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

劉 猛 席文韻 楊 賢 李 萌 杜杰帥 任國強(qiáng)

(河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050000)

2021年2月，自然資源部印發(fā)了《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》提出“建設(shè)自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)成果在中央一級的立體化統(tǒng)一管理，形成自然資源調(diào)查監(jiān)測一張底版、一套數(shù)據(jù)，保障國土空間基礎(chǔ)信息平臺良好運(yùn)行，服務(wù)自然資源部“兩統(tǒng)一”職責(zé)履行，也滿足相關(guān)部門科學(xué)決策和社會公眾對自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需要”的相關(guān)要求。方案同時提出“自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫是圍繞自然資源部管理的土地、礦產(chǎn)、森林、草原、濕地、水、海域海島等七類自然資源，構(gòu)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(shù)據(jù)庫”。因此，開展三維地質(zhì)系統(tǒng)研究，是自然資源三維立體化建設(shè)的重要組成部分。

1 總體思路

1.1 數(shù)據(jù)模型研究

按照《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》要求，數(shù)據(jù)模型是自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)的關(guān)鍵。因此，結(jié)合當(dāng)前新興技術(shù)發(fā)展潮流、礦山實(shí)際情況和自然資源主管部門日常監(jiān)管的需求，重點(diǎn)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)進(jìn)行了研究，通過構(gòu)建地質(zhì)體和礦山三維實(shí)景模型，將各類礦產(chǎn)資源成果，以礦山實(shí)體為單元，形成礦產(chǎn)資源在空間上的分層，在時間上的分期，地理位置上的分區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的動態(tài)監(jiān)管。

1.2 系統(tǒng)功能研究

圍繞礦產(chǎn)資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用需求，研發(fā)數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能的三維管理系統(tǒng)(圖1)。

圖1 三維地質(zhì)系統(tǒng)組成圖

2 工作流程設(shè)計(jì)

2.1 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。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

通過無人機(jī)傾斜航攝，在低空利用多個傳感器從垂直角度和多個傾斜角度對礦山進(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)。

2.3 礦山三維實(shí)景建模

采用SmartEarth PhotoMesh建模軟件，將獲取的礦山影像數(shù)據(jù)自動、批量、快速建模，還原出最真實(shí)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(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理，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2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集及整合流程圖

3 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

3.1 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。

3.2 資源儲量對比分析

通過該功能可自定義設(shè)置不同時期礦山的采場數(shù)據(jù)，圈定礦山資源儲量。運(yùn)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)算動態(tài)儲量。

3.3 超深越界監(jiān)測

礦山三維地質(zhì)模型使礦山企業(yè)直觀地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，又可預(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。

3.4 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)動態(tài)監(jiān)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(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地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)害工作具有重要價值。

4 總結(jié)

“礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)”基本實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)資源多元數(shù)據(jù)管理功能，能夠滿足自然資源主管部門日常監(jiān)管的需求，是對自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)的初步探索。但目前還與國家級自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫主數(shù)據(jù)庫與各分?jǐn)?shù)據(jù)庫建設(shè)的相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求存在一定差距，今后將按照國家統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、服務(wù)接口、位置精度、屬性精度等要求，更新完善礦山三維地質(zhì)系統(tǒng)，滿足各級自然資源管理部門、政府機(jī)構(gòu)和社會公眾的迫切需求。