礦山測量數(shù)字化應用問題探討

董應文

（內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司 煤炭生產(chǎn)事業(yè)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

1 數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

所謂數(shù)字化礦山是采用現(xiàn)代信息技術、數(shù)據(jù)庫技術、傳感器網(wǎng)絡技術和過程智能化控制技術等，在礦山企業(yè)生產(chǎn)活動的三維尺度范圍內(nèi)，對礦山生產(chǎn)、經(jīng)營與管理的各個環(huán)節(jié)與生產(chǎn)要素實現(xiàn)網(wǎng)絡化、數(shù)字化、模型化、可視化、集成化和科學化管理，根據(jù)實際的應用要求，建立礦山規(guī)劃設計、礦山安全生產(chǎn)管理、礦山應急救援指揮、礦山經(jīng)營管理、礦山辦公自動化等應用系統(tǒng)。 從而將企業(yè)的安全生產(chǎn)與經(jīng)營管理業(yè)務流程數(shù)字化并加工成新的信息資源，迅速準確地提供給各層次的管理者及時掌握動態(tài)業(yè)務中的一切信息，以做出有利于生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的決策，使企業(yè)資源合理配置，從而使企業(yè)能夠適應瞬息萬變的市場經(jīng)濟競爭環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟效益。 特別是在礦山安全生產(chǎn)過程中的實時信息監(jiān)測、收集、分析、預警、決策等方面發(fā)揮重大作用。

2 數(shù)字礦山的特征和基本組成

基于DM 的定義，DM 應具有以下六大特征∶以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”；以采礦CAD(MCAD)、虛擬現(xiàn)實(VR)、仿真(CS)、科學計算(SC)與可視化(VS)為“車輛”；以礦業(yè)數(shù)據(jù)和礦業(yè)應用模型為“貨物”；以真三維地學模擬(3DGM)和數(shù)據(jù)挖掘為“包裝”；以多源異質(zhì)礦業(yè)數(shù)據(jù)采集與更新系統(tǒng)為“保障”和以礦山GIS(MGIS)為“調(diào)度”。 DM 的最終表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動化和高效率，以至到無人采礦和遙控采礦。

DM 的基本組成可大致為采集系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、功能系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)和核心系統(tǒng)五部分。

2.1 采集系統(tǒng)

負責數(shù)據(jù)采集與處理,包括測量、勘探、傳感和文檔四類基礎數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；其關鍵是所有數(shù)據(jù)的數(shù)字化。

2.2 調(diào)度系統(tǒng)

指MGIS,負責提供拓撲建立與維護、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS 基本功能,并進行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口和生產(chǎn)調(diào)度與指揮管理等。

2.3 功能系統(tǒng)

負責提供各類專業(yè)模擬與分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV 等。

2.4 包裝系統(tǒng)

負責提供3D 空間建模工具、多源異質(zhì)礦山數(shù)據(jù)的空間融合環(huán)境和數(shù)據(jù)過濾、組合與封裝機制，包括3DGM 和數(shù)據(jù)挖掘工具。

2.5 核心系統(tǒng)

負責統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型,決策分析與支持等。

可以看出，數(shù)字礦山的核心是數(shù)據(jù)。 與礦山相關的地理空間數(shù)據(jù)倉庫和屬性數(shù)據(jù)倉庫是DM 的基礎。地理空間數(shù)據(jù)倉庫用來管理海量的井上、下礦山地物的幾何信息、拓撲信息。

3 礦山測量任務

礦山測量因具有一定的的特殊性和多學科交叉性，曾單獨為一個專業(yè)，它的發(fā)展和進步與三個方面密切相關∶一是，采礦技術和礦業(yè)工程的發(fā)展及要求；二是，測繪科學技術與儀器設備的發(fā)展；三是，其它學科的發(fā)展與影響。礦山測量工作者擔負著礦山地面和地下三維空間的測量、定位與制圖，礦體幾何，儲量管理及開采監(jiān)督，開采沉陷觀測及開采損害防護等任務。 近十多年來,資源、環(huán)境、災害和人口問題成為人類社會發(fā)展的四個重大問題。 國內(nèi)外資料表明，礦山測量工作者在礦區(qū)和工礦城市環(huán)境的動態(tài)綜合監(jiān)測，環(huán)境評價，及礦區(qū)環(huán)境信息管理，礦區(qū)開采信息管理系統(tǒng),開采沉陷區(qū)綜合治理等方面做了大量的工作，起到了重要作用。

目前， 以3S 為主導的空間信息技術將逐漸應用于礦山測量及礦山建設與生產(chǎn)中；對現(xiàn)代化采礦工業(yè)起到優(yōu)質(zhì)高效服務和輔助決策的作用。 現(xiàn)代礦山測量的主要任務可概括為∶在礦山勘測、設計、開發(fā)和生產(chǎn)運營階段，對礦區(qū)地面和地下空間資源(以礦產(chǎn)資源和土地資源為主)和環(huán)境信息進行采集、存儲、處理、顯示、分析、利用，為合理有效的開發(fā)資源、保護資源、保護環(huán)境、治理環(huán)境服務，為工礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展服務。

4 主要研究內(nèi)容與目標

在數(shù)字礦山建設中,就礦山測量而言,除常規(guī)的礦井建設、生產(chǎn)中的測量任務之外,應特別重視以下的研究∶礦圖數(shù)字化與數(shù)字化成圖—自動化礦山地學信息采集系統(tǒng)；礦山開采環(huán)境的綜合評價與治理—礦山開采環(huán)境四維動態(tài)信息系統(tǒng)；GIS 和GPS(全球定位系統(tǒng))結合及其在礦山開采環(huán)境監(jiān)測與治理中的應用—礦山開采環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)；礦山環(huán)境信息系統(tǒng)的質(zhì)量模型及其精度不確定性處理—礦山開采環(huán)境信息系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)。

4.1 礦圖數(shù)字化和數(shù)字化成圖—自動化礦山地學信息系統(tǒng)

礦圖數(shù)字化和數(shù)字化成圖將成為礦山GIS 數(shù)據(jù)采集的基本手段。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化是降低礦山GIS 成本的重要途徑。綜合利用不同的數(shù)據(jù)源(井上下測量、數(shù)字化礦圖、地勘信息、航測遙感信息等)、建立適合礦山各類應用的基礎地理空間信息數(shù)據(jù)庫及分層信息(包括設備位置及屬性信息)，建立好礦山地學信息系統(tǒng)。 同時注重模式識別和專家系統(tǒng)理論。 研究的最終目標是實現(xiàn)礦圖數(shù)據(jù)采集、識別和處理的自動化。

4.2 礦山開采環(huán)境的綜合評價與治理—礦山開采環(huán)境四維動態(tài)信息系統(tǒng)

礦山開采環(huán)境綜合評價與治理不僅包括傳統(tǒng)的開采沉陷預測與安全開采方案評估，礦區(qū)塌陷區(qū)綜合治理與動態(tài)環(huán)境評價、礦區(qū)土地管理與區(qū)域規(guī)劃等內(nèi)容,更重要的是采用GIS 技術手段。 針對礦山開采空間狀態(tài)是隨時間和生產(chǎn)發(fā)展而變化的特點，在現(xiàn)有GIS 數(shù)據(jù)模型基礎上， 研究適用于礦山開采環(huán)境的空間和時間綜合四維數(shù)據(jù)模型，建立有效的礦山地理信息系統(tǒng)。 該系統(tǒng)應達到如下目標∶

1）實現(xiàn)各類地質(zhì)采礦條件下開采沉陷的四維動態(tài)模擬，為礦山開采沉陷的綜合治理(建筑物保護、安全開采方案、保護煤柱設計，采動滑坡治理等)提供依據(jù)；

2）實現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)管理的動態(tài)模擬，為主管部門提供決策咨詢；

3）實現(xiàn)礦區(qū)土地資源(地面覆蓋物、地下管道工程、塌陷區(qū)生態(tài)復墾)自動化管理，為礦區(qū)開采環(huán)境的綜合評價與治理提供依據(jù)。

4.3 GPS 和GIS 結合及其在礦山開采環(huán)境監(jiān)測中的應用—礦山開采環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)

GPS 定位技術是美國自20 世紀70 年代初期開始研制的新一代衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)。 目前，我國已開始應用GPS 定位技術。 對于礦山開采環(huán)境研究而言， 主要是采用GPS 定位技術采集地面動態(tài)坐標數(shù)據(jù)，并采用GIS 進行數(shù)據(jù)管理和空間分析，從而獲得所需信息。最終達到直接采用GPS 技術對GIS 作實時更新， 建立礦山開采環(huán)境的實時監(jiān)測系統(tǒng)。

5 結論

隨著礦山生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步，礦山測量向工程型轉化是礦山測量事業(yè)發(fā)展的必然。即礦山測量職能除著重現(xiàn)代測繪儀器在礦山生產(chǎn)中的研究應用外,將由單一純工程服務型向工程服務決策型轉化，礦山測量工作者的素質(zhì)應由專門人才向一專多能及工程型擴展。 礦區(qū)經(jīng)濟要可持續(xù)發(fā)展，必然要求交通運輸、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及相關領域可持續(xù)發(fā)展，必然帶來礦區(qū)采動，地表建設如廠房、高速公路、樓群建筑等新的疑難問題，采礦工程、礦山測量工程、巖土工程相結合來解決這類新型邊緣問題勢在必行,礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程必然是礦山測量工程化發(fā)展過程,也是多學科穿插重新組合形成新門類學科的過程。 礦山測量工作者將在礦山邊坡工程、礦山地壓控制,開采沉陷及采礦地表建設、巖石動力學問題等發(fā)揮較重要的決策職能。

［1］郭進偉，武先利.數(shù)字礦山系統(tǒng)分析與建模[J].煤炭經(jīng)濟研究，2009（08）.