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★申报案例展示★
基于三维GIS的矿产资源管理系统
曾龙梅 韩宁 唐遇茹
武汉智博创享科技股份有限公司
一、建设背景
新形势下，矿产资源管理面临着诸多挑战和机遇。为了更好地应对这些挑战，矿产资源管理需要掌握资源家底，为保护和合理利用矿产资源提供基础支撑。这需要贯彻落实相关改革精神，保障资源供给和安全，有效推进绿色矿山建设，加强矿产资源勘查开发过程监管，提高地质资料共享服务和综合利用水平，并探索精细、高效的管理模式。数字化转型是实现这些目标的核心，通过结合新技术（物联网和大数据）和新管理思路，可以实现矿产资源管理的现代化和智能化，从而更好地满足美丽中国建设的需要。致力于达到“空气清新、水体洁净、土壤安全、生态良好、人居整洁”五项标准。因此，数字化转型是实现这一目标的关键，也是矿产资源管理未来的发展方向。
二、建设内容
1、打破矿产资源管理数据孤岛
全面整合矿产资源调查利用管理数据，构建出创新的“数据湖”，以此实现对矿产资源的智能化管理。借助强大的数据平台，矿产资源将形成一个全空间“一体化”视图，通过“一张图”“一模型”“一仓库”的整合，矿区的全生命周期情况将得到直观呈现。这不仅为矿产资源管理决策提供了智能支持，更为未来的可持续发展奠定了坚实基础。
图 1矿产资源“数据湖”建设
2、引入物联网设备，打造智能监管系统
人车定位系统、边坡稳定性监测、无人机自动巡检、区域入侵警报以及矿石质量化验管理等物理系统将协同工作，实现矿山开采全过程的综合管控。台阶管理、矿石品位管理、配矿、矿石质量管理、矿山设备管理、物流管理以及资源储量管理等环节将得到智能化管理，大幅提升管理效率。
图 2矿产资源全流程管理
3、实现矿山智能调度和修复治理规划
进行矿山生产执行调度、卡车智能调度、矿山修复治理规划和治理效果综合展示提供全面支持。提高矿山的生产执行效率，助力实现矿山环境的可持续发展。
图 3智能调度与修复治理规划
三、创新应用
1、高并发解决策略
通过负载均衡和反向代理实现分流，通过限流保护服务免受雪崩之灾，通过降级实现部分可用、有损服务，通过隔离实现故障隔离，通过设置合理的超时与重试机制避免请求堆积造成雪崩，通过回滚机制快速修改错误版本；通过上述原则来保护平台，使得平台高可用。
通过缓存、异步并发、连接池、线程池、扩容、消息队列、分布式任务等高并发原则来提升平台吞吐量。
通过负载均衡实现访问请求的分流，继而实现对资源应用的分摊，是解决高并发的最基本最核心的方法，本项目后台通过SpringCloud系列之Eureka实现服务注册与发现，Eureka是Netflix开源的服务注册发现组件，服务发现可以说是微服务架构的核心功能了，微服务部署之后，一定要有服务注册和发现的能力，Eureka就是担任这个角色的。同时使用Ribbon的负载均衡策略。在具体实现过程中服务集群向注册中心注册服务，注册中心记录集群元数据信息，Ribbon拦截所有的请求，从请求信息中获取应用名，根据应用名从eureka注册中心获取服务列表，默认进行轮询RoundRobinRule，从服务列表中通过相关均衡策略获取具体某个服务。
图 4服务注册和发现
图 5Ribbon工作流程
2、自动化构建、打包和优化前端资源技术
Webpack是一个强大的前端自动化构建、打包和优化工具，主要用于处理和优化前端资源。它为前端模块化开发提供了友好的支持，并具备一系列高级功能，如代码压缩混淆、处理浏览器端JS的兼容性以及性能优化等。Webpack的核心工作是根据模块的依赖关系进行静态分析，然后按照预设规则将模块转化为静态资源。它能够将多个静态资源（如JS、CSS等）整合到一个文件中，从而减少页面的请求数量，提升加载速度。
当Webpack处理应用程序时，它会根据命令行参数或配置文件中定义的模块列表开始工作。从入口文件开始，Webpack会构建一个详细的依赖关系图，该图涵盖了应用程序所需的所有模块。然后，Webpack将这些模块打包成少量的bundle（通常只有一个），以供浏览器加载。
对于使用HTTP/1.1协议的应用程序，Webpack生成的bundle具有显著的优势。它可以最大程度地减少应用的加载时间，因为浏览器只需要发起一次请求即可获取所有必要的内容。而对于使用HTTP/2协议的应用程序，Webpack还支持通过代码分割进行进一步的优化。通过这种方式，可以将代码拆分为多个较小的包，按需加载，进一步提高应用程序的加载性能和响应速度。
总而言之，Webpack是一个不可或缺的前端工具，它通过自动化构建、打包和优化前端资源，为开发者提供了强大的支持，并助力提升应用程序的性能和用户体验。
3、3D图形渲染技术
3D渲染技术将三维图像转换为二维图像，运用计算机图形学模拟真实场景。WebGL基于OpenGL ES 2.0，能在浏览器中呈现高性能、交互式3D效果。Cesium是WebGL的开源3D地球可视化引擎，支持多种数据类型，实现高性能、交互式3D地球可视化，提供多种交互功能。
4、基于GRPC架构的三维模型分析
GRPC是一种高性能的远程过程调用框架，利用云原生计算的服务间通信优化，基于HTTP/2协议传输。在城市地质三维结构模型分析中，由于三维建模软件多以桌面端为主，利用桌面软件在建模过程的交互操作具有优势，且基于C++开发的分析计算程序能发挥计算机性能，因此三维空间分析算法多以C++为主。但存在跨平台困难、无法有效支撑Web应用的问题。为此，采用GRPC技术框架体系，基于统一传输协议，将城市地质模型分析与应用微服务封装，实现异构平台之间的架构兼容与服务高效调度。此外，通过简单封装，底层C++分析算法可直接适配成GRPC服务。
采用GRPC技术架构的城市地质三维模型分析具有以下特点：充分发挥语言优势，提高性能；减少代码迁移工作量，降低门槛；保持多端功能一致性和规范性；支持分布式部署。GRPC相比API更高效，因为GRPC是一次远程过程调用，而API是GRPC的具体接口实现。一个GRPC可能对应多种API。
基于模型进行的3dtiles切片技术：3dtiles切片是一种开放的数据标准，专门为流式传输和渲染海量三维地理空间数据而设计，如摄影测量、3D建筑、BIM/CAD、地质模型和点云。在3DTiles中，一个切片集（Tileset）是由一组切片（Tile）按照空间树状结构组织而成的，至少包含一个用于描述切片集的JSON文件和一个切片文件（b3dm、i3dm、pnts、cmpt等），其中b3dm和i3dm切片格式是基于glTF构建的，它们的切片内容在二进制体中嵌入了glTF资源，包含模型的几何和纹理信息。
以下是关于异构3D模型、3D模型实例、海量点云和地质模型等内容的总结提炼：
异构3D模型：包括带纹理的地形和表面、3D建筑外部和内部模型等。
3D模型实例：如树木、道路、桥梁等。
海量点云：地质模型。
模型的Tile内容：是单个Tile格式的实例，一个tile可能包含多个内容。每个内容引用一组特征，如城市地质三维模型。客户端在运行时根据特征属性进行内容过滤、可视化或分析。
Tile的组织形式：采用树形结构，结合层次细节模型（LOD）概念，优化空间数据的渲染。每个tile具有bounding volume，定义其内容的空间范围。Tile树具有空间连贯性，如下图所示。
图 6Tile树具有空间连贯性
Tile集合：使用类似于2D栅格和矢量瓦片的方案，提供多个细节级别（或缩放级别）的预定义瓦片。由于内容不均匀，Tile集合的树可以是具有空间一致性的空间数据结构，包括四叉树、八叉树和栅格。隐式平铺简化了四叉树和八叉树的表示。
元数据：在Tile集中以多个粒度提供，与高级实体（如Tile集、Tile、内容和特征）或单个顶点和纹理关联。符合明确定义的类型系统的3D元数据规范，可进行语义扩展。
样式：可以选择应用到Tile集的3dtilesStyle或style。样式定义了修改每个特征显示方式的表达式。
综上所述，模型的Tile集合提供了灵活的层次细节模型和空间数据结构，允许客户端根据特征属性进行内容过滤、可视化或分析。同时，通过元数据和样式提供了高级的数据和可视化功能，满足了3D模型处理和分析的需求。
5、基于minio的分片上传
在项目实施中，为了确保大文件的稳定上传，我们采用了MinIO进行分片上传。MinIO，作为一个开源的对象存储服务器，为我们提供了大规模文件和对象的存储与管理解决方案。通过将大文件拆分成多个小片段进行并行上传，我们不仅提高了上传的可靠性，还显著提升了传输效率。这一方法有效降低了网络中断对传输过程的影响，同时允许多个并行上传操作，进一步确保了文件的安全、完整上传。
分片上传方法在多个方面展现出显著的优势：
断点续传：在网络中断或其他问题发生时，只需重新上传中断的分片，而无需重新上传整个文件，大大提高了上传的稳定性和可靠性。
并行上传：通过分片上传，可以实现多个分片的并行上传，有效提高上传效率，大幅缩短了文件传输的时间。
低内存使用：大文件无需一次性加载到内存中，而是逐个分片上传，显著降低了内存的使用，优化了系统资源的分配。
高可靠性：分片上传的设计降低了传输过程中可能出现的问题对整个上传过程的影响，确保了文件的安全、完整上传。
在实际应用中，为确保最佳效果，需要注意一些关键细节。首先，合理选择分片的大小至关重要，需根据实际需求和网络环境进行权衡。其次，确保分片命名的规范性和一致性，以便于管理和识别。此外，上传进度的监控和管理同样关键，提供透明的进度反馈，使用户清楚了解上传的进度和状态。对于上传失败的情况，应有健全的处理机制，确保数据的完整性和可靠性。
服务器端同样需要承担相应的任务，如合并分片和保存文件等操作。通过与客户端的协同工作，共同完成文件的上传任务。
总体而言，基于MinIO的分片上传是一种功能强大且实用的解决方案，特别适合大文件上传或网络环境不稳定的情况。通过提升文件传输的效率和可靠性，该方法为项目中的文件管理和传输提供了更加完善和高效的解决方案。在实际应用中，合理利用这一技术能够显著提升项目的整体性能和稳定性。
四、推广价值
在矿产资源管理领域，我们正面临着一场前所未有的变革。随着科技的飞速发展，数字化转型为矿产资源管理带来了无限可能。从管理的精细化、安全的精准化到矿山的系统化，每一个环节都在见证着效率、安全与价值的显著提升。
1、管理效率提升
传统的矿产资源管理模式往往面临着数据孤岛、信息不对称等挑战。通过构建“数据湖”，整合各类矿产资源数据，我们实现了全流程的透明化管理。从资源调查、利用到决策，每一个环节都得到了优化，极大地提升了管理效率。
2、安全风险降低
安全是矿产资源管理的重中之重。通过引入物联网设备和智能化技术，我们能够实时监控矿山的安全状况，预警潜在风险，有效降低事故发生率。这种精细化的安全管理不仅保障了员工的安全，也为企业减少了不必要的经济损失。
3、生产效益增加
在保障安全的基础上，智能化的矿产资源管理有助于提高生产效益。通过智能调度和优化资源配置，我们能够实现矿山的最大化利用，提高采矿效率和矿石质量。这将为企业带来更高的经济效益。
4、资源利用优化
全面整合矿产资源调查利用管理数据，有助于我们更准确地评估资源储量，制定合理的开采计划，避免资源的浪费。通过优化资源配置和利用，我们能够延长矿山的使用寿命，为企业创造持续的价值。
5、系统化运营优势
矿山的系统化运营是提高整体效率的关键。通过集成了人车定位、边坡稳定性监测、无人机巡检等功能的智能监管系统，我们能够实现矿山的全面监控和高效运营。这种系统化的运营模式有助于提高管理的一致性和协同性，进一步增强企业的竞争力。
6、成本节约与控制
数字化转型在矿产资源管理中不仅提高了效率和安全性，还有助于节约成本和降低风险。通过精准化管理，我们可以更合理地分配资源，减少浪费。同时，智能化的监控和预警系统能够及时发现潜在问题，减少了维修和事故处理成本。
7、品牌价值提升
在数字化转型的推动下，矿产资源管理的效率和安全性得到了显著提升。这种先进的、可持续的管理模式有助于提升企业的品牌形象和市场地位。通过展示企业在环保、安全和可持续发展方面的成果，我们能够吸引更多的合作伙伴和投资者，进一步扩大市场份额和影响力。
总的来说，数字化转型为矿产资源管理带来了巨大的商业价值和社会效益。通过管理的精细化、安全的精准化和矿山的系统化运营，我们不仅能够提高管理效率、降低安全风险、增加生产效益、优化资源配置，还能节约成本、提升品牌价值。在这个变革的时代，我们相信数字化转型将继续引领矿产资源管理迈向更加美好的未来，为实现美丽中国建设和可持续发展作出更大的贡献。
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