数字地质调查理论技术方法与软件平台建立

窦浪浪

数字地质调查理论技术方法与软件平台建立

来源:地质调查信息化部                                         作者:李丰丹                                         发布时间:2016-02-17                                         阅读次数:15                                 

　　数字地质调查技术是公认的区域地质调查工作技术从手工方式走向现代化过程中的重大革新。其理论技术方法研究与推广应用是中国地质调查局中长期发展规划纲要和国土资源部国土资源信息化“十二五”规划重要内容之一。十多年来，累计得到国家863课题、公益性行业资金、国土资源部公益性行业科研专项、国土资源调查专项、地质矿产调查评价专项以及全国危机矿山接替资源找矿专项等共约8000余万元经费支持，参与该项研究的单位有二十多个，研究人员超过180人，来自不同的学科和研究领域，既有软件开发人员，也有野外一线的技术负责，还有资深区调专家、大学教授等。

　　经过十多年持续集成研发和推广应用，形成比较完整的地质矿产调查全流程数字化理论、技术方法和自主软件平台，涵盖地质调查（地质填图）、矿产资源勘查、矿体模拟、品位估计、资源量估算、矿体三维建模、矿山开采系统优化等内容，贯穿整个基础地质矿产资源调查完整全过程，已成为我国地质调查领域全面应用的主流软件和工具，被广大野外地质调查一线地质人员广泛使用，是国土资源部列为地质勘查资质认定可选软件系统之一。

　　一、主要成果与科技创新

　　（一）提出地质填图全过程的PRB模式和地质填图PRB 双重三维构模技术，创建了PRB数字区域地质调查基本理论与方法。

　　从基于地质填图中计算机野外数据采集技术研究的现状和存在的问题入手，在确定地质填图空间数据表达的基础上,遵循传统地质填图的规律，在不约束地质学家地质思维的前提下，以野外地质数据获取过程的数字化为核心，通过对语义粒度、描述粒度、空间粒度和存储粒度的分割及其相关关系的研究，创建了PRB数字填图基本理论与方法（地质点POINT、路线地质观察ROUTE与地质界线BOUNDARY是数字填图理论中的核心要素，简称PRB）。取得了原创性突破, 解决了国际上30多年以来在地质调查中难以实现计算机野外数据采集全程化和难以满足不同学科地学者对野外数据采集的需求问题。其明显优点在于PRB模型与比例尺无关，可以采全采准野外数据，不仅满足区域地质调查而且可以满足大比例尺地质填图，同时为相关野外数据采集提供了参考理论模型。

提出的地质填图PRB 双重三维构模技术，实现了地质填图过程从二维到三维的提升。通过PRB路线数据，在水平方向上进行地质图建模，在垂直方向上，确定地质体往下延伸或（演化）的形态，通过地质图框架约束，进行水平和垂直方向联合双重约束，构建三维地质图。地质填图PRB 双重约束动态三维建模技术及相关组合算法，为提高填图精度提供了数学模型支持，使得地质人员可以对地下空间实体做出更精细的模拟与多维视角表达，并在野外调查阶段对地质体的空间关系进行反复认识和研究，对野外地质工作具有很好的指导意义。

　　（二）创建了中大比例尺地质填图、地质三维填图与建模、矿产调查与勘查到成果发布全过程无缝数字过程。

　　通过PRB粒度理论与技术方法、地质路线（PRB）双重三维建模技术、第三代地质图数据模型技术、不同阶段数据继承与数据流池技术、三级野外与室内数据综合一致性约束技术、不同阶段数据业务流程偶合三维模型技术、野外地质编录图件同步增量覆盖技术、地质调查DGSGIS中间件等综合技术方法和理论的研究，创建在中大比例尺地质填图、地质三维填图与建模、矿产调查与勘查到成果发布全过程，实现了从野外数据采集到最终成果的数字化、信息化和部分智能化（图1，2，3，4，5），改变传统地质工作模式为现代工作模式。

图1  数字地质调查理论、技术方法与软件平台
  

图2 地质填图全数字化流程      


图3 固体矿产勘查全数字化流程
  

图4 数字地质三维填图与建模数字化流程


图5 地质调查成果快速发布

　　（三）建立了覆盖基础地质调查和矿产调查过程的《固体矿产勘查数据库内容和结构》标准，把数据库建设流程与具体地质矿产勘查业务工作充分地融合在一起, 便于共享与服务。

　　以第三代数据模型为基础，提出了数据库、数据字库、要素类、数据表的层次关系与结构框架。数据库基本内容涉及矿产地质填图、探矿工程、地球化学勘查、地球物理勘查、重砂测量、遥感地质调查、矿产检查、资源量估算和区域地质图与地质矿产图和成矿规律与矿产预测等综合研究等，涉及数据模型表格339个，约3500个数据项。首次对涉及要素类、表、实体的进行了统一表述，大大规范本标准数据模型的统一描述，充分的体现了数据库、数据字库、要素类、数据表的层次关系与结构。
　　
　　数字地质调查系统全面支持该标准，为建立最原始的、具有原创性的数据建库提供了全面的技术支撑，改变了以往单纯的建立数据库而建数据库的做法。数据库建设成为不同工作阶段的组成部分之一，每一个阶段的数据库都是来自前一个工作阶段数据库，而又是下一个工作阶段数据库继承的基础；缩短原始资料的系统整理时间，对提高研究精度、研究效率和成果的表现形式提供了重要的技术保障，同时还改变了传统原始资料难以共享和服务的局面。2004年以来所有地质填图按此标准采集与建库，涉及野外到成果全过程的数据库。目前，该标准已成为全国开展的地质填图和矿调工作及成果汇交的依据。

　　（四）强化地质调查业务流程数字无缝性，形成了自主的智能化地质调查二三维GIS平台。

　　针对数字地质调查应用的需求，强化地质调查业务流程数字无缝性，形成了桌面和移动的智能地质调查DGSGIS平台。为野外数据采集、处理、建模等提供了不同维度数据存储、组织、管理、可视化和编辑的一体化；通过底层框架的独立性构建，使数字地质调查软件平台可以跨平台保持无缝连接。由桌面和移动两部分构成：桌面平台（DGSGIS Desktop）和移动平台（DGSGIS Mobile），桌面平台支持Windows系列操作系统，移动平台支持Android、Windows Mobile等操作系统。在保持GIS软件特点的基础上，增加了地质调查数据智能处理的特点，如自动适应不同版本操作系统、支持掌上与桌面数据格式的一致性，支持不定长描述信息、简化操作模式、支持新一代智能掌上操作系统、提供野外数据采集阶段的数据组织、存储、可视化、综合分析以及数据传输、跨平台数据零交换等技术，与其他主流软件GIS格式的无缝交换等。以公益形式推广应用，提供的二次开发接口开始对数字水工环应用系统开发提供基础平台支撑。

　　（五）开发了数字填图系统、探矿工程编录系统、数字地质调查综合平台、资源量估算与矿体三维建模系统。

　　数字地质调查系统在保持全过程数据模型的一致性和继承性等体系方面，从体系架构上支持了地质矿产调查勘查全过程无缝数字过程，实现了野外路线数据库、野外总图数据库、实际材料图数据库、地质图空间数据库、剖面数据库及不同阶段数据库的互通。操作过程突出了智能化操作模式，淡化计算机程序操作模式，更加适合地质人员使用。

　　为野外调查、数据传输、数据集成、综合处理、三维建模、评价预测等地质调查全过程的关键技术节点提供一系列智能化工具。地质底图应用方面初步形成移动终端智能感知公开地理信息资源的应用模式。野外数据采集采用Android智能终端，使野外数据采集操作模式接近大众化。地质人员可以在一台采集器上实现文字、素描、照片、录像、录音、电子罗盘、信手剖面的数据采集和处理，同时支持北斗导航通讯与GPS导航。野外数据采集在强化与传统野外路线手簿纪录记录风格的同时，地质人员可以在采集数据的同时，可以看到集文字、素描、照片、录像、录音、电子罗盘、信手剖面为一体新一代野外路线电子手薄，并实时按野外路线采集流再现，使野外数据采集更加丰富和完整；数据综合和整理更加智能化，软件自动绑定各个阶段操作的数据对象，自动完成个过程成果的继承和传递，实现了基于实际材料图连图、空间数据库建库环节的微工作流机制应用；地质三维建模工具提供了不同维度数据存储与组织管理的一体化，不同维度数据的一体化表达，空间编辑、空间分析一体化。

　　集国内外主流资源储量估算方法与业务流程一致的地质矿产勘查从野外到矿产资源评价（靶区圈定）、资源储量估算及矿体三维建模一体化的软件体系，最大的特点是计算机数字化流程与业务流程完全一致，槽井坑钻野外数据采集到资源量计算和矿体三维显示无缝连接，零数据交换，使得在具体应用中，充分体现了提高效率、成果精度、节省大量人力和物力所带来的优势。
   

图6  基于智能操作系统的数字填图系统


图7  桌面平台(数据误差校正和配准、各个阶段自动绑定操作操作对象)
   


  

图8  基于PRB的地质三维建模


图9  部分矿区应用中的勘探线剖面图和矿体投影图
   

图10  部分矿区应用中的矿体三维效果图

　　（六）把大数据、国产卫星技术等融入数字地质调查体系，提供现代地质调查工作、管理与服务模式，构建地质调查智能空间体系雏形。

　　基于大数据和云计算等新一代信息技术，在研究非构化数据的挖掘和知识发现为核心的技术方法基础上，初步构建地质调查智能空间平台原型系统，形成天地一体地质调查、管理和智能服务体系雏形；以大数据技术为依托，初步形成智能地质调查非结构化数据发现与挖掘服务雏形，实现了地质大数据的一键式存储、组织、管理、快速检索与智能挖掘等（图11）。集成开发了基于大数据技术和北斗卫星技术的应用数字地质调查系统。

　　基于天地空野外地质调查工作现场管理调度、野外现场技术指导与专家会诊、艰苦地区安全保障服务一体化新模式，建立了多通讯技术与网格技术的协同集成技术、适合野外地质工作+管理+安全保障服务的静动态北斗4级组网技术、野外地质调查安全保障主动服务技术。为构建野外地质调查工作+管理+安全保障服务的天地空一体化服务体系架构和模式奠定基础（图12）。

图11  地质调查网格平台大数据对成果资料的发现

图12 野外地质调查工作+管理+安全保障服务的天地空一体化服务体系框架

　　二、成果应用与主要效益

　　数字地质调查技术为现代化野外地质工作各个环节提供了全方位技术支撑。在提高地质调查和研究程度及水平和精度，拓宽服务领域、改变成果的表现和服务方式，改变传统工作模式为现代工作模式等方面体现了巨大优越性，是我国地质调查信息化水平的一个窗口，已在地质调查实际生产和许多矿业公司中全面应用。软件系统通过技术支持网站(www.dgst.cgs.gov.cn)和培训班的形式免费提供。

　　从2006年开始，该成果已广泛应用于全国区域地质调查、矿产远景调查评价、矿产资源调查评价及危机矿山接替资源调查等专项及矿区勘探等领域。推广应用单位超过1000家、人员超过15000人，涉及全国地质、冶金、有色、武警黄金、核工业、建材、化工、煤炭等行业部门、高校科研部门和国内大型矿业公司。

　　数字地质调查技术开始走向世界，在丹麦地质调查局格陵兰数字填图计划进行推广试验，在南美等合作项目中应用；为非洲拉丁美洲国家、东盟约40个国近120人举办了3期数字填图技术讲座与交流；连续六年成功为东盟国家举办地质填图能力学习班，并在亚州区域开展智能地质调查系统推广培训与填图示范。2015年11月，首次成功在我国境外（老挝）为推广国技术人员举办援外培训班。

　　数字地质调查技术在推动GIS领域技术发展与应用，形成新一代地质调查工作、服务和管理模式，推动我国卫星技术发展与应用等方面具有明显的推动科技进步作用。创立的数字填图技术与方法已被多个大学列入本科生教学课程，培养了一批跨学科的技术人才。先后出版了《数字地质调查理技术论理论研究与应用实践》等5本专著，获得发明专利5项，外观专利2项，计算机著作权9项；获国土资源科技奖一等奖2项、二等奖1项，地理信息科技进步奖一等奖2项、中国信息化奖（国土资源）一等奖1项，中国专利奖优秀奖1项。

　　地质调查主流程信息化研发团队通过十多年的建设，形成了以中国地质调查局发展研究中心为集成中心，以外围科研院校团队为开发中心的产学研核心团队以及以地质调查大区中心、省级地质调查院等一线单位组成的第一时间测试与试验的机制。2013年，团队入选首批“国土资源高层次创新新型科技人才培养工程——科技创新团队培养计划”，团队负责人入选首批“国土资源科技领军人才开发和培养计划”，团队成员1人入选首批“国土资源杰出青年科技人才培养计划”。另外团队成员1人入选2011年中国地质调查局首批“青年地质英才培养计划”，1人被授予“第二届中国地质调查局杰出青年”荣誉称号。

　　三、下一步工作设想

　　在“云”计算与大数据技术等新一代信息技术的兴起大环境下，在地质调查数据采集、数据分析处理、数据交换传输、三维建模、信息泛在服务每个环节上，基于智能空间与普适计算的智能地质调查技术是当前地质信息技术发展方向。因此下一步重点将推进智能地质调查体系建设，为地质调查数据采集、数据传输、数据集成、三维建模、综合处理、评价预测、数据挖掘等过程中从比较单一到多维视角的感知、认知地质对象关系等环节提供新一代信息技术工具，并将新一代信息技术与地质野外工作相结合，以形成天地一体的野外地质调查工作、管理、安全保障和泛在服务新模式，创新野外地质调查智能感知服务方式，实现地质调查全流程的智能化。

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