基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)

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(青海省第三地質礦產勘查院，甘肅 西寧 810029)

0 引言

GIS(Geographic Information System)[1]是對地球空間數據進行輸出、輸入、顯示、存儲、建模、檢索、分析和運算等的計算機系統(tǒng)，也被稱為空間數據管理系統(tǒng)。在礦產資源分布區(qū)域定位中，因為技術條件的不足，礦產資源數據信息沒有得到充分利用，導致定位范圍較小，定位精度低。因此從海量復雜原始數據信息中高效、準確的提取有用信息，是礦產資源分布區(qū)域定位問題中的關鍵解決問題[2]。引用GIS系統(tǒng)對礦產分布區(qū)域進行定位效果較好。傳統(tǒng)方法基于模糊理論對礦產資源分步進行定位，未考慮GIS的引入，導致系統(tǒng)比特率低、定位范圍較小[3]。而GIS系統(tǒng)針對復雜數據進行高效處理，可直接解決定位系統(tǒng)中比特率低，傳輸速率慢的問題。為此，提出基于GIS的礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)設計。選用SQL Sever數據庫，增加系統(tǒng)比特數，建立相關礦產資源定位模型，實現礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)的設計。實驗結果表明，該系統(tǒng)比特率高，數據傳輸速度快，定位精度高。

1 礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)構架原理

基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)由分別為數據服務、邏輯應用和功能表現三層構架組成[4]。邏輯應用層實現系統(tǒng)功能的應用，是三層構架的核心層。該層主要包括GIS應用組件、數據源管理組件和上層公共引用組件。COM接口是各組件間相互調用的通道，越靠近底層的組件，其可用性越高，系統(tǒng)容易擴展和維護。功能表現層是以圖形用戶界面的形式提供系統(tǒng)信息及功能，完成用戶間的動態(tài)交互。開放性的系統(tǒng)架構和層次性的組件功能結構，為系統(tǒng)應用功能的維護和靈活擴展提供了方便，基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)的構架圖如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)構架圖

2 定位系統(tǒng)預處理

在設計基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)之前，通過數據庫管理軟件的選用，語言和平臺的開發(fā)及網絡結構的搭建對系統(tǒng)進行預處理，詳細描述如下：

數據庫管理軟件：基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)中的數據包含了JPG圖片格式、矢量、CAD圖形、柵格圖形格式等多種格式類型的GIS數據。因其擁有多樣的數據文件類型，則必須選用功能強大的數據庫對數據文件進行保存與管理[5]，因此選用SQL Server數據庫，它所具備的多種數據格式互相轉換功能，使系統(tǒng)每秒傳送的比特數增加，提升系統(tǒng)的數據傳輸速度。

語言和平臺的開發(fā)：采用了VB+MapInfo的模式[6]，將可視化開發(fā)語言和GIS軟件工具相結合。GIS軟件工具主要用于對系統(tǒng)空間數據庫的分析及管理。而可視化開發(fā)語言可以通過自身高效等變成的優(yōu)點，對系統(tǒng)開發(fā)的效率進行提升，定位范圍更廣。結合可視化開發(fā)語言和GIS軟件工具的技術，使得系統(tǒng)應用程序的外觀效果優(yōu)良，其數據庫功能也更加強大，并具有易于移植、便于維護和可靠性高的優(yōu)點。

網絡結構：采用C/S結構[7]，方便了系統(tǒng)軟件的使用范圍、提高了圖像傳輸的數據量。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計中主要針對整體定位系統(tǒng)框架中定位礦產資源虛擬分布系統(tǒng)的SJA1000芯片，CAN總線，節(jié)點定位模塊及晶振電路四部分進行設計及分析。

3.1 芯片選擇

SJA1000是一款獨立的控制器，它用于局域網絡CAN總線中，是PHILIPS公司PCA82C200CAN控制器的替代產品。它所具有的特殊工作模式能夠支持帶有許多新特性的CAN2.0B協(xié)議。

SJA1000豐富的特點為定位系統(tǒng)的設計提供諸多方便。它可與PCA82C200CAN控制器引腳兼容，具有的擴展接收緩沖器同時支持11位和29位識別碼，其位速率可高達1 Mbits/s，且適用于不同微處理器的接口。

圖2 SJA1000引腳圖

3.2 CAN總線

本系統(tǒng)的CAN總線模塊主要對來自網關節(jié)點的消息轉換為以太網報傳至系統(tǒng)控制中心，對控制中心的以太網報轉換為總線消息傳至節(jié)點或其他設備，即完成CAN-以太網的轉換。

本系統(tǒng)總線引用周立功的EasyArm8962開發(fā)板，該開發(fā)板采用Luminary Micro公司的Fury系列單片機，支持CAN-Bus，外圍器件簡單，功能強大。其功能特點包括32位RISC性能處理器，結構優(yōu)化，可兼容Thumb2指令集，使代碼密度得以提高，且具有MPU保護設定訪問規(guī)則，支持非對齊數據的訪問，可有效壓縮數據到內存。積木式模塊架構使其在3.2 V供電壓下即可運行。

3.3 節(jié)點定位模塊設計

定位節(jié)點具有唯一性，電池在定位節(jié)點中至關重要。對節(jié)點定位模塊中電池的規(guī)格，要求電池的一次性使用期限至少為1年，若采用可更換電池，則電池的使用壽命應至少為6個月，且滿電情況下應能保證持續(xù)工作7天。

裝有報警功能的節(jié)點定位模塊在突發(fā)故障時，可及時發(fā)出預警信號避免故障造成危險。節(jié)點定位模塊具有自供電系統(tǒng)，可對電壓進行檢測。另外由于節(jié)點定位模塊處在易燃易爆環(huán)境，因此在其外部添加一個安全裝置，以防止閑情發(fā)生。給出節(jié)點定位模塊圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點定位模塊圖

3.4 晶振電路設計

改進的定位系統(tǒng)需要一個精確的時鐘源，32 MHz晶振正是滿足該需要的合適設備，其組件中的CLOCKNCMD寄存器對時間點進行控制。32 kHz XOSC適合于32.768 kHz上運行，系統(tǒng)穩(wěn)定的時間精度時鐘信號可由該寄存器提供。在系統(tǒng)運行時間校準時，32 kHz RCOSC運行在32.753 kHz，改進的定位系統(tǒng)需要兩個晶振，分別是32 kHz晶振和32.768 kHz晶振，給出晶振電路接口如圖4所示。

圖4 晶振電路接口

4 系統(tǒng)軟件設計

基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)軟件部分主要包括成礦信息空間等全經驗搜索，找礦信息量加權，礦產資源定位3個模型。通過搜索模型搜索出礦產資源分布區(qū)域，采用信息量加權模型對搜索礦產資源信息進行加權處理，并使用定位數學模型對處理后信息進行分析，實現對礦產資源分布區(qū)域定位。

4.1 成礦信息空間等權經驗搜索模型

采用地質專家總結找礦標志的組合，完成定位區(qū)域中滿足條件的人工交互式搜索[8]。在礦產資源分布區(qū)域定位中，礦床專家對礦床成礦模式進行深入的研究，總結出區(qū)域性的找礦標志組合；還可以通過對探、物、化數據進行成礦信息的提取，并總結出直接或間接的找礦標準。第一步是將含有滿足標準的找礦標志標注出來，傳統(tǒng)方法是根據透明紙，通過人工疊置完成的，成礦信息空間等權經驗搜索模型解決了上述問題，滿足區(qū)域成礦分析的定位預測，每個找礦標志在分布區(qū)域交互搜索的過程中都是等權的，可以使用GIS開發(fā)，通過計算機程序將滿足所有定位條件的區(qū)域標注出來。按照用戶搜索習慣，提供了空間數據庫表達式搜索法和圖形交互搜索法兩種不同形式的搜索方式。

空間數據庫表達式搜索法是通過用戶交互選擇或者刪除的一些找礦標志[9]，通過空間折疊對定位區(qū)域進行分析，并圈定有利區(qū)域。圖形交互搜索法是通過計算機顯示地質圖上的某一重要區(qū)域。并圈定已知的定位區(qū)域，最后根據工程中的標志專題圈定相似的定位區(qū)域。

成礦信息空間等權經驗搜索模型的具體步驟如下：

1)構建區(qū)域定位工程，模型可以將GIS空間多元信息有規(guī)則的嵌入到定位系統(tǒng)中。

2)構造區(qū)域定位標志專題。根據屬性將有用的巖性專題從地質專題中提取出來，或通過緩沖區(qū)的分析，確定斷裂構造造成的影響帶。

3)區(qū)域定位標志的取舍和選擇，確定礦靶區(qū)圈定的找礦標志組合。

4)采用交互對話的方式將有利的靶區(qū)圈定起來。

4.2 找礦信息量加權模型

圖5 3種定位系統(tǒng)比特率測試結果

基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)包括證據加權和找礦信息量兩種模型。找礦信息加權模型對分布區(qū)域控礦因素的重要性沒有要求，找礦信息加權模型使用統(tǒng)計學的方法對礦產分布關系和地質因素進行研究，以統(tǒng)計學作為出發(fā)點，在統(tǒng)計出分布區(qū)域內地質標志存在的同時可以得到礦產資源的面積。礦產與標志同時出現的概率越大，找礦的意義越重要，找礦信息量計算中的權值越大。將各個統(tǒng)計單元的找礦信息因子進行加權綜合，可以得到不同級別的礦產資源遠景區(qū)。

找礦信息量加權模型的具體步驟如下：

1)構建區(qū)域定位工程，將所有與礦產和地質相關的專題數據放在礦產工程中。

2)選擇要定位研究的地質信息。

3)將定位研究區(qū)劃分為一定的統(tǒng)計單元。

4)搜索各分布區(qū)域中標志存在的單元數和礦產資源點存在的單元數，計算各個因素的權重。

5)計算分布區(qū)域內統(tǒng)計單元的綜合權重。

6)使用等線值和色塊圖體現單元找礦信息量的有利度。

4.3 礦產分布區(qū)域定位數學模型

在礦產資源分布定位中，基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)采用礦床定位特征分析模型并與GIS圖形相結合。

其中特征分析主要是用來圈定遠景圖，是對礦產資源分布區(qū)域進行定位的多元統(tǒng)計分析的方法[10]，通過對分布區(qū)域內已知單元的研究，明確地質變量之間的聯(lián)系，建立指定類型的礦床定量模式。在進行定位時，對比分布區(qū)域的地質特征和模型，根據相似度確定定位對象成礦的可能性，并圈定出有利成礦的遠景區(qū)，用來解決礦產資源定位的問題。

設m代表的是分布區(qū)域內地質變量的個數，并對定位單元n進行賦值，形成Xm×n矩陣。通過X計算分布區(qū)域內各個變量的權，由變量權的大小得到分布區(qū)域內成礦的有利度。

Xm×n矩陣中的每一列都屬于一個變量，rij表示的是第j個變量和第i個變量對應元素乘積的和，計算公式如下：

(1)

由分布區(qū)域的變量權，可以得到成礦的有利度，計算公式如下：

yi=a1xi1+a2xi2+…+amxim

(2)

式中，yi代表的是聯(lián)系度或關聯(lián)度，是分布區(qū)域內第i個單元在m個變量上的值，yi是用來表示分布區(qū)域內礦化信息的綜合指標，對yi進行研究可以確定分布區(qū)域內成礦數值的范圍，形成找礦的標準，確定分布區(qū)域內有利成礦的遠景地段分布。

5 實驗結果分析

為了驗證基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)的性能，分別對系統(tǒng)的比特率，系統(tǒng)能耗，定位精度及定位密度四項指標進行實驗，采用500 G硬盤，USB 3.0驅動機箱，Windows 7.0系統(tǒng)，Intel i5 3240CPU，雙熱管AVC凌雪SP01散熱器等，對基于GIS的定位系統(tǒng)性能進行驗證。實驗描述如下：

通過對比系統(tǒng)的比特率，驗證基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)的性能，比特率指的是系統(tǒng)每秒傳送的比特數，比特率越高，系統(tǒng)傳送數據的速度越快。分別采用改進定位系統(tǒng)和文獻[5]定位系統(tǒng)、文獻[6]定位系統(tǒng)進行測試，對比結果如圖5所示。

分析圖5(a)可知，改進定位系統(tǒng)的視頻比特率最高達到3 000 bps，最低為1 500 bps，頻譜密集波動快。分析圖5(b)可知文獻[5]定位系統(tǒng)的視頻比特率最高達到2 700 bps，最低為1 400 bps，頻譜較為密集波動慢。分析圖5(c)可知文獻[6]定位系統(tǒng)的視頻比特率最高達到2 400 bps，最低為1 300 bps，頻譜稀疏波動遲緩。對比圖5(a)、(b)、(c)可知，改進定位系統(tǒng)的比特率最高值和最低值均高于文獻[5]定位系統(tǒng)和文獻[6]定位系統(tǒng)的比特率，且該進定位系統(tǒng)頻譜最密集波動最高，即單位比特率越高，系統(tǒng)的數據傳輸速度越快，通過測試可知，改進定位系統(tǒng)的數據傳輸速度快，可用性較高。

通過對比改進定位系統(tǒng)和傳統(tǒng)定位系統(tǒng)運行能耗情況，驗證基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)性能。將一個礦產資源分布區(qū)域定位過程分為4個上傳周期，依據節(jié)點定位模塊對系統(tǒng)運行能耗的處理，得出以下實驗結果，如圖6所示。

圖6 兩種定位系統(tǒng)運行能耗對比結果

觀察圖6可知，使用傳統(tǒng)定位系統(tǒng)進行定位，系統(tǒng)運行能耗的起始損耗達到23 W,當試驗時間達到100 min時，能耗為47 W，且隨時間大幅度增長，其運行能耗較大。使用改進定位系統(tǒng)進行定位，系統(tǒng)運行能耗起始損耗僅有15 W，當實驗時間到100 min時，能耗只有20 W，遠遠小于傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的運行能耗。且由圖6可看出，改進定位系統(tǒng)的能耗曲線雖然持續(xù)上升，但相比傳統(tǒng)定位系統(tǒng)，上升幅度緩慢，充分說明改進定位系統(tǒng)的運行能耗低。

為了進一步驗證基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)性能，采用改進定位系統(tǒng)和傳統(tǒng)定位系統(tǒng)對從東經95°，北緯33°到東經97°，北緯35°區(qū)域進行定位測試，三角形代表實際定位點，測試結果如圖7所示。

圖7 兩種定位系統(tǒng)的定位結果

觀察圖7(a)，圖7(b)可知，兩個系統(tǒng)均進行四次定位實驗，獲得4個定位點。使用改進定位系統(tǒng)定位，前3個點位點距離實際定位點近，雖然第四個定位點稍有偏離，但總體定位較為準確，坐標偏離度低。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)對礦產資源區(qū)域進行定位時，4個定位點距離實際定位點遠，且定位坐標分散，即定位準確性低，坐標偏離度高。實驗結果表明，使用改進定位系統(tǒng)定位準確度要遠遠高于傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的定位準確度，充分說明基于GIS礦產資源分布區(qū)域定位系統(tǒng)的定位精度高。

對比改進定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)在同一分布區(qū)域進行定位密度的測試，測試結果如圖8所示。

圖8 兩種定位系統(tǒng)的定位密度

對比圖8(a)和圖8(b)可知，對同一分布區(qū)域進行定位時，改進定位系統(tǒng)的定位點較多且分布緊湊，定位密度較大，傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的定位點較少，且分布較為零散，定位密度較小。由此充分說明，改進定位系統(tǒng)使用GIS對礦區(qū)進行定位，定位密度大、精度高。

6 結論

實驗結果表明，該系統(tǒng)比特率最高達3 000 bps，最低為1 500 bps，其數據傳輸速度快，運行能耗低，在同一分布區(qū)域內定位密度大，且定位精度高。使用該系統(tǒng)對礦產資源分布區(qū)域定位，充分滿足分布區(qū)域定位的需要，具有較好的實用性和創(chuàng)新性。

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