基于GIS的礦產(chǎn)資源富集區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 江，梁 珂，郝卓婭，劉偉東，李鴻軼，張 洋

（自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710000）

礦產(chǎn)資源富集區(qū)作為擁有礦產(chǎn)資源開發(fā)潛力最高的地區(qū)，針對(duì)該區(qū)域的各項(xiàng)勘查研究一直是相關(guān)部門的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[1]。礦產(chǎn)資源富集區(qū)的地質(zhì)環(huán)境對(duì)于該區(qū)域的成礦條件、控礦因素等會(huì)造成一定程度的影響，因此，針對(duì)其地質(zhì)環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)是具有現(xiàn)實(shí)意義的。在以往針對(duì)此方面的評(píng)價(jià)研究中，主要是通過專家打分的方式，未涉及到精準(zhǔn)的計(jì)算，導(dǎo)致最終評(píng)價(jià)得出的結(jié)果與實(shí)際相比偏差大，致使其評(píng)價(jià)置信度低，無法為礦產(chǎn)資源富集區(qū)的后續(xù)開發(fā)提供真實(shí)、有效的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。GIS技術(shù)在市場(chǎng)中的應(yīng)用與提出，良好的解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的問題，在對(duì)GIS技術(shù)的實(shí)際研究中，此項(xiàng)技術(shù)又被稱之為地理信息系統(tǒng)，其具備較為良好的數(shù)據(jù)空間表現(xiàn)能力，在應(yīng)用中，需要終端計(jì)算機(jī)設(shè)備為其應(yīng)用提供支撐，并綜合對(duì)地球數(shù)據(jù)與信息的過去，實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量數(shù)據(jù)的有效處理、計(jì)算等行為的完善，能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[2]。

1 GIS

GIS技術(shù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理過程中，具有較為顯著的空間數(shù)據(jù)、空間坐標(biāo)分析能力，在調(diào)動(dòng)GIS技術(shù)進(jìn)行事物及事件的處理與分析過程中，能夠通過地理信息的坐標(biāo)點(diǎn)位，展示其獨(dú)特的視覺化效果。也可通過對(duì)事物的多維度感知，明確事物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)等。并以此作為對(duì)數(shù)據(jù)處理的參照依據(jù)，對(duì)可能發(fā)生的事件進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了進(jìn)一步完善相關(guān)功能，可應(yīng)用GIS技術(shù)時(shí)，對(duì)其應(yīng)用過程展開優(yōu)化分析，相關(guān)此方面的設(shè)計(jì)與研究如下文。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制器

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，本文選用型號(hào)為PLC–NGY2588的可編程控制器，具有擴(kuò)展性廣泛、安全性高、配備USB端口、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)?；A(chǔ)指令只需要0.35μs即可完成，計(jì)算機(jī)接口包括自帶的32個(gè)輸入點(diǎn)以及32個(gè)輸出點(diǎn)。其中斷觸發(fā)方式也可以通過編程的方式進(jìn)行，既可以在系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置相應(yīng)的上升沿觸發(fā)，又可以設(shè)置對(duì)應(yīng)的下降沿觸發(fā)。采用順序事件的中斷方式記錄時(shí)間，進(jìn)一步提高本文系統(tǒng)整體的評(píng)價(jià)精度。本文系統(tǒng)當(dāng)中的可編程邏輯控制器的控制信號(hào)傳輸，采用串行通信技術(shù)完成，因此在控制器當(dāng)中還需要添加CP芯片模塊。本文采用CP4500-18型號(hào)的CP芯片。根據(jù)本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇4個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊，共5路模擬量輸入點(diǎn)。對(duì)于系統(tǒng)中的其它設(shè)備選型，應(yīng)當(dāng)同樣保證其對(duì)數(shù)據(jù)的可編程功能。

2.2 可視化主機(jī)

將可編程邏輯控制器處理后的信息上傳至平臺(tái)，結(jié)合可視化主機(jī)的GIS定位位置，顯示地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。為滿足地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示高清晰度的需求，本文設(shè)計(jì)的可視化主機(jī)型號(hào)為AOC U27U254858，在性能方面屬于4K顯示器，最佳分辨率高達(dá)3840x2160，屏幕尺寸為27寸，面板類型屬于AH-IPS。通過HDMI2.0(HDR)*2 DP1.4(HDR)*1，實(shí)現(xiàn)視頻接口。為滿足在使用過程中對(duì)于舒適度的需求，特設(shè)底座功能包括：傾斜：-5°～23°，垂直旋轉(zhuǎn)：±90°，高度調(diào)整：150mm，左右旋轉(zhuǎn)：±30°。通過本文設(shè)計(jì)的可視化主機(jī)，能夠滿足地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集高效顯示需求，響應(yīng)時(shí)間僅需4ms，在色域方面，具有100%sRGB(BT.709)覆蓋率(基于CIE 1931)，能夠滿足地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中對(duì)于圖像細(xì)節(jié)方面的顯示要求。綜上，為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于GIS迭代分析地質(zhì)環(huán)境空間矢量數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步處理上述硬件采集的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，以GIS的空間分析能力，迭代分析地質(zhì)環(huán)境空間矢量數(shù)據(jù)。通過GIS，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的空間特性，聯(lián)系計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)方式，客觀性空間描述地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)。集合數(shù)據(jù)屬性要素（包括：礦產(chǎn)資源富集區(qū)名稱、編號(hào)、面積及重點(diǎn)工作區(qū)等），生成支持系統(tǒng)迭代分析的數(shù)據(jù)格式。并在此基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，將基于GIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可支持評(píng)價(jià)的格式數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)化表述地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的變化過程。分析數(shù)據(jù)屬性，制作相應(yīng)的電子信息表。

以此，作為地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的模糊轉(zhuǎn)化過程及表達(dá)，基于GIS空間描述對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)知，掌握?qǐng)D像、拓?fù)鋱D像、幾何數(shù)據(jù)等背景，為評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終達(dá)到對(duì)空間矢量數(shù)據(jù)的分析功能。

3.2 確定地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)值

迭代分析地質(zhì)環(huán)境空間矢量數(shù)據(jù)后，考慮到地質(zhì)環(huán)境中大多評(píng)價(jià)指標(biāo)為定性化指標(biāo)，針對(duì)地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如下圖1所示。

圖1 量化地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)明確流程

如上述圖1所示，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境的主要影響因素，批量增加評(píng)價(jià)新指標(biāo)。根據(jù)貢獻(xiàn)值設(shè)計(jì)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)，設(shè)目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為maxF，可得公式如下。

公式（1）中：j指的是篩選數(shù)量；λ指的是篩選數(shù)量下的貢獻(xiàn)因素權(quán)重；i指的是地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類個(gè)數(shù)；n指的是評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類個(gè)數(shù)下的參評(píng)專家組總?cè)藬?shù)。通過公式（1），計(jì)算得出地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)值，作為此次評(píng)價(jià)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3.3 顯示地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

得出地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重后，顯示地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)權(quán)重比值的計(jì)算與評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的劃分，采用專家評(píng)分的方式，模擬化檢測(cè)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)值，劃分其評(píng)價(jià)區(qū)間。在執(zhí)行實(shí)際評(píng)價(jià)行為時(shí)，假定某一評(píng)價(jià)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)冗余量過高，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次組合處理，將存在疊加行為的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)組的重新排列，結(jié)合不通過數(shù)據(jù)之間的關(guān)系與評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)際需求，采用指定手段進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)取，并對(duì)數(shù)據(jù)之間的權(quán)值關(guān)系進(jìn)行分析，以此做到對(duì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的有效賦值。針對(duì)某一具體礦產(chǎn)資源富集區(qū)，本文將地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果共分為4個(gè)區(qū)間實(shí)現(xiàn)，分別為：半降云[0,60]，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境較差；半升云[74,60]，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境一般；正態(tài)云[84,75]，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境良好；常數(shù)[85,100]，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境優(yōu)異。以此，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)功能，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)實(shí)例分析，實(shí)例分析內(nèi)容為礦產(chǎn)資源富集區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)。首先，使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過GIS獲取相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，并通過對(duì)其量化的方式得到其評(píng)價(jià)結(jié)果。而后，使用傳統(tǒng)系統(tǒng)，直接獲取相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，并通過對(duì)其量化的方式得到其評(píng)價(jià)結(jié)果。將兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab，通過評(píng)分的方式得到兩組評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)與實(shí)際相比的置信度，其數(shù)值越高證明該結(jié)果與實(shí)際礦產(chǎn)資源富集區(qū)地質(zhì)環(huán)境越接近，精度越高。共設(shè)置4組實(shí)驗(yàn)，記錄其評(píng)價(jià)置信度數(shù)據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

整理評(píng)價(jià)置信度對(duì)比結(jié)果，如下表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

結(jié)合表1所示，本文設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高置信度，證明其在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中能夠取得實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

本文通過實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源富集區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次評(píng)價(jià)置信度測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)置信度測(cè)定結(jié)果的可信度。與此同時(shí)，還需要對(duì)礦產(chǎn)資源富集區(qū)地質(zhì)勘察工作的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為促進(jìn)礦產(chǎn)資源富集區(qū)的發(fā)展提供建議。