数字地球的特殊应用与拓展——铀资源数字勘查区

刘德长 叶发旺 黄树桃 赵英俊

“数字地球”的战略思想自1998年被提出以来，一直为世界各国高度重视。数字地球是一个从数字化、数据构模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实的开放复杂的巨系统。它包含有自己的理论体系、技术体系、应用体系、工程体系。然而，数字地球的实现需要全社会各学科领域的共同参与，需要从各应用领域出发，将数字地球理论、方法与各应用领域的实际相结合，进行技术方法和应用体系探索，并使其成为数字地球的重要组成部分。本文在数字地球的框架下，结合铀资源勘查提出了数字勘查区的概念。它是铀矿地质工作从矿产资源勘查角度支持和参与中国数字地球工作的切入点，是数字地球理论和方法的特殊应用与拓展，是我国数字地球典型应用系统建设的组成部分。

1 铀资源数字勘查区模型

铀资源数字勘查区的概念是在“数字地球”框架下，结合铀资源勘查的实际，将遥感技术、GIS技术和虚拟现实技术相结合提出来的，目标是把“数字地球”的战略思想和一些关键方法技术引入到铀资源勘查中来，加快高新技术在铀资源勘查领域中的应用，促进实现铀矿地质工作的现代化。

简单地说，铀资源数字勘查区就是铀资源勘查目标区的信息勘查模型。图1是作者建立的铀资源数字勘查区信息模型雏形示意图。该模型由3层构成，内层是一个信息数据库，中层是技术功能层，外层是计算机用户层，其中内层是核心，中核层是关键，外层是应用。

图1 铀资源数字勘查区信息模型示意图

所以，从应用角度上说，铀资源数字勘查区实际上是一个集成信息存贮、信息管理、信息查询、信息分析、数字运算、虚拟漫游、虚拟勘查等功能为一体的虚拟勘查技术系统。它的构建与实现涉及许多技术和方法，需要将遥感技术，地理信息系统（GIS）技术，虚拟现实技术，数据库技术等紧密结合，发挥多技术的优势。

围绕鄂尔多斯盆地东胜铀资源数字勘查区的构建，重点探讨了数据库的开发、虚拟地质环境建模和虚拟勘查技术。

2 铀资源数字勘查区数据库的开发

2.1 数据库开发的技术思路、原则和体系结构

铀资源数字勘查区数据库是一个存贮和管理遥感、地质、地理、物化探等多源地学空间信息和其他非空间信息的综合数据库。作者在进行数据库设计与开发时主要考虑两个方面：一是尽可能充分利用先进的商业GIS软件的优势，另一方面是适应铀资源勘查的自身需要，开发自主产品。据此，采取以自主开发为主，同时利用商业软件优势的设计思路，进行数据库设计。其具体设计原则主要考虑它的规范性、开放性、实用性、完备性、扩展性和易用性。

依据数据对象特点和需求应用分析，数据系统的体系结构为一集中式数据库系统，其中包括数据库层、应用逻辑层、信息服务层3个层次。三层体系结构具有灵活的系统结构，较高的系统可维护性，有利于变更、可持续发展等重要优点。

2.2 数据模型与数据流程

数据库的数据接口对数据库的使用至关重要。本文对数据库中的不同类型数据采取不同的数据接口形式，其接口和流程如图2。

图2 数据接口和数据流程

2.3 数据库结构及建设

构成的东胜铀资源数字勘查区数据库内容包括从航天-航空-地表-地下深处三维空间获取的各种地学信息。依数据性质建立了：空间信息数据子库，以ArcGis空间数据库Personal GeoDatabase为模板，细分为地理要素、地质要素、物探要素、化探要素、遥感要素、成果图件要素等数据要素集；钻孔资料数据子库，其设计参照中华人民共和国核行业标准《地浸砂岩型铀矿钻探工程地质物探原始编录规范》[1]进行。依据科研与生产中钻孔资料的属性特征，细分为矿区记录表、勘探线记录表、钻孔记录表、综合编录表、地质图色表[2]等14种数据表；地物波谱数据子库，主要是地物波谱反射率曲线，按地物特征，分为岩石、矿物、植被、土壤、水体、人工6大类，波长和对应的波谱反射率以BLOB（长二进制数据块对象）直接存储于数据库中；影像数据子库，主要包括航天、航空遥感数据、航空放射性测量、航磁、重力等地球物量数据；文档图片数据子库，包括科研文档表和科研图片表，文档以WORD DOC或PDF格式作为一个OLE对象直接存储于数据库中，图片以压缩的JPG图像以二进制对象BLOB存储于数据库。

2.4 数据库综合管理系统

开发方式是在.Net框架支持下，应用VB.Net和C#混合编程，通过ADO.Net数据接口对数据库管理功能进行编程，实现对数据库的综合管理和分析应用。完成了具有自主版权的铀资源数字勘查区数据库管理系统的开发，实现了对研究区所有数据资料录入和集中管理，并以图文互动等方式直观、快速动态地展示数字勘查区数据库的各类信息及其相互关系，为数据分析应用建立了基本的数据操作环境。

开发过程以XML对数据源（不同类型数据库）的特征进行描述，表述数据库的具体特征。以这种方式建立的综合管理系统，无论对数据的扩充，还是对应用分析模块的扩展，都具有较大的灵活性，可用于不同地区铀资源快速勘查与评价，并且可根据实际需要，不断增加和完善数据处理分析功能模块。开发的数据库管理系统功能主要有：项目管理、多源数据库连接、数据库综合管理、系统工具、系统设置等。

在上述基础上，还开发了以下数据子库管理模块：①空间数据子库管理模块；②钻孔数据子库管理模块；③地物波谱数据子库管理模块；④影像数据子库管理模块；⑤科研文档图片管理模块；⑥通用查询、联合查询和统计模块等。这些模块的开发，有利于对不同类型的数据源进行更有效地管理。

2.5 数据库应用分析系统

主要开发了钻孔数据处理分析系统和铀资源多参数综合分析评价方法。前者是专门利用钻孔数据库进行柱状图自动成图，应用和分析的系统；后者是针对数字勘查区数据库中矢量数据和部分栅格数据的处理分析应用而设计的，目的是快速预测和评价有利铀成矿的地区，缩少找矿范围。分析应用模块主要有空间分析，缓冲区分析，多参数半定量综合分析，半定量计算地质单元中航空放射性数据，叠置分析，基于成矿理论的铀成矿综合信息评价模型等。

3 数字勘查区虚拟地质环境构建

铀资源数字勘查区构建的目标是建立一个勘查区完整的信息模型，一个三维显示的虚拟勘查区。因此，虚拟地质环境不仅要显示勘查区的地形地貌，而且要有地层，岩石，断裂、褶皱、矿化蚀变等地质要素。下面具体介绍一下基于Multigen平台的东胜铀矿区虚拟地质环境的构建技术。

3.1 数据准备

一个最基本的虚拟地质环境初型至少涉及到3类数据，一是DEM等描述地形的高程数据；二是地质图等与矿产资源勘查有关的地学专业属性信息；三是突出反映地形地貌的地表纹理数据。作者在构建东胜铀矿区虚拟地质环境时，高程数据通过Spot 5立体像对的处理获得；地质图等与矿产资源勘查有关的地学专业属性信息主要由数字勘查区数据库提供。实现从数据库→虚拟现实平台的方式主要有两种:一是数据库(Geodatabase)→Shapefile→虚拟平台数据；另一种是数据库(Geodatabase)→FME(（Feature Manipulation Engine，空间要素管理引擎）→虚拟平台数据。前者适合像VRMAP,Terrex等与GIS数据之间具有较好可操作性的虚拟现实平台；后者适合像Multigen等与GIS数据的互操作能力弱，不能直接读取GIS数据的虚拟现实软件平台。纹理数据采用高分辨率遥感数据和野外实物照片，以增强地质对像的真实感，但具体处理时，不同的软件平台有不同的处理方式和要求，因此在虚拟建模之前要针对依据不同平台的要求对上述几种纹理数据作必要的处理。

3.2 虚拟地质环境构建

主要把高程数据、地质图等要素数据、地表纹理数据等在Multigen Creator中进行建模，形成Openflight格式的地表地质环境数据库（*.flt）；然后把数据库文件导入Multigen Vega的图形用户界面Lynx中，并以虚拟地质环境的各类参数进行初步设置，形成一个应用程序定义文件（*.adf）（Application Defined File）；最后根据用户自己的需要，通过Multigen Vega提供的API函数进行二次开发，完成虚拟地质环境漫游系统。整个构建过程如图3。

图3 东胜矿区虚拟地质环境构建流程

（1）虚拟地质环境建模

建模是在Creator平台的Terrain 模块中实现的，所有建模所需的数据均被包含在一个工程文件（.prg）中，整个建模在地形窗口中进行。工程处理过程中主要涉及工程参数、投影参数、三角算法、纹理参数、要素处理等。

通过上述各项参数的设置，完成了建模的准备工作。建模选择的地图投影为平面地球投影和WGS84的椭球体参数，地形算法为Polymesh，采样率为6。为了获得好的视觉效果，有选择地投影了地质信息，未投影地质信息的地区由高空间分辨率的遥感影像纹理贴图代替，以突出地形地貌特征。通过构建，获得了东胜矿区虚拟地质环境（图4）。

图4 东胜矿区虚拟地质环境一角(视角向南)

(2)虚拟地质环境驱动的Vega程序设计

如何使在Creator中建成的虚拟地质环境以多种方式进行漫游显示，并根据需要进行查询等功能的开发是虚拟地质环境构建的另一技术重点。这在Multigen Vega虚拟工具软件中进行了研究和实现[3,4,5,6,7]，主要包括ADF 文件的建立和Vega 应用程序的开发等。

ADF（Application Defined File）文件，是存放Vega应用程序各种参数初始值的文件，其建立和编辑在Lynx中进行。在Lynx中，主要设置参数面板有对像面板，场景面板，运动模型面板，观测者面板等。一般来说，野外地质考察主要是步行，以便能对各种地质现象进行仔细观察。因此，本系统的漫游方式设置为步行。同时，为增强从高空观察地质现象的效果，还设置了空间（如同在飞机上）漫游方式。通过上述设置，就可以建立一个ADF文件，为在Multigen Vega开发环境中深入研究虚拟地质环境提供了基本数据文件。

建立好ADF文件后，就可以在VC等编程语言环境，进行虚拟地质环境漫游、信息查询等功能的开发。一个Vega应用程序由C或C++的源代码文件、ADF文件、一个或多个Visual C++ Project文件（.dsp）和Workspace文件（.dsw）组成。无论是何种类型的Vega应用程序，在建立一个Vega应用程序中都要分为3个步骤：第一步是调用vgIniSys函数初始化系统，并创建共享的内存区和信号区；第二步通过创建需要的类来定义系统；第三步进行系统配置，使ADF中的定义与函数调用结合起来。

4 铀资源虚拟勘查的探索

构建虚拟地质环境的目的是探索对铀资源的虚拟勘查。虚拟勘查是在构建的铀资源数字勘查区的基础上，借助虚拟现实系统，在计算机上对野外地质情况进行观察；通过点击，对感兴趣的地区或目标的地表和深部地质情况进行了解；根据获得的信息，进行对比、分析和综合，发现地质规律，得出认识，并根据新认识圈定成矿远景区或在远景区内进行井位设计，虚拟野外的地质找矿与勘探过程。如对原来的方案不满意时，可方便地修改和调整，直到满意为止。然后，进行野外实际地质调查和决策。

针对虚拟勘查的需要，开发了下述功能：

①漫游功能：通过鼠标或键盘操作，对研究区的虚拟地质环境进行漫游（如同坐飞机、汽车或步行进行野外考察），观察研究区的地形、地貌、河流、交通、地层、构造、矿化等地理和地质现象。

②查询功能：漫游过程中，对感兴趣的地区或地物进行相关操作，实现对目标的查询，了解地表以及深部的地质情况，分析其成矿条件。

③搜索功能：在对研究区情况不熟悉的情况下，为了方便地查找感兴趣的目标或地物，可通过目标搜索功能进行快速查找，查找的目标将会很快地出现在研究者的面前。

④布线功能：在野外进行地质研究时，常需要进行典型地质路线的调查。为了虚拟野外地质路线的调查，可以利用开发的虚拟地质环境系统的布线功能，根据研究者的意图进行野外地质路线的布置和调查。

⑤量测功能：通过参数量测等功能，进行距离，面积、高度等参数的量测，以获得勘查目标的定量数据。

本文将现代信息技术的最新进展——虚拟现实技术引入铀资源勘查领域，和遥感与数据库技术结合，提出矿产资源勘查区和虚拟勘查的构想，并进行了开拓研究。尽管目前还属框架性的，但它在虚拟找矿与虚拟勘探的探索中迈出了关键的一步[8,9]。随着地质勘查信息的积累和虚拟现实技术的发展，以及该项研究工作的不断深入，它将可能深刻改变矿产资源的现有勘查和决策方式，实现地质工作者“室内找矿”的梦想，促进地质工作的现代化和数字地球理论方法的实际应用。

参考文献

1.DZ/T0078-93 地质矿产勘查原始地质编录规定. 北京：地质出版社，1993.

2.GB6390-86 地质图用色标准. 北京：地质出版社，1986.

3.王裕俭.基于Multigen Creator和Vega的虚拟现实探讨[J].测绘信息与工程,2003,28(4):14-16

4卫红,张文君,吴亚东.将Multigen/vega虚拟现实场景用于GIS的研究与实践[J].陕西师范大学学报(自然科学版),2003,31(专辑):167-171

5.李军,王绍棣,等.基于Vega的视景驱动软件的分析与设计[J].系统仿真学报,2003,15(3):397-400.

6.李瑞,刘鹏远,等.Vega程度设计在MFC中的应用[J].计算机工程与设计,2002,23(8):55-57

7.龚卓蓉编译，朱衡君审，Vega程序设计，国防工业出版社，2002年8月

8.叶发旺,刘德长,仉宝聚.虚拟现实技术在铀矿地质中的应用探讨[J],铀矿地质,2004,20(1):56-62.

9.刘德长，赵英俊，仉宝聚，核工业铀资源勘查遥感应用的创新与数字勘查技术系统研究，国外铀金地质，2002.No.3