宋相龍， 肖克炎， 李　楠， 席偉杰

(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)框架研究

宋相龍， 肖克炎， 李楠， 席偉杰

(中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

摘要：基于對(duì)全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果的分析研究，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，提出了一套礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)框架。采用瓦片金字塔模型實(shí)現(xiàn)成果數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)復(fù)合三維可視化，并完成數(shù)據(jù)的查詢檢索及分析功能，最終形成礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)，定位于滿足用戶對(duì)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)資料性成果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、瀏覽、檢索、科學(xué)計(jì)算、三維虛擬可視化、輸出、動(dòng)態(tài)更新等需求。為地質(zhì)工作者提供可視化的區(qū)域礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)信息共享與服務(wù)。

關(guān)鍵詞：資源潛力評(píng)價(jià)；系統(tǒng)框架；三維可視化；動(dòng)態(tài)更新

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.389

中圖分類號(hào)：P628+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2015)03-0389-06

收稿日期：2015-06-23；修回日期：2015-08-11；編輯：侯鵬飛

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)專項(xiàng)“全國重要礦種成礦區(qū)劃部署研究”(12120114051501)

作者簡(jiǎn)介：宋相龍(1989—)，男，博士研究生，地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，E-mail：slong17@sina.com

0引言

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于多元信息和信息綜合技術(shù)的礦產(chǎn)資源定量評(píng)價(jià)與成礦預(yù)測(cè)，已成為礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和信息化找礦的重要途徑之一(成秋明等，2007；安力立等，2012；李建國等，2013)。尤其是近年來GIS技術(shù)的快速發(fā)展，大量多元地學(xué)信息的數(shù)字化，以及傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)、證據(jù)權(quán)重法、最小二乘模型法等數(shù)學(xué)方法在地學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有效促進(jìn)了礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作的開展(王世稱等，1989；朱裕生等，1997；肖克炎等，2007)。

近20年來，美國地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施了包括美國本土金屬、石油等多項(xiàng)礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)計(jì)劃，首次在當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平上全面系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了美國境內(nèi)地下未發(fā)現(xiàn)資源的潛力。據(jù)此，美國地質(zhì)調(diào)查局全面介紹了第一次全美礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)成果。20世紀(jì)初，美國地質(zhì)調(diào)查局使用統(tǒng)一的“三步式”評(píng)價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)模型，對(duì)未發(fā)現(xiàn)資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)(肖克炎等，2006)。

1979—1985年，我國原地質(zhì)礦產(chǎn)部在全國開展了成礦遠(yuǎn)景區(qū)劃工作，這是首次在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的跨省(區(qū))、以成礦帶為目標(biāo)區(qū)的成礦遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)工作，即第一輪區(qū)劃。1992—1996年，我國又開展了第二輪固體礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)工作，該工作以地質(zhì)找礦為中心，把實(shí)現(xiàn)地質(zhì)找礦重大突破作為基本目標(biāo)，對(duì)重要成礦區(qū)帶進(jìn)行了深入的潛力評(píng)價(jià)工作。目前，為了國家礦產(chǎn)資源宏觀戰(zhàn)略需要，完成了全國25種重要礦種的資源潛力評(píng)價(jià)工作，取得了大量的研究成果。

1資源潛力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)包括煤炭、鈾、鐵、銅、鋁、鉛、鋅、錳、鎳、鎢、錫、鉀、金、鉻、鉬、銻、稀土、銀、硼、鋰、磷、硫、螢石、菱鎂礦、重晶石25種重要礦產(chǎn)，包括成礦地質(zhì)背景研究、成礦規(guī)律研究、礦產(chǎn)預(yù)測(cè)研究以及重力資料應(yīng)用、磁測(cè)資料應(yīng)用、化探資料應(yīng)用、遙感資料應(yīng)用、自然重砂資料應(yīng)用，以及化工礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)、鈾礦資源潛力評(píng)價(jià)、煤炭資源潛力評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)。

全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)專項(xiàng)研究成果數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的保存格式包括文檔、圖件、圖片等。面對(duì)如此復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要建立合理的元數(shù)據(jù)庫，主要采用逐級(jí)抽象的方法，建立全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)庫的層級(jí)模型(左群超等，2012，2013)。上元層級(jí)模型定義或描述次元級(jí)模型，次元級(jí)模型是上元級(jí)模型的實(shí)例化。從空間上分為3個(gè)層次：省區(qū)級(jí)(省區(qū)級(jí)包括全省范圍、預(yù)測(cè)工作區(qū)、典型礦床研究區(qū)3級(jí))、大區(qū)級(jí)(或地區(qū))和全國級(jí)。專業(yè)上所涵蓋的領(lǐng)域包括成礦地質(zhì)背景研究、成礦規(guī)律研究、礦產(chǎn)預(yù)測(cè)研究以及重力資料應(yīng)用、磁測(cè)資料應(yīng)用、化探資料應(yīng)用、遙感資料應(yīng)用、自然重砂資料應(yīng)用等。

2基于空間數(shù)據(jù)庫的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)系統(tǒng)

建立礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)的核心技術(shù)包括空間數(shù)據(jù)庫，海量矢量數(shù)據(jù)、柵格與非空間數(shù)據(jù)的管理，以及為地質(zhì)礦產(chǎn)工作提供相關(guān)查詢、分析及演示等功能。其中空間數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)建設(shè)的核心，它指的是地理信息系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和，一般以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件的形式組織在存儲(chǔ)介質(zhì)上。

由于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫在空間數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)、管理、檢索上存在許多缺陷，因此形成了空間數(shù)據(jù)庫這一研究領(lǐng)域?？臻g數(shù)據(jù)庫具備將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接和一體化管理的功能，并且其存儲(chǔ)有空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和位置關(guān)系(楊紅衛(wèi)，2005；劉?？?，2013)，所以較之傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制、數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)訪問方式等方面有許多不同之處，且更加復(fù)雜。

空間數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)包括：(1) 空間數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)量龐大?？臻g數(shù)據(jù)庫面向的是地理學(xué)及其相關(guān)對(duì)象，而在客觀世界中它們所涉及的往往都是地球表面信息、地質(zhì)信息、大氣信息等極其復(fù)雜的現(xiàn)象和信息，所以描述這些信息的數(shù)據(jù)容量很大，通常達(dá)到TB級(jí)；(2) 空間數(shù)據(jù)模型復(fù)雜，其存儲(chǔ)的不是單一性質(zhì)的數(shù)據(jù)，而是涵蓋了幾乎所有與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)類型主要可以分為3類：屬性數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)、空間關(guān)系數(shù)據(jù)；(3) 空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理。空間實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)可隨時(shí)間而發(fā)生相應(yīng)變化。空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)長度可變，包含1個(gè)或多個(gè)對(duì)象，需要嵌套記錄。具有空間多尺度性和時(shí)間多尺度性；(4) 空間數(shù)據(jù)庫對(duì)可訪問性要求較高?？臻g信息系統(tǒng)要求具有強(qiáng)大的信息檢索和分析能力，該系統(tǒng)建立在空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上，需要高效訪問大量數(shù)據(jù)。

3礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的管理模式

目前，空間數(shù)據(jù)的管理模式大概可以總結(jié)為以下4種。

3.1　文件管理模式

圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都是通過一定格式的文件進(jìn)行存儲(chǔ)，圖形要素與屬性記錄之間通過相關(guān)聯(lián)字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在這種管理模式下，用戶可以定義自己的文件格式，管理各種數(shù)據(jù)，較為靈活。其缺點(diǎn)是管理效率和信息利用率會(huì)受到很大的限制，同時(shí)也不便于更新。

3.2　文件-數(shù)據(jù)庫管理模式

由于空間數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化、不定長等特點(diǎn)，此種管理模式下圖形數(shù)據(jù)同樣采用文件方式進(jìn)行管理，而屬性數(shù)據(jù)則借助于關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，一些GIS軟件都采用此種管理模式。這種管理模式可以克服屬性數(shù)據(jù)庫管理中遇到的效率、共享及安全性等問題，但還是無法解決文件結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)模型的缺陷。

3.3　全關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理模式

在這種數(shù)據(jù)庫管理模式下，圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)均采用現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。其中空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)庫以二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊的形式存儲(chǔ)，即空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)被集成到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中形成空間數(shù)據(jù)庫。此種空間數(shù)據(jù)庫還可以提供一致的訪問接口，同時(shí)支持并發(fā)訪問、安全控制等。不過由于空間數(shù)據(jù)的不定長特點(diǎn)，會(huì)造成存儲(chǔ)效率低下。

3.4　面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理模式

此種管理模式是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛳嘟Y(jié)合的產(chǎn)物，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫既面向?qū)ο笙到y(tǒng)也具有數(shù)據(jù)庫能力，與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫很好地吸收了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言的思想，如支持類、方法、集成等概念。這種數(shù)據(jù)庫管理模式提供對(duì)于各種數(shù)據(jù)的訪問接口，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)對(duì)空間模型服務(wù)也可以共享(圖1)。

圖1　面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理模式Fig.1　Management model of object-orientated database

4礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)共享系統(tǒng)框架分析

系統(tǒng)以全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)潛力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的三維可視化、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)分析、圖形輸出等功能及功能組合的需求。系統(tǒng)的特色是礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)與三維可視化技術(shù)，查詢檢索分析是其核心功能?？傮w功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)圖Fig.2　Diagram showing overall function design of the system

4.1　系統(tǒng)三維可視化分析與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用瓦片金字塔模型實(shí)現(xiàn)三維可視化。瓦片金字塔模型是一種多分辨率層次模型(圖3a)。地形場(chǎng)景繪制時(shí)，在保證顯示精度的前提下，為提高顯示速度，不同區(qū)域通常需要不同分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和紋理影像數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型金字塔和影像金字塔則可以直接提供這些數(shù)據(jù)而無需進(jìn)行實(shí)時(shí)重采樣。盡管金字塔模型增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，但能夠減少完成地形繪制所需的總機(jī)時(shí)。分塊的瓦片金塔模型還能夠進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)訪問量，提高系統(tǒng)的輸入輸出執(zhí)行效率，從而提升系統(tǒng)的整體性能(殷福忠等，2010；霍亮等，2012)。

圖3　海量柵格數(shù)據(jù)管理示意圖Fig.3　Sketch showing management of massive raster data(a) sketch of a tile pyramid; (b) adjacent relationship among tiles; (c) tile scheduling

瓦片拓?fù)潢P(guān)系包括同一層內(nèi)鄰接關(guān)系和上下層之間的“雙親”與“孩子”關(guān)系2個(gè)方面(圖3b)。鄰接關(guān)系分別為東(E)、西(W)、南(S)、北(N) 4個(gè)鄰接瓦片，與下層4個(gè)“孩子”的關(guān)系分別為西南(SW)、東南(SE)、西北(NW)、東北(NE) 4個(gè)“孩子”瓦片，與上層“雙親”的關(guān)系是1個(gè)雙親瓦片(圖2c)。在海量柵格地形圖層的基礎(chǔ)上，基于上述過程建立實(shí)現(xiàn)與全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)的復(fù)合顯示功能，提高系統(tǒng)的三維可視化效果。在實(shí)際軟件開發(fā)中，應(yīng)用曲面快速網(wǎng)格化技術(shù)，將潛力評(píng)價(jià)成果圖件由二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維曲面(圖4、圖5)。

圖4　金字塔模型地形圖與成果圖件的真三維顯示Fig.4　Pyramid model of terrain and true three-dimensional display of result map(a) three-dimensional display of terrain; (b) ″Seamless″ composite display of result map and terrain

圖5　潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)與地形圖復(fù)合顯示Fig.5　Composite display of potential evaluation data and terrain map

4.2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢檢索功能分析

查詢檢索分析功能主要包括按照行政區(qū)劃檢索、礦種檢索、預(yù)測(cè)工作區(qū)檢索、最小預(yù)測(cè)區(qū)檢索、標(biāo)準(zhǔn)圖幅檢索、用戶自定義檢索等。數(shù)據(jù)查詢檢索分析是系統(tǒng)的核心功能，系統(tǒng)用戶界面初步設(shè)計(jì)如下(圖6)。

圖6　系統(tǒng)用戶界面Fig.6　User interface of the system

(1) 礦種檢索。以省為單位查詢省內(nèi)重要礦種、成礦地質(zhì)背景、成礦規(guī)律、重力、磁測(cè)、化探、自然重砂、遙感和其他矢量圖件；(2) 行政區(qū)劃礦種檢索。主要針對(duì)25個(gè)重要礦種，按照全國、片區(qū)和省級(jí)行政區(qū)劃展示；(3) 八大專題檢索。主要針對(duì)25個(gè)重要礦種，可以逐一或者組合檢索其分布情況、成礦地質(zhì)背景、成礦規(guī)律、重力、磁測(cè)、化探、自然重砂、遙感等信息；(4) 預(yù)測(cè)成果檢索。主要針對(duì)25個(gè)重要礦種，檢索預(yù)測(cè)工作區(qū)及其包含的最小預(yù)測(cè)區(qū)；(5) 典型礦床檢索。主要針對(duì)25個(gè)重要礦種，經(jīng)省級(jí)行政區(qū)劃，檢索典型礦床；(6) 礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法類型檢索。主要針對(duì)25個(gè)重要礦種，檢索6種礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法類型，例如層控內(nèi)生型等；(7) 用戶自定義查詢。主要包括有按照標(biāo)準(zhǔn)圖幅比例尺檢索、某類預(yù)測(cè)要素檢索、交互式檢索。

4.3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新管理功能分析

數(shù)據(jù)更新管理功能主要是開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的成果數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新前需要進(jìn)行入庫數(shù)據(jù)合法性檢查，主要包括重疊地物檢查、空間邏輯檢查、面閉合性檢查、自相交檢查、編碼合法性檢查、屬性項(xiàng)檢查、圖幅間接邊、工作區(qū)接邊的檢查等。檢查后的數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎可進(jìn)行入庫操作,包括數(shù)據(jù)庫登錄、鏈接，確定數(shù)據(jù)入庫、更新范圍，執(zhí)行數(shù)據(jù)更新檢測(cè)入庫等。入庫操作完成后, 顯示檢測(cè)沖突記錄,檢查入庫中是否有錯(cuò)誤, 并將錯(cuò)誤返回修改。技術(shù)路線如圖7。

圖7　動(dòng)態(tài)更新技術(shù)流程圖Fig.7　Flowchart of dynamic update technology

5結(jié)論

提出了全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)框架，簡(jiǎn)要闡述了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作重心是建立成果數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用程序開發(fā)核心是查詢檢索及動(dòng)態(tài)更新功能，系統(tǒng)的特色是三維虛擬現(xiàn)實(shí)與礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)功能的集成。

(1) 建立礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用三維可視化技術(shù)發(fā)布全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果，將地理數(shù)據(jù)進(jìn)行真三維顯示。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)潛力評(píng)價(jià)成果圖件的三維可視化與查詢分析功能。

(2) 以全國礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集成MRAS礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)軟件定位、定量區(qū)域預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)功能，提供基于三維可視化技術(shù)的區(qū)域礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)功能。

(3) 隨著礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)工作的持續(xù)開展，新的研究成果將不斷涌現(xiàn)，通過計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)潛力評(píng)價(jià)的最新成果及時(shí)更新與共享服務(wù)。

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Framework of a data sharing service system for the national mineral resource potential evaluation results

SONG Xiang-long, XIAO Ke-yan, LI Nan, XI Wei-jie

(Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)

Abstract：Based on the results of the national assessment of mineral resource potential analysis, this paper presents the framework of a data sharing service system with the aid of advanced computer information technology. This system can use a tile pyramid model to realize composite 3D visualization of the result data and terrain data, and thus to complete data query retrieval and analysis functions. It will finally form a data sharing service system of the mineral resources potential assessment results. This system aims to meet the users′ demand of data storage, browsing, retrieval, scientific computing, three-dimensional virtual visualization, output, dynamic update of mineral resource evaluation results. It will also provide information sharing and service of the visualization of regional mineral resources assessment for geological workers.

Keywords：resource potential evaluation； system framework； 3D visualization； dynamic update