海洋小比例尺矿产储量计算方法研究

邵长高　梁建　陈宏文　曾文娟

（广州海洋地质调查局 广州 510760）

第一作者简介：邵长高（1983—），男，硕士，主要研究方向：3S技术在资源调查和生态环境动态监测、数字海洋中的应用和开发。E-mail:zkyscg@ yahoocomcn。

摘要　传统矿产储量计算模型基于欧式测量，应用于小比例尺海洋矿产储量计算时存在精度差的问题，论文通过对WGS1984投影、墨卡托投影、兰勃托投影以及阿尔伯斯投影等特性的研究，提出将矿产实体进行切片处理，计算切片间矿物实体的体积累加和的方法，实现了海洋小比例尺地图投影下储量的精确量测及体积计算，系统地论述了在不规则地球椭球体下如何实现海洋矿产储量计算，为我国海洋资源探测和军事战略方面提供基础服务。

关键词　海洋量测　地理信息系统　地图投影　储量计算

1　前言

近年来资源勘探已经覆盖大部分陆地区域。越来越多的国家把目光投向海洋。海洋作为一个巨大的能源和资源宝库在国民经济、军事战略等的重要性也日益显现。各个国家竞相制定海洋科技开发规划、战略计划，优先发展海洋新技术[1]。海洋研究成为一个热点，技术的革新也日新月异。

由于海洋是一个大面积的区域，其与陆地的资源勘探技术存在较大区别，尤其在大范围海洋区域的矿产储量计算方面区别甚大。地球是一个不规则的椭球体，采用传统基于平面的欧式测量方法进行小比例尺海洋地图测量时，由于地图投影等方面的原因将会导致变形，严重影响储量计算的精确度[2]。包括欧洲石油勘探组织在内的国内外机构为了消除这种影响建立了一系列的投影转换公式。这些投影转换应用到二维投影当中一定程度上提高了地图量算的精确度。但是对于地球变形引起三维储量计算方面的误差目前并未提供行之有效的方法。本文在前人研究的基础上通过引入基于投影转换的方法，通过对WGS1984投影、墨卡托投影、兰勃托投影以及阿尔伯斯投影等特性的研究，提出将矿产实体进行切片处理，计算切片间矿物实体的体积累加和的方法，实现了海洋小比例尺地图投影下储量的精确量测及体积计算，系统地论述了在不规则地球椭球体下如何实现海洋矿产储量计算，为我国海洋资源探测和军事战略方面提供基础服务。

2　海洋投影概述

我国的海洋基本比例尺地形图中，海区小于1:50万的地形图多用等角正轴圆柱投影，又叫墨卡托投影（Mercator）[1]。现在我国企事业单位科研人员用的海图大部分为墨卡托投影。但是在海洋小比例尺下计算矿物储量时必须消除墨卡托投影引起的地图变形误差。论文引入了阿尔伯斯投影，利用其在投影变换中面积不变的特性计算储量来消除误差。在矿物深度方向上，切片间距离值取深度值的差值。

3　技术路线

海洋大面积矿产实体，跨度大，地图投影变形明显，形状不规则，因此大大增加了计算储量的难度。论文引入切片技术把矿产实体切成实体面，利用切片间实体的累加和计算实体面之间体积的总和即得矿产实体储量。示意图（图1）如下：

图1 矿物实体切片Fig1 The slice of the mineral reserve

图1中海洋矿物实体被分割为n个切面，切面间体积和相加即为整个实体的体积。当n趋向于无穷大时则与实际体积越接近。n的值取决于实测数据的精度，也就是经纬度和深度的值的精度。

31　数据预处理

311　数据来源

1）多波速水深数据：多波束数据经常应用于湖泊盆地等的体积运算。多波束水深其工作原理是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，通过各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置归算，从而获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据[6]

2）地震剖面数据：海洋矿产储量数据主要来自海洋地震剖面断层数据。地震勘探方法是在地面上布置一条条的测线，沿各条测线进行地震施工采集地震信息，然后经过电子计算机处理就得出一张张地震剖面图。经过地质解释的地震剖面图就像从地面向下切了一刀，在二维空间（长度和深度方向）上显示了地下的地质构造情况（图2）[7]。海洋地震剖面中可以根据断层的层位读取炮点号，并结合导航数据读取矿产储层的坐标数据。

图2 二维地震剖面示意图Fig1 Two dimensional seismic data

312　数据入库

从多波束或者地震剖面中提取出的位置数据，数据整理按照如下数据库格式入库：

表1 矿物储量数据结构　Table1 The data sheet of the mineral reserve

表中数据的经度、纬度需存储经投影转换处理后变成的阿尔伯斯投影数据。

32　切面面积计算

321 切面绘制

运用sql语言搜索深度相同的多边形的边界值，绘制切面。方法为：

1）用sql语言搜索出数据库数据中深度值相同的数据。

2）取所有数据中一个特定数据（a1,b1），此数据需要位于所有坐标值（ax,bx）之间。

3）从（a1,b1）的0度角开始逆时针计算两者之间距离值L=sqrt[（b2-b1）2+（a2-a1）2]。同时计算角度差。如果过角度差相等则取L值较大的点。

4）把所有3）中取出数据连接成多边形即为此切面。

322　切面计算

为了保持面积计算结果不受地球椭球体影响需要将墨卡托投影转换为阿尔伯斯投影。墨卡托投影转阿尔伯斯投影在ArcEngine下方法如下[4]:

Dim pPoint As esriGeometryIPoint

Set pPoint=New Point

pPointPutCoords mx,my

Set pPointSpatialReference=pSpRef2

pPointProject pSpRef1‘此处先实现由墨卡托投影到WGS1984投影中

lon=pPointX

lat=pPointY

Set pPCS=pSpRFcCreateProjectedCoordinateSystem（esriSRProjCS_NAD1983USA_Albers）

Set pSpRef2=pPCS

pPointProject pSpRef2‘实现由WGS1984投影到阿尔伯斯投影的转换

lon=pPointX‘lon即为在阿尔伯斯投影中的经度值

lat=pPointY‘lat即为阿尔伯斯投影中的纬度值[4’

ArcEngine是目前地理信息系统处理方面比较流行的二次开发工具。墨卡托投影转化为阿尔伯斯投影时，每一个坐标点均要做转换，通常是采用W GS1984投影作为中间转换投影。先将墨卡托投影转化到WGS1984投影，然后将转化来的WGS1984投影转化成阿尔伯斯投影。

阿尔伯斯投影最大的特点是投影前后面积保持不变，本文采用质心量算法进行面积计算，具体步骤是先寻找多边形的质心，然后由质心到各多边形顶点引直线，最后把每个多边形的面积相加即得结果。计算步骤如图3[4]。

方法为[4]:

1）首先遍历数据库，读取数据库中高程相等数据的坐标值组成平面多边形。找出多边形质心。

2）连接多边形每个点与质心。

3）计算每个小多边形的面积然后相加。S=s1+s2+s3………。其中S表示多边形面积，s1、s2、s3等表示小三角形面积[4]。

设L为边长，L两端点坐标值为（a1,b1），（a2,b2）。如图4所示：

则：L=sqrt[（b2-b1）2＋（a2-a1）2]

每个小三角形面积计算源代码为[4]:

s=（L1+L2+L3）/2

S=sqrt[s＊（s-L1））＊（s-L2）＊（s-L3）]

图3 多边形的面积量算[4]Fig3 Area measurement of the polygon

图4 每个小三角形面积计算Fig4 The calculation of every triangle

此处S值即为切面面积。切面面积的计算结果考虑了地球椭球体引起的误差更接近实际值。

33　切面间体积计算

将矿物实体分割切片后其中每个切面间体积v的计算模拟梯形计算模式，S上为上切面面积，S下为下切面面积，h为切面间高度差。如图5所示：

图5 单个切面实体Fig5 Single slice object

则切面间体积v＝（S上＋S下）h/2。图1和5中当切面数n趋向于无穷大时，切面1和切面2之间的面积差值越小，相应的两个多边形的形状也就最接近，h值也就最小。此时可以得到误差较为小的切面体积计算结果。

34　矿物储量计算

将矿产实体分割成n个切面后，每个小切面的体积的累加和即为整个矿产实体的储量。切面数n的值越大所切割的体积个数越多，则切面值越接近实际值。体积值V即是每个小切面间体积v的累加和。

南海地质研究2010

式中：V即为整个矿物储量。它累加了所有的切面间实体的体积之和，切面间实体的个数取决于n的大小。当n趋向于无穷大时最接近实际值。

4　结语

本文介绍了基于投影转换的海洋小比例尺矿产储量的计算方法，同时提供了基于Ar-cEngine的投影转换方法。矿产储量的计算模式不同于传统的计算模式，关键在于考虑到了小比例尺下由于地球椭球体变形引起的误差。所以论文引入了投影变换的方法，从一定程度上降低了地球的不规则性引起的误差。但是此方法只适应于固体矿产的储量计算，对于石油、水合物等的储量计算只能做体积计算的一个参数。

参考文献

[1]单宝强，毛永强GIS中的坐标系定义与转换[J]黑龙江国土资源，2005,11,38～39

[2]欧洲石油勘探组Coordinate Conversions and Transformation including Formulas[M]国际石油技术软件开放公司，2008

[3]苏国辉，戴勤奋，魏合龙海洋地质数据库数据的存储结构[J]海洋地质动态，2003,19（6）:5～7

[4]邵长高，谭建军等海洋小比例尺地图精确测量及计算方法[J]地理与地理信息科学，2009,25（2）:42～45

[5]>

[6]>

[7]>

Method of Precise Measurem ent and Calculation of Small Scale Mineral Reserve Calculation

Shao Changgao,Liang Jian,Chen Hongwen,Zeng Wenjuan

（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou,510760）

Abstract:To the small-scale map in ocean mine reserve field,the traditional measurement method computes the reserve with a relatively coarse precisionIn order to improve that,a new method has been provided in this study,which uses Arc Engine technology to finish the conversion between different projections and measure the earth's area as well as other information preciselyAnd then cut the mine reserve object into several pieces,so we can calculate the volume of the reserve by summing every pieceThe different projections,such as WGS1984,Mercator,and Albers,also have been discussed,which can provide a good service for the military strategy and exploration of ocean resources

Key words:Ocean measurements,GIS,Map projection,Reserve Calculation

GIS和MIS都是以计算机为核心的信息处理系统，都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点。但GIS主要处理空间数据，例如，土地资源、森林资源、交通运输网络、人口分布等数据。而MIS(Management Information System)主要处理物资、设备、资金、产量、库存、劳动力以及人事档案、生产合同、计划任务等非空间数据。

要想实现GIS与MIS的方便集成，目前已有不少可行的解决方案和应用案例，例如在国土资源管理信息化建设中就常将GIS技术业务与机关电子政务实现集成。

COM技术为GIS与MIS、OA、ERP等集成提供了强大的技术背景。1996年COM技术面世以来，GIS也逐渐由桌面版、模块化向组件化方向发展，曾先后诞生了ESRI公司的MO 组件、MAPINFO公司的MAPX组件、北京超图公司的SUPERMAP OBJECTS等组件式GIS开发平台，到目前这些组件产品的技术已经相当成熟。这些GIS组件均封装了GIS底层的技术细节，如对空间数据库的访问管理、地图图形引擎、空间查询定位、制图输出等功能，对应用集成商开放二次开发接口，使得他们可以在应用项目中方便地实现GIS功能，同时又可以实现MIS的需求。

因此，GIS与MIS在技术实现上不仅是可行的，而且是成熟的。

在具体应用上，不同GIS组件平台商提供的功能边界有所不同，目前国内最优秀的当数SuperMap Objects，国外最好的是ARC Engine，但洋货的价格较贵，国产的组件平台已经比较成熟（本人一直在使用），没必要去花大把银子购买洋货的。具体的，如果你的项目中仅仅需要轻量级的GIS功能，你使用MAPX、MO这些产品已经足够使用了，要是比较复杂的系统，建议最好采用ARCENGINE或SUPERMAP，这两个在大型空间数据库管理方面都有独到之处，技术也恨先进。总之，使用多大的产品由你的需求来决定。

在进行集成时，这些组件平台都是COM，和一般的COM二次开发没有什么不同，你只要掌握一定的GIS知识就可以了。

另外，WEBGIS技术也为GIS与MIS的技术集成提供了良好的解决方案，相关资料楼主可以从网上搜一下。

还有什么问题直接与我联系，本人专攻GIS二次开发应用，QQ:115458756

看来你并不了解方案三。

其实方案三与方案二是同一个，就是ArcGIS引擎＋通用编程语言的模式。

方案一是IDL引擎＋通我编程语言的模式。

选择方案，需要比较的有两方面：

首先，确定选用哪种图形引擎：根据功能来看，你对图形引擎没有特殊需求，选哪种似乎都行；

其次，使用的语言中提到VC、VB和Python，如果没有特殊理由(比如某些地方限定必须使用等)，最好采用Python，一方面是灵活，一方面是易学易用，至少比VC节省一半的工作量。

最后，在选用图形引擎时，如果你没有特殊倾向，而且功能也够用，本人建议采用ArcGIS引擎，这样至少能节省在数据管理方面的工作量。

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