三維地質(zhì)系統(tǒng)在礦山監(jiān)管中的應(yīng)用

河北省水文工程地質(zhì)勘查院 劉猛

一、前言

2019年11月，自然資源部公布了《自然部信息化建設(shè)總體方案》，提出“立足已有基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，整合、規(guī)范、擴(kuò)展現(xiàn)有基礎(chǔ)地理、遙感影像、土地、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、林草、濕地等各類自然資源和國土空間數(shù)據(jù)，建立三維立體自然資源‘一張圖’；加強(qiáng)三維立體可視化與分析應(yīng)用功能建設(shè)，初步形成統(tǒng)一高效互聯(lián)互通的自然資源管理應(yīng)用和共享服務(wù)機(jī)制”的相關(guān)要求。為解決礦山企業(yè)和監(jiān)管部門在生產(chǎn)和監(jiān)管過程中所產(chǎn)生的問題，構(gòu)建數(shù)字化、智能化礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)，為自然資源主管部門直觀地展示、查詢、統(tǒng)計(jì)礦山相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對礦山資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，引領(lǐng)傳統(tǒng)礦業(yè)加速向綠色、安全、智能、高效方向發(fā)展。

二、三維地質(zhì)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前新興技術(shù)發(fā)展潮流和礦山實(shí)際情況，對三維實(shí)景建模、激光雷達(dá)掃描、三維礦體建模、三維礦體語義化等新興技術(shù)在礦山資源監(jiān)管中應(yīng)用進(jìn)行了研究。以無人機(jī)傾斜攝影、三維實(shí)景建模、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、礦山三維成果展示為主要功能設(shè)計(jì)構(gòu)建三維地質(zhì)系統(tǒng)。

三維地質(zhì)系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 三維地質(zhì)系統(tǒng)組成圖

三、工作流程設(shè)計(jì)

（1）搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

通過收集礦山基礎(chǔ)地理信息和礦產(chǎn)資源屬性信息等資料，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

通過無人機(jī)傾斜航攝，在低空利用多個(gè)傳感器從垂直角度和多個(gè)傾斜角度對礦山進(jìn)行全覆蓋航空攝影，采集礦區(qū)的地形、地表建筑和開采現(xiàn)狀信息，獲取地面影像數(shù)據(jù)。

（3）礦山三維實(shí)景建模

三維實(shí)景模型建立采用SmartEarth PhotoMesh建模軟件將獲取的礦山影像數(shù)據(jù)自動(dòng)、批量、快速建模，還原出最真實(shí)的三維模型。

（4）語義化

三維地質(zhì)系統(tǒng)語義化主要是對采集的礦體屬性、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理。三維語義編碼，使得計(jì)算機(jī)可以理解數(shù)據(jù)所包含的信息。語義過程是解譯和描述的過程，從數(shù)字世界翻譯成計(jì)算機(jī)可以理解的語義模型，實(shí)現(xiàn)人機(jī)兼容，才可以被智能系統(tǒng)所應(yīng)用，最終服務(wù)于礦山生產(chǎn)和監(jiān)管中。

整體工作流程如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集、整合流程圖

四、主要功能模塊

“礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)”基本功能包括圖層控制、視圖控制(旋轉(zhuǎn)、傾斜、鳥瞰、還原視角)、距離量算、面積量算和屬性查詢設(shè)置；三維數(shù)據(jù)分析展示功能包括二三維聯(lián)合展示、資源儲(chǔ)量對比分析、超深越界監(jiān)測、生態(tài)修復(fù)監(jiān)測、坡度坡向分析等。（系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖3所示）。

圖3 礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)基本架構(gòu)圖

（1）二三維聯(lián)合展示

通過該功能可查看礦山三維實(shí)景圖和和二維平面圖，視圖可控制、旋轉(zhuǎn)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。

（2）資源儲(chǔ)量對比分析

通過該功能可自定義設(shè)置不同時(shí)期礦山的采場數(shù)據(jù)，圈定礦山資源儲(chǔ)量動(dòng)用三維實(shí)景模型，采用分屏顯示模式，進(jìn)行資源對比分析，并通過系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)用儲(chǔ)量。

（3）超深越界監(jiān)測

礦山三維地質(zhì)模型使礦山企業(yè)直觀的了解自己的合法開采區(qū)域，既能維護(hù)自己的合法權(quán)利，又預(yù)防出現(xiàn)超深越界違法開采行為；既減輕了自然資源監(jiān)管部門外業(yè)監(jiān)管的工作量，又實(shí)現(xiàn)非接觸式監(jiān)管，做到在室內(nèi)就能掌握礦山開采位置、開采狀態(tài)、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(zhǔn)監(jiān)管。

（4）生態(tài)修復(fù)監(jiān)測

通過礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)，定期更新三維實(shí)景模型，可實(shí)現(xiàn)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(tài)環(huán)境監(jiān)管，還能監(jiān)督礦山是否按照土地復(fù)墾方案和環(huán)境恢復(fù)治理方案及時(shí)開展工作，對土地復(fù)墾及礦山環(huán)境治理效果實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

（5）坡度坡向分析

坡度和坡向是礦山開采過程中兩個(gè)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(dòng)獲取并通過分層設(shè)色策略和繪制指示箭頭生成坡度坡向圖，可根據(jù)顏色和箭頭指向直觀的查看地形起伏方向和起伏大小，對自然資源主管部門預(yù)防礦山地質(zhì)災(zāi)害工作具有重要價(jià)值。

礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)是在現(xiàn)有多類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的三維立體展示，滿足自然資源部門相關(guān)業(yè)務(wù)需求，業(yè)務(wù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)自然資源部門對礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

五、總結(jié)

結(jié)合當(dāng)前新興技術(shù)手段建立三維地質(zhì)系統(tǒng)平臺，融合多元化數(shù)據(jù)為礦山企業(yè)和政府提供便捷的數(shù)據(jù)共享模式，開展了三維地質(zhì)系統(tǒng)在礦山監(jiān)管中的初步探索，以疊加、動(dòng)態(tài)套合等方式,實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)礦山開采資源量的實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)礦山資源儲(chǔ)量、礦山生態(tài)修復(fù)三維可視化、數(shù)字化和智能化管理。