GIS与矿产资源评价.docx
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GIS与矿产资源评价
GIS与矿产资源评价
一、引言
虽然各国研究程度不同、所用方法不同，搜集评价区尽町能多的信息（地质、地球物理、地球化学、遥感信息等），在成矿理论的指导下，提取成矿信息，对各种成矿信息进行综合分析，以确定成矿有利地区或找矿靶区并估算其资源量是矿产资源评价的基本任务。
地理信息系统・GIS作为对地球空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和表示的计算机系统，不仅可以管理以数字、文字为主的属性信息，而且可以管理以图形图像为主的空间信息。
它通过各种空间分析方法对各种不同的空间信息进行综合分析解释，确认空间实体之间的相互尖系，分析在一定区域内发生的各种现象和过程。
在矿产资源评价领域，不管是进行区域成矿系统的研究，还是确定矿床的有利靶区，GIS不仅提供了在计算机辅助下对上述多源地学信息进行集成管理的能力、灵活的查询检索能力，而且可在经验与模型的指导下，通过各种空间分析方法对与成矿有尖的各种空间信息进行综合分析解释，确定成矿的有利地区。
七十年代末，八十年代初（姜作勤，1999），地质学家们开始尝试在矿产资源评价中应用GIS技术。
经过二十年的努力，在用于矿产资源评价的空间数据库的建立、工作程度不同地区的基于GIS的矿产资源评价方法的研究与应用、对多种成矿信息的综合分析方法的研究与应用、基于GIS的矿产资源评价专用软件的开发，以及如何合理地组织人力资源适应新技术的应用要求等方面取得了长足的进步。
实践证明，GIS技术的应用形成了新一代的矿产资源评价方法（李裕伟，
1998）oGIS不仅已经成为发达国家矿产资源评价的有力工具，在中国（姜作勤，
1999）、巴西、南非、泰国、越南、印度尼西亚等（MarkkaTiainen,1998）许多发展中国家的应用也越来越深入o
二、地理信息系统GIS概述
1・什么是地理信息系统
地理信息系统'简称GIS（GeographicInformationSystem）°顾名思义J地理信息系统是处理地理信息的系统。
地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有矢的信息，乂常称为空间信息。
一般来说，GIS可定义为：
”用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的汁算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术〃。
从GIS系统应用角度，可进一步定义为：
”GIS由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务”（陈述彭，1999）o
人类生活在地球上，80%以上的信息与地球上的空间位置有尖。
GIS的出现是信息技术及其应用发展到一定程度的必然产物o地理信息系统萌芽于上世纪的60年代。
1962年，加拿大的RogerF.Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统（CGIS）,以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等；与此同时，美国的DuaneF.Marble在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。
70年代是地理信息系统走向实用的发展期o美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。
到1972年CGIS全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统；在此期间美国地质调查局发展了50多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。
但山于当时的GIS系统多数运行在小型机上，涉及的计算机软硬件、外部设备及GIS软件本身的价格都相当昂贵，限制了GIS的应用范圉。
80年代是GIS的推广应用阶段，少于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使GIS的应用领域与范圉不断扩大。
GIS与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等（李德仁，1994）；从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。
在这一时期，出现了一大批代表性的GIS软件，如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS>MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC/INFO已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所釆用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。
90年代为GIS的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为了一个产业，投入使用的GIS系统，每2〜3年就翻一番，GIS市场的增长也很快。
目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
与此同时，GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络（包括WebGIS）、多维的方向发展。
我国地理信息系统方面的工作始于80年代初。
地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻矢计划，开始了有计划、有组织、有U标的科学研究、应用实验和工程建设工作。
许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。
1994年中国GIS协会在北京成立，标志中国GIS行业已形成一定规模。
九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项LI予以支持，1996年，为支持国产GIS软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。
这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。
1998年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达25%。
同年，在抽样调查25个省市19个行业的1000多个单位中，全部使用了地理信息系统（秦其明、袁胜元，2001）o地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、
公安等诸多领域得到了广泛的应用。
2.地理信息系统的组成
GIS的应用系统由五个主要部分构成，即硬件、软件、数据、人员和方法。
2.1硬件
硬件是指操作GIS所需的一切计算机资源。
U询的GIS软件可以在很多类型的硬件上运行，从中央讣算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。
一个典型的GIS硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。
根据硕件配置规模的不同可分为简单型、基本型、网络型。
图1是典型的网络型GIS硬件配置（修文群，1999）,图2是一个典型的基本型GIS硬件配置，它是一般用户最常用的配置。
图1网络型GIS硬件系统图2基本型GIS硬件系统
2.2软件
软件是指GIS运行所必须的各种程序。
主要包括计算机系统软件和地理信息系统软件两部分。
地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。
主要的软件部件有：
输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统工具；支持地理查询、分析和可视化显示的工具；容易使用这些工具的图形用户界面（GUI）0
2.3数据
数据是一个GIS应用系统的最基础的组成部分。
空间数据是GIS的操作对象，是现实世界经过模型抽象的实质性内容确良。
图3展示了GIS对现实世界的信息表达与分层。
一个GIS应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上o数据来源包括室内数字化和野外采集，以及从其他数据的转换。
数据包括空间数据和属性数据，空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。
空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及儿何拓扑尖系。
2.4人员
人是地理信息系统中重要的构成要素，GIS不同于一幅地图，它是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发，并釆用空间分析模型提取多种信息明此GIS应用的矢键是掌握实施GIS来解决现实问题的人员素质。
这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。
一个GIS系统的运行班子应有项日负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。
2.5方法
这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。
它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。
GIS
应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。
如基于
GIS的矿产资源评价模型、灾害评价模型等。
3•地理信息系统的主要功能
一个GIS软件系统应具备五项基本功能，即数据输入、数据编辑、数据存贮与
管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。
图4是一个典型的GIS功能框
图。
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晶色设计
3・1数据输入
数据输入是建立地理数据库必须的过程。
数据输入功能指将地图数据、物化遥数据、统汁数据和文字报告等输入、转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。
对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入，如图形数据输入、栅格数据输入、GPS测量数据输入、属性数据输入等。
用于地理信息系统空间数据采集的主要技术有两类，即使用数字化仪的手扶跟踪数字化技术和使用扫描仪的扫描技术。
手扶跟踪数字化曾在相当长的时间内是空间数据采集的主要方式。
扫描数据的自动化编辑与处理是空间数据采集技术研究的重点，随着扫描仪技术性能的提高及扫描处理软件的完善，扫描数字化技术的使用越来越普遍。
3.2数据编辑与处理
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数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。
属性编辑主要与数据库管理结合在一
起完成，图形编辑主要包括拓扑矢系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。
3・3数据的存储与管理
数据的有效组织与管理，是GIS系统应用成功与否的尖键。
主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。
矢量数据结构、光栅数据结构、矢栅一体化数据结构是存储GIS的主要数据结构。
数据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的功能。
数据结构确定后，在空间数据的存储与管理中，矢键是确定应用系统空间与属f生数据库的结构以及空间与属性数据的连接让1前广泛使用的GIS软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用GIS管理空间数据，用尖系数据库管理属性数据。
图5是一个典型的地学数据分层管理概念模型，其中展示了空间图层及其属性的连接。
水系即形对象屈性描处文木梅样品库
血区超
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钻孔
逼感国像
化探采样
物探数则
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土地仪用
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3.4空间查询与分析
空间查询与分析
是GIS的核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有别于其他信息系统的本质特征。
地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容：
1空间检索：
包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体；
1空间拓扑叠加分析：
实现空间特征（点、线、面或图像）的相交、相减、合并等，以及特征属性在空间上的连接；
1空间模型分析：
如数字地形高程分析、BUFFER分析、网络分析、图像分析、三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。
3.5可视化表达与输出
中间处理过程和最终结果的可视化表达是GIS的重要功能之一。
通常以人机交互
方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据，根据要素的信息密集程度，可选择放大或缩小显示。
GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。
除上述五大功能外，还有用户接口模块，用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。
山于地理信息系统功能复杂，且用户乂往往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分，使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。
4.通用与专用GIS系统
4.1通用地理信息系统
通用地理信息系统软件是指具有数据输入、编辑、结构化存储、处理、查询分析、输出、二次开发、数据交换等全套功能的GIS通用软件，是开发各种专用系统的基础与工具，乂称通用GIS开发平台。
国外的ARC/INFO・AtlasGIS、INTERGRAPH,TITAN、GENAMAP、GRASS>ERDAS、ERMAPPER等，国产的MAPGIS、CITYSTAR、GEOSTAR等都属这类软件；
通用型地理信息系统平台通常均提供强大的二次开发功能，有的提供专用的编程环境，如1ARCVIEW的AVENUE〉MAPINFO的MAPBASIC、ARC/INFO的XML语言；LI前更多的是提供更通用的DLL、ActiveX.JAVA等动态连接库或控件产品如TITANMAPGIS、MapObjects>MAPX等，利用计算机系统开发工具（各种高级程序设计语言）调用这些二次开发函数或控件可进行用户化开发的GIS产品，特别是用来开发各种专业型的地理信息系统。
4.2专用地理信息系统
专用地理信息系统是利用GIS系统开发工具集，针对某一专业领域和业务部门的工作流程而开发的独立的GIS运行系统，旨在利用GIS工具有针对性地解决具体的问题。
它符合专业领域或业务部门的工作流程，针对，性强，是GIS产品向专业化发展的产物，对扩大GIS产品影响力具有重要作用。
如中国地质大学基于
MAPGIS所开发的：
城市规划信息管理系统、通信管网及配线系统、土地详查信息系统、MAPCAD彩色地图编辑出版系统、矿产资源评价分析系统（HORPAS）等。
5.国内地学领域常用的地理信息系统软件
ARC/INFO是著名GIS厂商ESRI公司的代表产品。
它是当今世界上最完整的GIS系统5它所包含的儿千个GIS分析工具已经被各个领域所采用，千锤白炼后ARC/INFO也更加成熟，在全球地理信息系统市场上占有最大的市场份额。
近年来，ESRI在不断强化传统产品，如UNIXARC/INFO・PCARC/INFO・ArcCAD・DAK的同时，乂推出了儿种全新概念和具有划时代意义的产品，包括：
空间数据库引擎（SDE）、ArcViewGIS3.2、NTARC/INFO和MapObjectso最近乂推出了ArcGIS8.1全新版本，它包括ArcGISDesktop、ArcGISWorkstation.ArcGISSDE等。
ESRI是目前唯——个支持全系列操作系统的GIS厂商，其多层次'全系列的GIS产品能够满足每一个用户领域、每一个用户规模的需求。
ARCVIEW3.2是相应的一套桌面地理信息系统软件，但在功能上远远超越了桌面制图系统。
它的可扩展的软件结构为GIS应用提供了一个具有伸缩性的软件平台。
这一新的软件结构也使得ArcView队伍可以开发出一系?
quot;插件〃式的模块（如SPATIALANALYST.3DANALYST、IMAGEANALYST等），利用这些模块进行组合可以显著地扩展ArcView的功能，从而使桌面GIS发展到一个全新的水平°ArcView以Project为一个基本应用单元5它由多种Document组成：
（1）视图Views:
地图显示，信息查询，空间分析；
（2）表格Tables:
数据库管理，电子表格；（3）Chdrts:
统计图形制作；（4）图版Layouts:
地图组合设计，以供绘制；（5）脚本编程Scripts（Avenue）:
面向对象的程序设计、调试、开发工具。
ARCVIEW使用方便、简单直观。
MAPGIS是中国地质大学信息工程学院开发的工具型地理信息系统软件。
该软件是国家科技部向全国推荐的国产地理信息系统软件平台o使用简单，在国产GIS软件市场上占有较好的市场份额。
MAPGIS不仅具有比较完善的制图功能，还具有如下特点:
（1）海量无缝图库管理：
提供建立图库、修改、删除及图库漫游等一系列操作；提供图幅输入、显示、修改等功能；图幅接边、图幅提取功能操作简单，可靠性高；⑵高性能的空间数据库管理:
Client/Server结构，多用户访问管理；动态外挂数据库的联结；多媒体属性库管理；完善的安全机制。
（3）完备的空间分析工具：
可实现空间叠加分析，属，性数据分析，DEH分析，网络化功能，TIN模型分析，三维绘制功能，多源图像分析与处理等；（4）方便的二次开发：
支持C卄、VB、Delphi・ActiveX等集成开发环境；可提供API函数层、C卄类层、ActiveX控件层°
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6.地理信息系统与计算机辅助制图系统的区别
GIS是在地学学科与数据库管理系统（DBMS）、计算机图形学、计算机辅助设计
（CAD）、计算机辅助制图（CAM）等与讣算机技术相尖学科相结台的基础上发展起来的。
CAM是使用计算机技术进行儿何图形的编辑和绘制的讣算机系统。
CAM的使用使众多行业和部门中的设计人员从制图板上和手工劳动中解放岀来，因而受到广大设计人员、制图人员的青睐。
CAM技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，
GIS的出现进一步为CAM提供了现代化的先进技术手段，引起地图制图过程的深刻变化，成为现代地图制图主要手段。
虽然GIS的发展与讣算机辅助制图有着密切的尖系，但二者之间存在许多根本性的不同。
1LI的不同。
CAM的□的是制图，主要考虑信息的显示和表达，是传统地图的数字化再现。
除正确的表达专业内容外，强调线划的圆滑、色彩的协调、图面的美观。
而GIS的目的是空间数据的管理与分析，制图只是GIS的功能之一；
1采用的技术不同，GIS通过严格的空间拓扑尖系、空间及属性数据库的建立实现信息的管理、查询与分析。
建立描述地质实体空间特征的图形元素之间的拓扑尖系、建立与图形元素相连接的描述地质实体非空间特征的属性数据库是地理信息系统与单纯的计算机辅助制图系统的最本质的差别；
1GIS具有强大的空间查询和深层次的空间分析功能，提供对规划、管理和决策有用的信息。
而CAM不具有空间分析功能；
三基于GIS的矿产资源评价的发展
七十年代后期，地学领域的专家们就开始认识到了GIS在自然资源分析中的应用潜力。
美国的缅因州地调所那时就组织了GIS应用试验项Uo1982年USGS的地质处与测绘处联合启动了一个试验研究项U,设讣、开发、应用和评价用于美国本土（阿拉斯加除外）矿产资源评价计划CUSMAP的GIS原型系统。
根据由GIS得出的釆用数字编码的地质、地球物理、地球化学'遥感、地形、矿产地数据的空间尖系，建立可能发现的矿床类型的经验模型。
试验分别在3个1°X2°的图幅上进行。
通过研究，确定了矿产资源评价对栅格、矢量与表格式数据处理能力及相互间的接口和在GIS内建立应用模型及表示评价结果的制图功能的需求（C.M.Trautwein等，1988）。
到1988年12月，在由CUSMAP演变而来的全国矿产资源评价计•划一NAMRAP中大约有11个矿
产资源评价项H涉及了新技术的应用。
GIS在矿产资源评价中的应用不仅在USGS,而且在各州的地调所也得到了相当程度的重视。
1988年9月美国科学院、USGS和美国地质学会联合召开了题为集成技术和地学应用的GIS讨论会，会上发表了多篇尖于矿产资源评价的论文。
Maine,Illinois,Calorado和Kentucky等州都作了很好的工作（ColinTreworgyandMargaretBargh,1989：
RobertG・Marvinney,1988；RobertR.Pooletal,1988）°加拿大地调所（GSC）A十年代中后期开展了用GIS进行矿产资源潜力填图的研究oGSC著名的地质统计学专家G.F.BonhamCarter和F.G.Agterberg等人在1988和1989年发表的”集成地质数据集进行NOVASCOTIA地区的金矿勘探〃和”GIS在新悸姿谷鹏吮辈靠燼试雌兰壑械挠T?
quot;（G.F・BonhamCarteretal,198&G.P・Watsonetal,1989）论文中，提出用条件概率与贝叶斯规则相结合的证据加权法实现二元模式图的综合的新方法。
在资源评价中，首先将GIS的空间分析与定量模拟结合起来o这种方法经多次改进，已作为基于GIS的矿产资源评价的主要方法在世界各国得到了广泛的应用。
与北美相比，澳大利亚开展此项工作的时间要晚一些。
澳大利亚地调所（AGSO）的前身矿产资源局1988年成立了由GIS技术与应用专家组成的自然资源信息中心QRIC）。
资源评价处同年启动了一个以综合大量不同类型的空间数据为目的的研究项目（姜作勤，1992）。
近儿年的文献表明，GIS不仅被广泛应用于建立矿产资源评价的基础一矿产省的GIS数据集（LesleyWyborn等人，1995）,用于澳大利亚的傑红土矿、傑硫矿、脉金矿、红土金矿、含金刚石的金伯利岩及铅锌矿的矿产资源潜力评价（LyleA.Burgess,1997）、（MargarethaScott,1999）>（J.C.Gum&A.C.
Burtt,1999）而且在矿产资源评价的方法研究、开发矿产资源评价专用系统方面也有许多进展。
特别是提出了在已知矿床很少的情况下应用GIS进行资源评价的方法（LesleyWybornetal,1995）°
GIS不仅在发达国家的矿产资源评价中发挥了重要作用，在发展中国家的应用也越来越深入。
身兼地质调查所职能的南非地学委员会GSSA于九十年代中后期开始在矿产资源评价中应用GIS,主要是实现多源地学信息的集成管理，建立了管理多源地学信息的集成的、模块化的组合数据库系统GEODE
（C.J.Vorster,1996）,也进行了基于GIS的矿产资源评价的应用研究。
笔者2000年访问开普敦地调所时，其海洋地学部的有矢专家就介绍了他们应用GIS评价金刚石成矿有利地区的研究。
GSSA已拥有一批地理信息系统开发与空间数据库设计的专家（http-GSSA,2000）o
巴西在矿产资源评价中应用GIS的发展过程不很清楚，但在去年召开的第31届国际地质大会上，巴西就发表了14篇有尖的论文。
应用GIS进行评价的矿种不仅包括金、铜、铅、锌、银等金属矿（Franca-Rochaandetal,2000）>（Perrotta,M.Mandetal,2000）、（BarretoNeto,A.A,2000）、（DaCunhaandDeOliveira,2000）、（Araujo,C.Candetal,2000）,还涉及了石墨等非金属矿（Guinidwes,F.R.,2
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