基于GIS的能源礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)體系及應(yīng)用研究

■ 杜培軍/劉 偉/李永峰/譚 琨/孫亞琴

（1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116;2.南京大學(xué)地理信息科學(xué)系,江蘇 南京 210093;3.徐州師范大學(xué)測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，礦產(chǎn)資源預(yù)測評(píng)價(jià)逐漸走向數(shù)字化、信息化和智能化[1-4]。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS)是近年發(fā)展起來的空間信息技術(shù)的核心，可以應(yīng)用于礦產(chǎn)評(píng)價(jià)工作的各個(gè)環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)采集與整理、空間數(shù)據(jù)處理、空間分析、信息決策和信息輸出等方面。以GIS 技術(shù)為主要平臺(tái)，開發(fā)礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)正成為礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與預(yù)測的主要趨勢。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，國家對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量日益激增，而我國大批大中型礦山資源危機(jī)越來越嚴(yán)重，找礦難度也越來越大。因此，基于GIS 的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)正成為部署勘查工作、優(yōu)化資源開發(fā)常用的技術(shù)手段。目前，在礦產(chǎn)資源GIS評(píng)價(jià)系統(tǒng)與模型研究方面，已有了部分成果，顯現(xiàn)了GIS的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力[1-9]。本文基于軟件工程思想，以MapGIS K9作為軟件開發(fā)平臺(tái)，系統(tǒng)探討基于GIS 的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基本思想和技術(shù)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上通過一個(gè)實(shí)例對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了初步分析。

1 基于GIS的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)體系框架構(gòu)建

礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃中的一個(gè)重要部分就是能源礦產(chǎn)資源規(guī)劃。利用以GIS為代表的現(xiàn)代空間信息技術(shù)，通過構(gòu)建不同評(píng)價(jià)尺度的評(píng)價(jià)模型，對(duì)能源礦產(chǎn)資源進(jìn)行多層次、全方位的評(píng)價(jià)，可以保證能源礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃的合理性和可行性。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)所面向運(yùn)行環(huán)境的不同，系統(tǒng)包括三個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)集成應(yīng)用系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)分析應(yīng)用系統(tǒng)和系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)。

其中，系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)為保障其它二個(gè)系統(tǒng)正常安全運(yùn)行提供應(yīng)用功能。

數(shù)據(jù)集成應(yīng)用系統(tǒng)的功能：礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)校正、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)集成（分區(qū)數(shù)據(jù)、分礦帶集成)、批量統(tǒng)計(jì)等。

礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)分析應(yīng)用系統(tǒng)的功能：礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工作數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)分析、空間分析、統(tǒng)計(jì)分析、專題圖制作等。

系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)的功能：用戶管理、數(shù)據(jù)安全管理、評(píng)價(jià)模型元數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護(hù)等。

1.1.1 數(shù)據(jù)集成應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)集成主要面向數(shù)據(jù)管理人員，實(shí)現(xiàn)面向數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查以及數(shù)據(jù)批量處理等功能，其主要目的是數(shù)據(jù)的預(yù)處理及集成數(shù)據(jù)的管理。

數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)需包含數(shù)據(jù)檢查（包括礦區(qū)、分省數(shù)據(jù)檢查和全國匯總數(shù)據(jù)檢查)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)預(yù)處理、專題制圖等批量數(shù)據(jù)處理功能模塊。具體模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.2 礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)分析應(yīng)用系統(tǒng)

礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)分析應(yīng)用主要面向分析評(píng)價(jià)人員，主要實(shí)現(xiàn)面向用戶感興趣的數(shù)據(jù)的查詢、分析、評(píng)價(jià)等操作，其主要目的是針對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)定適合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)分析方法。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)需求分析的理解和進(jìn)一步分析，綜合評(píng)價(jià)分析應(yīng)用系統(tǒng)需包含面向單因子/多因子的空間分析、統(tǒng)計(jì)分析、綜合評(píng)價(jià)分析、時(shí)空區(qū)劃分析及圖表、專題制圖和基本的空間選擇、屬性查詢、數(shù)據(jù)加載、本地工作數(shù)據(jù)及臨時(shí)數(shù)據(jù)管理等功能模塊。具體模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.3 系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)

系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)是為了保證其它兩個(gè)子系統(tǒng)正常、安全、高效地運(yùn)行而開發(fā)的，包括用戶與角色管理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、系統(tǒng)配置管理和日志管理四部分功能，具體如圖3所示。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用“數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Orcale 10)+ 空間數(shù)據(jù)庫引擎(SDE)”的模式來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、組織系統(tǒng)數(shù)據(jù)，即采用SDE技術(shù)提供的MultiUser數(shù)據(jù)庫模型來組織復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)，用二維關(guān)系型表格組織空間以及非空間數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲(chǔ)在商業(yè)數(shù)據(jù)庫Orcale 10中，通過內(nèi)部關(guān)聯(lián)碼來關(guān)聯(lián)這兩種數(shù)據(jù)，建立一個(gè)開放的、靈活的數(shù)據(jù)庫。

礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)兩大類。礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫的主體，包括：

☆礦產(chǎn)資源本底數(shù)據(jù)：包括地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和遙感等多源地學(xué)數(shù)據(jù)。

☆礦產(chǎn)資源工作數(shù)據(jù)：為支持礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的查詢檢索、空間分析以及統(tǒng)計(jì)分析等操作，通過對(duì)礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理而生成的一批工作數(shù)據(jù)。

☆礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)：參照礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)給定的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用給定的評(píng)價(jià)模型對(duì)礦產(chǎn)資源工作數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析生成的結(jié)果和信息。

☆成果數(shù)據(jù)：包括中間成果數(shù)據(jù)、專題成果數(shù)據(jù)以及最終發(fā)布的成果數(shù)據(jù)；

☆輔助數(shù)據(jù)則為礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)顯示、查詢和分析應(yīng)用以及專題制圖提供必要的支持，主要包括：

☆地理背景信息：1：400萬、1：100萬、1：25萬等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，以及各地理單元邊界圖等；

☆元數(shù)據(jù)：除了記錄數(shù)據(jù)的基本描述信息外，還包括字段編碼、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)字典內(nèi)容。數(shù)據(jù)字典是系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)描述的集合，是數(shù)據(jù)庫能不斷進(jìn)行拓展以適應(yīng)新的需求的重要保證，它描述了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)屬性與組成信息、存儲(chǔ)位置和檢索路徑等信息，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫關(guān)系流程如圖4所示。

1.3 評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)

礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)模型有多種，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、灰色聚類等。限于篇幅，本文介紹一種常用的礦產(chǎn)資源綜合評(píng)價(jià)模型——模糊層次綜合評(píng)價(jià)模型。

由于影響礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的指標(biāo)很多，評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)系又很模糊，可用模糊數(shù)學(xué)方法，在單因素模糊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行區(qū)域總體礦產(chǎn)資源模糊綜合評(píng)價(jià)，其中對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定可以應(yīng)用層次分析模型，從總體上對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊層次綜合評(píng)價(jià)。

模糊綜合評(píng)價(jià)模型包括設(shè)定對(duì)象集（指標(biāo)集)、評(píng)語集，確定隸屬度函數(shù)、指標(biāo)權(quán)重等，具體的數(shù)學(xué)過程可參考文獻(xiàn)[10]，評(píng)價(jià)流程如圖5所示。

2 應(yīng)用實(shí)例

基于GIS 的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)的主要任務(wù)是在對(duì)研究區(qū)內(nèi)的資料進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，確定合適的數(shù)據(jù)源、建立合理有效的GIS 數(shù)據(jù)庫、單個(gè)空間關(guān)系的確定和量化及多個(gè)空間關(guān)系的集成。通?？蓪⒒贕IS的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)劃分為以下幾個(gè)步驟：①收集研究區(qū)內(nèi)與評(píng)價(jià)有關(guān)的地質(zhì)、地下巖性和構(gòu)造、地球化學(xué)及重要地球物理和遙感資料。如有可能，補(bǔ)充收集資料，以此進(jìn)行綜合研究和確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；②建立礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的單因子/綜合評(píng)價(jià)模型，如層次分析法、模糊數(shù)學(xué)、灰色聚類、模糊層次綜合分析法等；③根據(jù)所建立的模型利用GIS 技術(shù)對(duì)多源地學(xué)信息進(jìn)行分析處理，或通過空間綜合分析評(píng)價(jià)，確定礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)的結(jié)果；④對(duì)上一步的處理結(jié)果，進(jìn)行各種渲染分析，出各種專題地圖。

以煤炭資源開發(fā)和利用的空間分布情況為例，將各省市煤炭調(diào)入/出數(shù)據(jù)、各省市GDP數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查后加載系統(tǒng)，以中國行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為地理底圖（1：400萬)，根據(jù)各省市GDP數(shù)據(jù)生成中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展專題圖層，再根據(jù)各省市的煤炭調(diào)入/出數(shù)據(jù)生成中國煤炭資源流向?qū)ｎ}圖層，兩圖層疊加后生成中國煤炭資源流向與GDP變化趨勢專題圖（如圖6所示，其中，煤炭調(diào)入/出數(shù)據(jù)來源于《中國煤炭資源網(wǎng)》，各省市GDP數(shù)據(jù)來自于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》)?？梢钥闯觯?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地方，煤炭資源的調(diào)入量普遍較高，而傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)大省雖然經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，但卻是主要的煤炭資源調(diào)出區(qū)，充分體現(xiàn)了我國煤炭資源供需不平衡的現(xiàn)狀，在宏觀礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃中需要充分考慮這些空間分布與格局信息。

進(jìn)一步從圖中可以看出，我國各省市煤炭調(diào)入總量從高到低在空間上呈現(xiàn)自東部往西部逐漸過渡的特點(diǎn)，與我國東、中、西三大地帶經(jīng)濟(jì)梯度表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性，煤炭調(diào)入總量高的區(qū)域多集中在江蘇、浙江、山東、廣州等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海省份和京津塘等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。一些重要的國家能源輸送戰(zhàn)略如北煤南運(yùn)、西氣東輸、西電東送等，都反映了中國能源流向的特征和能源運(yùn)輸?shù)幕靖窬帧?/p>

3 結(jié)論

對(duì)于傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)工作，一直存在對(duì)礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)的時(shí)空性、多樣性和龐雜性的把握等問題，從而致使評(píng)價(jià)工作量大、效率低。GIS 技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理與空間分析建模功能使其迅速成為礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)中強(qiáng)有力的工具。本文以GIS 技術(shù)為支撐，設(shè)計(jì)了基于GIS 技術(shù)的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)建設(shè)的框架設(shè)計(jì)和功能模塊設(shè)計(jì)，探討了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫以及評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)方案；最后給出了一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。今后將圍繞系統(tǒng)的開發(fā)完善、典型應(yīng)用重點(diǎn)攻關(guān)，并充分應(yīng)用GIS空間分析、時(shí)空建模、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)等方面的新技術(shù)、新方法和新模型，構(gòu)建一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用的技術(shù)系統(tǒng)。

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