基于ArcGIS的矿区综合数据管理系统的建立

2013-07-25刘碧洪

中国矿业 2013年1期

刘鹤，刘碧洪

（1.中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083；2.中铁资源集团有限公司，北京 100039）

近年来，随着我国地质工作的不断加强，地质勘查事业获得了突飞猛进的发展，无论是成矿理论、找矿思路，还是在技术手段和仪器设备等方面，均有了较大程度的提高。现如今，找矿勘查工作已经进入了一个综合信息化时代，任何一个矿床从资料收集、靶区选取、初步评价，到预查、普查、详查和勘探，以及后期的矿山建设和开发，均要涉及到大量的资料和数据，包括大地构造、区域地质、区域地球化学、区域地球物理、遥感影像、矿区地质、矿区地球化学、矿区地球物理、槽探、钻探、坑探、野外地质点等等一系列资料，而每一项数据都与找矿方向的研究密切相关。因此，成熟矿区的一份完整的详查或勘探报告，仅平面图就要绘制十几幅甚至几十幅，方能从各类勘查手段的角度对矿床的地质、地球物理和地球化学特征等形成一个全面的了解和认识。由于各类资料以及各种勘查方法的成果具有不同的精度、范围、比例尺、坐标系统和不同的成图要求，因此，将多类信息进行综合对比成为一项复杂的工作。例如，在开展勘查工作中可能需要查看1∶1万土壤化探测量所获得的几处异常与1∶2.5万激电中梯扫面所获得的极化率异常的套合情况，并查看化探异常和激电异常在1∶5万和1∶20万区域地质图、区域地球化学异常图中的位置，同时根据15m分辨率的ETM遥感影像了解矿区地形地貌，解译断裂构造的形迹，并分析物化探异常受断裂构造的控制或破坏情况。如果使用普通的绘图软件和工具，上述工作恐怕要通过绘制十余幅不同坐标系统、不同比例尺的图件，将各类信息以不同方式标注于各类图件中，并通过反复对比查看这些图件方能实现目的。既需要花费大量的时间制作一系列的图件，又涉及复杂的数据整理成图和坐标变换等问题。如果将所有需要的信息叠放到一张图中，又会使图件过于复杂和凌乱，内容难以辨认。

ArcGIS是一套完整的GIS平台产品，具有强大的地图制作、平面和空间数据管理、空间分析、空间信息整合、信息发布与共享的能力，广泛应用于农业、林业、石油、矿产、海洋、测绘、公路、铁路、民航、电信等多种领域［1－9］。ArcGIS平台由 ArcMap、ArcCatalog、ArcScene、ArcGlobe、ArcReader等不同功能的应用程序组成，是目前国际上矿业行业最常用的GIS软件平台之一，也是我国国土资源部批准使用的编制正规报告附图的软件之一。本文以近年来新发现的位于内蒙古自治区阿巴嘎旗北部的干珠尔善德银铅锌矿床为例，介绍使用ArcGIS建立矿区综合信息数据管理系统（简称“数据管理系统”）的方法和过程，阐述由ArcGIS建立的矿区数据管理系统在找矿工作中的实用意义，以为同行工作者在地质勘查和科学研究工作中提供参考和借鉴。

1 信息收集与数据预处理

干珠尔善德银铅锌矿是近年来发现的一处热液型银多金属矿床，该项目的预查工作启动于2008年，为一处未开展过任何勘查工作的空白区，经历了近5年系统的勘查工作，该项目已经基本完成了详查工作，查明的（332＋333）级资源量达到中型规模。5年的勘查工作中使用了多种勘查手段，综合利用了大量的区域尺度和矿区尺度的地、物、化、遥资料，在此期间，由ArcGIS V9.3建立的矿区数据管理系统在数据整理、异常提取、综合找矿信息对比、成果图编制、靶区优选等方面起到了十分重要的作用。

干珠尔善德银铅锌矿的勘查所收集的资料包括1∶400万全国地理信息数据、1∶400万全国成矿区带划分图、1∶250万全国数字地质图、1∶20万区域地质矿产图、1∶5万区域地质图和ETM遥感影像。勘查工作中涉及到的手段包括1∶10000和1∶2000地质填图、1∶25000土壤化探、1∶10000土壤化探、1∶10000激电中梯测量、槽探、钻探等（表1）。可以看出，上述各类收集到的资料以及不同勘查手段的成果涉及多种比例尺和不同的坐标系统，各种资料及成果的数据格式及载体也不尽相同，如果不建立一个统一的数据管理系统将这些资料汇总到一起，而是将它们按照其各自的比例尺和坐标系统单独成图，是很难对矿区各种资料和成果进行准确的对比研究的。ArcGIS可以方便地将不同比例尺、不同类型的资料赋予不同的属性和坐标信息，并将这些数据导入到同一个操作界面中用ArcMap进行管理。在数据导入之前，首先要对各种资料进行预处理，具体步骤如下所示。

1）设置坐标系统。由于收集到的各类区域图件及影像属于不同的坐标系统，首先要使用ArcCatalog对各栅格图件和矢量图件逐个点击右键设置文件的属性（Property），从弹出的菜单中编辑各图件的空间参照信息（Spatial Reference），从而按照表1对各类图件和数据设定坐标系统。

2）位置校准。位置校准多数情况下是对收集到的扫描图件使用的。例如，1∶20万和1∶5万的区域地质图是过去的区域地质调查工作的成果，往往只有纸质图件而没有矢量化的电子文档，因此，这类图件需要根据图面上的坐标值赋予其位置，使得这些扫描得到的栅格图件具有地理位置信息。具体操作是将这些图件导入到ArcMap中，然后使用ArcMap中的Georeferencing工具，选取一幅图的3～4个点，手动输入其正确的坐标位置，并通过Update Georeferencing将这些信息记录到文件中。

3）点位数据成图。在地质勘查工作中经常会涉及点位数据，如GPS地质观测点、化探采样点、物探测量点、钻孔孔位等。在ArcMap中可以通过Add XY data工具直接将这些点位数据的Excel文件（xls）或文本文件（txt或csv）导入到 ArcMap操作界面中。同样地，如果这些点位数据属于不同的坐标系统，只需要在导入过程中编辑该文件的坐标系统，就可以在任意坐标系统中正确地显示各类点数据的位置了，并且可以根据原始数据表格中数据点的属性值编辑点的外观，使其具有分类或分级的显示效果。为了使这些点位数据在后期操作中与ArcGIS的各项功能更具兼容性，可以将这些包含点位数据的Excel文件和文本文件导出为ArcGIS的shapefile格式。

4）生成异常平面图。物化探数据常常需要生成异常平面图或等值线图，ArcGIS平台包含有许多模块，拥有强大的数据处理功能。其中的三维分析模块（3DAnalyst）和地质统计学分析模块（Geostatistical Analyst）可以很方便地对点位数据按照多种常用方法进行网格化（如距离反比法、最近邻法、最小曲率法、克里格法等），并按照用户自己的要求绘制各类异常平面图或等值线图。同时，ArcGIS与许多著名的制图软件和GIS软件相兼容，可以将由 Surfer、Grapher、Mapinfo、Oasis Montaj等软件生成的网格化数据和等值线图导入到 ArcMap中查看［10］。

5）绘制地质图。地质图计算机成图和地质图数字化是地质勘查工作中的必备工作，ArcGIS的矢量文件有点、线、面三种类型，可以满足编制各类地质内容的需要。ArcGIS所包含的ArcScan扩展模块可以自动识别栅格图件中的线条，为地质图的矢量化工作提高了效率。

表1 干珠尔善德银铅锌矿勘查所涉及到的部分图件和数据

2 数据导入和管理

在完成各类信息的收集和数据的预处理之后，就可以将它们导入到同一个ArcMap操作界面中进行管理了。

1）数据导入。首先需要新建立一个ArcMap文件作为工程文件，ArcMap工程文件是独立于各图件和数据文件而存在的，是一个调用各项数据的综合平台。用户可以根据需要设置ArcMap工程文件的坐标系统，ArcGIS 9.3以上的版本包含了全世界各个国家的坐标系统，用户还可以根据需要调整参数设置自定义的坐标系统，并且可以在后期随时进行修改而不影响图件和数据文件本身的坐标系统。将工程文件建立并保存后就可以逐一导入在前一个步骤中处理过的各类图件和点、线、区数据文件。ArcMap支持多种数据导入的方法，最直观的方法是从ArcCatalog中将所要添加的图件或数据文件直接拖拽至ArcMap的操作界面中。

当设计多种不同坐标系统的图件时，传统的制图软件和部分GIS软件要求必须将这些图件转换为统一的坐标系统，方能同时显示。而ArcMap支持在某一坐标系统下显示其他不同坐标系统的图件，只要在ArcCatalog中正确设置了图件的坐标系统并完成了位置校准，无论各类图件采用的是何种坐标系统，均可以导入到ArcMap由同一个界面显示出来。例如，1∶400万全国成矿区带划分图采用的是等角割圆锥投影坐标系，1∶250万区域地质图使用的是北京1954地理坐标系，ETM遥感影像使用的是UTM投影 WGS84坐标系，1∶20万和1∶5万地质图使用高斯投影北京1954坐标系6度分带，而矿区范围的各项工作均按照高斯投影北京1954坐标系3度分带成图，但只要在ArcCatalog中对各类图件或文件正确定义了坐标系，便可以随时将这些数据导入到同一个ArcMap操作界面中在任意坐标系统下浏览这些图件和数据。

2）图层组织和分类管理。添加到ArcMap工程文件中的每个图件和数据都会成为一个单独的图层，在ArcMap中支持对多个图层进行组合，并根据图片显示的需要调整图层组合的上下叠放顺序。设置各类图件和数据的叠放顺序的一般原则有两点：① 将点位数据最置于上方，而后是线条类数据，最后是区文件和栅格图件；② 对于区文件和栅格文件，应将面积小的文件置于上方，将面积大的置于下方。以干珠尔善德银铅锌矿床为例，该项目的勘查工作所涉及的数据共可分为9个大类，按从上到下的顺序分别为槽探和钻探、野外工作、探矿权、国家地理、化探、物探、地质、遥感、区域地质，这样便可以在一个视野中尽可能多地显示所需要的信息。在工作中还可以根据需要随时更改图层的叠放顺序。

在调整好图层的分类和叠放顺序后，保存ArcMap工程文件就完成了矿区综合信息数据管理系统的建立了。后期根据出图的需要，可以对一个项目建立多个ArcMap工程文件。

3 找矿应用实例

建立了矿区数据管理系统的ArcMap工程文件以后，就可以根据需要设置矿区信息的显示方式，为矿区地、物、化、遥综合研究和找矿靶区优选提供极大的便利。

ArcMap支持多窗口显示，通过设定不同图层的显示条件，可以让主窗口和副窗口中分别以不同的比例尺显示不同的图层以方便用户进行对比研究。以干珠尔善德银铅锌矿项目为例，如图1所见，ArcMap的主显示区域以1∶50万的比例尺显示1∶250万的数字化地质图，而副显示窗口（Viewer）则以1∶800万的比例尺显示全国成矿区带划分图（1∶400万）和区域性断裂构造（1∶250万），从这样的图中可以直观的看到，干珠尔善德矿区位于中蒙边境附近，阿巴嘎旗北部，区域构造上位于二连－贺根山断裂带以北，属于古生代末期西伯利亚板块南缘的陆缘增生褶皱带，成矿区带划分上属于大兴安岭成矿省，东乌珠穆沁旗－嫩江Cu-Mo-Pb-Zn-W-Sn-Cr成矿带，东乌珠穆沁旗－博克图成矿亚带（III-48-2）。区域地层由奥陶系、泥盆系、二叠系和新生界玄武岩组成，岩浆侵位活动以石炭－二叠纪和侏罗纪花岗质侵入岩为主，区域断裂主要包括北西向和北东向两组断裂构造，切割了二叠纪及二叠纪以前形成的地层和花岗岩体，并影响着整个探矿区的构造格局。

图1 在ArcMap的主窗口和副窗口中分别显示不同尺度的地质内容

如图2所示，ArcMap的左上方副窗口（Viewer）通过显示矿区的ETM遥感影像（R、G、B分别赋予7、4、2波段），展现了矿区的基本地形地貌特征。左下方的副窗口（Viewer）中显示的是1∶5万地质图，并标注了探矿区周边的矿产地，从图2中可以了解到，干珠尔善德矿区出露地层由泥盆系和二叠系的沉积地层组成，印支期的花岗岩侵位于泥盆系地层之中，晚期形成的新生代玄武岩又覆盖在泥盆系、二叠系和印支期花岗岩之上，干珠尔善德银铅锌矿床与周边地区的哈达特陶勒盖银铅锌矿床和高尔旗银铅锌矿床具有相同的容矿围岩，区域性断裂构造走向为北东东向，哈达特陶勒盖和高尔旗两个矿床均形成于断层的西北盘，受北西向次级断裂构造的控制，干珠尔善德银铅锌矿床的含矿热液可能与高尔旗银铅锌矿床相同，形成于同一期热液成矿作用中。主窗口以1∶15000的比例尺显示了矿区极化率异常平面图之上叠加了Ag元素的化探异常（设置为半透明），标注了施工的钻孔和探槽（探矿工程）的位置，并且以不同的符号表示了钻孔的见矿效果，从主窗口中可以看出，矿区存在一条NNW向的极化率异常和四处化探异常，在矿区中南部，极化率异常与化探异常套合较好，是本区的重点找矿靶区。经系统地槽探和钻探证实，该处的物化探异常系由脉状的银铅锌矿体所引起。而矿区的北部和西部地区仅具有化探异常或仅具有物探异常，经钻探验证后发现矿体规模相对较小，或品位相对较低。因此，下一步工作重点应该继续放在物化探异常叠合的区域。

从上述的找矿实例中看到，ArcGIS强大的空间数据处理功能、数据显示功能和图层管理功能为地质工作者提供了一个十分便利的平台，可以按照用户的要求以不同的比例尺对比显示各类勘查工作的成果图，从而节省了大量时间编制各类综合异常图，也使得综合研究矿区找矿方向的工作更为方便和直观，极大地提高了工作效率。ArcGIS还有许多强大的数据处理、图像编辑、统计分析、3D 建模等功能［11－12］，与 Google Earth 完美兼容。

图2 在ArcMap中同时显示地质图、遥感影像、矿区物化探异常及探矿工程位置

4 结论

1）ArcGIS是一个功能强大的GIS数据管理平台，是国土资源部批准使用的提交正式报告的制图软件。ArcGIS具有强大的制图功能和综合数据处理功能，能够方便地绘制和显示地质图、生成点位数据图和物化探异常平面图、处理和显示遥感影像，并能够在同一个操作界面中显示各种不同坐标系统、不同尺度、不同比例尺、不同分辨率的图件及数据。

2）ArcGIS的多窗口界面显示功能和便捷的图层组织功能使用户能够以不同的尺度同时查看矿区的区域地质背景、矿区地质特征、地形地貌特征、物化探异常特征和勘查工程的布置，同时还能通过调整图件和数据的显示样式及图层叠放顺序，全面研究矿区各项勘查工作的成果。

3）通过使用ArcGIS建立矿区的综合信息数据管理系统，极大地提高了矿区综合研究的工作效率，方便了地质工作者对矿区成矿地质条件和勘查手段的有效性进行归纳总结，为找矿靶区的优选工作提供了便利。

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