芻議GIS 在地質找礦中的應用

汪龍武

（云南黃金礦業集團股份有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000）

1 三維空間

目前在GIS 應用中，關于二維空間數據和信息的管理技術和方法較為成熟，但相對于三維而言，在應用和技術方法上還有很多值得探討的地方。目前地形三維的表達在二維GIS 和地學可視化中常常是一個獨立運行的模塊，即使被放到一個集成環境中，也只是形式上的集成或部分集成，很難在數據結構的底層與其它模塊實現真正的有機集成與耦合。究其原因，這固然與GIS軟件發展的歷史和條件有關，但根本原因在于二維GIS 維數的局限性，即二維GIS 沒有在所有的模塊中將垂向信息z 坐標獨立出來形成真三維空間，常常是將現實世界中本是空間獨立變量(Independent Variable)的高程數據z 作為依賴變量(Dependent Variable)或屬性來處理。三維GIS對Z 坐標的處理與二維GIS 完全相反，它在所有的模塊中均將z 坐標作為獨立變量處理，形成真三維空間，因此三維GIS 中表達的地形三維(用位于表面的邊界擴展結點來表達)與其它模塊是真正耦合的，在底層數據結構的設計及基于它的操作與分析上完全可以實現統一。

雖然有以上不同點，但三維GIS 中地形三維的三維表達完全可以而且應該借用已經成熟的二維GIS 與地學可視化中的面三維地形表現(DTM)算法與技術，它們都要經過幾何建模、投影、消隱、光照、顯示等基本階段，關于這方面的算法與實踐已有很多。目前常見的三維空間信息的表達主要包括DEM、TIN 及GRID 等空間數據模型。

（1）數字高程模型

數字地面模型(Digital Terrain Model，簡稱DTM)是描述地面特性諸如空間分布的有序數值陣列。在一般情況下，地面特性是高程z，它的空間分布由x、Y 水平坐標系統來描述，也可用經度x、緯度Y 來描述。這種地面特性為高程或海拔高程的DTM，也稱為數字高程模型(Digital ElevationModel，簡稱DEM)。其它地面特性可以是諸如地價、土地權屬、土壤類型、地貌特征、巖層深度及土地利用等與地形有關的信息。DEM 可以是每3 個坐標值為一組元的散點結構，也可以是由多項式或富里葉級數確定的曲面方程。柯正誼等 (1993)按空間結構形式將DTM 分為7類：規則格點(格網)數字地面模型、散點數字地面模型、等值線數字地面模型、曲面數字地面模型、線路數字地面模型、平面多邊形數字地面模型和空間多邊形數字地面模型。由于DEM 是DTM中的一種，因此它也有7 種形式。在實際中最常用的3 類數字高程模型(基于3 種數據結構)是：規則格網(GRID)、不規則格網(TIN)及數字等值線圖。

（2）不規則格網的生成方法

TIN 是一種由許多相鄰但又不互相重疊的三角形組成的對地形表面的連續鋪蓋。不同類型的TIN 有不同的生成方法。按照空間分布的幾何結構，可以有一般三角網和Delaunay 三角網之分。一般三角網按照距離最近原則組網，這個距離是待確定的第三點到基邊的距離。隨著起始邊的不同，一般三角網的結構也不同，即對同一個不規則離散數據點集，對應的一般三角網并不唯一。另外由于它們可能存在大量的狹長三角形，不便于后續處理(如地形插值、坡度、坡向計算等)，其幾何結構并不強，因此一般三角網并不是最優三角網。相反，Delaunay 三角網具有很強的幾何結構，它能保證每個三角形的角度最接近于正三角形，符合“三角剖分最小內角為最大”的圖形優化準則；另外，Delaunay 三角網具有唯一性，即對同一個不規則離散數據點集其對應的Delaunay 三角網是唯一的。顯然，Delaunay 是最優三角網上述方法都僅僅考慮了幾何信息，屬于非約束普通三角網。對一般的地形而言，只要采樣點分布情況比較好，它們一般都能比較真實地反映地形情況。但在各種特殊的地性線如山脊線、山谷線、斷裂線處則不能完全反映出真實情況。因為在地性線處的高程往往產生跳躍式的變化，若有三角形跨越地性線，則三角形會穿越地形表面或懸空于其上。很明顯，這樣的三角形不能反映地形真實情況，需要剔除這樣的三角形或進行調整，因此就誕生了與非約束普通三角網相對應的具有約束條件的約束三角網。

（3）Grid 的生成方法

原始采樣點可以是規則的，也可以是不規則的，但由于客觀條件的限制，往往不能取得足夠的采樣點來滿足顯示的要求。需要進行內插以生成更多的點。插值的方法有很多種，最主要的有反距離權插值(IDW)、雙線性插值、趨勢面插值、樣條插值(又分為兩種)及Kriging 插值，其中反距離權插值(IDW)、雙線性插值、趨勢面插值是較為常見的方法。這里僅扼要介紹樣條插值和Kriging 插值。

2 GIS 的三維地質勘察管理系統

在礦山三維地質勘察管理系統建設中，采用了地理信息系統技術，遵循最新的地質勘察標準和規范，實現由現有CAD 型為主的巖土工程勘察系統，全面升級轉變為GIS 型的礦山地質勘察系統。系統建設選用了北京超圖公司的SuperMap Objects 全組件式開發平臺，充分利用其強大的GIS 功能、海量數據的管理功能以及空間數據庫技術SDX，將地質勘察信息及相關數據統一存儲在數據庫中，消除了信息孤島，實現基礎地形、基礎地質和工程地質勘察信息的高度共享和圖文一體化管理；力求技術領先，并充分考慮地質勘察行業業務的實際需要，做到功能強大、界面美觀、操作簡單、方便實用。

（1）系統數據庫

依據數據特征、類型和用途以及相關的國家標準和行業標準，著重考慮空間數據及其與非空間數據的關聯問題，遵循一般的關系數據庫范式。系統數據庫大體上分4 大部分：基礎地理數據庫、地層信息數據庫、工程勘察專題數據庫和其他部分見圖；

系統數據庫組成圖

（2）系統功能

系統總體上包括工程勘察成果管理(數據編輯、制圖輸出、報表報告制作和三維顯示)、查詢分析、數據維護(地形數據和地質數據)和系統管理維護 (數據字典維護和用戶權限管理)4 大功能。在工程勘察成果管理方面，可實現對數據的可視化編輯與管理及實時更新，并保護數據的拓樸關系；系統提供4 種查詢方法，即基于圖形查詢屬性、基于屬性查詢圖形數據、基于SQL 語言進行條件查詢、基于屬性信息進行聯合查詢。同時為了方便數據的使用與維護，本系統還可對圖進行打印輸出，包括勘探點平面布置圖的制作和地質剖面圖的制作等。本系統的后臺支持數據庫為SQL SERVER2000 大型數據庫，其空間數據庫引擎為uperMapSDX+，可支持大型空間數據的管理，很好地實現了空間數據與屬性數據基于大型空間數據庫的一體化查詢與可視化表達，同時可實現多用戶的實時性和并發性操作，可設置用戶管理權限，方便對數據的統一管理。

[1]劉振國.推動和實現地質找礦工作大發展[J].中國國土資源報，2009-04-01.

[2]趙凡.積極推動地質找礦重大突破[J].中國國土資源報，2006-12-07.