【摘要】矿山三维GIS将成为矿山生产规划和信息化管理不可缺少的工具。笔者通过对GIS技术的分析，对三维GIS技术在矿山地质勘察管理信息系统中的应用的途径及实现方式进行探讨。
【关键词】三维GIS；地质勘察；数据；信息
在数字化时代，三维GIS在矿山地质工作中的作用已为我们勾画了一幅完美的蓝图。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。其最大的特点则是空间分析功能，非常适合于矿山领域中的空间实体建模与叠加分析。GIS空间分析的内涵极为丰富，包括空间查询、空间量测、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分类等多个方面。引入GIS后，我们可以对矿图进行空间属性查询，以及利用全自动化办公系统对矿山中空间实体进行空间量测、叠置分析等，大大简化了工作量，也提高了精准度。
1.三维GIS的空间
现阶段，采用GIS技术对二维空间数据及信息进行处理已日趋成熟，然而三维数据处理技术还有待进一步的研究。目前三维地形是一个相对独立的模块，哪怕和二维系统集成在一起，仅能做到形式上的集成而非数据处理内核的集成。其原因岁软和GIS软件发展状况相关，然而本质上仍是二维GIS维数的局限性所致，也就是二维GIS无法把垂向信息z坐标独立出来，构建真三维模型。二维GIS一般是把现实世界中独立空间的变量(Independent Variable)高程数据z坐标用依赖变量(Dependent Variable)或属性来模拟。而三维GIS则和二维GIS有本质的区别，其将z坐标进行了独立的处理，其在基础数据处理模块中，把z坐标视作一项独立的变量，构建了真三维空间，所以用三维GIS对地形进行三维表达的结果和其它各模块真正吻合，在基础数据结构的设计和基于其的各项操作和分析中，能够实现完全的统一。
1.1 数字高程模型的实现
数字地面模型(Digital Terrain Model，DTM)是对地面各特性进行描述的有序数值阵列。通常情况下，其空间的水平坐标由x，y表示，垂直高度用z表示，此外也可使用x表示经度，y表示纬度。此类地面特性是高程或称海拔高程的DTM，又名数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM) 。
相关学者根据空间结构形式把DTM分为7类：规则格点的数字地面模型、散点数字地面模型、曲面数字地面模型、平面多边形数字地面模型、值线数字地面模型、线路数字地面模型以及空间多边形数字地面模型。因DTM包括DEM，所以其也包含7种形式。在实际应用中数字等值线图、规则格网(GRID)和不规则格网(TIN)是最为常见的。
1.2 Grid的生成方法
原始采样点并不一定都是规则的，然而因客观条件，通常采样点数量一般都无法完全达到显示的需求，因此应采用插值法生成更多的点。常见的插值法有样条插值及Kriging法、双线性法、反距离权法(IDW)和趋势面法。笔者将就样条法及Kriging法进行简单的介绍。
1.2.1 Kriging法 Kriging插值法的理念较为特殊，其考虑的首要因素即是空间位置中空间属性的分布情况。其运算方式是先确定对一个待插点值有影响的距离范围，随后在此范围内选取合适采样点对待插点属性值进行估算。该法是一种求最优线性无偏内插估计量的方法，其是为了达到线性、无偏及最小估计方差的估计，在对信息样品的大小和形状、和待估块段之间的分布情况等特征及空间结构等因素进行了综合考虑之后，赋给各样品值赋相应的系数，然后采用加权平均对块段品位进行估计。
1.2.2 样条插值(spline)“样条”是指采用弹性曲尺进行绘图，传统的手工绘图可用其绘制光滑曲线。样条插值法分为分片Hermit样条法及距离函数样条法。
2.三维GlS地质勘察管理系统
随着GIS的发展，数字地球、数字城市等我们应该并不陌生了，现阶段正在向我们迈进的则是数字矿山这个新概念。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。
2.1 系统分析
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系统分析是一种面向对象的分析方式。地质勘察的组织形式一般是相对独立的工程项目。地质勘察中最为重要的背景信息是基础地理，地质勘察领域的核心实体包括地层、钻孔及勘察场区。
地层以地质年代、岩土特性为界，将勘察场区地表之下的立体空间进行划分，形成具有相对厚度、分布特点的一些空间实体。由于现在的三维信息处理系统对完全真实的存储及表达地层各个空间实体还存在一定的难度，因此只能以二维实体来模拟三维显示，尽量进行多角度地模拟地层信息。
钻孔是地表面积狭小却深度较深的柱状三维体，其储存及表示方式一般是点状实体，即确定一观测点，取得垂直特征．作柱状图来反映整个场区地下的地质情况。
勘察场区是一个地表面积一定但是深度不定的三维体，常规采用二维多边形进行存储表示。
2.2 系统数据库
矿山数据与其它的地理信息数据相比有其自身的独特性，数据量大而复杂,涉及诸多行业，未知数据较多等。矿山作为一个实体，含多种子实体，有些子实体还具有随着矿山生产的进行而发生变化的特点,即具有时间上的变化。总的来说，矿山数据具有多源性，复杂性，时空性，关联性，动态性等特点。根据数据的用途、特性及类型，参照相关标准，对空间和非空间数据的关系加以考虑，按照常规的数据库范式。系统数据库通常可以分为地层信息数据库、基础地理数据库和工程勘察专题数据库。
2.3 系统功能
系统包括查询分析、数据维护、工程勘察成果管理及系统管理维护几项功能。进行工程勘察成果管理时，能够将数据进行可视化管理和编辑，并进行实时更新，同时对数据的拓朴关系进行相应的保护。可以通过SQL语言进行条件查询相关信息。此外，该系统还能够制作及打印输出地质剖面图、勘探点平面布置图等，从而提升了数据维护和使用的便利性。
3.三维GIS数据模型在地质矿山中应用分析
3.1 建立数据模型
地质矿山的复杂性较高，其包括了各种天然地质体和人工设施。所以应根据对象的特性确定描述地质矿山现象所使用的三维数据模型。遵循的原则是描述结构简单、具有拓扑关系、满足一定的空间精度、便于处理与分析的原则。
基于地质矿山现象的复杂性，描述的数据模型也相对复杂，现阶段尚无一项能够完全满足各种质矿山领域的三维GIS软件。然而，三维GIS数据模型向着面对对象技术和方法来分析研究的趋势已日益明显。
3.2 数据库的可视化管理
数据库管理系统是地质矿山的各项管理工作的基础，而采用面向对象的数据库管理系统具有其优越性。虽然使用传统关系数据库的Binary和备注字段能够对变长记录加以管理，然而会影响效率。而面向对象的数据库管理系统可以提供结构化查询语言，从而实现对三维空间对象的各种操作。
可视化是地理信息系统的主要功能，也是对空间数据库观测最为重要的方式之一。构建三维几何造型的方式能够作为三维物体的可视化的借鉴，然而尚无法满足地质矿山中的三维现象的需求。随着三维对象可视化技术的迅速发展，OpenGL、Direct3D等3D引擎在进行地质矿山现象的可视化处理中，正发挥着日益重要的作用。在Windows系统中使用VC++调用3D函数，一方面能够得到良好的三维效果，另一方面还能够降低软件开发的复杂性。从而化解了可视化软件和三维数据模型间的接口问题。
4.总结
当前，在地质勘察领域中，GIS技术的应用尚处于起步阶段，但已引起了多方面对其技术难点及热点的关注。由于信息系统驱动模式的先进性，利于操作、维护及二次开发，基于组件式GIS技术的地质勘察管理系统对地质勘察信息进行深度处理，一方面可以满足当前地质勘察数据的制图输出要求，另一方面也初步实现了勘察场区三维地质模拟，奠定了基础地质可视化分析的基础。
参考文献
彭雁.基于GIS的真实地形三维重构系统的设计与实现[D].电子科技大学,2008,01:32-33.
王军.浅析三维GIS位置引擎系统项目[J].电脑编程技巧与维护,2011,08:62-63.
论地质矿山中GIS技术应用
更新时间：2024-04-08
作者：用户投稿
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