三维地质系统在矿山监管中的应用研究

刘 猛 席文韵 杨 贤 李 萌 杜杰帅 任国强

(河北省水文工程地质勘查院 石家庄 050000)

2021年2月，自然资源部印发了《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》提出“建设自然资源三维立体时空数据库和数据库管理系统，实现自然资源调查监测数据成果在中央一级的立体化统一管理，形成自然资源调查监测一张底版、一套数据，保障国土空间基础信息平台良好运行，服务自然资源部“两统一”职责履行，也满足相关部门科学决策和社会公众对自然资源基础数据的需要”的相关要求。方案同时提出“自然资源三维立体时空数据库是围绕自然资源部管理的土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛等七类自然资源，构建由一个主库、九个分库组成的国家级自然资源三维立体时空数据库”。因此，开展三维地质系统研究，是自然资源三维立体化建设的重要组成部分。

1 总体思路

1.1 数据模型研究

按照《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》要求，数据模型是自然资源三维立体时空数据库建设的关键。因此，结合当前新兴技术发展潮流、矿山实际情况和自然资源主管部门日常监管的需求，重点对三维实景建模、激光雷达扫描、三维矿体建模、三维矿体语义化等新兴技术进行了研究，通过构建地质体和矿山三维实景模型，将各类矿产资源成果，以矿山实体为单元，形成矿产资源在空间上的分层，在时间上的分期，地理位置上的分区，最终实现矿产资源的动态监管。

1.2 系统功能研究

围绕矿产资源调查监测数据管理与应用需求，研发数据浏览、数据查询、数据分发、数据统计、数据分析、数据服务等功能的三维管理系统(图1)。

图1 三维地质系统组成图

2 工作流程设计

2.1 搭建基础数据库

通过收集矿山基础地理信息和矿产资源属性信息等资料，构建系统数据库，为系统业务提供数据支撑。

2.2 无人机倾斜摄影数据采集

通过无人机倾斜航摄，在低空利用多个传感器从垂直角度和多个倾斜角度对矿山进行全覆盖航空摄影，采集矿区的地形、地表建筑和开采现状信息，获取地面影像数据。

2.3 矿山三维实景建模

采用SmartEarth PhotoMesh建模软件，将获取的矿山影像数据自动、批量、快速建模，还原出最真实的三维模型。

2.4 语义化

通过三维语义编码，对采集的矿体属性、数据信息进行加工处理，使得计算机可以理解数据所包含的信息。语义过程是解译和描述的过程，从数字世界翻译成计算机可以理解的语义模型，实现人机兼容，才可以被智能系统所应用，最终服务于矿山生产和监管中。

整体工作流程如图2所示。

图2 数据采集及整合流程图

3 主要功能模块

“矿山三维地质系统”基本功能包括：图层控制、视图控制(旋转、倾斜、鸟瞰、还原视角)、距离量算、面积量算和属性查询设置。三维数据分析展示功能包括：二三维联合展示、资源储量对比分析、超深越界监测、生态修复监测、坡度坡向分析等。

系统基本架构如图3所示。

图3 矿山三维地质系统基本架构图

3.1 二三维联合展示

通过该功能可查看矿山三维实景图和二维平面图，视图可控制、旋转查询所需信息，并可在图层管理中自定义选择需要展示的图层要素。

3.2 资源储量对比分析

通过该功能可自定义设置不同时期矿山的采场数据，圈定矿山资源储量。运用三维实景模型，采用分屏显示模式，进行资源对比分析，并通过系统计算动态储量。

3.3 超深越界监测

矿山三维地质模型使矿山企业直观地了解自己的合法开采区域，既能维护自己的合法权利，又可预防出现超深越界违法开采行为；既减轻了自然资源监管部门外业监管的工作量，又实现非接触式监管，做到在室内就能掌握矿山开采位置、开采状态、开采方式、占地范围和类型、固体废弃物占用范围等信息，做到精准监管。

3.4 生态修复监测

通过矿山三维地质系统，定期更新三维实景模型，可实现对破坏土地、受损植被、粉尘污染、水体污染、荒漠化等矿山生态环境监管，还能监督矿山是否按照土地复垦方案和环境恢复治理方案及时开展工作，对土地复垦及矿山环境治理效果实现动态监测。

3.5 坡度坡向分析

坡度和坡向是矿山开采过程中两个重要的地形特征因子。通过坡度坡向图分析功能，可在地形上指定任意一范围，自动获取并通过分层设色策略和绘制指示箭头生成坡度坡向图，可根据颜色和箭头指向直观地查看地形起伏方向和起伏大小，对自然资源主管部门预防矿山地质灾害工作具有重要价值。

4 总结

“矿山三维地质系统”基本实现了矿产资源多元数据管理功能，能够满足自然资源主管部门日常监管的需求，是对自然资源三维立体时空数据库建设的初步探索。但目前还与国家级自然资源三维立体时空数据库主数据库与各分数据库建设的相关技术与标准规范要求存在一定差距，今后将按照国家统一的坐标系统、高程基准、数据库结构、服务接口、位置精度、属性精度等要求，更新完善矿山三维地质系统，满足各级自然资源管理部门、政府机构和社会公众的迫切需求。