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1、 GIS技术及其在地质矿产勘查中的应用摘要 GIS作为一种先进技术, 是电子信息技术飞速发展的必然产物, 与现代地球及其相关科学日益增长的需求相适应,以处理地球上任何具有空间方位的海量信息为特征,具定量、定时、定位等优点,近10年来已在地质矿产勘查中得到广泛应用。一个区域各种地质资料( 图形、图像、文字、逻辑、数值)的GIS分析实际上代表该区域现阶段较为客观的总认识。目前, 野外收集资料、数据建库、GIS分析等尚存在规范化、标准化等问题,GIS本身解决诸多专业性较强地质问题的能力亦不足。但GIS的进一步发展与完善必将使地质矿产勘查进入一个数字化的新时期。关键词 矿产资源；地理信息系统；GIS；
2、GIS应用现状；预测方法；矿产资源勘查潜力；评价路线；关键问题矿产资源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，随着生产力水平的提高和科学技术的不断发展，矿产资源的利用程度及其工业价值也将不断提高。鉴于矿产资源在经济发展中举足轻重的地位，我国已经将矿产资源勘查潜力评价作为制定国家矿产资源战略、加强资源宏观调控的重要依据。传统的矿产资源勘查主要依据专家的经验，通过对预测区范围内地、物、化、遥等资料进行研究，并利用手工方法在图纸上定性地圈定矿预测靶区。该方法存在以下缺点：在勘查过程中评价模型主要是针对数值型数据而非图形数据；勘查评价过程中难以实现可视化的互操作，并且空间对象之间的复杂关系难以直观地体现；
3、难以将实现评价的结果可视化表达1。而地理信息系统即GIS( Geographical Information system)通过图形操作对空间对象关系进行分析，在此基础上通过可视化界面输出分析结果，这不仅可以在矿产资源勘查过程评价中实现人机交互操作，并且评价结果能进行可视化展示。因此该技术为矿产资源多源信息的集成管理提供了理想的解决途径；从而很好地弥补了传统矿产资源勘查中的不足，成为专家们在矿产资源勘查方面的有利工具2。1 GIS 在矿产资源勘查中的研究现状1.1 GIS 简述当今时代是信息的时代, 现代通讯技术、网络技术、多媒体技术、海量的数字化信息以及功能日益增强的计算机软硬件正使其向纵深
4、飞速发展。地理信息系统即GIS( Geographical Information system)是指在计算机软硬件支持下，运用系统工程和信息科学方法，对地表空间数据进行采集、存储、显示、查询、操作、分析和建模，以提供对资源、环境和区域等方面规划、管理、决策和研究的人机系统3。GIS作为一门新兴技术，从学科的角度来看，是在地理学、地图学、测量学、信息科学、管理科学和计算机等学科的基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从应用和技术的角度来看，就是解决空间问题的工具、方法和技术；从功能的角度看， 具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度看，具有一定
5、的结构和功能，是一个完整的系统3。GIS 所具有的这些实用性特点，使其能够应用于诸多领域，如区域地质调查、地质找矿和矿产资源预测及评价、土地整治和自然资源管理及区域经济规划、城市规划和建设、各种灾害的评估和防治、农作物估产以及耕地动态变化等。目前，GIS 在理论和应用上都处在一个飞速发展的时期，GIS 的广泛应用、普及必将成为21世纪的一个重要特征。1.2 国内外研究现状GIS 应用于地质矿产资源勘查评价中，起始于7080年代，美国、加拿大、澳大利亚等发达国家较先把GIS技术与矿产资源勘查评价结合起来并成功应用，而我国GIS技术应用研究起步较晚4-6。我国将GIS技术应用于矿产资源潜力评价始于
6、20世纪80年代中后期，许多研究部门及大专院校，运用GIS技术在全国一定范围内开展了矿产资源勘查的工作，初步研制出基于GIS平台的矿产资源勘查评价辅助决策系统，并对部分矿种实施了资源潜力评价研究7，如中国地质科学院肖克炎博士的课题组在MapGIS软件平台上开发了矿产资源评价系统(MRAS)8，中国地质大学（武汉）数学地质遥感地质研究所开发了金属矿产资源评价分析系统（MORPAS）9，长春科技大学王世称等“综合信息矿产资源预测系统（）”10，中国地质大学池顺都开发的“基于地质异常的分析系统”，中国地质矿产信息研究院与四川地质矿产勘查开发局在和平台合作开发的“应用于矿产资源区域评价方法（）”11，
7、武警黄金指挥部白万成等基于开发的“矿产位置预测系统（）”12等。这些基于的矿产预测系统在地质矿产资源勘查中得到广泛的应用，如李光明“西藏冈底斯铜多金属成矿带基于资源评价系统的成矿预测”13，薛顺荣“基于的证据权重法在香格里拉地区的综合信息成矿预测”14，李绍儒“松潘摩天岭地区金矿定位预测研究”15，矫东风“基于平台的甘南铅锌矿床远景区预测”16等国内外实践证明：把GIS应用于矿产资源勘查中，已成为地质学家在矿产资源勘查方面的重要手段，这主要是因为：它改变了传统矿产资源的勘查体系；它提高了矿产资源勘查的效率，简化了勘查的过程。随着GIS 和矿产资源勘查理论的有机结合，必将对矿产资源勘查及地学工作
8、者的思维方式和研究方法产生深远的影响。2 GIS在矿产资源勘查中的预测方法传统的预测方法，预测人员在使用多元信息数据时面临如下问题：（1）多元数据的时空性：简单的数学模型或经验模型难以兼顾数据间的空间相关关系；（2）多元数据的多样性：地、物、化、遥异常及各异常组合的综合成为令人生畏的难题；（3）多元数据的庞杂性：多元数据的多元性致使它也具有复杂性，因此预测难度增大，预测人员也经验有限，人为因素较多；（4）多元数据的转化：实际中预测大都运用文字、图件、表格等形式来表现成果，因此大多定性的或定量的多元数据需经转化，才能适用于预测模型。目前，GIS矿产资源预测，主要是利用GIS的基本空间分析功能，研
9、究地质矿产实体的空间关系，对未知地段找矿远景作直观评价，如通过控矿因素的叠置分析可以圈出找矿有利地段，或是与数学预测模型相结合进行预测，其方法可以概括如下：（1）收集地理、地质、矿产、构造、化探、物探及遥感等多源矿产地质数据资料，将图件进行数字化、分层、统一坐标系统等处理后存入图形库中，将属性数据分类、编码，并与图形特征数据连接，建立多源地学信息空间数据库。（2）针对特定的预测目标，进行成矿地质背景和典型矿床特征分析，研究预测区的成矿规律，定性地确定影响成矿的因子变量，确定区域找矿模型。（3）在多源地学信息空间数据库的基础上，根据确定的评价因子，利用GIS提供的空间叠加、属性分析、数据检索、二
10、维模型分析及三维模型分析等处理多源地学信息，进行专题提取和生成，形成适合矿产资源预测的专题图层和专题属性，并建立综合信息找矿模型。（4）利用GIS提供的可视化空间分析功能，对专题图层进行综合分析研究， 同时结合数学预测模型对专题属性进行综合分析研究，进而圈定成矿有利地段，还可以计算成矿概率。（5）对专题属性进行多元统计分析，优化成矿有利地段，并采用统计分析方法或其它建模方法对优选靶区进行资源量估算。（6）基于GIS对预测成果进行计算机表达。（7）成果输出，提供预测资料指导靶区圈定或是进一步勘探工作。3 基于GIS 矿产资源勘查潜力中的评价路线矿产资源勘查潜力中的评价是通过研究地质工作中所获得的
11、数据与资料，结合地质学理论及其基本分析方法，在总结成矿地质条件和成矿规律的基础上，将其转化为矿产资源信息，从而实现对地壳的某一部分或某一单元内矿产资源的潜力、利用的可能性及其经济价值做出合理的评估17。图1 矿产资源勘查一般评价过程国内外常用的矿产资源勘查评价方法体系的评价过程如图1所示，概括为地、矿、物、化、遥和科研资料的汇集，建立空间数据库，成矿信息提取，信息的综合，成矿理论的应用，预测远景区的圈定和优化18。由于GIS在管理、分析和综合多源、多时态、多层次空间信息方面的优势以及具有高效、快捷、准确的空间信息分析功能，使其逐渐成为矿产资源勘查潜力评价的主要手段19-21。基于GIS的矿产资
12、源勘查潜力评价主要步骤有：整合地质、矿产、航磁、化探、遥感等多源地学信息，建立空间数据库；利用GIS的空间分析功能，对收集的资料分别进行深度挖掘；通过对研究区找矿标志的建立，在GIS 技术支持下，对不同数据源的成矿信息分别建立图层，对找矿信息的空间综合叠加分析，圈定勘查靶区22，矿产资源勘查GIS评价工作流程如图2所示。图2 矿产资源勘查GIS 评价工作流程4 GIS 在矿产资源勘查潜力评价中的应用随着数据资源的不断积累、评价方法研究的深入、GIS软件功能的增强、高性能硬件设备价格的大幅度下降，GIS必将在矿产资源勘查潜力评价中发挥越来越大的作用。以下就基于GIS的矿产资源勘查潜力评价的基本步
13、骤：地学基础空间数据库的建设，矿产勘查潜力评价综合模型的建立，矿产资源勘查潜力综合评价并预测矿产资源分布进行论述。4.1 基于GIS 数据库的建立我国开始研制的矿产资源数据库都是基于矿产资源的非空间数据的管理，基于空间信息的矿产资源勘查潜力评价不仅涉及到空间信息的位置而且也与其分布有着直接或间接的联系。利用GIS手段可以对空间信息进行标准化和规范化处理，建立矿产资源勘查潜力评价GIS数据库23,24。GIS 数据库包括空间数据库与属性数据库。空间数据库设计是矿产资源勘查潜力评价信息系统建设中的一项重要工作，其涉及的技术关键问题为GIS 数据库图层的设计、数据库标准化及图形采集精度误差控制分析2
14、5。属性是一个实体特征，属性数据是描述真实实体特性的数据集，只有空间图形与属性数据有机的结合，真正的信息系统才有可能建立。因此，基于单纯的图形或单纯的属性数据而建立起来的信息系统是无意义的。矿产资源勘查潜力评价信息数据库中的图形数据库和属性数据库它们之间的关系如图3所示。图3 矿产资源勘查潜力评价数据库构成空间数据库建立之后，图形信息与属性之间可以实现灵活双向查询检索，即可从图形检索各种属性信息，也可以根据地质体的各种专题属性实现其对应图形的检索，还可以进行多种属性组合条件的查询与检索，如在地质图空间数据库中根据地层、岩性、构造等属性检索出相应的地质体；还可以通过表示地质现象的点（矿床、钻孔、
15、采样点等）、线（断层、线性构造、河流等）以及面（地层、岩体、异常区等）检索它们的属性。数据库一旦建立，其中的数字数据即作为一种资源存储在计算机内，可反复使用。当在同一地区进行深入的研究，或进行其他涉及库中信息的研究时，即可应用数据库的管理功能，检索出所需的信息，这大大提高矿产资源勘查潜力评价的效率23，26，27 。3.2 要素提取、综合与模型的建立一般GIS 在矿产资源评价中可通过以下途径来进行信息的提取与综合：直接利用GIS 的一些基本空间分析功能，通过研究空间实体（地质体、地质现象、矿产实体）及相互关系（如空间实体的关系运算、BUFFER分析、叠置分析等）而达到评价的目的；结合矿产预测数
16、学模型进行综合评价1，主要结合方式如图4所示28。基于GIS的成矿信息提取就是运用GIS空间分析技术和其他学科专业理论知识，将地学数据信息表达成GIS空间数据库图层或以图层方式展现的属性表（就是GIS能够理解的方式），并对其中的隐含的成矿信息进行深度地挖掘，找出反映矿床定位和矿床规模的信息。4.2.1 空间分析方法为了能充分利用已经建立的基础地学数据库，必须使用GIS提供的空间分析功能29。GIS 空间分析功能包括2个不同的应用层次30：根据空间对象之间的关系及其分布特征，通过图形分析操作实现对特征因子的提取，生成新的专题图层；根据具体的应用目标，模拟真实的地质作用过程，通过构建空间分析模型实
17、现与GIS 系统的集成。一般GIS空间分析在矿产资源勘查潜力评价中的应用情况可以这样描述：利用GIS的空间分析功能（如包含、缓冲区分析、叠加分析、统计分析等）生成新的专题信息图层，然后利用GIS的空间查询功能检索出满足条件的空间信息，在此基础上进行信息提取和查询分析，如将用GIS方式表达的地质图、矿产图和构造图等各种地质图件与评价单元文件叠加，可计算得到所需评价单元的定性和定量数据信息，还可以利用已有的变量进一步进行地质变量综合与转换，实现对深层次信息的挖掘，使隐含的信息和规律显性化。其中在GIS 空间查询中所用到的GIS空间索引技术在空间数据高效、快速检索的过程中发挥着重要的作用，它是对存储
18、在介质上的数据位置信息的描述，运用于矿产资源勘查潜力评价中可以提高系统对地学数据获取的效率。空间索引的主要常见方法有：Cell空间索引、四叉树空间索引、RTree及其扩展的空间索引。目前空间索引技术主要应用于矢量数据查询检索、空间数据库的管理等31。简单地说：GIS空间分析功能是成矿信息获取的主要手段，也是实现成矿信息自动提取与变量转换的主要思路和内容。4.2.2 评价模型的建立在GIS 空间数据库建设中一项非常重要的内容是根据预测评价矿种及资料水平来进行空间数据库地学数据模型的设计32,33，传统的矿产资源勘查评价是基于专家找矿模型来实现对资源的合理评价，而利用GIS 技术的空间分析功能可以
19、反推找矿模型，这实现了评价模式的转变34。矿产资源勘查潜力评价模型实际为基于GIS的应用模型，即根据具体的应用目标和问题，借助GIS技术优势，使观念世界中形成的概念模型具体化为信息世界中可操作的机理和过程。矿产资源勘查潜力的评价模型包括反映矿产形成及成矿表现的矿床成矿模型、综合标志找矿模型、矿床地质环境模型和社会经济模型等内容35。在潜力评价模型的建立过程中，可用GIS 表达模型诸要素，如在矿床模型中可表达的要素为：成矿地质背景、矿床成矿要素、成矿产物、成矿标志等。具体过程可以概括为：在多源地学信息空间数据库的基础上，根据确定的评价因子，利用GIS提供的空间分析功能处理多源地学信息，进行专题信
20、息的提取和生成，形成适合矿产资源勘查潜力评价的专题图层和专题属性，并建立综合信息评价模型22。4.3 矿产资源勘查潜力预测评价科学理论的3 条准则为：深刻、统一和预测36。由此可见，预测能力是评价科学理论的重要标准。预测的目的是应用当代先进的地质理论和现代化的技术方法将与矿产有关的资料（数据或信息）转化为资源量的概念，进而圈定预测远景区，缩小勘查目标区，减小发现矿床的风险，从而提高找矿成效和预见性37。在矿产资源勘查潜力预测中，借助GIS 工具能够探索已知矿带与地质、地球物理和地球化学图的组合关系，最终利用组合图进行潜力预测。GIS 在矿产资源勘查潜力评价中的应用过程如图5 所示。图5 GIS
21、在矿产资源勘查潜力预测中的工作流程在矿产资源勘查潜力评价的实际工作中，主要面临预测要素信息提取与综合、多元信息分析与表达、找矿信息立体化等问题，而这恰好可以用GIS技术解决。其中，空间分析和空间索引技术可以解决信息提取与综合问题；GIS 空间数据库可以高效地实现数据的录入、修改、统计、查询等功能。同时，GIS的应用模型可使观念世界中形成的概念模型转化为预测评价模型，并使之具体化、形象化。385 存在的关键问题及研究思路GIS 在矿产资源预测中的应用发展迅速,但尚存在一些关键问题。利用GIS进行矿产资源预测的成功与否,在很大程度上取决于对研究区域成矿规律的认识程度和预测方法的合理应用8。传统地质
22、科学对成矿规律的研究已有较成熟的方法体系,但是利用GIS 的空间分析功能以及结合预测模型的矿产资源预测,还存在一些缺陷,如忽略各种地质变量之间的关系、各种地质变量与成矿作用的关系,以及地质结构、构造特征等39,同时预测模型本身尚不成熟。为了克服这些问题,本文认为,所建立的多源地学信息空间数据库不应只是多源矿产地质数据的集合,还应当包括一些关系信息,如多源矿产地质数据之间的关系、多源矿产地质数据与成矿作用的关系等。而这又牵涉到多源矿产地质数据的组织问题。矿产地质数据是基于GIS的矿产资源预测的基础,但是目前地矿行业矿产地质数据不仅是多来源、多学科的,而且还依各个部门的任务、内容不同而不同, 包括
23、地质、构造、地层、岩石、矿体、钻孔、物探、化探等数据及与地质矿产有关的各项研究成果数据,因此如何高效地组织和管理这些数据使之适于GIS矿产资源预测是急待解决的问题40。本文提出的思路是,以成矿规律的研究为基础,划分不同类型矿床, 从不同类型成矿作用的角度, 对多源矿产地质数据进行归纳、总结、分类,建立包含多源矿产地质数据及其相互关系以及与成矿作用内在联系的多源地学信息空间数据库,同时根据需要,多源矿产地质数据与成矿作用关系的信息也可以直接作为综合预测评价的专题层。矿床时间谱系的研究对于矿产资源预测具有十分重要的指导意义41,但由于时空数据及其涉及的时空分析的复杂性,GIS中的时空数据模型仍然处
24、于研究阶段, 还没有可实际应用的时态GIS出现42,43,也使得在矿产资源预测中与时态相关的研究刚刚起步。本文认为,目前可行的方法是,结合具体应用研究适用的时空数据库结构及模型,针对矿产资源预测,归纳总结多源矿产地质数据中与时间有关的数据的特征, 在传统GIS空间数据库结构中增加时间维并结合时间标记法来研究矿产资源预测中的时态问题。矿产资源预测中领域专家的知识是任何技术手段以及数学模型无法替代的44,在基于GIS的矿产资源预测中如何考虑专家意见以及GIS矿产资源预测系统如何与专家系统结合等问题仍在探索之中。本文认为,将GIS矿产资源预测系统与专家系统直接整合,目前实现的难度较大。为了充分利用领
25、域专家的知识,一种可行的研究思路是,在基于GIS的矿产资源预测中,采用层次分析方法,将矿产资源预测的各要素按隶属关系分为若干层次,而领域专家对各层次各因素的相对重要性给出定量指标,然后利用数学方法综合进而得到各层次各因素的相对重要性权值,以此作为预测评价的一个基础或者一个专题层。当然,定量指标的设计以及综合定量指标的数学方法也是需要进一步探讨的问题。此外,基于GIS的矿产资源预测需要采集大量的矿产地质数据,其中一种重要的获取方式是地图数字化,而目前采用数字化仪或基于GIS平台的屏幕数字化均存在工作量大、精度控制难等问题。虽然一些GIS 平台如ARCGIS、ARCINFO、MAPGIS 等提供了
26、自动数字化功能, 另外还有一些专门的矢量化软件如R2V、VPStudio 、Geo Scan 等也具有自动矢量化功能,但是其自动化效果均不理想, 这一问题还有待进一步研究。本文认为目前可行的也比较高效的方法是,在地图扫描的基础上,基于GIS平台或专门矢量化软件进行半自动、交互式的屏幕数字化,而属性数据可以在数字化的同时录入,或者在专门的数据库平台上录入后再与图形数据连接。6 未来展望尽管GIS 在地质找矿工作中的应用还存在诸多不足,但却有着广阔前景。海量数据、多元(源)信息、定量化是GIS分析的重要特点,也正是传统地质研究中所缺乏的,数据的日积月累与具体研究方法的不断完善必将引起一些质的变化。
27、与此同时,GIS在地质中的应用也会逐步成熟起来,向地质学家们提出更多更新的要求。一些标准化措施、工作规范会相继出现, 研究人员严格根据GIS分析要求采集原始数据, 学术刊物按相关规定发表地质资料,依此循序渐进经相当时期甚至几代人的积累,一个地质研究全面定量化的时代必将最终到来, 从而导致地质学在许多基本认识上的重大飞跃和找矿的重大突破。更重要的是, 研究人员知识面的拓宽和综合技能的提高会使得地质信息系统应运而生, 完成研究手段从通用GIS( Geographical Information System)到专用GIS( Geological Information System)的根本转变,其
28、深远意义不言而喻。目前,就通用0GIS而言,功能也在不断拓展。ESRI集团1992 年推出集CAD与GIS技术之大成的ArcCAD,1994年上市面向空间数据管理的ArcSDE 。MAPGIS 32 位版也已问世, 可在Windows NT (5.32)下运行,空间分析及网络分析功能明显增强、速度大大加快。次外,多媒体技术会逐步应用于GIS45。例如,地质演化可按时间序列以动画方式再现,结合声音变化、箭头闪烁等动态显示GIS分析结果。GIS将由现在具备一些三维显示功能逐渐发展为真正意义上的三维GIS,可以进行三维数据操作、全息图像显示、层次处理等。GIS已和网络技术结合,出现了像WebGis这
29、样的新名词。WebGis即不是环网GIS,以WWW的Web页面作为GIS用户界面,便于使用者共享资源、查询浏览、更新软件等。虚拟现实( virtual reality )技术是当今仅次于Internrt网的对未来有重大影响的科学技术,通过虚拟现实环球网,可以收集分散在全球的多媒体信息营造一种仿真的虚拟实现系统,使人通过计算机等设备置身其中犹如身临其境46。GIS技术、网络技术、虚拟现实技术三者必将被最终结合在一起,设计出一种全新的空间信息计算机系统。7 结束语最后，我非常感谢老师在这学期为我们辛勤地讲解GIS及其在矿产勘查中的应用这门课！同时也感谢助教老师在实习课中为我们讲解关于MAPGIS的
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