甘肅省重點(diǎn)礦山找礦三維GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張好賢

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪勘查院，甘肅 蘭州 730060）

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等高新信息技術(shù)的飛速發(fā)展，給地理信息技術(shù)融合發(fā)展帶來(lái)前所未有的變革，利用高分遙感影像，通過(guò)對(duì)影像的平面、高程、結(jié)構(gòu)、色彩等的數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標(biāo)無(wú)縫拼接而成可以迅速建立基于真實(shí)影像的三維數(shù)字礦山，人們可以直觀的從三維礦山上判讀出山川、河流、道路、露采境界、礦區(qū)范圍、采區(qū)布置等信息[1,2]。

通過(guò)疊加空間矢量數(shù)據(jù)、地物興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)形成可視化三維GIS礦山系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的二維GIS系統(tǒng)相比，三維GIS礦山系統(tǒng)突破平面地圖對(duì)空間描述二維化、三維空間尺度感差等限制，通過(guò)對(duì)真實(shí)地形、地物、建筑的數(shù)字化三維模擬和三維表達(dá)，提供給使用者一個(gè)與真實(shí)生活環(huán)境一樣的三維礦山環(huán)境，通過(guò)對(duì)三維礦山的數(shù)字化管理，為礦山建設(shè)、企業(yè)管理、險(xiǎn)情監(jiān)控提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務(wù)，大力提高礦山空間信息共享和利用水平，提高礦山整體信息化管理和經(jīng)營(yíng)管理水平[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

利用無(wú)人機(jī)航拍生產(chǎn)示范礦區(qū)高分辨率正射影像及高精度數(shù)字高程模型，構(gòu)建覆蓋礦山全貌的三維地表模型及地表重點(diǎn)附屬物模型，便于直觀判讀露采境界、礦區(qū)范圍、采區(qū)布置、礦渣、尾礦庫(kù)、道路等礦山環(huán)境要素；通過(guò)分層疊加礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)、礦山土地復(fù)墾等方案，輔助評(píng)價(jià)規(guī)劃方案、展示規(guī)劃效果；通過(guò)信息提取、要素?cái)U(kuò)充、數(shù)據(jù)重組等整合手段，開(kāi)發(fā)示范礦山環(huán)境三維GIS系統(tǒng)，為全省重點(diǎn)礦山管理提供可靠有效的地理空間信息保障，為礦山資源開(kāi)發(fā)、開(kāi)采環(huán)境、礦山基礎(chǔ)建設(shè)等提供大量的基礎(chǔ)信息，為礦山規(guī)劃、管理、保護(hù)和合理利用提供科學(xué)依據(jù)，從而直接為全省經(jīng)濟(jì)的宏觀規(guī)劃和戰(zhàn)略布局服務(wù)。

1.2 技術(shù)路線

通過(guò)無(wú)人機(jī)及其配套設(shè)備獲取重點(diǎn)礦山高分辨率正射影像（DOM）和高精度高程數(shù)據(jù)（DEM），利用三維激光掃描儀獲取地下巷道數(shù)據(jù)，利用3DMax與圖像處理軟件制作地表附屬物模型收集整理礦山環(huán)境治理方案、土地復(fù)墾方案等專題數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐層，采用的是TEpro的擴(kuò)展模塊TerraDeveloper開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成二次開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐建設(shè)

1.3.1 二維空間數(shù)據(jù)建設(shè)

無(wú)人機(jī)外業(yè)航飛作業(yè)完成后，生成0.1米分辨率DOM和1.0米格網(wǎng)數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

對(duì)收集的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用與規(guī)劃、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)、礦山土地復(fù)墾等方案進(jìn)行檢查、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換編輯等處理，形成能夠與高分遙感影像空間疊加的專題圖層，通過(guò)疊加能夠直觀反映出礦山地理要素、礦山地質(zhì)環(huán)境要素、礦區(qū)范圍與工程布局、主要礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題（采空區(qū)、地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡等）、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)分區(qū)（重點(diǎn)防治區(qū)、次重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)）等信息。

圖1 技術(shù)路線圖

1.3.2 三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)建設(shè)

利用Skyline模塊TB創(chuàng)建地形模型。

礦區(qū)地表附屬模型主要為房屋建筑、道路、礦山設(shè)施等，作業(yè)示范過(guò)程中主要選取重要的建筑物、路面、礦山設(shè)施等進(jìn)行精細(xì)化的三維建模，其它附屬設(shè)施構(gòu)建簡(jiǎn)單模型，各類模型的格式為3DS，建模軟件為3DMax。其中，精細(xì)模型的貼圖全部來(lái)自于實(shí)地拍攝采集，簡(jiǎn)單模型的貼圖利用了軟件系統(tǒng)自帶的紋理數(shù)據(jù)[4]。

圖2 地表三維模型

利用三維激光掃描儀在礦山深部選擇平硐進(jìn)行掃描，獲取了平硐內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理形成平硐的三維模型。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)的功能定位，主要包括GIS交互模塊、三維數(shù)據(jù)管理模塊及地環(huán)數(shù)據(jù)管理模塊組成[5]。

（1）GIS交互模塊：主要實(shí)現(xiàn)諸如地圖圖層管理、地圖放大縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、飛行漫游、測(cè)量、地圖標(biāo)繪、屏幕快照等GIS交互式工具。

（2）三維數(shù)據(jù)管理模塊：主要實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地表房屋建筑、道路、礦山設(shè)施等附屬模型，以及礦山地下三維掃描模型的管理。

（3）地環(huán)數(shù)據(jù)管理模塊：主要實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用與規(guī)劃、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)、礦山土地復(fù)墾等礦山專題矢量數(shù)據(jù)的裝載、顯示控制、查詢分析等功能。

圖3 系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)示范應(yīng)用

項(xiàng)目借助于無(wú)人機(jī)航攝獲取了甘肅某礦區(qū)10.5KM2的DOM（正射影像）和DEM（數(shù)字高程），利用3DMax、Skyline等三維建模軟件構(gòu)建了航攝區(qū)域內(nèi)的地表三維模型，疊加了環(huán)境治理專題數(shù)據(jù)，使其規(guī)劃與治理信息更加透明、更加直觀，方便相關(guān)部門進(jìn)行決策[6]。另外，利用先進(jìn)的三維激光掃描儀獲取了深部銅礦三號(hào)中段（地下約300m）的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理形成了三號(hào)中段部分平硐的三維模型，該示范應(yīng)用可推廣到巷道規(guī)劃設(shè)計(jì)中。

圖4 平硐模型

4 結(jié)論

甘肅省重點(diǎn)礦山找礦三維GIS系統(tǒng)側(cè)重于立體表達(dá)覆蓋礦區(qū)地表范圍內(nèi)的高精度地形、影像以及地表附屬物模型（重點(diǎn)表達(dá)礦區(qū)選礦廠、尾礦庫(kù)、辦公場(chǎng)所、職工宿舍等信息），為礦山資源開(kāi)發(fā)、開(kāi)采環(huán)境、礦山基礎(chǔ)建設(shè)等提供大量的基礎(chǔ)信息，為礦山規(guī)劃、管理、保護(hù)和合理利用提供空間支撐。建議下一步選擇示范礦山，梳理礦區(qū)原始地質(zhì)資料，通過(guò)分析整合后，利用專業(yè)軟件在三維表達(dá)地質(zhì)工作（各類勘探工程）的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三維礦體模型，形成一個(gè)可供地質(zhì)人員與管理人員進(jìn)行信息交流的工作平臺(tái)，進(jìn)而挖掘地質(zhì)資料的二次開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。