史文芳

（甘肅煤田地質(zhì)局綜合普查隊(duì)，甘肅 天水 741000）

由于礦山開(kāi)采程度日益增加，礦山的地質(zhì)變化情況越來(lái)越難以掌握。針對(duì)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)是有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的重要手段，而地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)成為了有關(guān)部門(mén)的調(diào)研重點(diǎn)。在我國(guó)，針對(duì)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究中，盡管研究起步較早，但對(duì)于地質(zhì)變化信息基數(shù)較大且大部分被分散存儲(chǔ)，導(dǎo)致研究普遍存在局限性，很難在真正意義上實(shí)現(xiàn)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)[1]。GIS技術(shù)的出現(xiàn)恰好的解決了出現(xiàn)的問(wèn)題，GIS在應(yīng)用中又被成為地理信息系統(tǒng)，具備一定的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)表現(xiàn)能力，主要在計(jì)算機(jī)設(shè)備與良好運(yùn)營(yíng)環(huán)境的支撐下，采集相關(guān)地球信息數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)表達(dá)特征對(duì)其實(shí)施有序的數(shù)據(jù)管理、運(yùn)算、分類、存儲(chǔ)等功能。作為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)強(qiáng)有力工具，可將獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式后以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。除此之外，GIS技術(shù)中的三維成像技術(shù)可直觀的呈現(xiàn)礦體的地質(zhì)信息，對(duì)并其持續(xù)實(shí)施數(shù)據(jù)的人工智能處理，進(jìn)而起到提升地質(zhì)變化預(yù)測(cè)精度。因此，本文進(jìn)行基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)分析其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用情況，證明設(shè)計(jì)的有效性。通過(guò)將GIS技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)兩部分，致力于為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加廣闊的發(fā)展空間。

1 基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的跨地區(qū)應(yīng)用需求，在系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)了服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集板卡、礦山鉆探儀以及礦區(qū)遙感儀器[2]。同時(shí)，配備硬盤(pán)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次研究重點(diǎn)，以下將對(duì)上文提出的四個(gè)核心硬件進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.1 服務(wù)器

選用LI-561ubuntu15.01型號(hào)的服務(wù)器設(shè)備為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件環(huán)境，LI-561ubuntu15.01型號(hào)服務(wù)器的配置為雙核CPU，外設(shè)多個(gè)可擴(kuò)展處理器，內(nèi)存大小為6GB，32GB硬盤(pán)。服務(wù)器的硬件環(huán)境配置，如表1所示。

表1 服務(wù)器的硬件環(huán)境配置

根據(jù)表1所示，LI-561ubuntu15.01型號(hào)服務(wù)器擁有數(shù)據(jù)處理及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列兩個(gè)選項(xiàng)，具備適應(yīng)任何系統(tǒng)應(yīng)用程序的通用能力，為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行提供良好平臺(tái)。利用該硬件設(shè)備中的雙核多路實(shí)現(xiàn)加速器、存儲(chǔ)設(shè)備及地質(zhì)變化信息之間的平衡，在最大程度上提高系統(tǒng)應(yīng)用程序的性能。

1.2 礦山鉆探儀

針對(duì)礦山進(jìn)行打孔鉆洞是地質(zhì)變化預(yù)測(cè)工程中最關(guān)鍵的步驟，通過(guò)設(shè)計(jì)型號(hào)為HBL32445223礦山鉆探儀作為一種可直接作用于地質(zhì)變化預(yù)測(cè)工程的最直接設(shè)備，內(nèi)部包括：馬達(dá)、鉆孔機(jī)、動(dòng)力設(shè)備等。在進(jìn)行地質(zhì)變化預(yù)測(cè)時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的馬達(dá)裝置對(duì)勘察點(diǎn)施加壓力，通過(guò)中樞控制器進(jìn)行設(shè)置礦點(diǎn)深度，進(jìn)行底層地質(zhì)變化信息的抽取。

1.3 礦區(qū)遙感儀器

通過(guò)礦區(qū)鉆探儀進(jìn)行礦區(qū)底層地質(zhì)變化信息的抽取，采用計(jì)算機(jī)遙感設(shè)備將底層地質(zhì)變化信息進(jìn)行合成分析處理，依據(jù)一起的電磁波應(yīng)用原理，將礦區(qū)底層地質(zhì)變化信息內(nèi)圖像、聲音、反饋電磁波進(jìn)行集中合成，確定其地質(zhì)變化具體情況。

將電磁波發(fā)射源分成兩個(gè)部分，一部分直接射向感應(yīng)區(qū)域，另一部分通過(guò)設(shè)備過(guò)濾折射至礦區(qū)感光區(qū)域，通過(guò)地質(zhì)對(duì)電磁波接受程度不同對(duì)地質(zhì)變化情況進(jìn)行判斷。

1.4 數(shù)據(jù)采集板卡

數(shù)據(jù)采集板卡主要是為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)上述硬件中得到的地質(zhì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合采集。根據(jù)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，采用型號(hào)為HYVJ-KIBI152數(shù)據(jù)采集板卡，該數(shù)據(jù)采集辦卡性能高，且數(shù)據(jù)采集速度較快，通過(guò)一個(gè)2路六位模擬量輸入模塊，對(duì)地質(zhì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)ISA總線使服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運(yùn)行。

2 基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，軟件部分設(shè)計(jì)最主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)于地質(zhì)變化的數(shù)據(jù)處理，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，包括：地質(zhì)層斷裂、當(dāng)?shù)貛r石屬性、地理位置板塊位移等進(jìn)行處理，確定具體地質(zhì)變化特征，找出地質(zhì)變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行多種地質(zhì)數(shù)據(jù)的分析，將地質(zhì)變化信息以集合的形式進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。主要分為三個(gè)模塊，模塊之間存在相輔相成的關(guān)系，互相作用形成地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分。

2.1 地質(zhì)變化信息分析處理模塊

地質(zhì)變化信息分析處理是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)步驟，對(duì)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度有著極大的影響，采用單元格劃分的形式，量化標(biāo)準(zhǔn)的處理硬件設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，將地質(zhì)變化信息以矩形陣勢(shì)進(jìn)行排列，將其排列后進(jìn)行地質(zhì)變化分析處理。設(shè)排列后的地質(zhì)變化矩形陣記為（X,Y），則其計(jì)算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，b指的是地質(zhì)變化信息特征值；i指的是地質(zhì)變化信息維數(shù)；h指的是預(yù)測(cè)時(shí)刻；a指的是實(shí)際地質(zhì)橫坐標(biāo)；b指的是實(shí)際地質(zhì)縱坐標(biāo)。通過(guò)公式（1）得到排列后的地質(zhì)變化矩形陣，進(jìn)行單元格重組劃分，設(shè)置變量系數(shù)，提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)變化信息分析處理模塊的功能。

2.2 基于GIS技術(shù)建立地質(zhì)變化數(shù)據(jù)庫(kù)

在完成地質(zhì)變化信息分析處理的基礎(chǔ)上，引入目前礦產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的GIS技術(shù)建立了地質(zhì)變化數(shù)據(jù)庫(kù)。矢量劃分由裝置獲取地質(zhì)變化數(shù)據(jù)圖像，集合地質(zhì)變化數(shù)據(jù)屬性要素，包括：礦山采礦點(diǎn)、產(chǎn)礦類型、斷裂帶分布及特征等，生成支持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式，基于GIS功能，搭建空間數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)與礦山勘查地質(zhì)變化時(shí)效數(shù)據(jù)值，例如：礦山鉆孔深度、遙感影像數(shù)據(jù)等。使用GIS技術(shù)程序編譯功能，修改屬性數(shù)據(jù)值，劃分?jǐn)?shù)據(jù)閾值，處理數(shù)據(jù)字段，深度分解地質(zhì)變化信息密度值、地質(zhì)變化信息空間分布特征與資源緩沖區(qū)域，設(shè)計(jì)地質(zhì)變化三維立體模型，根據(jù)不同礦床的分布特征與巖層分布探索影像光譜規(guī)律，基于GIS技術(shù)描述數(shù)據(jù)，匹配地質(zhì)變化信息與礦產(chǎn)數(shù)據(jù)，為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)提供歷史參考數(shù)據(jù)。

2.3 地質(zhì)變化集合預(yù)測(cè)模塊

將所有收集地質(zhì)變化數(shù)據(jù)按變量權(quán)重大小與圖像信息進(jìn)行集合，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)疊加。設(shè)地質(zhì)變化集合預(yù)測(cè)模型為＜F＞，則其計(jì)算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，γ指的是經(jīng)驗(yàn)概率系數(shù)，可依賴于地理坐標(biāo)。通過(guò)公式（2），得出地質(zhì)變化集合預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)功能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某礦山地質(zhì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)情況，采樣點(diǎn)數(shù)為28600，背景噪聲為30dB。設(shè)置預(yù)測(cè)的時(shí)間間隔為5min，本次實(shí)驗(yàn)在Matlab軟件平臺(tái)上進(jìn)行，針對(duì)本文提出的預(yù)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)均采用相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及設(shè)備參數(shù)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在系統(tǒng)內(nèi)存為IntelCore6-28064GB，操作系統(tǒng)為Windows2020.VS2018CPU，內(nèi)置X2500中央處理器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行。在礦山中選取坐標(biāo)不同的6個(gè)勘查點(diǎn)位，按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置本文設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測(cè)試兩種預(yù)測(cè)系統(tǒng)下的分維數(shù)，分維數(shù)越高證明該預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度也就越高，從而對(duì)比兩種預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，采集6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將兩種預(yù)測(cè)系統(tǒng)下的分維數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分維數(shù)對(duì)比結(jié)果，如下圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

從圖1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)系統(tǒng)下的分維數(shù)明顯高于對(duì)照組，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地質(zhì)變化信息的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的預(yù)測(cè)系統(tǒng)具有更高的預(yù)測(cè)精度，能夠廣泛應(yīng)用于地質(zhì)變化預(yù)測(cè)方面。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到地質(zhì)變化預(yù)測(cè)愈發(fā)的受到重視，基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷了從起步到快速發(fā)展的階段。因此，本文對(duì)地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行基于GIS的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明設(shè)計(jì)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠?yàn)榈刭|(zhì)變化預(yù)測(cè)提供理論支持。但本文唯一不足之處在于，沒(méi)有對(duì)基于GIS技術(shù)的地質(zhì)變化預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行深入分析，相信這一點(diǎn)，可以作為地質(zhì)變化預(yù)測(cè)領(lǐng)域日后的研究?jī)?nèi)容之一。