基于GIS的能源矿产资源评价体系及应用研究

■ 杜培军/刘 伟/李永峰/谭 琨/孙亚琴

（1.中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116;2.南京大学地理信息科学系,江苏 南京 210093;3.徐州师范大学测绘学院,江苏 徐州 221116）

0 引言

随着计算机技术、空间信息技术的迅猛发展和广泛应用，矿产资源预测评价逐渐走向数字化、信息化和智能化[1-4]。地理信息系统（Geographic Information System, GIS)是近年发展起来的空间信息技术的核心，可以应用于矿产评价工作的各个环节，如数据采集与整理、空间数据处理、空间分析、信息决策和信息输出等方面。以GIS 技术为主要平台，开发矿产资源评价系统正成为矿产资源评价与预测的主要趋势。随着我国工业化进程的加快，国家对矿产资源的需求量日益激增，而我国大批大中型矿山资源危机越来越严重，找矿难度也越来越大。因此，基于GIS 的矿产资源评价正成为部署勘查工作、优化资源开发常用的技术手段。目前，在矿产资源GIS评价系统与模型研究方面，已有了部分成果，显现了GIS的技术优势和应用潜力[1-9]。本文基于软件工程思想，以MapGIS K9作为软件开发平台，系统探讨基于GIS 的矿产资源评价系统的基本思想和技术设计，在此基础上通过一个实例对系统应用进行了初步分析。

1 基于GIS的矿产资源评价体系框架构建

矿产资源总体规划中的一个重要部分就是能源矿产资源规划。利用以GIS为代表的现代空间信息技术，通过构建不同评价尺度的评价模型，对能源矿产资源进行多层次、全方位的评价，可以保证能源矿产资源评价与规划的合理性和可行性。

1.1 系统总体结构

根据所面向运行环境的不同，系统包括三个独立的应用子系统：数据集成应用系统、矿产资源综合评价分析应用系统和系统管理应用系统。

其中，系统管理应用系统为保障其它二个系统正常安全运行提供应用功能。

数据集成应用系统的功能：矿产资源基础数据的格式转换、坐标校正、数据质量检查、导入导出、数据集成（分区数据、分矿带集成)、批量统计等。

矿产资源综合评价分析应用系统的功能：矿产资源基础数据和工作数据的评价分析、空间分析、统计分析、专题图制作等。

系统管理应用系统的功能：用户管理、数据安全管理、评价模型元数据管理、系统维护等。

1.1.1 数据集成应用系统

数据集成主要面向数据管理人员，实现面向数据入库、数据导出、数据质量检查以及数据批量处理等功能，其主要目的是数据的预处理及集成数据的管理。

数据集成子系统需包含数据检查（包括矿区、分省数据检查和全国汇总数据检查)、数据导入导出、数据预处理、专题制图等批量数据处理功能模块。具体模块结构如图1所示。

1.1.2 矿产资源综合评价分析应用系统

矿产资源综合评价分析应用主要面向分析评价人员，主要实现面向用户感兴趣的数据的查询、分析、评价等操作，其主要目的是针对各项评价指标，设定适合的评价标准和评价分析方法。根据对系统需求分析的理解和进一步分析，综合评价分析应用系统需包含面向单因子/多因子的空间分析、统计分析、综合评价分析、时空区划分析及图表、专题制图和基本的空间选择、属性查询、数据加载、本地工作数据及临时数据管理等功能模块。具体模块结构如图2所示。

1.1.3 系统管理应用系统

系统管理应用系统是为了保证其它两个子系统正常、安全、高效地运行而开发的，包括用户与角色管理、数据标准管理、系统配置管理和日志管理四部分功能，具体如图3所示。

1.2 数据库设计

系统采用“数据库管理系统(Orcale 10)+ 空间数据库引擎(SDE)”的模式来设计数据库、组织系统数据，即采用SDE技术提供的MultiUser数据库模型来组织复杂的空间数据，用二维关系型表格组织空间以及非空间数据，统一存储在商业数据库Orcale 10中，通过内部关联码来关联这两种数据，建立一个开放的、灵活的数据库。

矿产资源综合评价数据库中的数据包括矿产资源基础数据和辅助数据两大类。矿产资源基础数据是数据库的主体，包括：

☆矿产资源本底数据：包括地质、地球物理、地球化学和遥感等多源地学数据。

☆矿产资源工作数据：为支持矿产资源数据的查询检索、空间分析以及统计分析等操作，通过对矿产资源基础数据预处理而生成的一批工作数据。

☆矿产资源评价数据：参照矿产资源评价给定的矿产资源评价标准，用给定的评价模型对矿产资源工作数据进行评价分析生成的结果和信息。

☆成果数据：包括中间成果数据、专题成果数据以及最终发布的成果数据；

☆辅助数据则为矿产资源数据显示、查询和分析应用以及专题制图提供必要的支持，主要包括：

☆地理背景信息：1：400万、1：100万、1：25万等基础地理数据，以及各地理单元边界图等；

☆元数据：除了记录数据的基本描述信息外，还包括字段编码、评价标准等数据字典内容。数据字典是系统中各类数据描述的集合，是数据库能不断进行拓展以适应新的需求的重要保证，它描述了数据库结构、数据属性与组成信息、存储位置和检索路径等信息，是数据库设计的重要内容之一。

矿产资源评价数据库关系流程如图4所示。

1.3 评价模型设计

矿产资源评价模型有多种，如神经网络、模糊数学、灰色聚类等。限于篇幅，本文介绍一种常用的矿产资源综合评价模型——模糊层次综合评价模型。

由于影响矿产资源评价的指标很多，评价指标与评价等级之间的关系又很模糊，可用模糊数学方法，在单因素模糊评价的基础上，进行区域总体矿产资源模糊综合评价，其中对于评价指标权重的确定可以应用层次分析模型，从总体上对评价指标进行模糊层次综合评价。

模糊综合评价模型包括设定对象集（指标集)、评语集，确定隶属度函数、指标权重等，具体的数学过程可参考文献[10]，评价流程如图5所示。

2 应用实例

基于GIS 的矿产资源评价系统的主要任务是在对研究区内的资料进行充分研究的基础上，确定合适的数据源、建立合理有效的GIS 数据库、单个空间关系的确定和量化及多个空间关系的集成。通常可将基于GIS的矿产资源评价划分为以下几个步骤：①收集研究区内与评价有关的地质、地下岩性和构造、地球化学及重要地球物理和遥感资料。如有可能，补充收集资料，以此进行综合研究和确定评价指标，进行数据预处理，构建数据库；②建立矿产资源评价的单因子/综合评价模型，如层次分析法、模糊数学、灰色聚类、模糊层次综合分析法等；③根据所建立的模型利用GIS 技术对多源地学信息进行分析处理，或通过空间综合分析评价，确定矿产资源评价的结果；④对上一步的处理结果，进行各种渲染分析，出各种专题地图。

以煤炭资源开发和利用的空间分布情况为例，将各省市煤炭调入/出数据、各省市GDP数据经过数据检查后加载系统，以中国行政区划数据为地理底图（1：400万)，根据各省市GDP数据生成中国区域经济发展专题图层，再根据各省市的煤炭调入/出数据生成中国煤炭资源流向专题图层，两图层叠加后生成中国煤炭资源流向与GDP变化趋势专题图（如图6所示，其中，煤炭调入/出数据来源于《中国煤炭资源网》，各省市GDP数据来自于《中国统计年鉴》)。可以看出，经济发达的地方，煤炭资源的调入量普遍较高，而传统煤炭生产大省虽然经济欠发达，但却是主要的煤炭资源调出区，充分体现了我国煤炭资源供需不平衡的现状，在宏观矿产资源评价与规划中需要充分考虑这些空间分布与格局信息。

进一步从图中可以看出，我国各省市煤炭调入总量从高到低在空间上呈现自东部往西部逐渐过渡的特点，与我国东、中、西三大地带经济梯度表现出了很好的相关性，煤炭调入总量高的区域多集中在江苏、浙江、山东、广州等经济发达的沿海省份和京津塘等经济发达的地区。一些重要的国家能源输送战略如北煤南运、西气东输、西电东送等，都反映了中国能源流向的特征和能源运输的基本格局。

3 结论

对于传统的矿产资源评价工作，一直存在对矿产资源数据的时空性、多样性和庞杂性的把握等问题，从而致使评价工作量大、效率低。GIS 技术强大的空间数据管理与空间分析建模功能使其迅速成为矿产资源评价中强有力的工具。本文以GIS 技术为支撑，设计了基于GIS 技术的矿产资源评价系统，分析了系统建设的框架设计和功能模块设计，探讨了系统数据库以及评价模型的设计方案；最后给出了一个具体的应用实例，验证系统设计的可行性。今后将围绕系统的开发完善、典型应用重点攻关，并充分应用GIS空间分析、时空建模、矿产资源评价等方面的新技术、新方法和新模型，构建一个先进、实用的技术系统。

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[3]肖克炎,李景朝,陈郑辉，等.中国铜矿床品位吨位模型[J].地质论评.2001,50(1):50-56.

[4]叶天竺,肖克炎,严光生.矿床模型综合地质信息预测技术研究[J].地学前缘,2007,14(5):11-19.

[5]王世称,陈永良,夏立显.综合信息矿产预测理论与方法[M].北京: 科学出版社.2000.

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