能,至少包括图5所示的内容。

4 总结和展望

信息技术的迅猛发展惠及各个领域与学科,作为地质调查中重要的技术手段之一,地球化学调查正迎来发展的新变革与重大机遇。通过充分利用通信技术、移动GIS技术、可视化技术和软件技术,开发能够强力支撑地球化学勘查各类方法与技术的专业平台或软件工具,已成为地球化学工作者的重要使命。实现地球化学调查工作全流程的信息化,不仅将彻底变革传统的野外调查模式,大幅提升野外工作的效率、质量与精度,还能够有效激发调查人员的积极性与主动性。

然而,我国地球化学调查信息化目前仍面临诸多挑战:

(1)思维转变:地球化学调查工作者需要更新观念,突破纸质记录卡的传统形式限制。在信息技术快速发展的背景下,应主动拥抱新兴技术,将其充分应用于科研和生产实践中;

(2)标准缺失:目前,地球化学野外调查信息化尚未建立统一的行业标准和评价管理体系,多数项目仍沿用传统规范进行验收,这在一定程度上制约了信息化的推广与实施;

(3)软件通用性:现阶段国内基于移动GIS开发的野外数据采集软件多依托于Android Studio平台,其兼容性与通用性仍存在不足,成为软件开发和应用中的一大挑战。

综上所述,未来地球化学调查的全面信息化需要在技术研发、行业标准制定以及思维方式转变等方面协同推进,以最大化释放信息技术的潜力,推动地球化学调查工作向智能化、现代化的新阶段迈进。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20221807)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(AS2024J01)