海洋小型矿产储量计算方法研究
(广州海洋地质调查局广州510760)
第一作者简介:邵(1983-)，男，硕士，主要研究方向:3S技术在资源调查、生态环境动态监测、数字海洋中的应用与发展。电子邮箱:zkyscg@ yahoo.com.cn .
传统的矿产储量计算模型基于欧氏度量，应用于小规模海洋矿产储量计算时存在精度差的问题。通过研究WGS1984投影、墨卡托投影、兰贝托投影和阿尔伯斯投影的特点，提出了一种对矿物实体进行切片并计算切片间矿物实体体积累积和的方法。实现了小比例尺海洋地图投影下储量的精确测量和体积计算，系统地探讨了如何实现地球不规则椭球下海洋矿产储量的计算，为我国海洋资源勘探和军事战略提供基础服务。
关键词:海洋调查地理信息系统地图预测储量计算
1前言
近年来，资源勘探已覆盖大部分陆地区域。越来越多的国家把目光投向海洋。作为巨大的能源和资源宝库，海洋在国民经济和军事战略中的重要性日益显现。各国竞相制定海洋科技发展的规划和战略计划，优先发展海洋新技术[1]。海洋研究成为热点，科技创新日新月异。
由于海洋是一个很大的区域，它与陆地资源勘探技术有很大的不同，特别是在海洋大面积矿产储量的计算上。地球是不规则的椭球体。传统的基于平面的欧洲调查方法在进行小比例尺海洋地图调查时，由于地图投影等原因会产生变形，严重影响储量计算的精度[2]。为了消除这种影响，包括欧洲石油勘探组织在内的国内外机构建立了一系列投影转换公式。将这些投影变换应用于二维投影，在一定程度上提高了地图测量的精度。然而，对于地球形变引起的三维储量计算误差，目前还没有有效的方法。本文在前人研究的基础上，引入了基于投影变换的方法，研究了WGS1984投影、墨卡托投影、兰贝托投影和阿尔伯斯投影的特点，提出了对矿物实体进行切片和计算切片间矿物实体体积累积和的方法，实现了小比例尺海洋地图投影下储量的精确测量和体积计算，并系统地论述了如何实现我国海洋资源勘探和开发地球不规则椭球体下海洋矿产储量的计算。
2海洋预测概述
在我国海洋基本比例尺地形图中，海域面积小于1:500000的地形图多采用等角圆柱投影，也称墨卡托[1]。目前我国国有企事业单位科研人员使用的海图多为墨卡托投影。但在海洋小尺度上计算矿产储量时，需要消除墨卡托投影带来的地图变形误差。本文介绍了阿尔伯斯投影，并利用其在投影变换中面积不变的特点来消除误差，计算储量。在矿物深度方向，切片之间的距离取深度值的差值。
3技术路线
大型海洋矿产实体，跨度大，地图投影变形明显，形状不规则，大大增加了储量计算的难度。本文引入切片技术，将矿物实体切割成固体表面，通过计算固体表面之间的体积和切片之间实体的堆积，得到矿物实体的储量。示意图(图1)如下:
图1矿产实体切片图1矿产储量切片
图1中的海洋矿物实体分为n段，各段之间的体积之和为整个实体的体积。当n趋于无穷大时，更接近实际体积。n的值取决于测量数据的精度，即经纬度和深度的精度。
3.1数据预处理
3.1.1数据源
1)多波速度水深数据:多波束数据常用于湖盆的体积计算。多波束测深的工作原理是通过声波发射和接收换能器阵列在广角方向发射和接收声波，通过各种传感器(卫星定位系统、运动传感器、陀螺罗经、声速剖面仪等)计算各波束测点的空间位置。)，从而获得垂直于航向的带状高密度水深数据[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的断层数据。地震勘探方法是在地面布设测线，沿各测线进行地震施工，收集地震信息，然后通过计算机处理得到地震剖面。地质解释后的地震剖面就像从地面上割下来的一把刀，在二维空间(长度和深度方向)显示地下地质结构(图2)[7]。在海洋地震剖面中，可以根据断层面读取炮数，结合导航数据读取矿藏坐标数据。
图2二维地震剖面示意图图1二维地震数据
3.1.2数据仓库
从多波束或地震剖面提取的位置数据应按照以下数据库格式存储:
表1矿产储量数据结构表1矿产储量数据表
表中的经度和纬度数据应在投影转换后存储为Albers投影数据。
3.2截面面积的计算
3.2.1截面图
用sql语言搜索等深多边形的边界值并画出剖切面。方法是:
1)使用sql语言在数据库数据中搜索深度值相同的数据。
2)从所有数据中取一个特定数据(a1，b1)，该数据需要在所有坐标值(ax，bx)之间。
3)从(A1)的0度角逆时针计算距离值L = sqrt[(B2-b 1)2+(A2-a 1)2]。同时计算角度差。如果角度差相等，取L值较大的点。
4)将3)中提取的所有数据连接成多边形，这就是切面。
截面计算
为了使面积计算结果不受地球椭球的影响，需要将墨卡托投影转换为阿尔伯斯投影。ArcEngine下将墨卡托投影转换为阿尔伯斯投影的方法如下[4]:
尺寸点为esriGeometry。IPoint
设置pPoint =新点
p点。PutCoords mx，我的
设置pPoint。SpatialReference=pSpRef2
p点。这里，墨卡托投影首先被实现为WGS1984投影。
lon=pPoint。X
lat=pPoint。Y
设置pPCS=pSpRFc。CreateProjectedCoordinateSystem(esriSRProjCS _ nad 1983美国_艾伯斯)
设置pSpRef2=pPCS
p点。Project pSpRef2 ' '实现了从WGS1984投影到Albers投影的转换。
Lon = p点。x' lon是阿尔伯斯投影中的经度值。
纬度= p点。y' lat是Albers投影中的纬度值[4]。
ArcEngine是目前流行的GIS处理二次开发工具。墨卡托投影转换为阿尔伯斯投影时，每个坐标点都需要转换，通常采用W GS1984投影作为中间转换投影。首先将墨卡托投影转换为WGS1984投影，然后将转换后的WGS1984投影转换为Albers投影。
阿尔伯斯投影最大的特点是投影前后面积不变。本文采用质心算法计算面积。具体步骤是先求出多边形的质心，然后从质心到每个多边形的顶点画一条直线，最后把每个多边形的面积加起来得到结果。计算步骤如图3[4]所示。
方法是[4]:
1)首先遍历数据库，读取数据库中高程相等的数据的坐标值，形成一个平面多边形。求多边形的质心。
2)连接多边形的每个点和质心。
3)计算每个小多边形的面积并相加。S=s1+s2+s3………,其中s代表多边形面积，s1、s2、s3等。代表小三角形面积[4]。
设L为边长，L两端的坐标值为(a1，b1)，(a2，b2)。如图4所示:
那么:l = sqrt[(B2-b 1)2+(A2-a 1)2]
计算每个小三角形面积的源代码是[4]:
s=(L1+L2+L3)/2
s = sqrt[s *(s-l 1))*(s-L2)*(s-L3)]
图3多边形的面积测量[4]图3多边形的面积测量
图4每个小三角形的面积计算图4每个三角形的面积计算
这里，s的值是截面积。截面面积的计算结果中考虑了地球椭球体带来的误差，更接近实际值。
3.3截面间的体积计算
矿物实体分割切片后各切面间体积V的计算模拟了一种梯形计算方式，上切面面积在S以上，下切面面积在S以下，H为切面间高度差。如图5所示:
图5单切片实体图5单切片对象
那么平面之间的体积v =(s以上+s以下)h/2。在图1和图5中，当切面数n趋于无穷大时，切面1和切面2的面积差越小，对应的两个多边形的形状越接近，H值最小。此时可以得到误差较小的截面体积计算结果。
3.4矿产储量的计算
将矿物实体分成n个区段后，每个区段体积的累积和就是整个矿物实体的储量。截面数n的值越大，切割的体积越多，切线值越接近实际值。体积值v是每个面之间体积v的累积和。
南海地质研究2010
式中:V为矿产总储量。它累加平面间所有实体的体积之和，平面间实体的数量取决于n的大小，当n趋于无穷大时，最接近实际值。
4结论
摘要:介绍了基于投影变换的海洋小型矿产储量计算方法，并给出了基于Ar-engine的投影变换方法。矿产储量的计算模型不同于传统的计算模型，关键在于考虑了地球椭球体在小尺度上的变形所带来的误差。因此，论文引入了投影变换的方法，在一定程度上减少了地球不规则性带来的误差。但这种方法只适用于固体矿产的储量计算，石油和水合物的储量计算只能用体积计算的一个参数。
参考
[1]山，毛永强。GIS中坐标系的定义与转换[J].黑龙江国土资源，2005，11，38 ~ 39
[2]欧洲石油勘探集团。协调转换和变换，包括公式[M]。国际石油技术软件开放公司，2008
苏，戴勤勤，魏和龙。海洋地质数据库数据的存储结构[J].海洋地质动力学，2003，19 (6): 5 ~ 7
邵，谭建军，等.小比例尺海洋图的精确测算方法[J].地理与地理信息科学，2009，25 (2): 42 ~ 45
[5]gr . cn/article/61/388/2006/2006071814431-2 . shtml
[6]view/1607857 . htm
[7]view/113903 . htm
小规模矿产储量计算的精确测算方法
邵、、陈、曾
(广州海洋地质调查局，广州，510760)
摘要:对于海洋矿产储量领域的小比例尺地图，传统的测量方法计算储量的精度较低。为了改善这种情况，本研究提供了一种新的方法，利用Arc Engine技术完成不同投影之间的转换，精确测量地球面积等信息。然后将矿山储量对象切割成若干块，这样我们就可以通过对每一块求和来计算储量的体积。还讨论了WGS1984、墨卡托和艾伯斯等不同方案，为军事战略和海洋资源开发提供了良好的服务。
关键词:海洋测量、地理信息系统、地图投影、储量计算