三維地質系統在礦山監管中的應用研究

劉 猛 席文韻 楊 賢 李 萌 杜杰帥 任國強

(河北省水文工程地質勘查院 石家莊 050000)

2021年2月，自然資源部印發了《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》提出“建設自然資源三維立體時空數據庫和數據庫管理系統，實現自然資源調查監測數據成果在中央一級的立體化統一管理，形成自然資源調查監測一張底版、一套數據，保障國土空間基礎信息平臺良好運行，服務自然資源部“兩統一”職責履行，也滿足相關部門科學決策和社會公眾對自然資源基礎數據的需要”的相關要求。方案同時提出“自然資源三維立體時空數據庫是圍繞自然資源部管理的土地、礦產、森林、草原、濕地、水、海域海島等七類自然資源，構建由一個主庫、九個分庫組成的國家級自然資源三維立體時空數據庫”。因此，開展三維地質系統研究，是自然資源三維立體化建設的重要組成部分。

1 總體思路

1.1 數據模型研究

按照《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》要求，數據模型是自然資源三維立體時空數據庫建設的關鍵。因此，結合當前新興技術發展潮流、礦山實際情況和自然資源主管部門日常監管的需求，重點對三維實景建模、激光雷達掃描、三維礦體建模、三維礦體語義化等新興技術進行了研究，通過構建地質體和礦山三維實景模型，將各類礦產資源成果，以礦山實體為單元，形成礦產資源在空間上的分層，在時間上的分期，地理位置上的分區，最終實現礦產資源的動態監管。

1.2 系統功能研究

圍繞礦產資源調查監測數據管理與應用需求，研發數據瀏覽、數據查詢、數據分發、數據統計、數據分析、數據服務等功能的三維管理系統(圖1)。

圖1 三維地質系統組成圖

2 工作流程設計

2.1 搭建基礎數據庫

通過收集礦山基礎地理信息和礦產資源屬性信息等資料，構建系統數據庫，為系統業務提供數據支撐。

2.2 無人機傾斜攝影數據采集

通過無人機傾斜航攝，在低空利用多個傳感器從垂直角度和多個傾斜角度對礦山進行全覆蓋航空攝影，采集礦區的地形、地表建筑和開采現狀信息，獲取地面影像數據。

2.3 礦山三維實景建模

采用SmartEarth PhotoMesh建模軟件，將獲取的礦山影像數據自動、批量、快速建模，還原出最真實的三維模型。

2.4 語義化

通過三維語義編碼，對采集的礦體屬性、數據信息進行加工處理，使得計算機可以理解數據所包含的信息。語義過程是解譯和描述的過程，從數字世界翻譯成計算機可以理解的語義模型，實現人機兼容，才可以被智能系統所應用，最終服務于礦山生產和監管中。

整體工作流程如圖2所示。

圖2 數據采集及整合流程圖

3 主要功能模塊

“礦山三維地質系統”基本功能包括：圖層控制、視圖控制(旋轉、傾斜、鳥瞰、還原視角)、距離量算、面積量算和屬性查詢設置。三維數據分析展示功能包括：二三維聯合展示、資源儲量對比分析、超深越界監測、生態修復監測、坡度坡向分析等。

系統基本架構如圖3所示。

圖3 礦山三維地質系統基本架構圖

3.1 二三維聯合展示

通過該功能可查看礦山三維實景圖和二維平面圖，視圖可控制、旋轉查詢所需信息，并可在圖層管理中自定義選擇需要展示的圖層要素。

3.2 資源儲量對比分析

通過該功能可自定義設置不同時期礦山的采場數據，圈定礦山資源儲量。運用三維實景模型，采用分屏顯示模式，進行資源對比分析，并通過系統計算動態儲量。

3.3 超深越界監測

礦山三維地質模型使礦山企業直觀地了解自己的合法開采區域，既能維護自己的合法權利，又可預防出現超深越界違法開采行為；既減輕了自然資源監管部門外業監管的工作量，又實現非接觸式監管，做到在室內就能掌握礦山開采位置、開采狀態、開采方式、占地范圍和類型、固體廢棄物占用范圍等信息，做到精準監管。

3.4 生態修復監測

通過礦山三維地質系統，定期更新三維實景模型，可實現對破壞土地、受損植被、粉塵污染、水體污染、荒漠化等礦山生態環境監管，還能監督礦山是否按照土地復墾方案和環境恢復治理方案及時開展工作，對土地復墾及礦山環境治理效果實現動態監測。

3.5 坡度坡向分析

坡度和坡向是礦山開采過程中兩個重要的地形特征因子。通過坡度坡向圖分析功能，可在地形上指定任意一范圍，自動獲取并通過分層設色策略和繪制指示箭頭生成坡度坡向圖，可根據顏色和箭頭指向直觀地查看地形起伏方向和起伏大小，對自然資源主管部門預防礦山地質災害工作具有重要價值。

4 總結

“礦山三維地質系統”基本實現了礦產資源多元數據管理功能，能夠滿足自然資源主管部門日常監管的需求，是對自然資源三維立體時空數據庫建設的初步探索。但目前還與國家級自然資源三維立體時空數據庫主數據庫與各分數據庫建設的相關技術與標準規范要求存在一定差距，今后將按照國家統一的坐標系統、高程基準、數據庫結構、服務接口、位置精度、屬性精度等要求，更新完善礦山三維地質系統，滿足各級自然資源管理部門、政府機構和社會公眾的迫切需求。