基于三维GIS的山东省矿产资源网格化监管系统的关键技术研究

李浩

(山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

0 引言

矿产资源的开发，为全省经济的快速发展奠定了重要的物质基础。但随着山东省工业化、城市化进程的不断加快和矿产资源供需形势的变化，矿产资源开发利用还存在一些问题：监督管理力量薄弱，动态监管科技含量不高；非法违法开采问题严重，无证开采、越界开采时有发生，破坏浪费资源；矿产资源节约集约利用水平有待进一步提升，“三率”有待提高[1-4]。为了解决以上问题，自然资源部门急需建立监管体系。伍小玲[5]研究了基于现代信息技术的矿产资源监管体系建设，在广东省建立了省市县三级互联互通的监管体系。李德仁等[6]从地学格网的概念出发，提出了国土资源网格化管理与服务系统建设。该文充分利用地理信息系统、物联网、三维仿真、视频监控等技术手段，以全省矿业权数据为核心，集成接入露天开采区视频监管系统和地下采矿三维动态监管系统，结合全省基础地理信息，通过对矿山开采活动进行实时监控，面向省厅、市局和县局，建立高效的矿山违规开采行为的及时发现、快速核查和反馈机制，有效提高全省的矿产资源开采监管水平。该文以山东省矿产资源网格化监管系统为例进行说明。

1 总体架构

以矿山基础数据库为核心，集成人员定位数据、视频监控数据、实时产量数据、矿山三维模型数据(包括矿区地表三维模型、地下矿体模型、地下采空区模型、地下巷道模型、地下设备模型等)、遥感影像数据、DEM数据等，依托于GIS技术、物联网、三维仿真和视频监控等技术，按照统一的标准，建立全省矿产资源数据库的组织、管理、维护和更新体系，在线调用“一个平台，两个市场”的矿政管理数据和地理信息公共服务平台提供的地理信息服务，提供矿山动态监管、视频监控、产量监控等功能，实现以三维地图为主要表现形式的地理信息服务，构建网格化监管体系，见图1。

图1 总体架构图

(1)数据层：通过矿山企业提供的资料，建立了矿区地表三维模型、地下矿体模型、地下采空区模型、地下巷道模型、地下设备模型，集成了人员定位数据、视频监控数据、实时产量数据，在线调用“一个平台，两个市场”和山东省地理信息公共服务平台提供的遥感影像数据、DEM数据，实现了数据资源的互联互通。

(2)服务层：利用GIS、物联网、三维仿真、视频监控等技术，提供了矿山基础数据在线调用、矿山模型数据实时渲染、数据库高效运行、矿山视频在线查看等服务。

(3)应用层：主要包括门户网站、动态监管、视频监控、产量监控、违规事件监管、诚信监管、矿山注册和系统管理。

①门户网站，主要包括通知公告、工作进展、违规事件、矿山展示以及接入进度查询。

②动态监管，该文基于公开版30m格网高程模型数据和影像数据，建立全省范围的三维地理信息服务，整合全省矿山三维模型数据库，实现对全地下开采矿山的三维动态监管，提供基础信息、矿山查询、人员监控、预测预警、监测监控、统计分析、空间分析和图层管理等功能。

③视频监控，依托互联网环境，通过市级矿产资源监管系统集成全省露天矿山和地下开采矿山视频监控系统，为山东省自然资源厅提供统一的视频访问服务，要求可以查看实时视频和历史视频，可将相关视频信息在应急指挥大厅集中展示，达到及时、直观地了解矿山实际运行情况等。

④产量监控，网格化系统可根据各矿山产量监控数据，分析矿山实际产量是否与设计产量一致，是否存在超能力开采。系统可以按照时间统计矿山产量，以此为基础，可以汇总统计全省(市)某矿种总产量，掌握全省矿种产量变化情况，及时为矿山提供市场变化信息。

⑤违规事件监管，将动态监管子系统中自动识别的预测预警信息纳入违规事件监管子系统进行管理，建立了矿山开采违规事件的及时发现、快速核查和及时反馈的监管体制。

⑥诚信监管，系统将矿政管理部门确认为矿山开采存在违法违规行为的纳入矿山诚信监管体系，可记录矿山企业项目违规信息，查询统计违规事件和单位诚信信息等。

⑦矿山注册，按照“矿山—地市—省”模式分级进行。矿山系统建设完成后，由市国土资源局提交接入测试申请，省国土资源厅委托技术支撑单位进行测试，测试通过的，按照矿山企业提交矿山注册信息、市级矿政管理部门进行数据检查和初步审核，省级矿政管理部门进行最终审核的流程完成矿山注册。

⑧系统管理，提供权限管理、系统管理、门户网站和数据维护等功能。

2 关键技术

2.1 海量三维数据建模和高效运行技术

大规模三维场景数据量较大，传输和加载时占用大量带宽资源，且传输效率低。该文采用多层次动态加载技术，利用LOD及基于QEM(二次误差测度)的简化算法[7-9]，对矿山三维模型数据，根据包围盒计算某个模型对象的大小尺度及最大可视距离，并根据最大可视距离，按照模型及纹理精细程度分类进行多级压缩处理[10-11]，见图2。

在传输三维网格模型数据时，通过流式传输技术逐条传输三维网格模型细节，将压缩后的数据划分为若干数据块，以只传输所见区域的细节数据为原则，使得当前视野范围内的矿山三维模型信息通过动态层次加载，实现建筑物模型、纹理的渐进压缩和渐进传输。客户端加载时主要根据视点与模型的距离，加载不同精细程度的模型，可以边接收边渲染不用等待。使用该技术可以大大降低对计算机网络带宽的要求,并且使得不同分辨率模型之间切换更为平滑。

图2 海量三维数据建模和高效运行技术

2.2 智能矿山物联网感知信息集成技术

矿山实时感知数据主要包括人员实时位置数据，以及通过秤体实时计算出的每时每刻的产量数据。按照该文建设要求需要实时汇集存储这些数据，实现矿山原有人员定位系统和新增精确定位系统对接。这些数据典型特征是数量巨大但占用字节并不多，大小不超过200 Byte，然而全省矿山同时提交数据，使得每天的数据量达到上百万条。显然如此巨大数量的报文是不适合用传统的关系数据库进行存储的。因此该系统基于MongoDB架构，见图3，开发了数据汇集服务，较好地解决了海量实时数据的高并发存储瓶颈问题。MongoDB 是一个可扩展、高性能的数据库，它的主要特性有: 模式自由，支持动态查询、完全索引；面向文档存储，易存储对象类型的数据，包括文档内嵌对象及数组，支持二进制数据及大型对象(如照片和视频)；支持复制和故障恢复；支持水平的数据库集群，可动态添加服务器。MongoDB 适合实时的插入、更新与查询，并具备应用程序实时数据存储所需的复制及高度伸缩性。因此，矿山海量实时信息采用MongoDB作为文件级别的存储。数据管理系统由两部分组成: 一部分是运行在后台采用MongoDB集群的终端位置数据存储部分，由若干台数据库服务器组成; 另一部分是基于Webservice数据读写接口，响应各矿山终端数据查询与写入请求。将收集的各项数据进行分析、整理，并将数据信息进行合理的置换，将相关信息进行匹配，并对数据结果进行实时的检测与清理。设置统一的格式对私有信息进行处理，防止出现数据异构或者是互联的情况，保证数据的类型以及编码实现标准化[12-14]。

图3 MongoDB架构图

2.3 多源视频监控系统整合技术

目前矿山安装的动态监控摄像头是由多个生产厂家，包括宇视、海康、大华等生产，无法用一个视频插件看所有类型的摄像头。该文遵循GB/T28181-2011标准，联合厂商共同开发视频集成插件，建立了多源视频监控系统结构，统一进行解码，见图4。通过将视频码流、用户登录访问等数据所使用的不同端口封装为一个端口(即所有客户端与服务端之间的数据交换均通过一个端口访问)，服务端与客户端之间运用了双向握手协议。通过建立监控探头空间库，将所有监控探头赋予空间位置，建立空间数据表存储监控探头，实现在地图上的多源监控探头无缝集成。同时在数据、码流传输过程中采用了加密技术，从而保证内外网视频数据连接的安全性，实现在地图上的无缝集成监控探头，有效降低了互联网对矿山业务网的干扰。

图4 多源视频监控系统结构

2.4 矿山实时数据分析处理技术

该文通过对矿山基础数据、人员定位数据、视频监控数据、实时产量数据等进行深入挖掘分析，构建了矿山产能预警分析模型、超层越界开采预警分析模型，并研发了数据分析模块，有效解决了超出采矿许可证载明的坐标控制范围开采的行为、超出矿山设计产能开采的行为、基站位置滞后问题。

例如超层越界开采预警分析模型：该文基于人员定位技术，实时监测矿山边界和工作面基站人员信息，当矿工超出工作面基站范围，且长时间没有被其他基站接收到，系统便自动提示超层越界预警，并发送短信给当地矿政管理人员，及时进行实地核查并上报核查结果。

3 应用与分析

该文在全省率先利用科技手段构建了地下开采矿山超层越界、超能力生产非间断监管模式，对全省矿山建设具有良好的示范带动作用，取得了巨大经济社会效益。

(1)全省首次建立了矿山开发 “双超”非间断式监管模式，该文将“地下采矿三维动态监管关键技术”试点成果推广应用到全省，综合运用地下采矿人员定位与自动称重系统等技术手段，实现了海量三维数据建模和高效运行关键技术和多源视频监控系统整合技术，首次在全省范围建立了地下矿山“双超”(超层越界、超能力生产)非间断式监管模式，为实现矿政管理模式的科技创新提供了技术支撑。

(2)首次建立了互联互通的矿产资源开发网格化监管体系，该文以矿山三维模型为空间载体，提出了智能矿山物联网感知信息集成技术，汇集全省矿山人员、产量、视频等实时信息，建立矿山实时GIS时空数据模型，形成了以矿山系统集成、矿山智能感知为特征的智慧矿山体系；依托矿山大数据分析技术，通过对矿山实时数据的获取与分析动态监管矿山开采行为，智能监控矿山超层越界和超能力开采等非法开采行为，建立了省级、市级、县级和矿山四级互联互通的网格化监管体系，有效提升全省矿产资源监管水平，有效保护和合理利用矿产资源。

(3)该文完成了100个省属地下开采矿山三维数据及系统集成接入，包括矿山三维模型建设、产量监控系统改造和矿山系统集成接入三方面工作，同时积极整合接入市级矿产资源网格化监管系统，目前已经实现了和临沂市、聊城市、济南市、烟台市、枣庄市、潍坊市、日照市、德州市等进行集成对接。

(4)该文以矿山三维模型为载体，集成矿山人员定位、视频监控、产量监控和震源定位等系统，实现对地下开采矿山的监管；通过对重点露天矿山安装视频监控和产量监控系统进行实时监控，实现对露天开采行为的监管；通过对卤水、矿泉水等液体矿山安装产量监控系统实现对液体矿山开采行为的实时监测；以全省地理信息数据为空间载体，采用物联网技术汇集矿山人员、产量、视频等实时信息，建立了矿山实时GIS时空数据模型，逐步形成以矿山系统集成、矿山智能感知为特征的智慧矿山体系，增强了矿政管理部门的监督管理水平、有效抑制非法违法开采行为。

4 结语

(1)针对全省矿产资源监管要求，综合采用视频监控、矿山三维仿真、产量监控和人员定位等技术，集成近年来开展的露天矿山的遥感监测、视频监控和产量成果，地下开采矿山三维建模数据、人员定位、产量监控、视频监控成果，以及卤水等液体矿山的产量监控等成果，建立了全省矿产资源网格化监管系统。

(2)项目遵循山东省自然资源厅“一个平台、两个市场”建设总体框架，构建省、市、县、矿山四级互联互通的网格化监管系统，实现对重点地下开采矿山等矿产资源的实时化、动态化监管，建立全省矿产资源开发利用“天上看、地上查、地下控、网上管”的立体监管格局。