刍议GIS 在地质找矿中的应用

汪龙武

（云南黄金矿业集团股份有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000）

1 三维空间

目前在GIS 应用中，关于二维空间数据和信息的管理技术和方法较为成熟，但相对于三维而言，在应用和技术方法上还有很多值得探讨的地方。目前地形三维的表达在二维GIS 和地学可视化中常常是一个独立运行的模块，即使被放到一个集成环境中，也只是形式上的集成或部分集成，很难在数据结构的底层与其它模块实现真正的有机集成与耦合。究其原因，这固然与GIS软件发展的历史和条件有关，但根本原因在于二维GIS 维数的局限性，即二维GIS 没有在所有的模块中将垂向信息z 坐标独立出来形成真三维空间，常常是将现实世界中本是空间独立变量(Independent Variable)的高程数据z 作为依赖变量(Dependent Variable)或属性来处理。三维GIS对Z 坐标的处理与二维GIS 完全相反，它在所有的模块中均将z 坐标作为独立变量处理，形成真三维空间，因此三维GIS 中表达的地形三维(用位于表面的边界扩展结点来表达)与其它模块是真正耦合的，在底层数据结构的设计及基于它的操作与分析上完全可以实现统一。

虽然有以上不同点，但三维GIS 中地形三维的三维表达完全可以而且应该借用已经成熟的二维GIS 与地学可视化中的面三维地形表现(DTM)算法与技术，它们都要经过几何建模、投影、消隐、光照、显示等基本阶段，关于这方面的算法与实践已有很多。目前常见的三维空间信息的表达主要包括DEM、TIN 及GRID 等空间数据模型。

（1）数字高程模型

数字地面模型(Digital Terrain Model，简称DTM)是描述地面特性诸如空间分布的有序数值阵列。在一般情况下，地面特性是高程z，它的空间分布由x、Y 水平坐标系统来描述，也可用经度x、纬度Y 来描述。这种地面特性为高程或海拔高程的DTM，也称为数字高程模型(Digital ElevationModel，简称DEM)。其它地面特性可以是诸如地价、土地权属、土壤类型、地貌特征、岩层深度及土地利用等与地形有关的信息。DEM 可以是每3 个坐标值为一组元的散点结构，也可以是由多项式或富里叶级数确定的曲面方程。柯正谊等 (1993)按空间结构形式将DTM 分为7类：规则格点(格网)数字地面模型、散点数字地面模型、等值线数字地面模型、曲面数字地面模型、线路数字地面模型、平面多边形数字地面模型和空间多边形数字地面模型。由于DEM 是DTM中的一种，因此它也有7 种形式。在实际中最常用的3 类数字高程模型(基于3 种数据结构)是：规则格网(GRID)、不规则格网(TIN)及数字等值线图。

（2）不规则格网的生成方法

TIN 是一种由许多相邻但又不互相重叠的三角形组成的对地形表面的连续铺盖。不同类型的TIN 有不同的生成方法。按照空间分布的几何结构，可以有一般三角网和Delaunay 三角网之分。一般三角网按照距离最近原则组网，这个距离是待确定的第三点到基边的距离。随着起始边的不同，一般三角网的结构也不同，即对同一个不规则离散数据点集，对应的一般三角网并不唯一。另外由于它们可能存在大量的狭长三角形，不便于后续处理(如地形插值、坡度、坡向计算等)，其几何结构并不强，因此一般三角网并不是最优三角网。相反，Delaunay 三角网具有很强的几何结构，它能保证每个三角形的角度最接近于正三角形，符合“三角剖分最小内角为最大”的图形优化准则；另外，Delaunay 三角网具有唯一性，即对同一个不规则离散数据点集其对应的Delaunay 三角网是唯一的。显然，Delaunay 是最优三角网上述方法都仅仅考虑了几何信息，属于非约束普通三角网。对一般的地形而言，只要采样点分布情况比较好，它们一般都能比较真实地反映地形情况。但在各种特殊的地性线如山脊线、山谷线、断裂线处则不能完全反映出真实情况。因为在地性线处的高程往往产生跳跃式的变化，若有三角形跨越地性线，则三角形会穿越地形表面或悬空于其上。很明显，这样的三角形不能反映地形真实情况，需要剔除这样的三角形或进行调整，因此就诞生了与非约束普通三角网相对应的具有约束条件的约束三角网。

（3）Grid 的生成方法

原始采样点可以是规则的，也可以是不规则的，但由于客观条件的限制，往往不能取得足够的采样点来满足显示的要求。需要进行内插以生成更多的点。插值的方法有很多种，最主要的有反距离权插值(IDW)、双线性插值、趋势面插值、样条插值(又分为两种)及Kriging 插值，其中反距离权插值(IDW)、双线性插值、趋势面插值是较为常见的方法。这里仅扼要介绍样条插值和Kriging 插值。

2 GIS 的三维地质勘察管理系统

在矿山三维地质勘察管理系统建设中，采用了地理信息系统技术，遵循最新的地质勘察标准和规范，实现由现有CAD 型为主的岩土工程勘察系统，全面升级转变为GIS 型的矿山地质勘察系统。系统建设选用了北京超图公司的SuperMap Objects 全组件式开发平台，充分利用其强大的GIS 功能、海量数据的管理功能以及空间数据库技术SDX，将地质勘察信息及相关数据统一存储在数据库中，消除了信息孤岛，实现基础地形、基础地质和工程地质勘察信息的高度共享和图文一体化管理；力求技术领先，并充分考虑地质勘察行业业务的实际需要，做到功能强大、界面美观、操作简单、方便实用。

（1）系统数据库

依据数据特征、类型和用途以及相关的国家标准和行业标准，着重考虑空间数据及其与非空间数据的关联问题，遵循一般的关系数据库范式。系统数据库大体上分4 大部分：基础地理数据库、地层信息数据库、工程勘察专题数据库和其他部分见图；

系统数据库组成图

（2）系统功能

系统总体上包括工程勘察成果管理(数据编辑、制图输出、报表报告制作和三维显示)、查询分析、数据维护(地形数据和地质数据)和系统管理维护 (数据字典维护和用户权限管理)4 大功能。在工程勘察成果管理方面，可实现对数据的可视化编辑与管理及实时更新，并保护数据的拓朴关系；系统提供4 种查询方法，即基于图形查询属性、基于属性查询图形数据、基于SQL 语言进行条件查询、基于属性信息进行联合查询。同时为了方便数据的使用与维护，本系统还可对图进行打印输出，包括勘探点平面布置图的制作和地质剖面图的制作等。本系统的后台支持数据库为SQL SERVER2000 大型数据库，其空间数据库引擎为uperMapSDX+，可支持大型空间数据的管理，很好地实现了空间数据与属性数据基于大型空间数据库的一体化查询与可视化表达，同时可实现多用户的实时性和并发性操作，可设置用户管理权限，方便对数据的统一管理。

[1]刘振国.推动和实现地质找矿工作大发展[J].中国国土资源报，2009-04-01.

[2]赵凡.积极推动地质找矿重大突破[J].中国国土资源报，2006-12-07.