基于GIS技术的地质变化预测系统设计及应用

史文芳

（甘肃煤田地质局综合普查队，甘肃 天水 741000）

由于矿山开采程度日益增加，矿山的地质变化情况越来越难以掌握。针对地质变化预测是有效预防地质灾害的重要手段，而地质变化预测系统成为了有关部门的调研重点。在我国，针对地质变化预测系统的研究中，尽管研究起步较早，但对于地质变化信息基数较大且大部分被分散存储，导致研究普遍存在局限性，很难在真正意义上实现地质变化预测[1]。GIS技术的出现恰好的解决了出现的问题，GIS在应用中又被成为地理信息系统，具备一定的空间数据基础表现能力，主要在计算机设备与良好运营环境的支撑下，采集相关地球信息数据，并结合数据表达特征对其实施有序的数据管理、运算、分类、存储等功能。作为地质变化预测系统设计中一个强有力工具，可将获取的数据统一格式后以数据库的形式对其进行存储。除此之外，GIS技术中的三维成像技术可直观的呈现矿体的地质信息，对并其持续实施数据的人工智能处理，进而起到提升地质变化预测精度。因此，本文进行基于GIS技术的地质变化预测系统设计，并通过分析其在实际当中的应用情况，证明设计的有效性。通过将GIS技术应用在地质变化预测系统硬件设计以及软件设计两部分，致力于为地质变化预测系统的优化设计提供更加广阔的发展空间。

1 基于GIS技术的地质变化预测系统硬件设计

根据地质变化预测系统的跨地区应用需求，在系统硬件方面设计了服务器、数据采集板卡、矿山钻探仪以及矿区遥感仪器[2]。同时，配备硬盘、键盘、鼠标等一些基本硬件，但这些基本硬件不作为此次研究重点，以下将对上文提出的四个核心硬件进行详细描述。

1.1 服务器

选用LI-561ubuntu15.01型号的服务器设备为地质变化预测系统运行提供硬件环境，LI-561ubuntu15.01型号服务器的配置为双核CPU，外设多个可扩展处理器，内存大小为6GB，32GB硬盘。服务器的硬件环境配置，如表1所示。

表1 服务器的硬件环境配置

根据表1所示，LI-561ubuntu15.01型号服务器拥有数据处理及现场可编程逻辑门阵列两个选项，具备适应任何系统应用程序的通用能力，为地质变化预测系统运行提供良好平台。利用该硬件设备中的双核多路实现加速器、存储设备及地质变化信息之间的平衡，在最大程度上提高系统应用程序的性能。

1.2 矿山钻探仪

针对矿山进行打孔钻洞是地质变化预测工程中最关键的步骤，通过设计型号为HBL32445223矿山钻探仪作为一种可直接作用于地质变化预测工程的最直接设备，内部包括：马达、钻孔机、动力设备等。在进行地质变化预测时，通过内部的马达装置对勘察点施加压力，通过中枢控制器进行设置矿点深度，进行底层地质变化信息的抽取。

1.3 矿区遥感仪器

通过矿区钻探仪进行矿区底层地质变化信息的抽取，采用计算机遥感设备将底层地质变化信息进行合成分析处理，依据一起的电磁波应用原理，将矿区底层地质变化信息内图像、声音、反馈电磁波进行集中合成，确定其地质变化具体情况。

将电磁波发射源分成两个部分，一部分直接射向感应区域，另一部分通过设备过滤折射至矿区感光区域，通过地质对电磁波接受程度不同对地质变化情况进行判断。

1.4 数据采集板卡

数据采集板卡主要是为地质变化预测系统提供数据支持，对上述硬件中得到的地质变化数据进行综合采集。根据地质变化预测系统设计需求，采用型号为HYVJ-KIBI152数据采集板卡，该数据采集办卡性能高，且数据采集速度较快，通过一个2路六位模拟量输入模块，对地质变化数据进行采集，通过ISA总线使服务器与数据采集板卡互联，即可控制数据采集板卡运行。

2 基于GIS技术的地质变化预测系统软件设计

基于GIS技术的地质变化预测系统中，软件部分设计最主要的功能是实现对于地质变化的数据处理，对系统硬件设备收集到的数据，包括：地质层断裂、当地岩石属性、地理位置板块位移等进行处理，确定具体地质变化特征，找出地质变化的相关数据，通过数据库进行多种地质数据的分析，将地质变化信息以集合的形式进行预测[3]。主要分为三个模块，模块之间存在相辅相成的关系，互相作用形成地质变化预测系统的软件部分。

2.1 地质变化信息分析处理模块

地质变化信息分析处理是实现地质变化预测的基础步骤，对地质变化预测的精准度有着极大的影响，采用单元格划分的形式，量化标准的处理硬件设备收集的数据，将地质变化信息以矩形阵势进行排列，将其排列后进行地质变化分析处理。设排列后的地质变化矩形阵记为（X,Y），则其计算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，b指的是地质变化信息特征值；i指的是地质变化信息维数；h指的是预测时刻；a指的是实际地质横坐标；b指的是实际地质纵坐标。通过公式（1）得到排列后的地质变化矩形阵，进行单元格重组划分，设置变量系数，提取数据，实现地质变化信息分析处理模块的功能。

2.2 基于GIS技术建立地质变化数据库

在完成地质变化信息分析处理的基础上，引入目前矿产行业应用较为广泛的GIS技术建立了地质变化数据库。矢量划分由装置获取地质变化数据图像，集合地质变化数据属性要素，包括：矿山采矿点、产矿类型、断裂带分布及特征等，生成支持存储数据的数据格式，基于GIS功能，搭建空间数据库，导入现有地质数据与矿山勘查地质变化时效数据值，例如：矿山钻孔深度、遥感影像数据等。使用GIS技术程序编译功能，修改属性数据值，划分数据阈值，处理数据字段，深度分解地质变化信息密度值、地质变化信息空间分布特征与资源缓冲区域，设计地质变化三维立体模型，根据不同矿床的分布特征与岩层分布探索影像光谱规律，基于GIS技术描述数据，匹配地质变化信息与矿产数据，为地质变化预测提供历史参考数据。

2.3 地质变化集合预测模块

将所有收集地质变化数据按变量权重大小与图像信息进行集合，实现地质变化预测系统的数据叠加。设地质变化集合预测模型为＜F＞，则其计算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，γ指的是经验概率系数，可依赖于地理坐标。通过公式（2），得出地质变化集合预测结果，实现地质变化预测系统的预测功能。

3 仿真实验

3.1 实验准备

选取某矿山地质作为实验对象，根据矿山实际地质情况，采样点数为28600，背景噪声为30dB。设置预测的时间间隔为5min，本次实验在Matlab软件平台上进行，针对本文提出的预测系统与传统预测系统均采用相同的网络环境以及设备参数，该实验平台在系统内存为IntelCore6-28064GB，操作系统为Windows2020.VS2018CPU，内置X2500中央处理器的实验环境下进行。在矿山中选取坐标不同的6个勘查点位，按照上述实验环境，设置本文设计预测系统为实验组，传统预测系统为对照组，实验内容为测试两种预测系统下的分维数，分维数越高证明该预测系统的预测精度也就越高，从而对比两种预测系统在实际应用中的性能。

3.2 实验结果与分析

根据上述设计的实验步骤，采集6组实验数据，将两种预测系统下的分维数进行对比，分维数对比结果，如下图1所示。

图1 实验结果对比图

从图1中可以看出，本文设计的预测系统下的分维数明显高于对照组，能够实现对地质变化信息的精准预测。因此，通过实验证明，本文提出的预测系统具有更高的预测精度，能够广泛应用于地质变化预测方面。

4 结束语

考虑到地质变化预测愈发的受到重视，基于GIS技术的地质变化预测系统经历了从起步到快速发展的阶段。因此，本文对地质变化预测系统进行基于GIS的优化设计是十分必要的，通过仿真实验结果证明设计的地质变化预测系统是具有现实意义的，能够为地质变化预测提供理论支持。但本文唯一不足之处在于，没有对基于GIS技术的地质变化预测系统在实际应用过程中需要注意的事项进行深入分析，相信这一点，可以作为地质变化预测领域日后的研究内容之一。