數字地球的特殊應用與拓展——鈾資源數字勘查區

劉德長 葉發旺 黃樹桃 趙英俊

“數字地球”的戰略思想自1998年被提出以來，一直為世界各國高度重視。數字地球是一個從數字化、數據構模、系統仿真、決策支持一直到虛擬現實的開放復雜的巨系統。它包含有自己的理論體系、技術體系、應用體系、工程體系。然而，數字地球的實現需要全社會各學科領域的共同參與，需要從各應用領域出發，將數字地球理論、方法與各應用領域的實際相結合，進行技術方法和應用體系探索，并使其成為數字地球的重要組成部分。本文在數字地球的框架下，結合鈾資源勘查提出了數字勘查區的概念。它是鈾礦地質工作從礦產資源勘查角度支持和參與中國數字地球工作的切入點，是數字地球理論和方法的特殊應用與拓展，是我國數字地球典型應用系統建設的組成部分。

1 鈾資源數字勘查區模型

鈾資源數字勘查區的概念是在“數字地球”框架下，結合鈾資源勘查的實際，將遙感技術、GIS技術和虛擬現實技術相結合提出來的，目標是把“數字地球”的戰略思想和一些關鍵方法技術引入到鈾資源勘查中來，加快高新技術在鈾資源勘查領域中的應用，促進實現鈾礦地質工作的現代化。

簡單地說，鈾資源數字勘查區就是鈾資源勘查目標區的信息勘查模型。圖1是作者建立的鈾資源數字勘查區信息模型雛形示意圖。該模型由3層構成，內層是一個信息數據庫，中層是技術功能層，外層是計算機用戶層，其中內層是核心，中核層是關鍵，外層是應用。

圖1 鈾資源數字勘查區信息模型示意圖

所以，從應用角度上說，鈾資源數字勘查區實際上是一個集成信息存貯、信息管理、信息查詢、信息分析、數字運算、虛擬漫游、虛擬勘查等功能為一體的虛擬勘查技術系統。它的構建與實現涉及許多技術和方法，需要將遙感技術，地理信息系統（GIS）技術，虛擬現實技術，數據庫技術等緊密結合，發揮多技術的優勢。

圍繞鄂爾多斯盆地東勝鈾資源數字勘查區的構建，重點探討了數據庫的開發、虛擬地質環境建模和虛擬勘查技術。

2 鈾資源數字勘查區數據庫的開發

2.1 數據庫開發的技術思路、原則和體系結構

鈾資源數字勘查區數據庫是一個存貯和管理遙感、地質、地理、物化探等多源地學空間信息和其他非空間信息的綜合數據庫。作者在進行數據庫設計與開發時主要考慮兩個方面：一是盡可能充分利用先進的商業GIS軟件的優勢，另一方面是適應鈾資源勘查的自身需要，開發自主產品。據此，采取以自主開發為主，同時利用商業軟件優勢的設計思路，進行數據庫設計。其具體設計原則主要考慮它的規范性、開放性、實用性、完備性、擴展性和易用性。

依據數據對象特點和需求應用分析，數據系統的體系結構為一集中式數據庫系統，其中包括數據庫層、應用邏輯層、信息服務層3個層次。三層體系結構具有靈活的系統結構，較高的系統可維護性，有利于變更、可持續發展等重要優點。

2.2 數據模型與數據流程

數據庫的數據接口對數據庫的使用至關重要。本文對數據庫中的不同類型數據采取不同的數據接口形式，其接口和流程如圖2。

圖2 數據接口和數據流程

2.3 數據庫結構及建設

構成的東勝鈾資源數字勘查區數據庫內容包括從航天-航空-地表-地下深處三維空間獲取的各種地學信息。依數據性質建立了：空間信息數據子庫，以ArcGis空間數據庫Personal GeoDatabase為模板，細分為地理要素、地質要素、物探要素、化探要素、遙感要素、成果圖件要素等數據要素集；鉆孔資料數據子庫，其設計參照中華人民共和國核行業標準《地浸砂巖型鈾礦鉆探工程地質物探原始編錄規范》[1]進行。依據科研與生產中鉆孔資料的屬性特征，細分為礦區記錄表、勘探線記錄表、鉆孔記錄表、綜合編錄表、地質圖色表[2]等14種數據表；地物波譜數據子庫，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，波長和對應的波譜反射率以BLOB（長二進制數據塊對象）直接存儲于數據庫中；影像數據子庫，主要包括航天、航空遙感數據、航空放射性測量、航磁、重力等地球物量數據；文檔圖片數據子庫，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OLE對象直接存儲于數據庫中，圖片以壓縮的JPG圖像以二進制對象BLOB存儲于數據庫。

2.4 數據庫綜合管理系統

開發方式是在.Net框架支持下，應用VB.Net和C#混合編程，通過ADO.Net數據接口對數據庫管理功能進行編程，實現對數據庫的綜合管理和分析應用。完成了具有自主版權的鈾資源數字勘查區數據庫管理系統的開發，實現了對研究區所有數據資料錄入和集中管理，并以圖文互動等方式直觀、快速動態地展示數字勘查區數據庫的各類信息及其相互關系，為數據分析應用建立了基本的數據操作環境。

開發過程以XML對數據源（不同類型數據庫）的特征進行描述，表述數據庫的具體特征。以這種方式建立的綜合管理系統，無論對數據的擴充，還是對應用分析模塊的擴展，都具有較大的靈活性，可用于不同地區鈾資源快速勘查與評價，并且可根據實際需要，不斷增加和完善數據處理分析功能模塊。開發的數據庫管理系統功能主要有：項目管理、多源數據庫連接、數據庫綜合管理、系統工具、系統設置等。

在上述基礎上，還開發了以下數據子庫管理模塊：①空間數據子庫管理模塊；②鉆孔數據子庫管理模塊；③地物波譜數據子庫管理模塊；④影像數據子庫管理模塊；⑤科研文檔圖片管理模塊；⑥通用查詢、聯合查詢和統計模塊等。這些模塊的開發，有利于對不同類型的數據源進行更有效地管理。

2.5 數據庫應用分析系統

主要開發了鉆孔數據處理分析系統和鈾資源多參數綜合分析評價方法。前者是專門利用鉆孔數據庫進行柱狀圖自動成圖，應用和分析的系統；后者是針對數字勘查區數據庫中矢量數據和部分柵格數據的處理分析應用而設計的，目的是快速預測和評價有利鈾成礦的地區，縮少找礦范圍。分析應用模塊主要有空間分析，緩沖區分析，多參數半定量綜合分析，半定量計算地質單元中航空放射性數據，疊置分析，基于成礦理論的鈾成礦綜合信息評價模型等。

3 數字勘查區虛擬地質環境構建

鈾資源數字勘查區構建的目標是建立一個勘查區完整的信息模型，一個三維顯示的虛擬勘查區。因此，虛擬地質環境不僅要顯示勘查區的地形地貌，而且要有地層，巖石，斷裂、褶皺、礦化蝕變等地質要素。下面具體介紹一下基于Multigen平臺的東勝鈾礦區虛擬地質環境的構建技術。

3.1 數據準備

一個最基本的虛擬地質環境初型至少涉及到3類數據，一是DEM等描述地形的高程數據；二是地質圖等與礦產資源勘查有關的地學專業屬性信息；三是突出反映地形地貌的地表紋理數據。作者在構建東勝鈾礦區虛擬地質環境時，高程數據通過Spot 5立體像對的處理獲得；地質圖等與礦產資源勘查有關的地學專業屬性信息主要由數字勘查區數據庫提供。實現從數據庫→虛擬現實平臺的方式主要有兩種:一是數據庫(Geodatabase)→Shapefile→虛擬平臺數據；另一種是數據庫(Geodatabase)→FME(（Feature Manipulation Engine，空間要素管理引擎）→虛擬平臺數據。前者適合像VRMAP,Terrex等與GIS數據之間具有較好可操作性的虛擬現實平臺；后者適合像Multigen等與GIS數據的互操作能力弱，不能直接讀取GIS數據的虛擬現實軟件平臺。紋理數據采用高分辨率遙感數據和野外實物照片，以增強地質對像的真實感，但具體處理時，不同的軟件平臺有不同的處理方式和要求，因此在虛擬建模之前要針對依據不同平臺的要求對上述幾種紋理數據作必要的處理。

3.2 虛擬地質環境構建

主要把高程數據、地質圖等要素數據、地表紋理數據等在Multigen Creator中進行建模，形成Openflight格式的地表地質環境數據庫（*.flt）；然后把數據庫文件導入Multigen Vega的圖形用戶界面Lynx中，并以虛擬地質環境的各類參數進行初步設置，形成一個應用程序定義文件（*.adf）（Application Defined File）；最后根據用戶自己的需要，通過Multigen Vega提供的API函數進行二次開發，完成虛擬地質環境漫游系統。整個構建過程如圖3。

圖3 東勝礦區虛擬地質環境構建流程

（1）虛擬地質環境建模

建模是在Creator平臺的Terrain 模塊中實現的，所有建模所需的數據均被包含在一個工程文件（.prg）中，整個建模在地形窗口中進行。工程處理過程中主要涉及工程參數、投影參數、三角算法、紋理參數、要素處理等。

通過上述各項參數的設置，完成了建模的準備工作。建模選擇的地圖投影為平面地球投影和WGS84的橢球體參數，地形算法為Polymesh，采樣率為6。為了獲得好的視覺效果，有選擇地投影了地質信息，未投影地質信息的地區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。通過構建，獲得了東勝礦區虛擬地質環境（圖4）。

圖4 東勝礦區虛擬地質環境一角(視角向南)

(2)虛擬地質環境驅動的Vega程序設計

如何使在Creator中建成的虛擬地質環境以多種方式進行漫游顯示，并根據需要進行查詢等功能的開發是虛擬地質環境構建的另一技術重點。這在Multigen Vega虛擬工具軟件中進行了研究和實現[3,4,5,6,7]，主要包括ADF 文件的建立和Vega 應用程序的開發等。

ADF（Application Defined File）文件，是存放Vega應用程序各種參數初始值的文件，其建立和編輯在Lynx中進行。在Lynx中，主要設置參數面板有對像面板，場景面板，運動模型面板，觀測者面板等。一般來說，野外地質考察主要是步行，以便能對各種地質現象進行仔細觀察。因此，本系統的漫游方式設置為步行。同時，為增強從高空觀察地質現象的效果，還設置了空間（如同在飛機上）漫游方式。通過上述設置，就可以建立一個ADF文件，為在Multigen Vega開發環境中深入研究虛擬地質環境提供了基本數據文件。

建立好ADF文件后，就可以在VC等編程語言環境，進行虛擬地質環境漫游、信息查詢等功能的開發。一個Vega應用程序由C或C++的源代碼文件、ADF文件、一個或多個Visual C++ Project文件（.dsp）和Workspace文件（.dsw）組成。無論是何種類型的Vega應用程序，在建立一個Vega應用程序中都要分為3個步驟：第一步是調用vgIniSys函數初始化系統，并創建共享的內存區和信號區；第二步通過創建需要的類來定義系統；第三步進行系統配置，使ADF中的定義與函數調用結合起來。

4 鈾資源虛擬勘查的探索

構建虛擬地質環境的目的是探索對鈾資源的虛擬勘查。虛擬勘查是在構建的鈾資源數字勘查區的基礎上，借助虛擬現實系統，在計算機上對野外地質情況進行觀察；通過點擊，對感興趣的地區或目標的地表和深部地質情況進行了解；根據獲得的信息，進行對比、分析和綜合，發現地質規律，得出認識，并根據新認識圈定成礦遠景區或在遠景區內進行井位設計，虛擬野外的地質找礦與勘探過程。如對原來的方案不滿意時，可方便地修改和調整，直到滿意為止。然后，進行野外實際地質調查和決策。

針對虛擬勘查的需要，開發了下述功能：

①漫游功能：通過鼠標或鍵盤操作，對研究區的虛擬地質環境進行漫游（如同坐飛機、汽車或步行進行野外考察），觀察研究區的地形、地貌、河流、交通、地層、構造、礦化等地理和地質現象。

②查詢功能：漫游過程中，對感興趣的地區或地物進行相關操作，實現對目標的查詢，了解地表以及深部的地質情況，分析其成礦條件。

③搜索功能：在對研究區情況不熟悉的情況下，為了方便地查找感興趣的目標或地物，可通過目標搜索功能進行快速查找，查找的目標將會很快地出現在研究者的面前。

④布線功能：在野外進行地質研究時，常需要進行典型地質路線的調查。為了虛擬野外地質路線的調查，可以利用開發的虛擬地質環境系統的布線功能，根據研究者的意圖進行野外地質路線的布置和調查。

⑤量測功能：通過參數量測等功能，進行距離，面積、高度等參數的量測，以獲得勘查目標的定量數據。

本文將現代信息技術的最新進展——虛擬現實技術引入鈾資源勘查領域，和遙感與數據庫技術結合，提出礦產資源勘查區和虛擬勘查的構想，并進行了開拓研究。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鍵的一步[8,9]。隨著地質勘查信息的積累和虛擬現實技術的發展，以及該項研究工作的不斷深入，它將可能深刻改變礦產資源的現有勘查和決策方式，實現地質工作者“室內找礦”的夢想，促進地質工作的現代化和數字地球理論方法的實際應用。

參考文獻

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8.葉發旺,劉德長,仉寶聚.虛擬現實技術在鈾礦地質中的應用探討[J],鈾礦地質,2004,20(1):56-62.

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