甘肅省重點礦山找礦三維GIS系統設計與實現

張好賢

（甘肅省地質礦產勘查開發局測繪勘查院，甘肅 蘭州 730060）

隨著互聯網+、云計算、大數據、人工智能、VR等高新信息技術的飛速發展，給地理信息技術融合發展帶來前所未有的變革，利用高分遙感影像，通過對影像的平面、高程、結構、色彩等的數字化處理，按照統一坐標無縫拼接而成可以迅速建立基于真實影像的三維數字礦山，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、礦區范圍、采區布置等信息[1,2]。

通過疊加空間矢量數據、地物興趣點數據以及三維模型數據形成可視化三維GIS礦山系統。與傳統的二維GIS系統相比，三維GIS礦山系統突破平面地圖對空間描述二維化、三維空間尺度感差等限制，通過對真實地形、地物、建筑的數字化三維模擬和三維表達，提供給使用者一個與真實生活環境一樣的三維礦山環境，通過對三維礦山的數字化管理，為礦山建設、企業管理、險情監控提供可持續發展的信息化服務，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營管理水平[3]。

1 系統總體設計

1.1 設計目標

利用無人機航拍生產示范礦區高分辨率正射影像及高精度數字高程模型，構建覆蓋礦山全貌的三維地表模型及地表重點附屬物模型，便于直觀判讀露采境界、礦區范圍、采區布置、礦渣、尾礦庫、道路等礦山環境要素；通過分層疊加礦產資源開發利用、礦山地質環境保護與治理恢復、礦山土地復墾等方案，輔助評價規劃方案、展示規劃效果；通過信息提取、要素擴充、數據重組等整合手段，開發示范礦山環境三維GIS系統，為全省重點礦山管理提供可靠有效的地理空間信息保障，為礦山資源開發、開采環境、礦山基礎建設等提供大量的基礎信息，為礦山規劃、管理、保護和合理利用提供科學依據，從而直接為全省經濟的宏觀規劃和戰略布局服務。

1.2 技術路線

通過無人機及其配套設備獲取重點礦山高分辨率正射影像（DOM）和高精度高程數據（DEM），利用三維激光掃描儀獲取地下巷道數據，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境治理方案、土地復墾方案等專題數據，形成系統數據支撐層，采用的是TEpro的擴展模塊TerraDeveloper開發平臺，集成二次開發模式進行，利用C#語言進行二次開發。技術路線見圖1。

1.3 系統數據支撐建設

1.3.1 二維空間數據建設

無人機外業航飛作業完成后，生成0.1米分辨率DOM和1.0米格網數字高程數據。

對收集的礦產資源開發利用與規劃、礦山地質環境保護與治理恢復、礦山土地復墾等方案進行檢查、坐標轉換、格式轉換編輯等處理，形成能夠與高分遙感影像空間疊加的專題圖層，通過疊加能夠直觀反映出礦山地理要素、礦山地質環境要素、礦區范圍與工程布局、主要礦山地質環境問題（采空區、地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡等）、礦山地質環境保護與治理恢復分區（重點防治區、次重點防治區和一般防治區）等信息。

圖1 技術路線圖

1.3.2 三維場景數據建設

利用Skyline模塊TB創建地形模型。

礦區地表附屬模型主要為房屋建筑、道路、礦山設施等，作業示范過程中主要選取重要的建筑物、路面、礦山設施等進行精細化的三維建模，其它附屬設施構建簡單模型，各類模型的格式為3DS，建模軟件為3DMax。其中，精細模型的貼圖全部來自于實地拍攝采集，簡單模型的貼圖利用了軟件系統自帶的紋理數據[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行掃描，獲取了平硐內部的點云數據，經過處理形成平硐的三維模型。

2 系統功能模塊設計

按照系統的功能定位，主要包括GIS交互模塊、三維數據管理模塊及地環數據管理模塊組成[5]。

（1）GIS交互模塊：主要實現諸如地圖圖層管理、地圖放大縮小、平移、旋轉、飛行漫游、測量、地圖標繪、屏幕快照等GIS交互式工具。

（2）三維數據管理模塊：主要實現礦區地表房屋建筑、道路、礦山設施等附屬模型，以及礦山地下三維掃描模型的管理。

（3）地環數據管理模塊：主要實現礦產資源開發利用與規劃、礦山地質環境保護與治理恢復、礦山土地復墾等礦山專題矢量數據的裝載、顯示控制、查詢分析等功能。

圖3 系統界面

3 系統示范應用

項目借助于無人機航攝獲取了甘肅某礦區10.5KM2的DOM（正射影像）和DEM（數字高程），利用3DMax、Skyline等三維建模軟件構建了航攝區域內的地表三維模型，疊加了環境治理專題數據，使其規劃與治理信息更加透明、更加直觀，方便相關部門進行決策[6]。另外，利用先進的三維激光掃描儀獲取了深部銅礦三號中段（地下約300m）的點云數據，經過處理形成了三號中段部分平硐的三維模型，該示范應用可推廣到巷道規劃設計中。

圖4 平硐模型

4 結論

甘肅省重點礦山找礦三維GIS系統側重于立體表達覆蓋礦區地表范圍內的高精度地形、影像以及地表附屬物模型（重點表達礦區選礦廠、尾礦庫、辦公場所、職工宿舍等信息），為礦山資源開發、開采環境、礦山基礎建設等提供大量的基礎信息，為礦山規劃、管理、保護和合理利用提供空間支撐。建議下一步選擇示范礦山，梳理礦區原始地質資料，通過分析整合后，利用專業軟件在三維表達地質工作（各類勘探工程）的基礎上，構建三維礦體模型，形成一個可供地質人員與管理人員進行信息交流的工作平臺，進而挖掘地質資料的二次開發利用價值。