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地质信息数字化技术

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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地质信息数字化技术(孙少平)地理信息系统(近 20年来发展起来的一门综合应用系统,它能把各种信息同地理位置和有关的视图结合起来,并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、媒体技术及虚拟实现技术等融为一体,利用计算机图形与数据来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。这样就可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给用户。我国的 0年代中期,一些大学和研究机构在消化、吸收和应用国外地理信息系统软件的基础上,相继研发了一些 0 年代初,国产软件如 并开始在中国市场上使用。这些软件主要基于微机平台和 质信息数字化技术是河南煤炭地质勘察研究院自 1998年开始,在通用地理信息系统 合煤田地质和矿井地质的特点,进行再次开发,用于解决煤田地质和矿井地质报告编制,最终形成数字化图件和电子形式图件的实用技术。该技术在我省煤田地质系统及部分煤矿得到推广和应用,取得了良好的社会效益和经济效益。为了进一步扩大煤勘院在矿井地质方面的服务领域,目前我们正在引进、消化“数字矿井地质报告修编系统”,可以预见,该系统的推广和应用,将成为煤勘院一个新的利润增长点,也为确保我院在该领域处于先进水平起到积极作用。1 地理信息系统(数字地质的首选平台随着人类社会的进步和计算机技术的发展,地理信息系统的应用空间正在迅速拓展。专家测算,人类接触的信息中 80%与地理信息有关!以往人们多试图运用数据库管理系统,对现有地质图和采掘工程图中的等高线、导线点、钻孔、储量块段等坐标数据和高程、煤质、岩矿分析等卡片信息实施整理录入,放置在数据库系统的一个或多个数据表中,在此基础上开发常规的属性数据管理功能。 更进一步,使用数据库来存放和处理属性数据,对采掘工程、储量计算、充水性、地形等图件,则通过另外的图形系统()来录入,以文件的形式单独存储。在这种模式下,图形尽管有坐标,但它们与图形中的实体的属性完全无关,彼此不相关联,虽然提供了维护图件的手段,图件本身所蕴涵的丰富信息不能被系统自动识别、提取和利用。 地质信息从根本上讲是地理信息。地理信息除了具有共享性、客观性等信息的一般特性外,还具有区域分布性、数据量巨大、信息载体多样等特殊性质,这就决定了传统数据库管理的观念与方法不能有效地管理和分析纷繁复杂的地理信息。地理信息系统作为集计算机、地理、测绘遥感、环境、城市、空间和管理等为一体的新兴学科。用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。术将地理信息相关的空间位置、属性特征及时域特征进行统一的管理,按一种新的方式组织和使用地理信息,以便更有效地分析和生产新的地理信息;同时地理信息系统的应用也改变了地理信息分发和交换的方式。作为新的通用技术,非仅仅在所管理的数据内容方面与众不同,在理论和方法上也有很多特色。地理信息系统特别重视对海量空间数据的有效管理,特别重视对拓扑结构的管理和拓扑关系的自动生成,特别强调与空间相关的查询统计、空间分析(多边形叠置、缓冲分析、网络分析等)和三维模型分析,等等。2 基本功能和特点就 一个功能强大的地理信息系统,基本包括了空间数据输入、空间数据存储与检索、数据处理与分析和数据输出等地理信息系统必须具备的各种功能。为了适应煤田地质和矿井地质的特点,在地理信息系统平台上,我们开发了钻孔柱状图程序、综合柱状图程序、对比图程序和平面图程序,大大提高了地质报告编制的效率、质量和数据的管理水平。间数据输入空间数据的输入一直是困扰 颈”,这不仅因为在建立 据采集和转换的经费往往高达整个系统的 70%~80%,更主要的是技术上的原因。空间数据输入通常的做法是把传统地理信息的载体—地图数字化。本技术提供了三种空间数据输入方法:一是直接数字化采集,二是扫描矢量化,三是数据通过数据接口直接输入。诸如地形图、地质图、采掘工程平面图等大部分信息已经成图,对于此类信息,可以通过扫描仪输入计算机,然后对其进行矢量化。扫描矢量化分为全自动矢量化、人机交互式矢量化和特殊图形实体矢量化等方法,鉴于地图的复杂性,手工跟踪数字化的方法使用较普遍,扫描数字化技术及转化成矢量数据库的技术日趋成熟并已商品化。近年来,全球定位系统 实时获取野外数据取得重大进展。遥感影像正在被用来作为一种基本地图,使之成为 供了一个数字测图子系统,通过全站仪、测量设备,可以获得地形、钻孔、巷道导线点等精确坐标,进入系统直接成图。实际上,现在有许多信息已经实现了数字化:三维地震、数字电法、数字测井等。我们为本系统开发了直接将钻孔数据库、巷道导线点数据库、地质点数据库的数据和文字直接 输入到编辑系统中,使其直接生成钻孔柱状图或等高线图、储量预算图、对比图、采掘工程平面图的底图,其数据库支持格式。利用该软件,一个钻孔从数据录入到生成矢量图,平均 4个小时(含简易水文、测井曲线),较以往手工制图提高效率数十倍。字图件的编辑与管理图件编辑系统提供了一套性能优良、功能强大的编辑矢量结构的点、线、区等空间位置及图形属性、并适时自动校正区域数据拓扑关系的可视化环境。 A、灵活方便 的点、线、区 编辑功能; B、图形信息 分层管理功能; C、功能强大 的点元编辑功 能;D、自动拓扑 重建和查错功 能;E、多图形文件工程管理功能; F、性能优良的自动、交互矢量化功能;G、实时、自动给出线图元的长度、面图元的面积等功能。 和普通的绘图软件相似,本系统对图形提供了一套完备的图层管理模式。针对空间数据的特点,本系统提供了更便于管理和进行数据分发的“层”—要素层,使我们可以方便的将一幅图形中诸如钻孔、构造、勘探线、地形地物等等要素,以不同的文件单独保存,大大提高了地质图件的制作效率和图件质量。 本系统的误差校正处理程序,可以对经过数字化仪或扫描仪输入造成的图件的“源误差”(清绘、印制、纸张变形等引起的误差)、“处理误差”(几何变换、数据编辑、格式转换等过程引入的误差)等系统性误差采用先进的算法进行误差校正,正是该功能保证数字化技术能够进入实用阶段。据成图与输出本系统的亮点之一是具有印刷质量的图形输出功能,许多单位和部门选择该系统的初衷,就是能够得到高质量的成果图件。数据输出子系统可以将编排好的图件显示到屏幕上或输出到指定的设备或文件中。A、版面编排功能:提供图形坐标原点、角度、比例设置及多幅图形的合并、拼接、叠加等的版式编排;B、数据处理功能:根据版式文件及选择设备,系统自动生成用于矢量设备的矢量数据或用于栅格设备的栅格数据;C、不同设备的输出功能:输出系统可驱动的输出设备有各种型号的矢量输出设备和不同型号的打印机; D、光栅数据生成功能:根据设置好的版面,图形的幅面及选择的绘图设备(如静电或喷墨绘图仪),系统开始对图形自动进行分色光栅化,最后产生不同分辨率的高质量的CMYK(青、品红、黄、黑)的光栅数据;E、光栅输出驱动功能:可将光栅化处理产生的CMYK光栅数据输出到彩色喷墨绘图仪,彩色静电绘图仪等彩色设备上去;F、印前出版处理功能:对设置好的版面文件,根据图形幅面及选择参数,自动进行校色、处理、转换,生成;G、数据文件交换功能:提供与 国际流行的图形处理和地理信息系统软件交换数据的多种接口。 间分析与三维体积模型地理信息系统与流行的 间分析子系统包括矢量分析、图像分析和数字高程模型。 A、据分析功能:进行坡度分析、坡向分析、分水岭分析、流域分析、趋势面分析以及相关性分析。 B、空间叠加分析动能:提供区域之间的合并、相交、相减、判别分析,线与区之间的相交、判别分析等。 C、网络管理分析功能:提供方便的管理各类网络(交通网、供电网、巷道网、电讯网等等)的能力。 D、多元图像处理分析功能:用于处理诸如遥感数据、航测数据和摄影数据等图像数据。 E、电子沙盘功能:电子沙盘功能可用于在计算机上模拟野外踏勘、野外作业、井下作业、地质构造识别等。 F、数字高程模型:对离散的、随机采样的高程数据进行网格化处理,使其成为规则的高程数据点;根据加密的数据,生成矢量形式的彩色等值线图等。 3 理信息系统的发展趋势当今信息技术尤其是计算机技术的快速发展、数字地球(提出与实施,以及 处于急剧变化与发展之中,并对 统的 间数据用文件系统管理,属性数据用关系数据库(理。急需解决在关系数据库中存储空间数据的问题,使空间数据实现真正的客户/服务器方式,建立空间数据服务器和空间数据引擎技术。目前空间数据引擎技术流行的做法是以当前的关系数据库为基础,进行扩充和完善。在数据存储和组织上,将空间数据项作为单独的列,加入到关系数据库的表中,用户可像通常那样对表中数据进行查询、合并等,还可以进行由空间数据查属性和由属性查目标的空间分布等操作。这些空间查询操作都可以在服务器端进行,满足查询条件的数据在服务器端缓冲存放并返回给客户端,这种缓冲存放的方法降低了网上负荷,提高了效率。在数据查询和访问上,采用标准的 括对数据的增、删、改)。在提高查询速度上,大多引进四叉树等空间索引技术。在数据处理和分析方面,进展并不令人鼓舞,其问题在于精通分析与模型化技术的数学专家对 型化和空间统计方面知之甚少。在标准的商业系统中,仍然没有基本的通用的空间分析程序,而且也没有基本的通用模型化工具。 入 90年代以来,计算机处理速度愈来愈快、性能价格比更高;其存储器可实现将大型文件映射至内存的能力,且能存储海量数据。随着多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术以及三维图形芯片、大容量光盘技术与宽频光纤通讯技术的突破性进展,特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互联网的建立,以及能够提供接近实时对地观测图像的高分辨、高光谱、短周期遥感卫星的大量发射,所有这些为 入应用展示了更加光明的前景。同时,也使得当前的 字时代的要求,目前放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。质信息技术的发展趋势煤田地质和煤炭矿井信息除了具有普通空间信息所具有的各种性质外,还具有许多特殊的性质。首先是原始信息量小,大部分地质成果都是在有限的原始信息上,通过地质专家的分析和判断得出的结论。煤田地质信息的另一特点是涉及的专业多,不仅有三维空间信息,同时有诸如水文、测量、煤质、工程等专业信息。正是信息属性的特殊性,针对煤田地质和矿井地质的专业 数字勘探地质报告编制系统”、“地测空间管理信息系统”等软件就是此类专业 数字勘探地质报告编制系统”用于提交数字化的地质勘探报告,主要由数据库系统、剖面图系统、平面图系统组成。建立钻探数据库(含钻孔柱状及煤层、煤质、水文、测井等资料)后,系统能够自动生成钻孔柱状图、勘探线剖面图、各种等值线图和储量计算图,实现了平面数据和剖面数据的动态修改和储量的计算。此外,还能够进行地质参数的空间分析。 “数字矿井地质报告修编系统”主要由地质、测量、水文数据库系统,剖面图系统、平面图系统、素描图系统组成。系统除具有勘探地质报告系统的全部功能外,还具有分析、处理、集成井下测量资料、三维地震资料、巷道素描图资料、补充勘探资料的功能。“地测空间管理信息系统”系统主要服务于生产矿井的地测部门,实现地测工作的数字化和信息化管理。该系统充分分析矿山空间信息特点的基础上,提出了灰色地理信息系统的理论,相关的数据模型和数据结构。系统正是在灰色地理信息系统理论的指导下,利用面向对象的编程技术设计而成的。为了解决矿山开采中日益严重的安全问题,“矿区通风安全远程信息管理系统”、“矿井一通三防信息管理系统”等专业 结语自煤勘院于 1999年开始开展地质信息数字化的研究和应用以来,除了完成河南省煤田地质局下达的生产任务外,先后为中联煤层气公司、河北邢台煤业集团、山西潞安矿务局、陕西澄合矿务局、鹤壁煤业集团、永夏煤业集团、神火煤电集团、义马煤业集团、新峰矿务局的二十五个矿井(井田)的地质信息实施了数字化服务,包括计划内项目,共获得数字化图件折合标准幅达到近万幅,共获得电子数据达 60余 一定程度上确立了我院在地质信息技术方面的领先地位。随着地质市场的好转,2003 年度,煤勘院地质所和数字中心共承担地质报告和设计达 20余件,其中大型报告三件,创产值约 300万元,人均创产值 20万元。仅效率一项,较手工编制报告和设计相比,提高效率达十倍以上。正是依靠地质信息数字化这个煤勘院的核心技术,使我们的工作效率约来越高,市场分额越来越大,服务领域越来越广。经过几年的努力,中国 经接近国际先进水平。面对今天的计算机技术的快速发展,面对 们应该进一步抓住机遇、探索规律、创造性地促进 力研发“数字矿山”的实用技术。可以预见,随着计算机技术的发展,信息高速公路的建成,一个以地理信息系统为平台,以信息高速公路为纽带的“数字矿山”,必将为地质信息的交流与共享提供一种全新的方式。(孙少平)
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