全国矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统框架研究

宋相龙， 肖克炎， 李　楠， 席伟杰

(中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037)

全国矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统框架研究

宋相龙， 肖克炎， 李楠， 席伟杰

(中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037)

摘要：基于对全国矿产资源潜力评价成果的分析研究，借助先进的计算机信息技术，提出了一套矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统框架。采用瓦片金字塔模型实现成果数据与地形数据复合三维可视化，并完成数据的查询检索及分析功能，最终形成矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统，定位于满足用户对矿产资源潜力评价资料性成果数据的存储、浏览、检索、科学计算、三维虚拟可视化、输出、动态更新等需求。为地质工作者提供可视化的区域矿产资源评价信息共享与服务。

关键词：资源潜力评价；系统框架；三维可视化；动态更新

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.389

中图分类号：P628+.5

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)03-0389-06

收稿日期：2015-06-23；修回日期：2015-08-11；编辑：侯鹏飞

基金项目：中国地质调查局地质矿产调查评价专项“全国重要矿种成矿区划部署研究”(12120114051501)

作者简介：宋相龙(1989—)，男，博士研究生，地球探测与信息技术专业，E-mail：slong17@sina.com

0引言

随着计算机信息技术的快速发展，基于多元信息和信息综合技术的矿产资源定量评价与成矿预测，已成为矿产资源勘查领域的发展趋势和信息化找矿的重要途径之一(成秋明等，2007；安力立等，2012；李建国等，2013)。尤其是近年来GIS技术的快速发展，大量多元地学信息的数字化，以及传统统计学、证据权重法、最小二乘模型法等数学方法在地学领域得到了广泛应用，有效促进了矿产资源预测评价工作的开展(王世称等，1989；朱裕生等，1997；肖克炎等，2007)。

近20年来，美国地质调查局实施了包括美国本土金属、石油等多项矿产资源评价计划，首次在当时的认识水平上全面系统地评价了美国境内地下未发现资源的潜力。据此，美国地质调查局全面介绍了第一次全美矿产资源评价成果。20世纪初，美国地质调查局使用统一的“三步式”评价方法、标准的评价模型，对未发现资源进行了评价(肖克炎等，2006)。

1979—1985年，我国原地质矿产部在全国开展了成矿远景区划工作，这是首次在全国范围内统一规划、统一标准实施的跨省(区)、以成矿带为目标区的成矿远景预测工作，即第一轮区划。1992—1996年，我国又开展了第二轮固体矿产资源潜力评价工作，该工作以地质找矿为中心，把实现地质找矿重大突破作为基本目标，对重要成矿区带进行了深入的潜力评价工作。目前，为了国家矿产资源宏观战略需要，完成了全国25种重要矿种的资源潜力评价工作，取得了大量的研究成果。

1资源潜力评价数据模型及数据基础

全国矿产资源潜力评价成果数据包括煤炭、铀、铁、铜、铝、铅、锌、锰、镍、钨、锡、钾、金、铬、钼、锑、稀土、银、硼、锂、磷、硫、萤石、菱镁矿、重晶石25种重要矿产，包括成矿地质背景研究、成矿规律研究、矿产预测研究以及重力资料应用、磁测资料应用、化探资料应用、遥感资料应用、自然重砂资料应用，以及化工矿产资源潜力评价、铀矿资源潜力评价、煤炭资源潜力评价等数据。

全国矿产资源潜力评价专项研究成果数据在计算机中的保存格式包括文档、图件、图片等。面对如此复杂的数据，需要建立合理的元数据库，主要采用逐级抽象的方法，建立全国矿产资源潜力评价成果数据库的层级模型(左群超等，2012，2013)。上元层级模型定义或描述次元级模型，次元级模型是上元级模型的实例化。从空间上分为3个层次：省区级(省区级包括全省范围、预测工作区、典型矿床研究区3级)、大区级(或地区)和全国级。专业上所涵盖的领域包括成矿地质背景研究、成矿规律研究、矿产预测研究以及重力资料应用、磁测资料应用、化探资料应用、遥感资料应用、自然重砂资料应用等。

2基于空间数据库的矿产资源评价数据系统

建立矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统的核心技术包括空间数据库，海量矢量数据、栅格与非空间数据的管理，以及为地质矿产工作提供相关查询、分析及演示等功能。其中空间数据库是系统建设的核心，它指的是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质上。

由于传统的关系数据库在空间数据的表示、存储、管理、检索上存在许多缺陷，因此形成了空间数据库这一研究领域。空间数据库具备将空间数据与属性数据动态链接和一体化管理的功能，并且其存储有空间拓扑结构和位置关系(杨红卫，2005；刘福魁等，2013)，所以较之传统数据库，空间数据库在数据存储机制、数据组织结构和数据访问方式等方面有许多不同之处，且更加复杂。

空间数据库的特点包括：(1) 空间数据所包含的数据量庞大。空间数据库面向的是地理学及其相关对象，而在客观世界中它们所涉及的往往都是地球表面信息、地质信息、大气信息等极其复杂的现象和信息，所以描述这些信息的数据容量很大，通常达到TB级；(2) 空间数据模型复杂，其存储的不是单一性质的数据，而是涵盖了几乎所有与地理相关的数据类型，这些数据类型主要可以分为3类：属性数据、图形图像数据、空间关系数据；(3) 空间数据联合管理。空间实体的属性数据和空间数据可随时间而发生相应变化。空间数据的数据项长度可变，包含1个或多个对象，需要嵌套记录。具有空间多尺度性和时间多尺度性；(4) 空间数据库对可访问性要求较高。空间信息系统要求具有强大的信息检索和分析能力，该系统建立在空间数据库基础之上，需要高效访问大量数据。

3矿产资源评价数据的管理模式

目前，空间数据的管理模式大概可以总结为以下4种。

3.1　文件管理模式

图形数据和属性数据都是通过一定格式的文件进行存储，图形要素与属性记录之间通过相关联字段进行关联。在这种管理模式下，用户可以定义自己的文件格式，管理各种数据，较为灵活。其缺点是管理效率和信息利用率会受到很大的限制，同时也不便于更新。

3.2　文件-数据库管理模式

由于空间数据的非结构化、不定长等特点，此种管理模式下图形数据同样采用文件方式进行管理，而属性数据则借助于关系数据库进行管理，一些GIS软件都采用此种管理模式。这种管理模式可以克服属性数据库管理中遇到的效率、共享及安全性等问题，但还是无法解决文件结构性数据模型的缺陷。

3.3　全关系型数据库管理模式

在这种数据库管理模式下，图形数据和属性数据均采用现有的关系数据库进行管理。其中空间坐标数据被数据库以二进制数据块的形式存储，即空间坐标数据被集成到关系数据库中形成空间数据库。此种空间数据库还可以提供一致的访问接口，同时支持并发访问、安全控制等。不过由于空间数据的不定长特点，会造成存储效率低下。

3.4　面向对象的数据库管理模式

此种管理模式是数据库技术与面向对象程序相结合的产物，面向对象数据库既面向对象系统也具有数据库能力，与关系型数据库相比，面向对象数据库很好地吸收了面向对象程序设计语言的思想，如支持类、方法、集成等概念。这种数据库管理模式提供对于各种数据的访问接口，不仅实现数据共享，同时对空间模型服务也可以共享(图1)。

图1　面向对象数据库管理模式Fig.1　Management model of object-orientated database

4矿产资源潜力评价共享系统框架分析

系统以全国矿产资源潜力评价成果数据为基础，实现用户对潜力评价数据的三维可视化、查询检索、统计分析、图形输出等功能及功能组合的需求。系统的特色是矿产资源预测评价与三维可视化技术，查询检索分析是其核心功能。总体功能设计如图2所示。

图2　系统总体功能设计图Fig.2　Diagram showing overall function design of the system

4.1　系统三维可视化分析与实现

系统使用瓦片金字塔模型实现三维可视化。瓦片金字塔模型是一种多分辨率层次模型(图3a)。地形场景绘制时，在保证显示精度的前提下，为提高显示速度，不同区域通常需要不同分辨率的数字高程模型数据和纹理影像数据。数字高程模型金字塔和影像金字塔则可以直接提供这些数据而无需进行实时重采样。尽管金字塔模型增加了数据的存储空间，但能够减少完成地形绘制所需的总机时。分块的瓦片金塔模型还能够进一步减少数据访问量，提高系统的输入输出执行效率，从而提升系统的整体性能(殷福忠等，2010；霍亮等，2012)。

图3　海量栅格数据管理示意图Fig.3　Sketch showing management of massive raster data(a) sketch of a tile pyramid; (b) adjacent relationship among tiles; (c) tile scheduling

瓦片拓扑关系包括同一层内邻接关系和上下层之间的“双亲”与“孩子”关系2个方面(图3b)。邻接关系分别为东(E)、西(W)、南(S)、北(N) 4个邻接瓦片，与下层4个“孩子”的关系分别为西南(SW)、东南(SE)、西北(NW)、东北(NE) 4个“孩子”瓦片，与上层“双亲”的关系是1个双亲瓦片(图2c)。在海量栅格地形图层的基础上，基于上述过程建立实现与全国矿产资源潜力评价成果数据的复合显示功能，提高系统的三维可视化效果。在实际软件开发中，应用曲面快速网格化技术，将潜力评价成果图件由二维数据转换为三维曲面(图4、图5)。

图4　金字塔模型地形图与成果图件的真三维显示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

图5　潜力评价成果数据与地形图复合显示Fig.5　Composite display of potential evaluation data and terrain map

4.2　系统数据查询检索功能分析

查询检索分析功能主要包括按照行政区划检索、矿种检索、预测工作区检索、最小预测区检索、标准图幅检索、用户自定义检索等。数据查询检索分析是系统的核心功能，系统用户界面初步设计如下(图6)。

图6　系统用户界面Fig.6　User interface of the system

(1) 矿种检索。以省为单位查询省内重要矿种、成矿地质背景、成矿规律、重力、磁测、化探、自然重砂、遥感和其他矢量图件；(2) 行政区划矿种检索。主要针对25个重要矿种，按照全国、片区和省级行政区划展示；(3) 八大专题检索。主要针对25个重要矿种，可以逐一或者组合检索其分布情况、成矿地质背景、成矿规律、重力、磁测、化探、自然重砂、遥感等信息；(4) 预测成果检索。主要针对25个重要矿种，检索预测工作区及其包含的最小预测区；(5) 典型矿床检索。主要针对25个重要矿种，经省级行政区划，检索典型矿床；(6) 矿产预测方法类型检索。主要针对25个重要矿种，检索6种矿产预测方法类型，例如层控内生型等；(7) 用户自定义查询。主要包括有按照标准图幅比例尺检索、某类预测要素检索、交互式检索。

4.3　系统数据更新管理功能分析

数据更新管理功能主要是开发基于网络的成果数据动态更新功能。系统数据更新前需要进行入库数据合法性检查，主要包括重叠地物检查、空间逻辑检查、面闭合性检查、自相交检查、编码合法性检查、属性项检查、图幅间接边、工作区接边的检查等。检查后的数据通过空间数据引擎可进行入库操作,包括数据库登录、链接，确定数据入库、更新范围，执行数据更新检测入库等。入库操作完成后, 显示检测冲突记录,检查入库中是否有错误, 并将错误返回修改。技术路线如图7。

图7　动态更新技术流程图Fig.7　Flowchart of dynamic update technology

5结论

提出了全国矿产资源潜力评价成果数据共享服务系统框架，简要阐述了数据库系统的工作重心是建立成果数据库，应用程序开发核心是查询检索及动态更新功能，系统的特色是三维虚拟现实与矿产资源评价功能的集成。

(1) 建立矿产资源潜力评价的基础空间数据库，应用三维可视化技术发布全国矿产资源潜力评价成果，将地理数据进行真三维显示。在此基础上，实现潜力评价成果图件的三维可视化与查询分析功能。

(2) 以全国矿产资源潜力评价成果数据为基础，集成MRAS矿产资源评价软件定位、定量区域预测评价功能，提供基于三维可视化技术的区域矿产资源评价功能。

(3) 随着矿产资源潜力评价工作的持续开展，新的研究成果将不断涌现，通过计算机广域网，实现潜力评价的最新成果及时更新与共享服务。

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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