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矿产资源勘查评价的新进展
——GIS在矿产资源评价中的应用
地理信息系统(G1S)是用于输入、存储、分析和表达空间数据的计算机系统。自30年前世界上第一个GIS(OGIS)面世以来，受计算机技术等相关技术飞速发展的推动，以及地学领域和社会可持续发展对信息技术需求的牵引，GIS技术得到了迅速发展，在相关的地学领域正在发挥巨大的作用。矿产资源勘查评价是GIS技术的传统应用领域，在矿产资源评价领域中真正开始使用GIS技术是在上世纪80年代。近年来，随着计算机和网络技术的快速发展，以及地学领域对空间数据共享的实际需求，GIS技术的发展出现了新的特点和前沿技术。展望未来，我们相信，对GIS技术发展和应用产生影响的相关信息技术将取得长足进展，GIS技术将步入一个新的发展阶段，对矿产资源勘查评价将产生重要影响。
1.GIS与矿产资源评价
GIS ( Geographic Information System) 是对地球空间数据进行采集、存储、检索、分析、建模和表达的计算机系统， 是集地理学、测绘遥感学、空间科学、信息科学、计算机科学和管理科学为一体的新兴边缘科学。在矿产资源评价过程中， GIS为地质学家提供了在计算机辅助下对地质、地球物理、地球化学和遥感等多源地学信息进行集成管理、综合分析及解释的能力， 成为改变传统矿产资源评价方法的有利工具。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关的各种空间信息进行综合分析解释，确定成矿的有利地区。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。 将其引入地质找矿行业是充分利用已有数据、提取潜在信息以及提高矿产资源预测水平的重要途径。
GIS 之所以能在矿产资源评价中广泛应用，是因为GIS为矿产资源评价提供了理想工具，GIS 有很强的综合多学科地学数据的能力，非常有利于矿产资源评价预测。它有以下一些特点：
(1) 先进的数据库和图库管理使得各种地学图件和地质数据的长期保存及修改变得更加容易。
(2) 能提供集成管理多源地学数据(地、物、化、探、遥的属性信息和空间信息) ，具有方便建立模型及进行空间模拟分析的能力，使数据的分析更有效和定量化。
(3) 提供多元信息快速准确叠加功能。利用GIS 的专题图层管理功能可以方便地完成多学科、多层次、多来源的图形叠加，从而大大减少图纸人工绘制繁重劳动，而且研究者可以根据自己的思路反复进行多次叠加自由组合。
(4) 快捷地完成空间信息查询、检索，既可以根据专题属性，如地质图层中检索岩浆岩地质体，又可以完成不同专题数据空间交互条件查询，如检索出某含矿地层中的矿床数等。
(5) 可以精确地统计各种地质体空间几何属性，如面积、周长等，这样可以定量地研究诸如地质体规模与矿产的关系等问题，这在以前定量预测中是难以实现的。
(6) 可以自动实现不同专题数据空间叠加分析，这样便可以解决既有地球化学异常，又处于成矿构造带的区域圈定问题。
(7) 利用DEM ，TIN 模型完成各种空间测量科学数据的可视化问题，可以方便地将成矿信息数据处理与GIS 可视化结合起来。 同时，GIS 能够保证成矿预测的过程可视化，能够保证成矿预测工作是“透明的”、可检验的；
(8) 提供高质量的、高分辨率预测成果图件。
2.应用GIS 进行矿产资源评价的方法途径
现代矿产勘查已进入新的阶段，即科学的信息找矿阶段。矿产勘查主要是运用新理论、新技术发现隐伏、难识别矿床及新类型矿床。从勘查技术方法来说，目前是发展高穿透性、高分辨性的找矿勘查手段，从成矿分析角度来说，找矿预测目前比较成熟而有实效的方法是：在现代成矿科学理论指导下，以可靠的野外地质调查第一手资料为基础，广泛运用新的技术手段研究地质、矿产、物探、化探、遥感等综合信息与矿产的关系，通过综合信息研究区域构造运动、岩浆活动、变质作用、成矿作用的时间、空间演化规律，总结矿床的综合控矿因素及找矿标志信息，形成矿床综合信息找矿模型，然后运用计算机统计预测方法进行远景区的成矿有利性及资源潜力定量评价。GIS 正是管理、分析和综合一定地理位置范围内空间地学信息的计算机工具，由于其具有对空间数据分析的高效、快捷、准确等强大功能深受地学工作者的重视。但从成矿分析角度，考虑GIS 矿产资源评价应用系统模型，必须要了解GIS 能做什么。
GIS 作为一种技术手段在矿产资源评价中可以提供以下7 种主要的功能： ①多源地学信息的综合管理功能。大量的地质、地球物理、地球化学、遥感信息通过数字化进入GIS 系统后， 这些空间数据就可以长期保存起来， 这就保障了矿产资源评价可以动态地、经常性地开展。②多源地学信息的空间查询功能。该功能可以方便地为用户提供空间数据库的条件查询和交互查询，解决了信息提取的问题， 大大地提高了工作效率。③空间信息叠加分析。该功能是GIS 最突出的功能， 许多矿产资源评价系统模型的设计都是以此功能为基础的。④缓冲区分析。该功能可以用来分析构造线两侧不同宽度范围内的矿点分布及相关关系等。⑤空间实体统计。⑥可视化工具。⑦输出高质量的GIS图件。
矿产资源评价是一项复杂的系统工程， 预测成败的关键在于对预测地区的成矿条件、成矿规律的认识程度， 而这种认识的飞跃往往需要专门地学知识及理论体系， GIS不能完成没有地质认识的地区的预测。但GIS 作为成矿分析的辅助工具，其可以解决以下两个方面问题： 第一， 信息提取。目前矿产资源评价信息资料越来越多， 综合性越来越强， 难度也越来越大， 大量的地质、地球物理、地球化学、遥感信息需要进行深层次研究，如何有效地、快捷地把矿致异常、非矿致异常区分开， 如何衡量一个地质作用的复杂程度等， 这就可以在GIS平台上构筑相应的模型，进行成矿信息的条件提取。第二， 信息的综合分析。矿产资源评价过程中需要进行大量信息的综合分析， 即如何从地质图件中圈定“5P”地段，如何确定各证据权， 并利用这些证据因子进行矿产预测， 这就可以利用GIS建立适当的模型， 进行成矿信息的叠加、综合。
目前GIS 在矿产资源评价中可通过两个途径来解决信息的提取和综合，一是直接利用G IS 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) 而达到类比预测的目的； 二是与矿产预测数学模型相结合进行预测，目前主要结合方式可概括为： 利用GIS 空间数据库提取信息→利用统计预测方法分析信息→利用G IS图形功能显示结果。
总之要充分利用GIS 可视化工具研制多源地学信息，特别的物化探数据处理模型，即完成成矿多源信息分析子系统。要充分利用GIS 空间查询、叠加等强大功能，确定地质矿产资源定量评价的方法模型。
3.GIS在矿产资源评价中的应用流程
一般基于GIS 地质矿产资源评价可采用6 步法：
第一，搜集研究区内与成矿有关的矿点分布、地下岩性和构造、地球化学、航磁重力等地球物理和遥感等资料。如有可能，在缺乏资料的地区，补充采集资料。据此进行综合研究确定现代导致环境。
第二，根据下列两方面的研究确定在上述导致环境中可能形成的矿产类型，将与全球范围内已知的某种矿床类型有关的地质环境与研究区内的地质环境对比、与研究区内已知的矿床矿点对比。
第三，建立这些矿床的描述性模型。从每一个描述性模型中，选择出能确定该类型矿床存在与否的重要标志和一般性标志并将其定量化。
第四，用第一步所搜集的信息建立数据库。
第五，用GIS 技术根据所建立的模型对数据库中的多源地学信息进行分析处理，判别标志是否存在以及各种判别标志的区域分布和相对重要程度，然后进行综合分析与评价，确定每个矿床类型出现的有利程度。
第六，编制预测图件。从搜集资料到第三步建立矿床的描述性模型与传统的综合评价方法是相同的。基于GIS 的矿产资源评价的主要任务是在对研究区的资料充分研究的基础上，确定合适的数据源、建立合理有效的GIS 数据库、单个空间关系的确定和量化以及多个空间关系集成。
下面介绍3 种评价模型，即经验模型法、找矿信息量加权法及矿床模型法。
第一、经验模型法。主要是模拟一般矿床学家进行成功分析的思路，根据地质专家所建立的概念模型条件，然后运用该模型工具方便地将书籍概念模型地质条件一致的区域圈定出来。具体包括下列几个过程：构造预测工程专题。即选择空间数据库与预测相关的专题图层条件。构造预测工程必须是动态的允许用户方便地进行专题文件的扩充增删；提供用户简单的专题因素与矿产相关系统分析，提供各种因素与矿产相关统计分析，提供各种因素统计直方图分析；提供从专题数据进行因素选择，允许用户根据多条件检索空间地质体，如可以从地质图中检索脆裂度高的花岗岩地质体等；根据多地质因素进行空间叠加条件检索，允许用户交互式输入满足不同条件，然后检索出满足这些条件的区域；查询成果图形表达。
第二、找矿信息量加权。模型程序实现的基本思路是运用数学地质网络单元模型，在网络单元模型的基础上利用GIS 图层空间叠加功能，对各种矢量专题信息进行加权分析，其一般工作程序是：构造预测工程文件，即选择矿床图层及成矿相关的专题图层；利用矿床图层进行网络单元图层的生成；搜索含矿网络图层；对于每一证据专题图层，提取有用的地质因素图层；分别将因素图层与含矿网络图层相叠加，选择找矿信息量或证据权重法；计算各因素找矿信息量或证据权重( W + W - ) ，并进行后概计算；计算各网络的找矿信息量，并确定预测靶区。根据这一模型，进行矿产资源远景评价，并取得新认识，较经验模型而言，该模型能定量统计各专题因素与矿产密切程度，从而给出预测权重。
第三、矿床模型法。较前两种方法更精细，从程序实现角度更显复杂。特别是空间数据库处理的数据流程的合理设计。和谐设计的关键技术问题是如何从繁多专题数据库形成矿床模型法所需的数据表，即如何自动地实现统计单元的变量赋值问题。利用矿床模型法一般工作流程是：构造预测工程文件；用矿产图层进行网络单元图层生成；矿床模型预测变初选构置；进行模型单元的选择，用户可以人工交互式或用数量化理论；根据定位和资源量预测不同任务进行变异的选择；根据定位预测模型进行定位预测，用户可选择特征分析或系统聚类方法；运用逻辑信息法和蒙卡罗法进行资源预测；预测成果图形表达。矿床模型法不仅能准确地进行定位预测，也能对远景区的资源量进行估算。
4.应用GIS 进行矿产资源评价需要解决的主要问题
应用GIS 技术成功地进行地质矿产资源评价预测，取决于对预测区成矿的接近实际的认识、所掌握的数据的种类与质量、所建数据库是否灵活有效、空间分析方法的使用是否合理等，其要解决的主要问题有：
(1)丰富的高质量的空间与非空间数据集成是成功评价的基础
数据是GIS 的粮食，缺乏足够的粮食或发霉变质的粮食是作不出好饭来的。利用GIS 进行成矿规律分析的基本要求，用于分析的数据最少要包括基本地质专题数据(地质、地球物理专题数据及RS 影象) 、点数据库(岩石物理特性、地球化学、矿床等信息) 以及一系列基础专题数据复合而成的综合专题(变质岩、构造带、土壤地质的专题数据) 。在矿产资源评价中，不可避免地涉及对现存数据的利用决定了数据质量的保证是十分困难的。一般说来，现存数据是由不同的单位、为了不同的目的、采用不同的采集与分析处理的方法获取与存储的。因此必然形成同一地区的相关数据有不同的比例尺、不同的精度、不同的投影方式以及不同的存储格式。这不仅造成数据集成管理的困难，而且使空间数据的综合分析难以进行。即使同一比例尺，不同专业如地质或物探，或相同专业在不同时期生成的图件其内容也会存在差别，也无法直接进行空间分析；如果应用GPS 技术采集空间位置数据，也需要进行配准才可使用。因此在应用GIS技术进行综合分析之前，必须根据评价的要求采用多种方法对数据进行预处理如投影交换、格式转换等。对于专业内容的矛盾要由熟悉研究区的专业人员决定处理方法，采用交互式的方法进行调整。通常，数据的准备工作占据了基于GIS 的矿产资源评价工作的大部分时间。
(2)多源地学信息有效的集成管理是决定预测效率的重要因素
应用GIS 进行矿产资源评价的效率在很大程度上与所建的数据库质量成正比。预测中出现的问题一是缺乏地质知识，二是不合理的数据库设计。数据库设计的原则是开发一种结构，使其达到最大的查询能力。用于地质矿产资源评价的多源信息的管理有两种情况，一是建立区域综合信息系统，全面管理所有的数据。在进行资源评价时，检索出所需的信息，在GIS 中进行空间分析。二是评价项目自己管理有关的综合地学信息，建立相应的数据库。地质信息是矿产资源评价的基础信息，其主要来源是地质图，在GIS 中分空间信息及属性信息进行管理。如果是建立区域综合地学信息系统，就要存储地质图上的全部信息。如果单纯为资源评价，地质图在数字化前要进行简化。由于处理的需要，地质图的信息适合用矢量型GIS ，即将空间信息分成点、线和面进行存储，为了便于操作与管理，可将数据按逻辑类型或专业属性分成不同的层进行组织。
(3)基于GIS 的矿产资源评价的空间分析方法
空间信息的综合分析方法是决定GIS 应用水平的关键。矿产资源预测成功与否，在很大程度上取决于专家对预测区的认识即预测模型。用于矿产资源的空间分析方法根据研究区的工作程度的差别，可大致分成两类：经验的和理论的。前者利用已知矿床，后者利用矿床和成因模型。在工作程度较高，数据比较丰富的地区，可采用数据驱动的方法；在没有已知矿床或已知矿床很少的情况下，信息是由遥感和地球物理数据推断而来，模型仅以地学专家的概念想法存在时，数据驱动的方法就不能使用。而只能采用简单的分级和知识为基础的系统，不管是那种方法，其主要目的是定量化的表示相关的专题关系，最终对若干个专题关系进行集成分析生成一副预测图。多数GIS 为基础的矿产预测集中研究，对多个专题关系进行综合分析。布尔逻辑、代数方法、贝叶斯、模糊逻辑和神经网络是几种常用的方法。
5.GIS 在矿产资源评价中的新进展
5.1 国外进展
GIS 在国外矿产资源评价中的研究工作起始于20 世纪70 年代后期。主要是借助于栅格图像综合叠加布尔运算功能，来研究勘查综合信息与矿产关系。80 年代，更多的地质学专家们开始认识到GIS 在自然资源分析中的应用潜力。1982 年USGS 建立了矿产资源评价计划CUSMAP 的GIS 原型系统，用于美国本土(阿拉斯加除外) 的矿产资源评价。 首先对地质、地球物理、地球化学、遥感、地形、矿产地数据进行数字编码，并得出其间的空间关系，然后建立了矿床的经验模型。通过研究，确定了矿产资源评价对栅格、矢量和表格数据处理的能力及相互间接口的需求，以及在GIS 内建立、应用模型和表示评价结果的制图功能的需求。加拿大地调所( GSC) 地质统计专家Frederik P Agterberg 和Graeme F Bonham- Carter 教授在Nova Scotia 地区的金矿勘探和在新布伦斯瑞克北部矿产资源评价中，提出用条件概率与贝叶斯规则相结合的证据加权模型(Weights of Evidence Mode) ，实现二元模式图综合的新方法。 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。 1988年成立了GIS 技术和应用专家组成的自然资源信息中心(NRIC) 。 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。 Lesley Wybom 等建立了GIS 澳大利亚金属矿产预测空间数据专家系统，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。
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90 年代中后期开始在矿产资源评价中应用GIS ，建立了管理多源地学信息集成的、模块化的组合数据库系统。 开普敦地调所海洋地学部的有关专家也做了应用GIS 评价金刚石成矿有利地区的研究。目前，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。巴西在矿产资源评价中应用GIS 也做了一些研究工作，在2000 年召开的第31 届国际地质大会上，巴西发表了14 篇有关的论文。 GIS 被用于多源地学信息的管理、建立矿产资源评价数据库和进行分析评价等方面。 评价所用的空间分析方法涉及到了目前普遍应用的主要方法，并将GIS对地质和构造的分析与矿体的三维模型集成在一起加强勘探。
5.2 国内进展
我国应用GIS 进行矿产资源评价始于80年代中期。 1986 年，由地矿部遥感中心主持，长春地院、中国地质大学、地矿部矿床所等单位参加，开展了“遥感图像与其他地学数据综合图像处理技术及应用研究”。“八五”期间，中国地质大学物探系、物化探所、原部石油海洋地质局江陵综合研究队、成都理工学院都应用GIS 进行过多源地学信息系统综合成矿预测的研究。
进入20世纪90年代后，GIS 矿产资源评价研究得到了足够的重视。 1995 年4 月，地调局在川西扬子地台西缘部分地区4个1 ：20万图幅立项开展了地理信息系统应用的试验研究。 1998 年5月，项目按预期目标完成了任务，建立了目标图层综合的数学模型，在ARC/ INFO上开发了证据加权法软件模块。 这些工作的完成，使GIS 在矿产资源评价中的应用由试验、研究阶段开始向实际评价工作深入。“九五”期间，
国内外的实践证明，GIS的应用彻底改变了传统成矿预测的方法体系，极大地提高了预测效率和水平，简化了预测过程。从理论、技术、逻辑、效果来看，以GIS为主要工具的矿产资源预测方法的确展示出广阔的应用前景，得到越来越多的国内外地质学家的重视，成为地质学家不可缺少的工具，与成矿预测紧密地结合在一起。可以预料，随着地理信息系统和成矿预测理论的发展以及二者的结合运用，对地质工作者的找矿思维方式必将产生深远的影响。
6.GIS 在矿产资源评价中的应用前景及发展趋势
GIS在矿产资源评价中的应用，将大大地提高地学资料的综合利用程度和地质工作者的效率， 尽管目前一些基于GIS 开发的预测系统还处于试运行阶段，也存在诸如建基础数据库花费大、计算机硬件的要求较高、软件使用人员需要同时掌握计算机和地质两门知识等一些问题。但从它们用于已知矿床所取得的成果看， 其预测结果有很高的可信度。因此， GIS 在矿产资源的定量和定性评价中都有很广阔的前景。
目前，在该领域尚有待继续研究的问题有：
(1) 基于GIS的矿产资源评价预测专用系统的进一步开发。 虽然针对矿产资源评价的具体要求，已经开发了面向矿产资源预测的专用系统，但其尚处于初级阶段，在计算机技术和GIS 技术飞速发展的今天，已经可以用新的思想和方法来解决资源评价中的相关问题。 如数据模型的更加合理性，预测模型建立的完善性等。
(2) 基于GIS的空间分析方法在矿产资源评价中的应用研究随着对成矿信息空间特征的认识，成矿信息分析中将越来越多地考虑空间因子在信息分析与成矿预测中的影响，各种地质现象的空间分布形态、发展变化规律、空间相互作用过程等都需要空间分析方法的支持。因此，对基于GIS的空间分析方法进行深入研究，有利于加快GIS 的在矿业行业的发展和提高基于GIS的矿床空间定位预测结果的准确率。
(3) 多维矿产资源评价模型的建立依赖于GIS在三维和四维技术上的发展，矿产资源评价将逐步实现多维模型的建立。 成矿学未来发展的总体目标是发展地壳上部数公里的三维预测模型，并通过这一模型把各种地质、地球物理、地球化学和遥感信息有机结合起来，实现隐伏矿床的找矿突破。四维预测模型则是在三维的基础上加进了时间维，即将预测模型变为动态的三维模型，这对于成矿预测甚至整个成矿学科都将有重大意义。
21 世纪初，矿产资源评价越来越依赖于地质学家和工程师有效地获取、存储、管理、分析和解释多维空间信息的能力。随着数据资源的不断积累、预测方法研究的深入、GIS软件功能的增强、高性能硬件设备价格的大幅度快速的下降， GIS必将在矿产资源评价的实际工作中发挥越来越大的作用。