基于三维GIS的济南市矿山地质环境航测调查管理系统设计与实现

李浩

(山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

基于三维GIS的济南市矿山地质环境航测调查管理系统设计与实现

李浩

(山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

随着矿产资源大规模的开发利用，加剧了地质环境的不断恶化，矿山地质环境保护迫在眉睫，传统的矿山地质环境调查技术已经显得乏力。该文以济南市矿山地质环境航测调查为例，提出了基于三维GIS的矿山地质环境调查方法，利用三维GIS的高性能空间数据引擎、直观的可视化技术和强大的空间分析能力，整合济南市高分辨率的航空影像数据、DEM数据、倾斜摄影数据和历年的监测图斑数据，重建航测调查区真实的三维地貌。结合矿山开采信息，进行航测调查区矿山开采现状图斑的提取及拓扑处理，查明矿山地质环境破坏、地质灾害隐患情况，有效监测矿山地质环境，加强重点矿山开采区的监测与管理，推动济南市矿山地质环境保护工作。

三维地理信息系统；倾斜摄影；数字高程模型；空间分析；矿山地质环境；动态监测；济南市

0 引言

济南市位于山东省中部，南依泰山，北跨黄河，地处鲁中低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，地形南高北低，变化显著。截至2016年底，全市已发现矿产45种(含亚矿种)，矿产地296处，能源矿产5种，金属矿产10种，非金属矿产28种，水气矿产2种，其中，全国重要矿产有煤、铁、铜、地热、矿泉水、石油、天然气等13种。济南市虽然矿产资源丰富，但矿山企业规模化、集约化水平较低，尤其是建筑用石料等矿产，大矿小开、一矿多开等问题较为突出；资源利用率较低，破坏浪费资源的现象比较严重；矿山地质环境问题较突出，采矿造成的土地、植被、山体破坏和水、土污染比较严重，地面塌陷、滑坡、泥(渣)石流等次生地质灾害时有发生，矿山环境恢复治理力度需进一步加强；资源管理工作有待完善，矿山企业破坏浪费矿产资源缺乏强有力的法律制约手段，矿政管理技术力量薄弱，缺乏专业技术人员，难以适应矿产开发监督管理工作的需要[1-2]。

依据国土资源部2014年4月29日发布，7月1日起施行的《地质环境监测管理办法》，如何有效监测矿山地质环境，特别是加强重点矿山开采区的监测管理，是济南市国土资源管理部门亟待解决的问题。2015年8月，济南市国土资源局启动了济南矿山地质环境航测调查工作。基于三维GIS的高性能空间数据引擎、直观的可视化技术和强大的空间分析能力[3-5]，结合SWDC-5倾斜摄影测量技术，获取济南地表矿山重点航测调查区航空正射影像、数字高程模型及实景三维成果，进行航测调查区矿山开采现状图斑的提取及拓扑处理，查明矿山地质环境破坏、地质灾害隐患情况，有效的监测矿山地质环境，特别是加强重点矿山开采区的监测与管理，推动济南市矿山地质环境保护工作[6-7]。

1 总体设计

济南市矿山地质环境航测调查系统以技术服务与支持体系和法律法规安全保障体系为基础，分为支撑体系、数据中心、业务系统层和用户层4个层次(图1)。

图1 总体框架图

1.1 支撑体系

在网络层上，依托国土资源内网支撑系统运行，同时建设基础软硬件环境，包括服务器、防火墙、数据库和GIS软件等。

1.2 数据中心

系统集成历年航测调查数据库、三维场景数据库和地质灾害隐患数据库，依托数据库管理和GIS技术，按照统一的标准，建立矿山地质环境数据库的组织、管理、维护和更新体系。

1.3 业务系统层

系统通过国土资源内网实现信息共享，满足济南市国土资源局对辖区内矿山管理的需求，主要由资源浏览模块、查询检索模块、决策分析模块和统计分析模块组成。

1.4 用户层

系统主要服务于国土资源管理部门，包括技术支持单位和济南市国土资源局，技术支持单位通过技术手段实现信息的获取、数据处理及入库和系统功能开发，为济南市国土资源局查明矿山地质环境破坏、地质灾害隐患等情况提供了科学的管理模式，推动济南市矿山地质环境保护工作。

2 技术路线

采用运-5B飞机，配备SWDC-5倾斜相机，获取矿山重点航测调查区航空影像，经过像控测量、空三加密，进行重点航测调查区DEM的制作[8-10]，然后经过影像几何纠正、镶嵌、匀光匀色、裁剪，制作重点航测调查区DOM，并利用倾斜摄影测量技术进行重点航测调查区三维地貌真实重建，一般调查区采用2016年初卫星影像进行解译(图2)[11-14]。

图2 技术路线图

通过影像解译，结合历史矿山开采信息，进行矿山地质环境调查区2008，2014，2015年矿山开采现状图斑提取及拓扑处理，并进行2015年矿山信息地面调查，查明矿山地质环境破坏、地质灾害隐患等情况，制作2015年矿山地质环境航测调查数据库、破损和地质灾害隐患情况数据库，最后在Skyline平台下进行数据融合和属性挂接[15-17]，进行航测调查信息管理系统建设。

项目采用B/S架构，基于JavaScript和Skyline进行系统开发，数据库采用Oracle软件进行建库，系统开发运行环境如表1所示。

3 数据库设计

3.1 数据库环境设计

(1)空间坐标参考：采用2000国家大地坐标系(CGCS2000)，高斯-克吕格投影，3°分带，1985国家高程基准，DEM，DOM分幅与编号按GB/T 13989-2012执行。

(2)数据库软件设计：矢量数据格式统一要求为SHP文件，数据共享采用符合OGC标准的WMS和WFS服务，统一采用Oracle + ArcSDE中进行存储管理。

表1 系统环境

3.2 航测调查数据库

通过获取的矿山地质环境调查区影像数据，结合历史矿山开采图斑资料，建立监测图斑数据库，包括2015年监测图斑数据库、2014年监测图斑数据库、2008年监测图斑数据库、2014—2015矿山变化监测解译数据库和2008—2014矿山变化监测解译数据库，具体情况如表2所示：

表2 历年调查成果(个m2)

3.3 三维场景数据库

(1)DOM数据库：2008年全市0.3m分辨率的DMC影像，2014年全市0.5m分辨率的卫星影像，2015年重点调查区的0.1m分辨率的航空影像，2016年全市非重点调查区的0.5m分辨率的卫星影像。

(2)DEM数据库：2006年—2010年山东省国土资源厅组织完成了全省“十一五”1∶1万基础测绘地理信息数据库中的5m格网的数字高程模型，2015年重点调查区的0.6m格网1∶1000数字高程模型。

(3)倾斜摄影模型数据库：9大重点调查区865km2的倾斜摄影数据。

3.4 地质灾害隐患数据库

主要从崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等方面，对济南市地质灾害进行调查，具体情况如表3所示。

4 功能设计与实现

济南市矿山地质环境航测调查管理系统采用B/S架构，基于JavaScript和Skyline进行系统开发，把传统的矿山信息二维展现和管理模式转变成更加直观的三维展现和管理模式，将实景三维、DOM，DEM、属性信息等数据纳入一张图，便于矿山地质环境数据的维护更新。根据系统设计目标和用户需求，航测调查管理系统有四大功能模块组成：资源浏览模块、查询检索模块、决策分析模块和统计分析模块。系统主要通过国土资源内网实现信息共享，满足济南市国土资源局对辖区内矿山管理的需求。

表3 地质灾害调查内容与要求

4.1 资源浏览模块

基于全市DOM、DEM、倾斜摄影、监测图斑和地质灾害隐患等数据，实现资源的快速浏览，通过JavaScript调用Skyline的API开发了地图操作、水平距离量算、垂直距离量算、空间距离量算、面积量算、图层管理、打印输出、快速定位等功能。

4.2 查询检索模块

整合全市的兴趣点(POI)信息、历年的监测图斑信息和地质灾害隐患点信息等，通过Web Service接口和XML交换数据格式实现了地名查询、专题查询、专题属性编辑和附件展示等功能。

(1)地名查询：用户可以输入济南市的单位名称、小区名称、旅游景点、商场、酒店等POI信息进行模糊查询，例如用户输入“龙奥大厦”，结果列表中就出现了带有“龙奥大厦”关键词的地名，单击查询结果进行定位。

(2)专题查询：用户通过设置图斑编号、所在县市、所属乡镇、地址、开采主矿种、开采方式、开采现状等条件，查询符合条件的历年的监测图斑信息和地质灾害隐患点信息，查询结果列表以分页形式显示，点击结果列表进行图斑定位，并能够显示图斑的详细信息(图3)。

图3 详细信息

(3)核查属性信息：图斑的登记情况、许可证号、地址、开采主矿种、开采方式、开采现状、治理情况、备注等详细信息，根据核查情况如果有误或者不全，需要修改和补充的，可以通过编辑页面进行修改，修改之后保存更新监测图斑数据库。

(4)现场核查：系统集成了历年监测图斑的基本信息，以及监测图斑外业核查信息主要包括现场拍摄的多角度带有位置的照片和根据矿山破坏情况制定的综合治理方案等信息。

4.3 决策分析模块

基于三维GIS的高性能空间数据引擎、直观的可视化技术和强大的空间分析能力，调用Skyline二次开发接口实现了飞行路线、地图标绘和空间分析等。

(1)飞行路线：用户只需要在场景中设置路线、飞行速度、航高等参数，就能利用动态对象实现第一人称或者第三人称的飞行模拟，完成对矿山周边环境从宏观到微观的准确掌握。

(2)地图标绘：实现了以点、线、面的形式在地图上进行标注，同时能够添加说明信息。

(3)空间分析：主要实现了剖面分析、淹没分析、挖填方分析、阴影分析、通视分析和动态视域分析等。例如剖面分析，在矿山附近选择两点进行剖面分析，生成的坡度图(图4)，在结果曲线上可以查询到每一点的高程及坡度信息，可以概括研究区域的地势、地质和水文特征，包括区域内的地貌形态、轮廓形状、绝对与相对高度、地质构造、斜坡特征、地表切割强度和侵蚀因素等。

图4 剖面分析

4.4 统计分析模块

针对2015年监测图斑、2014年监测图斑、2008年监测图斑、2014—2015年监测图斑和2008—2014年监测图斑，通过Highcharts技术可以按照统计区域、治理情况、开采现状、面积大小来统计监测图斑在各个区域的面积分布或者个数分布，以柱状图或饼状图的形式展示，结果可以图表或者图片的形式导出(图5)。

图5 监测图斑分布情况

5 结论

(1)针对济南市矿山地质环境管理工作的实际应用需求，首次提出了基于三维GIS的济南市矿山地质环境航测调查方法。

(2)利用倾斜摄影技术实现矿山地质环境重点航测调查区的高精度多视角影像及数字高程模型DEM获取，精度指标符合规范，满足矿山地质环境航测调查需求，并成功完成了2008，2014，2015年矿山地质环境解译、动态变化监测解译等工作，查明了矿山地质环境破坏、地质灾害隐患情况。

(3)利用三维GIS的高性能空间数据引擎、直观的可视化技术和强大的空间分析能力，建立了实景三维矿山地质环境管理系统，平台兼容性强，信息多元化，减轻了外业调查劳动强度，为矿山地质环境有效监测提供了先进手段，推进了济南市矿山地质环境的科学管理。

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DesignandImplementationofPhotogrammetryInvestigationSystemofMineEnvironmentBasedon3DGISinJinanCity

LI Hao

(Shandong Mapping and Surveying Institute of Land and Resources, Shandong Jinan 250102, China)

Accompanying with large scale development and utilization of mineral resources, geological environment has been becoming more and more worse. Geological environmental protection of mines is very urgent. But the traditional technology for surveying geological environment of mines has become weak. In this paper, setting geological survey of mines in Jinan city as an example, the method of geological environment investigation based on 3D GIS has been put forward. By using high-performance spatial data engine of 3D GIS technology, integrating intuitive visualization technology and powerful spatial analysis ability, the aerial image data, the DEM data, the tilted photographic data and the monitoring plots data over the years, real 3D geomorphology of the aerial survey area has been reconstructed. Combining with mining information, the extraction and topology processing of present condition of mineral exploration have been carried out, It will identify the condition of geological environment damage and geological hazards effectively, monitor geological environment of mines, strengthen the monitoring and management of key mining areas, and promote geological environment protection in Jinan city.

3D GIS; oblique photography; DEM; spatial analysis; dynamic monitoring; geological environmen of mines; Jinan city

2017-03-20；

2017-05-23；

曹丽丽

李浩(1984—)，男，河南驻马店人，工程师，主要从事地理信息系统开发和国土资源信息化建设； E-mail：15863162135@qq.com

P208

B

李浩.基于三维GIS的济南市矿山地质环境航测调查管理系统设计与实现[J].山东国土资源，2017,33(12)：60-64.LI Hao. Design and Implementation of Photogrammetry Investigation System of Mine Environment Based on 3D GIS in Jinan City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(12)：60-64.