全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)框架研究

宋相龍， 肖克炎， 李　楠， 席偉杰

(中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)框架研究

宋相龍， 肖克炎， 李楠， 席偉杰

(中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

摘要：基于對全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果的分析研究，借助先進的計算機信息技術，提出了一套礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)框架。采用瓦片金字塔模型實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)復合三維可視化，并完成數(shù)據(jù)的查詢檢索及分析功能，最終形成礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)，定位于滿足用戶對礦產(chǎn)資源潛力評價資料性成果數(shù)據(jù)的存儲、瀏覽、檢索、科學計算、三維虛擬可視化、輸出、動態(tài)更新等需求。為地質工作者提供可視化的區(qū)域礦產(chǎn)資源評價信息共享與服務。

關鍵詞：資源潛力評價；系統(tǒng)框架；三維可視化；動態(tài)更新

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.389

中圖分類號：P628+.5

文獻標識碼：A

文章編號：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

基金項目：中國地質調查局地質礦產(chǎn)調查評價專項“全國重要礦種成礦區(qū)劃部署研究”(12120114051501)

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

0引言

隨著計算機信息技術的快速發(fā)展，基于多元信息和信息綜合技術的礦產(chǎn)資源定量評價與成礦預測，已成為礦產(chǎn)資源勘查領域的發(fā)展趨勢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技術的快速發(fā)展，大量多元地學信息的數(shù)字化，以及傳統(tǒng)統(tǒng)計學、證據(jù)權重法、最小二乘模型法等數(shù)學方法在地學領域得到了廣泛應用，有效促進了礦產(chǎn)資源預測評價工作的開展(王世稱等，1989；朱裕生等，1997；肖克炎等，2007)。

近20年來，美國地質調查局實施了包括美國本土金屬、石油等多項礦產(chǎn)資源評價計劃，首次在當時的認識水平上全面系統(tǒng)地評價了美國境內地下未發(fā)現(xiàn)資源的潛力。據(jù)此，美國地質調查局全面介紹了第一次全美礦產(chǎn)資源評價成果。20世紀初，美國地質調查局使用統(tǒng)一的“三步式”評價方法、標準的評價模型，對未發(fā)現(xiàn)資源進行了評價(肖克炎等，2006)。

1979—1985年，我國原地質礦產(chǎn)部在全國開展了成礦遠景區(qū)劃工作，這是首次在全國范圍內統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準實施的跨省(區(qū))、以成礦帶為目標區(qū)的成礦遠景預測工作，即第一輪區(qū)劃。1992—1996年，我國又開展了第二輪固體礦產(chǎn)資源潛力評價工作，該工作以地質找礦為中心，把實現(xiàn)地質找礦重大突破作為基本目標，對重要成礦區(qū)帶進行了深入的潛力評價工作。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價工作，取得了大量的研究成果。

1資源潛力評價數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)基礎

全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(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)，包括成礦地質背景研究、成礦規(guī)律研究、礦產(chǎn)預測研究以及重力資料應用、磁測資料應用、化探資料應用、遙感資料應用、自然重砂資料應用，以及化工礦產(chǎn)資源潛力評價、鈾礦資源潛力評價、煤炭資源潛力評價等數(shù)據(jù)。

全國礦產(chǎn)資源潛力評價專項研究成果數(shù)據(jù)在計算機中的保存格式包括文檔、圖件、圖片等。面對如此復雜的數(shù)據(jù)，需要建立合理的元數(shù)據(jù)庫，主要采用逐級抽象的方法，建立全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)庫的層級模型(左群超等，2012，2013)。上元層級模型定義或描述次元級模型，次元級模型是上元級模型的實例化。從空間上分為3個層次：省區(qū)級(省區(qū)級包括全省范圍、預測工作區(qū)、典型礦床研究區(qū)3級)、大區(qū)級(或地區(qū))和全國級。專業(yè)上所涵蓋的領域包括成礦地質背景研究、成礦規(guī)律研究、礦產(chǎn)預測研究以及重力資料應用、磁測資料應用、化探資料應用、遙感資料應用、自然重砂資料應用等。

2基于空間數(shù)據(jù)庫的礦產(chǎn)資源評價數(shù)據(jù)系統(tǒng)

建立礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)的核心技術包括空間數(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，以及為地質礦產(chǎn)工作提供相關查詢、分析及演示等功能。其中空間數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)建設的核心，它指的是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質上存儲的與應用相關的地理空間數(shù)據(jù)的總和，一般以一系列特定結構的文件的形式組織在存儲介質上。

由于傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫在空間數(shù)據(jù)的表示、存儲、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)動態(tài)鏈接和一體化管理的功能，并且其存儲有空間拓撲結構和位置關系(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)存儲機制、數(shù)據(jù)組織結構和數(shù)據(jù)訪問方式等方面有許多不同之處，且更加復雜。

空間數(shù)據(jù)庫的特點包括：(1) 空間數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)量龐大?？臻g數(shù)據(jù)庫面向的是地理學及其相關對象，而在客觀世界中它們所涉及的往往都是地球表面信息、地質信息、大氣信息等極其復雜的現(xiàn)象和信息，所以描述這些信息的數(shù)據(jù)容量很大，通常達到TB級；(2) 空間數(shù)據(jù)模型復雜，其存儲的不是單一性質的數(shù)據(jù)，而是涵蓋了幾乎所有與地理相關的數(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)、空間關系數(shù)據(jù)；(3) 空間數(shù)據(jù)聯(lián)合管理?？臻g實體的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)可隨時間而發(fā)生相應變化?？臻g數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項長度可變，包含1個或多個對象，需要嵌套記錄。具有空間多尺度性和時間多尺度性；(4) 空間數(shù)據(jù)庫對可訪問性要求較高。空間信息系統(tǒng)要求具有強大的信息檢索和分析能力，該系統(tǒng)建立在空間數(shù)據(jù)庫基礎之上，需要高效訪問大量數(shù)據(jù)。

3礦產(chǎn)資源評價數(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行存儲，圖形要素與屬性記錄之間通過相關聯(lián)字段進行關聯(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。其缺點是管理效率和信息利用率會受到很大的限制，同時也不便于更新。

3.2　文件-數(shù)據(jù)庫管理模式

由于空間數(shù)據(jù)的非結構化、不定長等特點，此種管理模式下圖形數(shù)據(jù)同樣采用文件方式進行管理，而屬性數(shù)據(jù)則借助于關系數(shù)據(jù)庫進行管理，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構性數(shù)據(jù)模型的缺陷。

3.3　全關系型數(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)有的關系數(shù)據(jù)庫進行管理。其中空間坐標數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)庫以二進制數(shù)據(jù)塊的形式存儲，即空間坐標數(shù)據(jù)被集成到關系數(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，會造成存儲效率低下。

3.4　面向對象的數(shù)據(jù)庫管理模式

此種管理模式是數(shù)據(jù)庫技術與面向對象程序相結合的產(chǎn)物，面向對象數(shù)據(jù)庫既面向對象系統(tǒng)也具有數(shù)據(jù)庫能力，與關系型數(shù)據(jù)庫相比，面向對象數(shù)據(jù)庫很好地吸收了面向對象程序設計語言的思想，如支持類、方法、集成等概念。這種數(shù)據(jù)庫管理模式提供對于各種數(shù)據(jù)的訪問接口，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時對空間模型服務也可以共享(圖1)。

圖1　面向對象數(shù)據(jù)庫管理模式Fig.1　Management model of object-orientated database

4礦產(chǎn)資源潛力評價共享系統(tǒng)框架分析

系統(tǒng)以全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)用戶對潛力評價數(shù)據(jù)的三維可視化、查詢檢索、統(tǒng)計分析、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)資源預測評價與三維可視化技術，查詢檢索分析是其核心功能。總體功能設計如圖2所示。

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

4.1　系統(tǒng)三維可視化分析與實現(xiàn)

系統(tǒng)使用瓦片金字塔模型實現(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)。地形場景繪制時，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)而無需進行實時重采樣。盡管金字塔模型增加了數(shù)據(jù)的存儲空間，但能夠減少完成地形繪制所需的總機時。分塊的瓦片金塔模型還能夠進一步減少數(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

瓦片拓撲關系包括同一層內鄰接關系和上下層之間的“雙親”與“孩子”關系2個方面(圖3b)。鄰接關系分別為東(E)、西(W)、南(S)、北(N) 4個鄰接瓦片，與下層4個“孩子”的關系分別為西南(SW)、東南(SE)、西北(NW)、東北(NE) 4個“孩子”瓦片，與上層“雙親”的關系是1個雙親瓦片(圖2c)。在海量柵格地形圖層的基礎上，基于上述過程建立實現(xiàn)與全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)的復合顯示功能，提高系統(tǒng)的三維可視化效果。在實際軟件開發(fā)中，應用曲面快速網(wǎng)格化技術，將潛力評價成果圖件由二維數(shù)據(jù)轉換為三維曲面(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　潛力評價成果數(shù)據(jù)與地形圖復合顯示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、預測工作區(qū)檢索、最小預測區(qū)檢索、標準圖幅檢索、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)用戶界面初步設計如下(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重要礦種、成礦地質背景、成礦規(guī)律、重力、磁測、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25個重要礦種，按照全國、片區(qū)和省級行政區(qū)劃展示；(3) 八大專題檢索。主要針對25個重要礦種，可以逐一或者組合檢索其分布情況、成礦地質背景、成礦規(guī)律、重力、磁測、化探、自然重砂、遙感等信息；(4) 預測成果檢索。主要針對25個重要礦種，檢索預測工作區(qū)及其包含的最小預測區(qū)；(5) 典型礦床檢索。主要針對25個重要礦種，經(jīng)省級行政區(qū)劃，檢索典型礦床；(6) 礦產(chǎn)預測方法類型檢索。主要針對25個重要礦種，檢索6種礦產(chǎn)預測方法類型，例如層控內生型等；(7) 用戶自定義查詢。主要包括有按照標準圖幅比例尺檢索、某類預測要素檢索、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)絡的成果數(shù)據(jù)動態(tài)更新功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新前需要進行入庫數(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)更新檢測入庫等。入庫操作完成后, 顯示檢測沖突記錄,檢查入庫中是否有錯誤, 并將錯誤返回修改。技術路線如圖7。

圖7　動態(tài)更新技術流程圖Fig.7　Flowchart of dynamic update technology

5結論

提出了全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)框架，簡要闡述了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作重心是建立成果數(shù)據(jù)庫，應用程序開發(fā)核心是查詢檢索及動態(tài)更新功能，系統(tǒng)的特色是三維虛擬現(xiàn)實與礦產(chǎn)資源評價功能的集成。

(1) 建立礦產(chǎn)資源潛力評價的基礎空間數(shù)據(jù)庫，應用三維可視化技術發(fā)布全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果，將地理數(shù)據(jù)進行真三維顯示。在此基礎上，實現(xiàn)潛力評價成果圖件的三維可視化與查詢分析功能。

(2) 以全國礦產(chǎn)資源潛力評價成果數(shù)據(jù)為基礎，集成MRAS礦產(chǎn)資源評價軟件定位、定量區(qū)域預測評價功能，提供基于三維可視化技術的區(qū)域礦產(chǎn)資源評價功能。

(3) 隨著礦產(chǎn)資源潛力評價工作的持續(xù)開展，新的研究成果將不斷涌現(xiàn)，通過計算機廣域網(wǎng)，實現(xiàn)潛力評價的最新成果及時更新與共享服務。

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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