基于GIS技術的地質變化預測系統設計及應用

史文芳

（甘肅煤田地質局綜合普查隊，甘肅 天水 741000）

由于礦山開采程度日益增加，礦山的地質變化情況越來越難以掌握。針對地質變化預測是有效預防地質災害的重要手段，而地質變化預測系統成為了有關部門的調研重點。在我國，針對地質變化預測系統的研究中，盡管研究起步較早，但對于地質變化信息基數較大且大部分被分散存儲，導致研究普遍存在局限性，很難在真正意義上實現地質變化預測[1]。GIS技術的出現恰好的解決了出現的問題，GIS在應用中又被成為地理信息系統，具備一定的空間數據基礎表現能力，主要在計算機設備與良好運營環境的支撐下，采集相關地球信息數據，并結合數據表達特征對其實施有序的數據管理、運算、分類、存儲等功能。作為地質變化預測系統設計中一個強有力工具，可將獲取的數據統一格式后以數據庫的形式對其進行存儲。除此之外，GIS技術中的三維成像技術可直觀的呈現礦體的地質信息，對并其持續實施數據的人工智能處理，進而起到提升地質變化預測精度。因此，本文進行基于GIS技術的地質變化預測系統設計，并通過分析其在實際當中的應用情況，證明設計的有效性。通過將GIS技術應用在地質變化預測系統硬件設計以及軟件設計兩部分，致力于為地質變化預測系統的優化設計提供更加廣闊的發展空間。

1 基于GIS技術的地質變化預測系統硬件設計

根據地質變化預測系統的跨地區應用需求，在系統硬件方面設計了服務器、數據采集板卡、礦山鉆探儀以及礦區遙感儀器[2]。同時，配備硬盤、鍵盤、鼠標等一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次研究重點，以下將對上文提出的四個核心硬件進行詳細描述。

1.1 服務器

選用LI-561ubuntu15.01型號的服務器設備為地質變化預測系統運行提供硬件環境，LI-561ubuntu15.01型號服務器的配置為雙核CPU，外設多個可擴展處理器，內存大小為6GB，32GB硬盤。服務器的硬件環境配置，如表1所示。

表1 服務器的硬件環境配置

根據表1所示，LI-561ubuntu15.01型號服務器擁有數據處理及現場可編程邏輯門陣列兩個選項，具備適應任何系統應用程序的通用能力，為地質變化預測系統運行提供良好平臺。利用該硬件設備中的雙核多路實現加速器、存儲設備及地質變化信息之間的平衡，在最大程度上提高系統應用程序的性能。

1.2 礦山鉆探儀

針對礦山進行打孔鉆洞是地質變化預測工程中最關鍵的步驟，通過設計型號為HBL32445223礦山鉆探儀作為一種可直接作用于地質變化預測工程的最直接設備，內部包括：馬達、鉆孔機、動力設備等。在進行地質變化預測時，通過內部的馬達裝置對勘察點施加壓力，通過中樞控制器進行設置礦點深度，進行底層地質變化信息的抽取。

1.3 礦區遙感儀器

通過礦區鉆探儀進行礦區底層地質變化信息的抽取，采用計算機遙感設備將底層地質變化信息進行合成分析處理，依據一起的電磁波應用原理，將礦區底層地質變化信息內圖像、聲音、反饋電磁波進行集中合成，確定其地質變化具體情況。

將電磁波發射源分成兩個部分，一部分直接射向感應區域，另一部分通過設備過濾折射至礦區感光區域，通過地質對電磁波接受程度不同對地質變化情況進行判斷。

1.4 數據采集板卡

數據采集板卡主要是為地質變化預測系統提供數據支持，對上述硬件中得到的地質變化數據進行綜合采集。根據地質變化預測系統設計需求，采用型號為HYVJ-KIBI152數據采集板卡，該數據采集辦卡性能高，且數據采集速度較快，通過一個2路六位模擬量輸入模塊，對地質變化數據進行采集，通過ISA總線使服務器與數據采集板卡互聯，即可控制數據采集板卡運行。

2 基于GIS技術的地質變化預測系統軟件設計

基于GIS技術的地質變化預測系統中，軟件部分設計最主要的功能是實現對于地質變化的數據處理，對系統硬件設備收集到的數據，包括：地質層斷裂、當地巖石屬性、地理位置板塊位移等進行處理，確定具體地質變化特征，找出地質變化的相關數據，通過數據庫進行多種地質數據的分析，將地質變化信息以集合的形式進行預測[3]。主要分為三個模塊，模塊之間存在相輔相成的關系，互相作用形成地質變化預測系統的軟件部分。

2.1 地質變化信息分析處理模塊

地質變化信息分析處理是實現地質變化預測的基礎步驟，對地質變化預測的精準度有著極大的影響，采用單元格劃分的形式，量化標準的處理硬件設備收集的數據，將地質變化信息以矩形陣勢進行排列，將其排列后進行地質變化分析處理。設排列后的地質變化矩形陣記為（X,Y），則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，b指的是地質變化信息特征值；i指的是地質變化信息維數；h指的是預測時刻；a指的是實際地質橫坐標；b指的是實際地質縱坐標。通過公式（1）得到排列后的地質變化矩形陣，進行單元格重組劃分，設置變量系數，提取數據，實現地質變化信息分析處理模塊的功能。

2.2 基于GIS技術建立地質變化數據庫

在完成地質變化信息分析處理的基礎上，引入目前礦產行業應用較為廣泛的GIS技術建立了地質變化數據庫。矢量劃分由裝置獲取地質變化數據圖像，集合地質變化數據屬性要素，包括：礦山采礦點、產礦類型、斷裂帶分布及特征等，生成支持存儲數據的數據格式，基于GIS功能，搭建空間數據庫，導入現有地質數據與礦山勘查地質變化時效數據值，例如：礦山鉆孔深度、遙感影像數據等。使用GIS技術程序編譯功能，修改屬性數據值，劃分數據閾值，處理數據字段，深度分解地質變化信息密度值、地質變化信息空間分布特征與資源緩沖區域，設計地質變化三維立體模型，根據不同礦床的分布特征與巖層分布探索影像光譜規律，基于GIS技術描述數據，匹配地質變化信息與礦產數據，為地質變化預測提供歷史參考數據。

2.3 地質變化集合預測模塊

將所有收集地質變化數據按變量權重大小與圖像信息進行集合，實現地質變化預測系統的數據疊加。設地質變化集合預測模型為＜F＞，則其計算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，γ指的是經驗概率系數，可依賴于地理坐標。通過公式（2），得出地質變化集合預測結果，實現地質變化預測系統的預測功能。

3 仿真實驗

3.1 實驗準備

選取某礦山地質作為實驗對象，根據礦山實際地質情況，采樣點數為28600，背景噪聲為30dB。設置預測的時間間隔為5min，本次實驗在Matlab軟件平臺上進行，針對本文提出的預測系統與傳統預測系統均采用相同的網絡環境以及設備參數，該實驗平臺在系統內存為IntelCore6-28064GB，操作系統為Windows2020.VS2018CPU，內置X2500中央處理器的實驗環境下進行。在礦山中選取坐標不同的6個勘查點位，按照上述實驗環境，設置本文設計預測系統為實驗組，傳統預測系統為對照組，實驗內容為測試兩種預測系統下的分維數，分維數越高證明該預測系統的預測精度也就越高，從而對比兩種預測系統在實際應用中的性能。

3.2 實驗結果與分析

根據上述設計的實驗步驟，采集6組實驗數據，將兩種預測系統下的分維數進行對比，分維數對比結果，如下圖1所示。

圖1 實驗結果對比圖

從圖1中可以看出，本文設計的預測系統下的分維數明顯高于對照組，能夠實現對地質變化信息的精準預測。因此，通過實驗證明，本文提出的預測系統具有更高的預測精度，能夠廣泛應用于地質變化預測方面。

4 結束語

考慮到地質變化預測愈發的受到重視，基于GIS技術的地質變化預測系統經歷了從起步到快速發展的階段。因此，本文對地質變化預測系統進行基于GIS的優化設計是十分必要的，通過仿真實驗結果證明設計的地質變化預測系統是具有現實意義的，能夠為地質變化預測提供理論支持。但本文唯一不足之處在于，沒有對基于GIS技術的地質變化預測系統在實際應用過程中需要注意的事項進行深入分析，相信這一點，可以作為地質變化預測領域日后的研究內容之一。