基于三維GIS的濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李浩

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102)

基于三維GIS的濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李浩

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102)

隨著礦產(chǎn)資源大規(guī)模的開發(fā)利用，加劇了地質(zhì)環(huán)境的不斷惡化，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)迫在眉睫，傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查技術(shù)已經(jīng)顯得乏力。該文以濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查為例，提出了基于三維GIS的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查方法，利用三維GIS的高性能空間數(shù)據(jù)引擎、直觀的可視化技術(shù)和強(qiáng)大的空間分析能力，整合濟(jì)南市高分辨率的航空影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)和歷年的監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)，重建航測調(diào)查區(qū)真實(shí)的三維地貌。結(jié)合礦山開采信息，進(jìn)行航測調(diào)查區(qū)礦山開采現(xiàn)狀圖斑的提取及拓?fù)涮幚恚槊鞯V山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患情況，有效監(jiān)測礦山地質(zhì)環(huán)境，加強(qiáng)重點(diǎn)礦山開采區(qū)的監(jiān)測與管理，推動濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作。

三維地理信息系統(tǒng)；傾斜攝影；數(shù)字高程模型；空間分析；礦山地質(zhì)環(huán)境；動態(tài)監(jiān)測；濟(jì)南市

0 引言

濟(jì)南市位于山東省中部，南依泰山，北跨黃河，地處魯中低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地形南高北低，變化顯著。截至2016年底，全市已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)45種(含亞礦種)，礦產(chǎn)地296處，能源礦產(chǎn)5種，金屬礦產(chǎn)10種，非金屬礦產(chǎn)28種，水氣礦產(chǎn)2種，其中，全國重要礦產(chǎn)有煤、鐵、銅、地?zé)帷⒌V泉水、石油、天然氣等13種。濟(jì)南市雖然礦產(chǎn)資源豐富，但礦山企業(yè)規(guī)模化、集約化水平較低，尤其是建筑用石料等礦產(chǎn)，大礦小開、一礦多開等問題較為突出；資源利用率較低，破壞浪費(fèi)資源的現(xiàn)象比較嚴(yán)重；礦山地質(zhì)環(huán)境問題較突出，采礦造成的土地、植被、山體破壞和水、土污染比較嚴(yán)重，地面塌陷、滑坡、泥(渣)石流等次生地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，礦山環(huán)境恢復(fù)治理力度需進(jìn)一步加強(qiáng)；資源管理工作有待完善，礦山企業(yè)破壞浪費(fèi)礦產(chǎn)資源缺乏強(qiáng)有力的法律制約手段，礦政管理技術(shù)力量薄弱，缺乏專業(yè)技術(shù)人員，難以適應(yīng)礦產(chǎn)開發(fā)監(jiān)督管理工作的需要[1-2]。

依據(jù)國土資源部2014年4月29日發(fā)布，7月1日起施行的《地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測管理辦法》，如何有效監(jiān)測礦山地質(zhì)環(huán)境，特別是加強(qiáng)重點(diǎn)礦山開采區(qū)的監(jiān)測管理，是濟(jì)南市國土資源管理部門亟待解決的問題。2015年8月，濟(jì)南市國土資源局啟動了濟(jì)南礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查工作。基于三維GIS的高性能空間數(shù)據(jù)引擎、直觀的可視化技術(shù)和強(qiáng)大的空間分析能力[3-5]，結(jié)合SWDC-5傾斜攝影測量技術(shù)，獲取濟(jì)南地表礦山重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)航空正射影像、數(shù)字高程模型及實(shí)景三維成果，進(jìn)行航測調(diào)查區(qū)礦山開采現(xiàn)狀圖斑的提取及拓?fù)涮幚恚槊鞯V山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患情況，有效的監(jiān)測礦山地質(zhì)環(huán)境，特別是加強(qiáng)重點(diǎn)礦山開采區(qū)的監(jiān)測與管理，推動濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作[6-7]。

1 總體設(shè)計(jì)

濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查系統(tǒng)以技術(shù)服務(wù)與支持體系和法律法規(guī)安全保障體系為基礎(chǔ)，分為支撐體系、數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)系統(tǒng)層和用戶層4個層次(圖1)。

圖1 總體框架圖

1.1 支撐體系

在網(wǎng)絡(luò)層上，依托國土資源內(nèi)網(wǎng)支撐系統(tǒng)運(yùn)行，同時建設(shè)基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，包括服務(wù)器、防火墻、數(shù)據(jù)庫和GIS軟件等。

1.2 數(shù)據(jù)中心

系統(tǒng)集成歷年航測調(diào)查數(shù)據(jù)庫、三維場景數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)據(jù)庫，依托數(shù)據(jù)庫管理和GIS技術(shù)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建立礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫的組織、管理、維護(hù)和更新體系。

1.3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)層

系統(tǒng)通過國土資源內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，滿足濟(jì)南市國土資源局對轄區(qū)內(nèi)礦山管理的需求，主要由資源瀏覽模塊、查詢檢索模塊、決策分析模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊組成。

1.4 用戶層

系統(tǒng)主要服務(wù)于國土資源管理部門，包括技術(shù)支持單位和濟(jì)南市國土資源局，技術(shù)支持單位通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)信息的獲取、數(shù)據(jù)處理及入庫和系統(tǒng)功能開發(fā)，為濟(jì)南市國土資源局查明礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患等情況提供了科學(xué)的管理模式，推動濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作。

2 技術(shù)路線

采用運(yùn)-5B飛機(jī)，配備SWDC-5傾斜相機(jī)，獲取礦山重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)航空影像，經(jīng)過像控測量、空三加密，進(jìn)行重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)DEM的制作[8-10]，然后經(jīng)過影像幾何糾正、鑲嵌、勻光勻色、裁剪，制作重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)DOM，并利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)三維地貌真實(shí)重建，一般調(diào)查區(qū)采用2016年初衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯(圖2)[11-14]。

圖2 技術(shù)路線圖

通過影像解譯，結(jié)合歷史礦山開采信息，進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查區(qū)2008，2014，2015年礦山開采現(xiàn)狀圖斑提取及拓?fù)涮幚恚⑦M(jìn)行2015年礦山信息地面調(diào)查，查明礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患等情況，制作2015年礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查數(shù)據(jù)庫、破損和地質(zhì)災(zāi)害隱患情況數(shù)據(jù)庫，最后在Skyline平臺下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和屬性掛接[15-17]，進(jìn)行航測調(diào)查信息管理系統(tǒng)建設(shè)。

項(xiàng)目采用B/S架構(gòu)，基于JavaScript和Skyline進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle軟件進(jìn)行建庫，系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行環(huán)境如表1所示。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫環(huán)境設(shè)計(jì)

(1)空間坐標(biāo)參考：采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)，高斯-克呂格投影，3°分帶，1985國家高程基準(zhǔn)，DEM，DOM分幅與編號按GB/T 13989-2012執(zhí)行。

(2)數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計(jì)：矢量數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一要求為SHP文件，數(shù)據(jù)共享采用符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS和WFS服務(wù)，統(tǒng)一采用Oracle + ArcSDE中進(jìn)行存儲管理。

表1 系統(tǒng)環(huán)境

3.2 航測調(diào)查數(shù)據(jù)庫

通過獲取的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查區(qū)影像數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史礦山開采圖斑資料，建立監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫，包括2015年監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫、2014年監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫、2008年監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫、2014—2015礦山變化監(jiān)測解譯數(shù)據(jù)庫和2008—2014礦山變化監(jiān)測解譯數(shù)據(jù)庫，具體情況如表2所示：

表2 歷年調(diào)查成果(個m2)

3.3 三維場景數(shù)據(jù)庫

(1)DOM數(shù)據(jù)庫：2008年全市0.3m分辨率的DMC影像，2014年全市0.5m分辨率的衛(wèi)星影像，2015年重點(diǎn)調(diào)查區(qū)的0.1m分辨率的航空影像，2016年全市非重點(diǎn)調(diào)查區(qū)的0.5m分辨率的衛(wèi)星影像。

(2)DEM數(shù)據(jù)庫：2006年—2010年山東省國土資源廳組織完成了全省“十一五”1∶1萬基礎(chǔ)測繪地理信息數(shù)據(jù)庫中的5m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型，2015年重點(diǎn)調(diào)查區(qū)的0.6m格網(wǎng)1∶1000數(shù)字高程模型。

(3)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)庫：9大重點(diǎn)調(diào)查區(qū)865km2的傾斜攝影數(shù)據(jù)。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)據(jù)庫

主要從崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等方面，對濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，具體情況如表3所示。

4 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，基于JavaScript和Skyline進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，把傳統(tǒng)的礦山信息二維展現(xiàn)和管理模式轉(zhuǎn)變成更加直觀的三維展現(xiàn)和管理模式，將實(shí)景三維、DOM，DEM、屬性信息等數(shù)據(jù)納入一張圖，便于礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的維護(hù)更新。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和用戶需求，航測調(diào)查管理系統(tǒng)有四大功能模塊組成：資源瀏覽模塊、查詢檢索模塊、決策分析模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊。系統(tǒng)主要通過國土資源內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，滿足濟(jì)南市國土資源局對轄區(qū)內(nèi)礦山管理的需求。

表3 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查內(nèi)容與要求

4.1 資源瀏覽模塊

基于全市DOM、DEM、傾斜攝影、監(jiān)測圖斑和地質(zhì)災(zāi)害隱患等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源的快速瀏覽，通過JavaScript調(diào)用Skyline的API開發(fā)了地圖操作、水平距離量算、垂直距離量算、空間距離量算、面積量算、圖層管理、打印輸出、快速定位等功能。

4.2 查詢檢索模塊

整合全市的興趣點(diǎn)(POI)信息、歷年的監(jiān)測圖斑信息和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)信息等，通過Web Service接口和XML交換數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)了地名查詢、專題查詢、專題屬性編輯和附件展示等功能。

(1)地名查詢：用戶可以輸入濟(jì)南市的單位名稱、小區(qū)名稱、旅游景點(diǎn)、商場、酒店等POI信息進(jìn)行模糊查詢，例如用戶輸入“龍奧大廈”，結(jié)果列表中就出現(xiàn)了帶有“龍奧大廈”關(guān)鍵詞的地名，單擊查詢結(jié)果進(jìn)行定位。

(2)專題查詢：用戶通過設(shè)置圖斑編號、所在縣市、所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)、地址、開采主礦種、開采方式、開采現(xiàn)狀等條件，查詢符合條件的歷年的監(jiān)測圖斑信息和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)信息，查詢結(jié)果列表以分頁形式顯示，點(diǎn)擊結(jié)果列表進(jìn)行圖斑定位，并能夠顯示圖斑的詳細(xì)信息(圖3)。

圖3 詳細(xì)信息

(3)核查屬性信息：圖斑的登記情況、許可證號、地址、開采主礦種、開采方式、開采現(xiàn)狀、治理情況、備注等詳細(xì)信息，根據(jù)核查情況如果有誤或者不全，需要修改和補(bǔ)充的，可以通過編輯頁面進(jìn)行修改，修改之后保存更新監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)庫。

(4)現(xiàn)場核查：系統(tǒng)集成了歷年監(jiān)測圖斑的基本信息，以及監(jiān)測圖斑外業(yè)核查信息主要包括現(xiàn)場拍攝的多角度帶有位置的照片和根據(jù)礦山破壞情況制定的綜合治理方案等信息。

4.3 決策分析模塊

基于三維GIS的高性能空間數(shù)據(jù)引擎、直觀的可視化技術(shù)和強(qiáng)大的空間分析能力，調(diào)用Skyline二次開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)了飛行路線、地圖標(biāo)繪和空間分析等。

(1)飛行路線：用戶只需要在場景中設(shè)置路線、飛行速度、航高等參數(shù)，就能利用動態(tài)對象實(shí)現(xiàn)第一人稱或者第三人稱的飛行模擬，完成對礦山周邊環(huán)境從宏觀到微觀的準(zhǔn)確掌握。

(2)地圖標(biāo)繪：實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)、線、面的形式在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，同時能夠添加說明信息。

(3)空間分析：主要實(shí)現(xiàn)了剖面分析、淹沒分析、挖填方分析、陰影分析、通視分析和動態(tài)視域分析等。例如剖面分析，在礦山附近選擇兩點(diǎn)進(jìn)行剖面分析，生成的坡度圖(圖4)，在結(jié)果曲線上可以查詢到每一點(diǎn)的高程及坡度信息，可以概括研究區(qū)域的地勢、地質(zhì)和水文特征，包括區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)、輪廓形狀、絕對與相對高度、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度和侵蝕因素等。

圖4 剖面分析

4.4 統(tǒng)計(jì)分析模塊

針對2015年監(jiān)測圖斑、2014年監(jiān)測圖斑、2008年監(jiān)測圖斑、2014—2015年監(jiān)測圖斑和2008—2014年監(jiān)測圖斑，通過Highcharts技術(shù)可以按照統(tǒng)計(jì)區(qū)域、治理情況、開采現(xiàn)狀、面積大小來統(tǒng)計(jì)監(jiān)測圖斑在各個區(qū)域的面積分布或者個數(shù)分布，以柱狀圖或餅狀圖的形式展示，結(jié)果可以圖表或者圖片的形式導(dǎo)出(圖5)。

圖5 監(jiān)測圖斑分布情況

5 結(jié)論

(1)針對濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境管理工作的實(shí)際應(yīng)用需求，首次提出了基于三維GIS的濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查方法。

(2)利用傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)航測調(diào)查區(qū)的高精度多視角影像及數(shù)字高程模型DEM獲取，精度指標(biāo)符合規(guī)范，滿足礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查需求，并成功完成了2008，2014，2015年礦山地質(zhì)環(huán)境解譯、動態(tài)變化監(jiān)測解譯等工作，查明了礦山地質(zhì)環(huán)境破壞、地質(zhì)災(zāi)害隱患情況。

(3)利用三維GIS的高性能空間數(shù)據(jù)引擎、直觀的可視化技術(shù)和強(qiáng)大的空間分析能力，建立了實(shí)景三維礦山地質(zhì)環(huán)境管理系統(tǒng)，平臺兼容性強(qiáng)，信息多元化，減輕了外業(yè)調(diào)查勞動強(qiáng)度，為礦山地質(zhì)環(huán)境有效監(jiān)測提供了先進(jìn)手段，推進(jìn)了濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境的科學(xué)管理。

[1] 蒙永輝,許燕,王集寧,等.山東省礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作形勢分析[J].山東國土資源,2016,32(9):27-31.

[2] 韓景敏,邵明,秦品瑞.山東省地質(zhì)環(huán)境承載力現(xiàn)狀及對策[J].山東國土資源,2015,31(3):34-38.

[3] 劉征,鄭貴洲.礦山三維GIS研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報,2006,25(4):109-112.

[4] 郝延錦,胡東宏,楊可明.礦山可視化技術(shù)關(guān)鍵問題探討[J].東北測繪,2000,23(2):19-20.

[5] 王雷鳴,尹升華.GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].金屬礦山,2015,(5):122-128.

[6] 劉馨蕊,陳永生,張睿,等.礦區(qū)地上下三維信息模型構(gòu)建算法與系統(tǒng)開發(fā)[J].東北大學(xué)學(xué)報,2014,35(4):579-587.

[7] 呂磊,單寶麟,閆松. 基于三維GIS的地下電力管線管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息,2016,39(3):95-98.

[8] 夏濤,楊武年,劉漢湖,等.利用ASTER立體像對提取相對DEM及正射影像地圖制作[J]. 測繪科學(xué),2007,32(3):144-145.

[9] 高英杰,潘劍君,劉世峰. 1∶10 000大比例尺DEM的制作及其地學(xué)應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(2):894-898.

[10] 王春波.基于DLG二維數(shù)據(jù)的DEM精細(xì)化制作[J].測繪與空間地理信息,2015,38(11):150-154.

[11] 唐艷.利用航空攝影制作數(shù)字正射影像圖(DOM)[J].價值工程,2014,(16):222-223.

[12] 周思怡,熊勇.基于無人機(jī)攝影測量空三加密技術(shù)在1∶1000 DOM制作的應(yīng)用[J].江西測繪,2016,107(1):27-29.

[13] 陳潔,杜磊,肖春蕾,等. POS輔助機(jī)載LiDAR無地面控制點(diǎn)DEM，DOM制作[J].測繪與空間地理信息,2015,38(3):50-53.

[14] 侯國瑞,謝麗娟.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)制作數(shù)字正射影像的方法[J].山西科技,2014,29(5):116-118.

[15] 白洪偉,李志偉,吳滿意. 基于Skyline土地資源信息可視化系統(tǒng)研究[J]. 河北北方學(xué)院學(xué)報,2016,32(1):18-23.

[16] 潘立,張旭,任東風(fēng). 基于Skyline的三維GIS構(gòu)建與研究[J].測繪與空間地理信息,2016,39(8):90-93.

[17] 張露露,陳宜金.基于Skyline的數(shù)字礦山三維綜合監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].測繪信息與工程,2011,36(5):34-39.

DesignandImplementationofPhotogrammetryInvestigationSystemofMineEnvironmentBasedon3DGISinJinanCity

LI Hao

(Shandong Mapping and Surveying Institute of Land and Resources, Shandong Jinan 250102, China)

Accompanying with large scale development and utilization of mineral resources, geological environment has been becoming more and more worse. Geological environmental protection of mines is very urgent. But the traditional technology for surveying geological environment of mines has become weak. In this paper, setting geological survey of mines in Jinan city as an example, the method of geological environment investigation based on 3D GIS has been put forward. By using high-performance spatial data engine of 3D GIS technology, integrating intuitive visualization technology and powerful spatial analysis ability, the aerial image data, the DEM data, the tilted photographic data and the monitoring plots data over the years, real 3D geomorphology of the aerial survey area has been reconstructed. Combining with mining information, the extraction and topology processing of present condition of mineral exploration have been carried out, It will identify the condition of geological environment damage and geological hazards effectively, monitor geological environment of mines, strengthen the monitoring and management of key mining areas, and promote geological environment protection in Jinan city.

3D GIS; oblique photography; DEM; spatial analysis; dynamic monitoring; geological environmen of mines; Jinan city

2017-03-20；

2017-05-23；

曹麗麗

李浩(1984—)，男，河南駐馬店人，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)開發(fā)和國土資源信息化建設(shè)； E-mail：15863162135@qq.com

P208

B

李浩.基于三維GIS的濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測調(diào)查管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東國土資源，2017,33(12)：60-64.LI Hao. Design and Implementation of Photogrammetry Investigation System of Mine Environment Based on 3D GIS in Jinan City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(12)：60-64.