甘肃省重点矿山找矿三维GIS系统设计与实现

张好贤

（甘肃省地质矿产勘查开发局测绘勘查院，甘肃 兰州 730060）

随着互联网+、云计算、大数据、人工智能、VR等高新信息技术的飞速发展，给地理信息技术融合发展带来前所未有的变革，利用高分遥感影像，通过对影像的平面、高程、结构、色彩等的数字化处理，按照统一坐标无缝拼接而成可以迅速建立基于真实影像的三维数字矿山，人们可以直观的从三维矿山上判读出山川、河流、道路、露采境界、矿区范围、采区布置等信息[1,2]。

通过叠加空间矢量数据、地物兴趣点数据以及三维模型数据形成可视化三维GIS矿山系统。与传统的二维GIS系统相比，三维GIS矿山系统突破平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差等限制，通过对真实地形、地物、建筑的数字化三维模拟和三维表达，提供给使用者一个与真实生活环境一样的三维矿山环境，通过对三维矿山的数字化管理，为矿山建设、企业管理、险情监控提供可持续发展的信息化服务，大力提高矿山空间信息共享和利用水平，提高矿山整体信息化管理和经营管理水平[3]。

1 系统总体设计

1.1 设计目标

利用无人机航拍生产示范矿区高分辨率正射影像及高精度数字高程模型，构建覆盖矿山全貌的三维地表模型及地表重点附属物模型，便于直观判读露采境界、矿区范围、采区布置、矿渣、尾矿库、道路等矿山环境要素；通过分层叠加矿产资源开发利用、矿山地质环境保护与治理恢复、矿山土地复垦等方案，辅助评价规划方案、展示规划效果；通过信息提取、要素扩充、数据重组等整合手段，开发示范矿山环境三维GIS系统，为全省重点矿山管理提供可靠有效的地理空间信息保障，为矿山资源开发、开采环境、矿山基础建设等提供大量的基础信息，为矿山规划、管理、保护和合理利用提供科学依据，从而直接为全省经济的宏观规划和战略布局服务。

1.2 技术路线

通过无人机及其配套设备获取重点矿山高分辨率正射影像（DOM）和高精度高程数据（DEM），利用三维激光扫描仪获取地下巷道数据，利用3DMax与图像处理软件制作地表附属物模型收集整理矿山环境治理方案、土地复垦方案等专题数据，形成系统数据支撑层，采用的是TEpro的扩展模块TerraDeveloper开发平台，集成二次开发模式进行，利用C#语言进行二次开发。技术路线见图1。

1.3 系统数据支撑建设

1.3.1 二维空间数据建设

无人机外业航飞作业完成后，生成0.1米分辨率DOM和1.0米格网数字高程数据。

对收集的矿产资源开发利用与规划、矿山地质环境保护与治理恢复、矿山土地复垦等方案进行检查、坐标转换、格式转换编辑等处理，形成能够与高分遥感影像空间叠加的专题图层，通过叠加能够直观反映出矿山地理要素、矿山地质环境要素、矿区范围与工程布局、主要矿山地质环境问题（采空区、地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡等）、矿山地质环境保护与治理恢复分区（重点防治区、次重点防治区和一般防治区）等信息。

图1 技术路线图

1.3.2 三维场景数据建设

利用Skyline模块TB创建地形模型。

矿区地表附属模型主要为房屋建筑、道路、矿山设施等，作业示范过程中主要选取重要的建筑物、路面、矿山设施等进行精细化的三维建模，其它附属设施构建简单模型，各类模型的格式为3DS，建模软件为3DMax。其中，精细模型的贴图全部来自于实地拍摄采集，简单模型的贴图利用了软件系统自带的纹理数据[4]。

图2 地表三维模型

利用三维激光扫描仪在矿山深部选择平硐进行扫描，获取了平硐内部的点云数据，经过处理形成平硐的三维模型。

2 系统功能模块设计

按照系统的功能定位，主要包括GIS交互模块、三维数据管理模块及地环数据管理模块组成[5]。

（1）GIS交互模块：主要实现诸如地图图层管理、地图放大缩小、平移、旋转、飞行漫游、测量、地图标绘、屏幕快照等GIS交互式工具。

（2）三维数据管理模块：主要实现矿区地表房屋建筑、道路、矿山设施等附属模型，以及矿山地下三维扫描模型的管理。

（3）地环数据管理模块：主要实现矿产资源开发利用与规划、矿山地质环境保护与治理恢复、矿山土地复垦等矿山专题矢量数据的装载、显示控制、查询分析等功能。

图3 系统界面

3 系统示范应用

项目借助于无人机航摄获取了甘肃某矿区10.5KM²的DOM（正射影像）和DEM（数字高程），利用3DMax、Skyline等三维建模软件构建了航摄区域内的地表三维模型，叠加了环境治理专题数据，使其规划与治理信息更加透明、更加直观，方便相关部门进行决策[6]。另外，利用先进的三维激光扫描仪获取了深部铜矿三号中段（地下约300m）的点云数据，经过处理形成了三号中段部分平硐的三维模型，该示范应用可推广到巷道规划设计中。

图4 平硐模型

4 结论

甘肃省重点矿山找矿三维GIS系统侧重于立体表达覆盖矿区地表范围内的高精度地形、影像以及地表附属物模型（重点表达矿区选矿厂、尾矿库、办公场所、职工宿舍等信息），为矿山资源开发、开采环境、矿山基础建设等提供大量的基础信息，为矿山规划、管理、保护和合理利用提供空间支撑。建议下一步选择示范矿山，梳理矿区原始地质资料，通过分析整合后，利用专业软件在三维表达地质工作（各类勘探工程）的基础上，构建三维矿体模型，形成一个可供地质人员与管理人员进行信息交流的工作平台，进而挖掘地质资料的二次开发利用价值。