基于三維GIS的山東省礦產(chǎn)資源網(wǎng)格化監(jiān)管系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

李浩

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)，為全省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。但隨著山東省工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快和礦產(chǎn)資源供需形勢的變化，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用還存在一些問題：監(jiān)督管理力量薄弱，動態(tài)監(jiān)管科技含量不高；非法違法開采問題嚴(yán)重，無證開采、越界開采時有發(fā)生，破壞浪費資源；礦產(chǎn)資源節(jié)約集約利用水平有待進(jìn)一步提升，“三率”有待提高[1-4]。為了解決以上問題，自然資源部門急需建立監(jiān)管體系。伍小玲[5]研究了基于現(xiàn)代信息技術(shù)的礦產(chǎn)資源監(jiān)管體系建設(shè)，在廣東省建立了省市縣三級互聯(lián)互通的監(jiān)管體系。李德仁等[6]從地學(xué)格網(wǎng)的概念出發(fā)，提出了國土資源網(wǎng)格化管理與服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。該文充分利用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、三維仿真、視頻監(jiān)控等技術(shù)手段，以全省礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)為核心，集成接入露天開采區(qū)視頻監(jiān)管系統(tǒng)和地下采礦三維動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，結(jié)合全省基礎(chǔ)地理信息，通過對礦山開采活動進(jìn)行實時監(jiān)控，面向省廳、市局和縣局，建立高效的礦山違規(guī)開采行為的及時發(fā)現(xiàn)、快速核查和反饋機(jī)制，有效提高全省的礦產(chǎn)資源開采監(jiān)管水平。該文以山東省礦產(chǎn)資源網(wǎng)格化監(jiān)管系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

1 總體架構(gòu)

以礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為核心，集成人員定位數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時產(chǎn)量數(shù)據(jù)、礦山三維模型數(shù)據(jù)(包括礦區(qū)地表三維模型、地下礦體模型、地下采空區(qū)模型、地下巷道模型、地下設(shè)備模型等)、遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等，依托于GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、三維仿真和視頻監(jiān)控等技術(shù)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建立全省礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫的組織、管理、維護(hù)和更新體系，在線調(diào)用“一個平臺，兩個市場”的礦政管理數(shù)據(jù)和地理信息公共服務(wù)平臺提供的地理信息服務(wù)，提供礦山動態(tài)監(jiān)管、視頻監(jiān)控、產(chǎn)量監(jiān)控等功能，實現(xiàn)以三維地圖為主要表現(xiàn)形式的地理信息服務(wù)，構(gòu)建網(wǎng)格化監(jiān)管體系，見圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)層：通過礦山企業(yè)提供的資料，建立了礦區(qū)地表三維模型、地下礦體模型、地下采空區(qū)模型、地下巷道模型、地下設(shè)備模型，集成了人員定位數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時產(chǎn)量數(shù)據(jù)，在線調(diào)用“一個平臺，兩個市場”和山東省地理信息公共服務(wù)平臺提供的遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)互通。

(2)服務(wù)層：利用GIS、物聯(lián)網(wǎng)、三維仿真、視頻監(jiān)控等技術(shù)，提供了礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在線調(diào)用、礦山模型數(shù)據(jù)實時渲染、數(shù)據(jù)庫高效運行、礦山視頻在線查看等服務(wù)。

(3)應(yīng)用層：主要包括門戶網(wǎng)站、動態(tài)監(jiān)管、視頻監(jiān)控、產(chǎn)量監(jiān)控、違規(guī)事件監(jiān)管、誠信監(jiān)管、礦山注冊和系統(tǒng)管理。

①門戶網(wǎng)站，主要包括通知公告、工作進(jìn)展、違規(guī)事件、礦山展示以及接入進(jìn)度查詢。

②動態(tài)監(jiān)管，該文基于公開版30m格網(wǎng)高程模型數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，建立全省范圍的三維地理信息服務(wù)，整合全省礦山三維模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對全地下開采礦山的三維動態(tài)監(jiān)管，提供基礎(chǔ)信息、礦山查詢、人員監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、監(jiān)測監(jiān)控、統(tǒng)計分析、空間分析和圖層管理等功能。

③視頻監(jiān)控，依托互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，通過市級礦產(chǎn)資源監(jiān)管系統(tǒng)集成全省露天礦山和地下開采礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為山東省自然資源廳提供統(tǒng)一的視頻訪問服務(wù)，要求可以查看實時視頻和歷史視頻，可將相關(guān)視頻信息在應(yīng)急指揮大廳集中展示，達(dá)到及時、直觀地了解礦山實際運行情況等。

④產(chǎn)量監(jiān)控，網(wǎng)格化系統(tǒng)可根據(jù)各礦山產(chǎn)量監(jiān)控數(shù)據(jù)，分析礦山實際產(chǎn)量是否與設(shè)計產(chǎn)量一致，是否存在超能力開采。系統(tǒng)可以按照時間統(tǒng)計礦山產(chǎn)量，以此為基礎(chǔ)，可以匯總統(tǒng)計全省(市)某礦種總產(chǎn)量，掌握全省礦種產(chǎn)量變化情況，及時為礦山提供市場變化信息。

⑤違規(guī)事件監(jiān)管，將動態(tài)監(jiān)管子系統(tǒng)中自動識別的預(yù)測預(yù)警信息納入違規(guī)事件監(jiān)管子系統(tǒng)進(jìn)行管理，建立了礦山開采違規(guī)事件的及時發(fā)現(xiàn)、快速核查和及時反饋的監(jiān)管體制。

⑥誠信監(jiān)管，系統(tǒng)將礦政管理部門確認(rèn)為礦山開采存在違法違規(guī)行為的納入礦山誠信監(jiān)管體系，可記錄礦山企業(yè)項目違規(guī)信息，查詢統(tǒng)計違規(guī)事件和單位誠信信息等。

⑦礦山注冊，按照“礦山—地市—省”模式分級進(jìn)行。礦山系統(tǒng)建設(shè)完成后，由市國土資源局提交接入測試申請，省國土資源廳委托技術(shù)支撐單位進(jìn)行測試，測試通過的，按照礦山企業(yè)提交礦山注冊信息、市級礦政管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和初步審核，省級礦政管理部門進(jìn)行最終審核的流程完成礦山注冊。

⑧系統(tǒng)管理，提供權(quán)限管理、系統(tǒng)管理、門戶網(wǎng)站和數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 海量三維數(shù)據(jù)建模和高效運行技術(shù)

大規(guī)模三維場景數(shù)據(jù)量較大，傳輸和加載時占用大量帶寬資源，且傳輸效率低。該文采用多層次動態(tài)加載技術(shù)，利用LOD及基于QEM(二次誤差測度)的簡化算法[7-9]，對礦山三維模型數(shù)據(jù)，根據(jù)包圍盒計算某個模型對象的大小尺度及最大可視距離，并根據(jù)最大可視距離，按照模型及紋理精細(xì)程度分類進(jìn)行多級壓縮處理[10-11]，見圖2。

在傳輸三維網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)時，通過流式傳輸技術(shù)逐條傳輸三維網(wǎng)格模型細(xì)節(jié)，將壓縮后的數(shù)據(jù)劃分為若干數(shù)據(jù)塊，以只傳輸所見區(qū)域的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)為原則，使得當(dāng)前視野范圍內(nèi)的礦山三維模型信息通過動態(tài)層次加載，實現(xiàn)建筑物模型、紋理的漸進(jìn)壓縮和漸進(jìn)傳輸?？蛻舳思虞d時主要根據(jù)視點與模型的距離，加載不同精細(xì)程度的模型，可以邊接收邊渲染不用等待。使用該技術(shù)可以大大降低對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求,并且使得不同分辨率模型之間切換更為平滑。

圖2 海量三維數(shù)據(jù)建模和高效運行技術(shù)

2.2 智能礦山物聯(lián)網(wǎng)感知信息集成技術(shù)

礦山實時感知數(shù)據(jù)主要包括人員實時位置數(shù)據(jù)，以及通過秤體實時計算出的每時每刻的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。按照該文建設(shè)要求需要實時匯集存儲這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦山原有人員定位系統(tǒng)和新增精確定位系統(tǒng)對接。這些數(shù)據(jù)典型特征是數(shù)量巨大但占用字節(jié)并不多，大小不超過200 Byte，然而全省礦山同時提交數(shù)據(jù)，使得每天的數(shù)據(jù)量達(dá)到上百萬條。顯然如此巨大數(shù)量的報文是不適合用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲的。因此該系統(tǒng)基于MongoDB架構(gòu)，見圖3，開發(fā)了數(shù)據(jù)匯集服務(wù)，較好地解決了海量實時數(shù)據(jù)的高并發(fā)存儲瓶頸問題。MongoDB 是一個可擴(kuò)展、高性能的數(shù)據(jù)庫，它的主要特性有: 模式自由，支持動態(tài)查詢、完全索引；面向文檔存儲，易存儲對象類型的數(shù)據(jù)，包括文檔內(nèi)嵌對象及數(shù)組，支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)及大型對象(如照片和視頻)；支持復(fù)制和故障恢復(fù)；支持水平的數(shù)據(jù)庫集群，可動態(tài)添加服務(wù)器。MongoDB 適合實時的插入、更新與查詢，并具備應(yīng)用程序?qū)崟r數(shù)據(jù)存儲所需的復(fù)制及高度伸縮性。因此，礦山海量實時信息采用MongoDB作為文件級別的存儲。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由兩部分組成: 一部分是運行在后臺采用MongoDB集群的終端位置數(shù)據(jù)存儲部分，由若干臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成; 另一部分是基于Webservice數(shù)據(jù)讀寫接口，響應(yīng)各礦山終端數(shù)據(jù)查詢與寫入請求。將收集的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，并將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理的置換，將相關(guān)信息進(jìn)行匹配，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實時的檢測與清理。設(shè)置統(tǒng)一的格式對私有信息進(jìn)行處理，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)異構(gòu)或者是互聯(lián)的情況，保證數(shù)據(jù)的類型以及編碼實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化[12-14]。

圖3 MongoDB架構(gòu)圖

2.3 多源視頻監(jiān)控系統(tǒng)整合技術(shù)

目前礦山安裝的動態(tài)監(jiān)控攝像頭是由多個生產(chǎn)廠家，包括宇視、海康、大華等生產(chǎn)，無法用一個視頻插件看所有類型的攝像頭。該文遵循GB/T28181-2011標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合廠商共同開發(fā)視頻集成插件，建立了多源視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一進(jìn)行解碼，見圖4。通過將視頻碼流、用戶登錄訪問等數(shù)據(jù)所使用的不同端口封裝為一個端口(即所有客戶端與服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)交換均通過一個端口訪問)，服務(wù)端與客戶端之間運用了雙向握手協(xié)議。通過建立監(jiān)控探頭空間庫，將所有監(jiān)控探頭賦予空間位置，建立空間數(shù)據(jù)表存儲監(jiān)控探頭，實現(xiàn)在地圖上的多源監(jiān)控探頭無縫集成。同時在數(shù)據(jù)、碼流傳輸過程中采用了加密技術(shù)，從而保證內(nèi)外網(wǎng)視頻數(shù)據(jù)連接的安全性，實現(xiàn)在地圖上的無縫集成監(jiān)控探頭，有效降低了互聯(lián)網(wǎng)對礦山業(yè)務(wù)網(wǎng)的干擾。

圖4 多源視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 礦山實時數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)

該文通過對礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時產(chǎn)量數(shù)據(jù)等進(jìn)行深入挖掘分析，構(gòu)建了礦山產(chǎn)能預(yù)警分析模型、超層越界開采預(yù)警分析模型，并研發(fā)了數(shù)據(jù)分析模塊，有效解決了超出采礦許可證載明的坐標(biāo)控制范圍開采的行為、超出礦山設(shè)計產(chǎn)能開采的行為、基站位置滯后問題。

例如超層越界開采預(yù)警分析模型：該文基于人員定位技術(shù)，實時監(jiān)測礦山邊界和工作面基站人員信息，當(dāng)?shù)V工超出工作面基站范圍，且長時間沒有被其他基站接收到，系統(tǒng)便自動提示超層越界預(yù)警，并發(fā)送短信給當(dāng)?shù)氐V政管理人員，及時進(jìn)行實地核查并上報核查結(jié)果。

3 應(yīng)用與分析

該文在全省率先利用科技手段構(gòu)建了地下開采礦山超層越界、超能力生產(chǎn)非間斷監(jiān)管模式，對全省礦山建設(shè)具有良好的示范帶動作用，取得了巨大經(jīng)濟(jì)社會效益。

(1)全省首次建立了礦山開發(fā) “雙超”非間斷式監(jiān)管模式，該文將“地下采礦三維動態(tài)監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)”試點成果推廣應(yīng)用到全省，綜合運用地下采礦人員定位與自動稱重系統(tǒng)等技術(shù)手段，實現(xiàn)了海量三維數(shù)據(jù)建模和高效運行關(guān)鍵技術(shù)和多源視頻監(jiān)控系統(tǒng)整合技術(shù)，首次在全省范圍建立了地下礦山“雙超”(超層越界、超能力生產(chǎn))非間斷式監(jiān)管模式，為實現(xiàn)礦政管理模式的科技創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐。

(2)首次建立了互聯(lián)互通的礦產(chǎn)資源開發(fā)網(wǎng)格化監(jiān)管體系，該文以礦山三維模型為空間載體，提出了智能礦山物聯(lián)網(wǎng)感知信息集成技術(shù)，匯集全省礦山人員、產(chǎn)量、視頻等實時信息，建立礦山實時GIS時空數(shù)據(jù)模型，形成了以礦山系統(tǒng)集成、礦山智能感知為特征的智慧礦山體系；依托礦山大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過對礦山實時數(shù)據(jù)的獲取與分析動態(tài)監(jiān)管礦山開采行為，智能監(jiān)控礦山超層越界和超能力開采等非法開采行為，建立了省級、市級、縣級和礦山四級互聯(lián)互通的網(wǎng)格化監(jiān)管體系，有效提升全省礦產(chǎn)資源監(jiān)管水平，有效保護(hù)和合理利用礦產(chǎn)資源。

(3)該文完成了100個省屬地下開采礦山三維數(shù)據(jù)及系統(tǒng)集成接入，包括礦山三維模型建設(shè)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)改造和礦山系統(tǒng)集成接入三方面工作，同時積極整合接入市級礦產(chǎn)資源網(wǎng)格化監(jiān)管系統(tǒng)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了和臨沂市、聊城市、濟(jì)南市、煙臺市、棗莊市、濰坊市、日照市、德州市等進(jìn)行集成對接。

(4)該文以礦山三維模型為載體，集成礦山人員定位、視頻監(jiān)控、產(chǎn)量監(jiān)控和震源定位等系統(tǒng)，實現(xiàn)對地下開采礦山的監(jiān)管；通過對重點露天礦山安裝視頻監(jiān)控和產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對露天開采行為的監(jiān)管；通過對鹵水、礦泉水等液體礦山安裝產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對液體礦山開采行為的實時監(jiān)測；以全省地理信息數(shù)據(jù)為空間載體，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)匯集礦山人員、產(chǎn)量、視頻等實時信息，建立了礦山實時GIS時空數(shù)據(jù)模型，逐步形成以礦山系統(tǒng)集成、礦山智能感知為特征的智慧礦山體系，增強了礦政管理部門的監(jiān)督管理水平、有效抑制非法違法開采行為。

4 結(jié)語

(1)針對全省礦產(chǎn)資源監(jiān)管要求，綜合采用視頻監(jiān)控、礦山三維仿真、產(chǎn)量監(jiān)控和人員定位等技術(shù)，集成近年來開展的露天礦山的遙感監(jiān)測、視頻監(jiān)控和產(chǎn)量成果，地下開采礦山三維建模數(shù)據(jù)、人員定位、產(chǎn)量監(jiān)控、視頻監(jiān)控成果，以及鹵水等液體礦山的產(chǎn)量監(jiān)控等成果，建立了全省礦產(chǎn)資源網(wǎng)格化監(jiān)管系統(tǒng)。

(2)項目遵循山東省自然資源廳“一個平臺、兩個市場”建設(shè)總體框架，構(gòu)建省、市、縣、礦山四級互聯(lián)互通的網(wǎng)格化監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對重點地下開采礦山等礦產(chǎn)資源的實時化、動態(tài)化監(jiān)管，建立全省礦產(chǎn)資源開發(fā)利用“天上看、地上查、地下控、網(wǎng)上管”的立體監(jiān)管格局。