數(shù)字地球的特殊應(yīng)用與拓展——鈾資源數(shù)字勘查區(qū)

劉德長(zhǎng) 葉發(fā)旺 黃樹(shù)桃 趙英俊

“數(shù)字地球”的戰(zhàn)略思想自1998年被提出以來(lái)，一直為世界各國(guó)高度重視。數(shù)字地球是一個(gè)從數(shù)字化、數(shù)據(jù)構(gòu)模、系統(tǒng)仿真、決策支持一直到虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)放復(fù)雜的巨系統(tǒng)。它包含有自己的理論體系、技術(shù)體系、應(yīng)用體系、工程體系。然而，數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)需要全社會(huì)各學(xué)科領(lǐng)域的共同參與，需要從各應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，將數(shù)字地球理論、方法與各應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)行技術(shù)方法和應(yīng)用體系探索，并使其成為數(shù)字地球的重要組成部分。本文在數(shù)字地球的框架下，結(jié)合鈾資源勘查提出了數(shù)字勘查區(qū)的概念。它是鈾礦地質(zhì)工作從礦產(chǎn)資源勘查角度支持和參與中國(guó)數(shù)字地球工作的切入點(diǎn)，是數(shù)字地球理論和方法的特殊應(yīng)用與拓展，是我國(guó)數(shù)字地球典型應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的組成部分。

1 鈾資源數(shù)字勘查區(qū)模型

鈾資源數(shù)字勘查區(qū)的概念是在“數(shù)字地球”框架下，結(jié)合鈾資源勘查的實(shí)際，將遙感技術(shù)、GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合提出來(lái)的，目標(biāo)是把“數(shù)字地球”的戰(zhàn)略思想和一些關(guān)鍵方法技術(shù)引入到鈾資源勘查中來(lái)，加快高新技術(shù)在鈾資源勘查領(lǐng)域中的應(yīng)用，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)鈾礦地質(zhì)工作的現(xiàn)代化。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，鈾資源數(shù)字勘查區(qū)就是鈾資源勘查目標(biāo)區(qū)的信息勘查模型。圖1是作者建立的鈾資源數(shù)字勘查區(qū)信息模型雛形示意圖。該模型由3層構(gòu)成，內(nèi)層是一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，中層是技術(shù)功能層，外層是計(jì)算機(jī)用戶層，其中內(nèi)層是核心，中核層是關(guān)鍵，外層是應(yīng)用。

圖1 鈾資源數(shù)字勘查區(qū)信息模型示意圖

所以，從應(yīng)用角度上說(shuō)，鈾資源數(shù)字勘查區(qū)實(shí)際上是一個(gè)集成信息存貯、信息管理、信息查詢、信息分析、數(shù)字運(yùn)算、虛擬漫游、虛擬勘查等功能為一體的虛擬勘查技術(shù)系統(tǒng)。它的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)涉及許多技術(shù)和方法，需要將遙感技術(shù)，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等緊密結(jié)合，發(fā)揮多技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圍繞鄂爾多斯盆地東勝鈾資源數(shù)字勘查區(qū)的構(gòu)建，重點(diǎn)探討了數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)、虛擬地質(zhì)環(huán)境建模和虛擬勘查技術(shù)。

2 鈾資源數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的技術(shù)思路、原則和體系結(jié)構(gòu)

鈾資源數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)存貯和管理遙感、地質(zhì)、地理、物化探等多源地學(xué)空間信息和其他非空間信息的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。作者在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)時(shí)主要考慮兩個(gè)方面：一是盡可能充分利用先進(jìn)的商業(yè)GIS軟件的優(yōu)勢(shì)，另一方面是適應(yīng)鈾資源勘查的自身需要，開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)品。據(jù)此，采取以自主開(kāi)發(fā)為主，同時(shí)利用商業(yè)軟件優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。其具體設(shè)計(jì)原則主要考慮它的規(guī)范性、開(kāi)放性、實(shí)用性、完備性、擴(kuò)展性和易用性。

依據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)象特點(diǎn)和需求應(yīng)用分析，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)為一集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其中包括數(shù)據(jù)庫(kù)層、應(yīng)用邏輯層、信息服務(wù)層3個(gè)層次。三層體系結(jié)構(gòu)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較高的系統(tǒng)可維護(hù)性，有利于變更、可持續(xù)發(fā)展等重要優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用至關(guān)重要。本文對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的不同類型數(shù)據(jù)采取不同的數(shù)據(jù)接口形式，其接口和流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)流程

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)及建設(shè)

構(gòu)成的東勝鈾資源數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包括從航天-航空-地表-地下深處三維空間獲取的各種地學(xué)信息。依數(shù)據(jù)性質(zhì)建立了：空間信息數(shù)據(jù)子庫(kù)，以ArcGis空間數(shù)據(jù)庫(kù)Personal GeoDatabase為模板，細(xì)分為地理要素、地質(zhì)要素、物探要素、化探要素、遙感要素、成果圖件要素等數(shù)據(jù)要素集；鉆孔資料數(shù)據(jù)子庫(kù)，其設(shè)計(jì)參照中華人民共和國(guó)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地浸砂巖型鈾礦鉆探工程地質(zhì)物探原始編錄規(guī)范》[1]進(jìn)行。依據(jù)科研與生產(chǎn)中鉆孔資料的屬性特征，細(xì)分為礦區(qū)記錄表、勘探線記錄表、鉆孔記錄表、綜合編錄表、地質(zhì)圖色表[2]等14種數(shù)據(jù)表；地物波譜數(shù)據(jù)子庫(kù)，主要是地物波譜反射率曲線，按地物特征，分為巖石、礦物、植被、土壤、水體、人工6大類，波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的波譜反射率以BLOB（長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊對(duì)象）直接存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中；影像數(shù)據(jù)子庫(kù)，主要包括航天、航空遙感數(shù)據(jù)、航空放射性測(cè)量、航磁、重力等地球物量數(shù)據(jù)；文檔圖片數(shù)據(jù)子庫(kù)，包括科研文檔表和科研圖片表，文檔以WORD DOC或PDF格式作為一個(gè)OLE對(duì)象直接存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，圖片以壓縮的JPG圖像以二進(jìn)制對(duì)象BLOB存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)綜合管理系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)方式是在.Net框架支持下，應(yīng)用VB.Net和C#混合編程，通過(guò)ADO.Net數(shù)據(jù)接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的綜合管理和分析應(yīng)用。完成了具有自主版權(quán)的鈾資源數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)所有數(shù)據(jù)資料錄入和集中管理，并以圖文互動(dòng)等方式直觀、快速動(dòng)態(tài)地展示數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)的各類信息及其相互關(guān)系，為數(shù)據(jù)分析應(yīng)用建立了基本的數(shù)據(jù)操作環(huán)境。

開(kāi)發(fā)過(guò)程以XML對(duì)數(shù)據(jù)源（不同類型數(shù)據(jù)庫(kù)）的特征進(jìn)行描述，表述數(shù)據(jù)庫(kù)的具體特征。以這種方式建立的綜合管理系統(tǒng)，無(wú)論對(duì)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充，還是對(duì)應(yīng)用分析模塊的擴(kuò)展，都具有較大的靈活性，可用于不同地區(qū)鈾資源快速勘查與評(píng)價(jià)，并且可根據(jù)實(shí)際需要，不斷增加和完善數(shù)據(jù)處理分析功能模塊。開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)功能主要有：項(xiàng)目管理、多源數(shù)據(jù)庫(kù)連接、數(shù)據(jù)庫(kù)綜合管理、系統(tǒng)工具、系統(tǒng)設(shè)置等。

在上述基礎(chǔ)上，還開(kāi)發(fā)了以下數(shù)據(jù)子庫(kù)管理模塊：①空間數(shù)據(jù)子庫(kù)管理模塊；②鉆孔數(shù)據(jù)子庫(kù)管理模塊；③地物波譜數(shù)據(jù)子庫(kù)管理模塊；④影像數(shù)據(jù)子庫(kù)管理模塊；⑤科研文檔圖片管理模塊；⑥通用查詢、聯(lián)合查詢和統(tǒng)計(jì)模塊等。這些模塊的開(kāi)發(fā)，有利于對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)源進(jìn)行更有效地管理。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用分析系統(tǒng)

主要開(kāi)發(fā)了鉆孔數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和鈾資源多參數(shù)綜合分析評(píng)價(jià)方法。前者是專門利用鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行柱狀圖自動(dòng)成圖，應(yīng)用和分析的系統(tǒng)；后者是針對(duì)數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)中矢量數(shù)據(jù)和部分柵格數(shù)據(jù)的處理分析應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，目的是快速預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)有利鈾成礦的地區(qū)，縮少找礦范圍。分析應(yīng)用模塊主要有空間分析，緩沖區(qū)分析，多參數(shù)半定量綜合分析，半定量計(jì)算地質(zhì)單元中航空放射性數(shù)據(jù)，疊置分析，基于成礦理論的鈾成礦綜合信息評(píng)價(jià)模型等。

3 數(shù)字勘查區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境構(gòu)建

鈾資源數(shù)字勘查區(qū)構(gòu)建的目標(biāo)是建立一個(gè)勘查區(qū)完整的信息模型，一個(gè)三維顯示的虛擬勘查區(qū)。因此，虛擬地質(zhì)環(huán)境不僅要顯示勘查區(qū)的地形地貌，而且要有地層，巖石，斷裂、褶皺、礦化蝕變等地質(zhì)要素。下面具體介紹一下基于Multigen平臺(tái)的東勝鈾礦區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

一個(gè)最基本的虛擬地質(zhì)環(huán)境初型至少涉及到3類數(shù)據(jù)，一是DEM等描述地形的高程數(shù)據(jù)；二是地質(zhì)圖等與礦產(chǎn)資源勘查有關(guān)的地學(xué)專業(yè)屬性信息；三是突出反映地形地貌的地表紋理數(shù)據(jù)。作者在構(gòu)建東勝鈾礦區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境時(shí)，高程數(shù)據(jù)通過(guò)Spot 5立體像對(duì)的處理獲得；地質(zhì)圖等與礦產(chǎn)資源勘查有關(guān)的地學(xué)專業(yè)屬性信息主要由數(shù)字勘查區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)提供。實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫(kù)→虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的方式主要有兩種:一是數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)→Shapefile→虛擬平臺(tái)數(shù)據(jù)；另一種是數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)→FME(（Feature Manipulation Engine，空間要素管理引擎）→虛擬平臺(tái)數(shù)據(jù)。前者適合像VRMAP,Terrex等與GIS數(shù)據(jù)之間具有較好可操作性的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)；后者適合像Multigen等與GIS數(shù)據(jù)的互操作能力弱，不能直接讀取GIS數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)。紋理數(shù)據(jù)采用高分辨率遙感數(shù)據(jù)和野外實(shí)物照片，以增強(qiáng)地質(zhì)對(duì)像的真實(shí)感，但具體處理時(shí)，不同的軟件平臺(tái)有不同的處理方式和要求，因此在虛擬建模之前要針對(duì)依據(jù)不同平臺(tái)的要求對(duì)上述幾種紋理數(shù)據(jù)作必要的處理。

3.2 虛擬地質(zhì)環(huán)境構(gòu)建

主要把高程數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖等要素?cái)?shù)據(jù)、地表紋理數(shù)據(jù)等在Multigen Creator中進(jìn)行建模，形成Openflight格式的地表地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)（*.flt）；然后把數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)入Multigen Vega的圖形用戶界面Lynx中，并以虛擬地質(zhì)環(huán)境的各類參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置，形成一個(gè)應(yīng)用程序定義文件（*.adf）（Application Defined File）；最后根據(jù)用戶自己的需要，通過(guò)Multigen Vega提供的API函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成虛擬地質(zhì)環(huán)境漫游系統(tǒng)。整個(gè)構(gòu)建過(guò)程如圖3。

圖3 東勝礦區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境構(gòu)建流程

（1）虛擬地質(zhì)環(huán)境建模

建模是在Creator平臺(tái)的Terrain 模塊中實(shí)現(xiàn)的，所有建模所需的數(shù)據(jù)均被包含在一個(gè)工程文件（.prg）中，整個(gè)建模在地形窗口中進(jìn)行。工程處理過(guò)程中主要涉及工程參數(shù)、投影參數(shù)、三角算法、紋理參數(shù)、要素處理等。

通過(guò)上述各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，完成了建模的準(zhǔn)備工作。建模選擇的地圖投影為平面地球投影和WGS84的橢球體參數(shù)，地形算法為Polymesh，采樣率為6。為了獲得好的視覺(jué)效果，有選擇地投影了地質(zhì)信息，未投影地質(zhì)信息的地區(qū)由高空間分辨率的遙感影像紋理貼圖代替，以突出地形地貌特征。通過(guò)構(gòu)建，獲得了東勝礦區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境（圖4）。

圖4 東勝礦區(qū)虛擬地質(zhì)環(huán)境一角(視角向南)

(2)虛擬地質(zhì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)的Vega程序設(shè)計(jì)

如何使在Creator中建成的虛擬地質(zhì)環(huán)境以多種方式進(jìn)行漫游顯示，并根據(jù)需要進(jìn)行查詢等功能的開(kāi)發(fā)是虛擬地質(zhì)環(huán)境構(gòu)建的另一技術(shù)重點(diǎn)。這在Multigen Vega虛擬工具軟件中進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)[3,4,5,6,7]，主要包括ADF 文件的建立和Vega 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)等。

ADF（Application Defined File）文件，是存放Vega應(yīng)用程序各種參數(shù)初始值的文件，其建立和編輯在Lynx中進(jìn)行。在Lynx中，主要設(shè)置參數(shù)面板有對(duì)像面板，場(chǎng)景面板，運(yùn)動(dòng)模型面板，觀測(cè)者面板等。一般來(lái)說(shuō)，野外地質(zhì)考察主要是步行，以便能對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)觀察。因此，本系統(tǒng)的漫游方式設(shè)置為步行。同時(shí)，為增強(qiáng)從高空觀察地質(zhì)現(xiàn)象的效果，還設(shè)置了空間（如同在飛機(jī)上）漫游方式。通過(guò)上述設(shè)置，就可以建立一個(gè)ADF文件，為在Multigen Vega開(kāi)發(fā)環(huán)境中深入研究虛擬地質(zhì)環(huán)境提供了基本數(shù)據(jù)文件。

建立好ADF文件后，就可以在VC等編程語(yǔ)言環(huán)境，進(jìn)行虛擬地質(zhì)環(huán)境漫游、信息查詢等功能的開(kāi)發(fā)。一個(gè)Vega應(yīng)用程序由C或C++的源代碼文件、ADF文件、一個(gè)或多個(gè)Visual C++ Project文件（.dsp）和Workspace文件（.dsw）組成。無(wú)論是何種類型的Vega應(yīng)用程序，在建立一個(gè)Vega應(yīng)用程序中都要分為3個(gè)步驟：第一步是調(diào)用vgIniSys函數(shù)初始化系統(tǒng)，并創(chuàng)建共享的內(nèi)存區(qū)和信號(hào)區(qū)；第二步通過(guò)創(chuàng)建需要的類來(lái)定義系統(tǒng)；第三步進(jìn)行系統(tǒng)配置，使ADF中的定義與函數(shù)調(diào)用結(jié)合起來(lái)。

4 鈾資源虛擬勘查的探索

構(gòu)建虛擬地質(zhì)環(huán)境的目的是探索對(duì)鈾資源的虛擬勘查。虛擬勘查是在構(gòu)建的鈾資源數(shù)字勘查區(qū)的基礎(chǔ)上，借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)野外地質(zhì)情況進(jìn)行觀察；通過(guò)點(diǎn)擊，對(duì)感興趣的地區(qū)或目標(biāo)的地表和深部地質(zhì)情況進(jìn)行了解；根據(jù)獲得的信息，進(jìn)行對(duì)比、分析和綜合，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)規(guī)律，得出認(rèn)識(shí)，并根據(jù)新認(rèn)識(shí)圈定成礦遠(yuǎn)景區(qū)或在遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi)進(jìn)行井位設(shè)計(jì)，虛擬野外的地質(zhì)找礦與勘探過(guò)程。如對(duì)原來(lái)的方案不滿意時(shí)，可方便地修改和調(diào)整，直到滿意為止。然后，進(jìn)行野外實(shí)際地質(zhì)調(diào)查和決策。

針對(duì)虛擬勘查的需要，開(kāi)發(fā)了下述功能：

①漫游功能：通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作，對(duì)研究區(qū)的虛擬地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行漫游（如同坐飛機(jī)、汽車或步行進(jìn)行野外考察），觀察研究區(qū)的地形、地貌、河流、交通、地層、構(gòu)造、礦化等地理和地質(zhì)現(xiàn)象。

②查詢功能：漫游過(guò)程中，對(duì)感興趣的地區(qū)或地物進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的查詢，了解地表以及深部的地質(zhì)情況，分析其成礦條件。

③搜索功能：在對(duì)研究區(qū)情況不熟悉的情況下，為了方便地查找感興趣的目標(biāo)或地物，可通過(guò)目標(biāo)搜索功能進(jìn)行快速查找，查找的目標(biāo)將會(huì)很快地出現(xiàn)在研究者的面前。

④布線功能：在野外進(jìn)行地質(zhì)研究時(shí)，常需要進(jìn)行典型地質(zhì)路線的調(diào)查。為了虛擬野外地質(zhì)路線的調(diào)查，可以利用開(kāi)發(fā)的虛擬地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的布線功能，根據(jù)研究者的意圖進(jìn)行野外地質(zhì)路線的布置和調(diào)查。

⑤量測(cè)功能：通過(guò)參數(shù)量測(cè)等功能，進(jìn)行距離，面積、高度等參數(shù)的量測(cè)，以獲得勘查目標(biāo)的定量數(shù)據(jù)。

本文將現(xiàn)代信息技術(shù)的最新進(jìn)展——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入鈾資源勘查領(lǐng)域，和遙感與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合，提出礦產(chǎn)資源勘查區(qū)和虛擬勘查的構(gòu)想，并進(jìn)行了開(kāi)拓研究。盡管目前還屬框架性的，但它在虛擬找礦與虛擬勘探的探索中邁出了關(guān)鍵的一步[8,9]。隨著地質(zhì)勘查信息的積累和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，以及該項(xiàng)研究工作的不斷深入，它將可能深刻改變礦產(chǎn)資源的現(xiàn)有勘查和決策方式，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工作者“室內(nèi)找礦”的夢(mèng)想，促進(jìn)地質(zhì)工作的現(xiàn)代化和數(shù)字地球理論方法的實(shí)際應(yīng)用。

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