基于GIS的數字化礦山系統的建立及其應用

馮樹清等

摘 要：（本文原刊于《煤礦開采》2014年11月） 隨著數字化礦山概念的提出和煤礦綜合自動化程度的提高，地理信息系統在煤礦中也得到了應用，但應用水平很低。本文對地理信息系統在煤礦中的應用現狀進行了探討，分析了數字化系統建立的可行性，為實現礦山數字化提供了重要思想。

關鍵詞：數字化礦山；地理信息系統；礦山模型

1 前言

數字化正隨著計算機技術的迅猛發展給生產、生活的帶來了巨大的變革。數字地球、數字城市正從理論變成現實。同樣，數字礦山也隨著煤礦生產環節自動化、集成化、地質測量的數字化、生產管理的信息化的逐步普及，這為數字礦山的發展鋪平了道路。隨著地理信息系統技術的逐步成熟，建立基于地理信息系統的數字化礦山是最有效的辦法。（本文原刊于《煤礦開采》2014年11月）

2 地理信息系統與數字礦山

2.1 地理信息系統

地理信息系統（GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM，簡稱GIS）是一門綜合性學科，結合地理學、地圖學、遙感、測繪和計算機科學，在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

（1）地理信息系統的功能

1）數據采集：主要用于獲取數據，保證地理信息系統數據庫中的數據在內容與空間上的完整性、數值邏輯一致性與正確性等。

2）數據處理：初步的數據處理主要包括數據格式化、轉換、概括。

3）數據存儲與組織：如何有效地存儲和管理柵格數據、矢量數據、柵格/矢量混合數據，空間數據與屬性數據融合于一體。

4）空間查詢與分析：空間分析是地理信息系統的核心功能，它由空間檢索、空間數據計算與分析、空間模型分析組成。

5）圖形顯示與輸出：根據用戶需要提供不同功能的地圖，如普通地圖、專題地圖、統計圖表、分析評價圖等。

（2）煤礦地理信息系統模型

2.2 數字礦山

（1）數字礦山概念

數字化礦山是對真實礦山整體及其相關現象的統一認識與數字化再現。數字礦山的核心是在統一的時間坐標和空間框架下，科學合理地組織各類礦山信息，將海量異質的礦山信息資源進行全面、高效和有序的管理和整合，在礦業信息數據庫的基礎上，充分利用現代空間分析、數據采礦、知識挖掘、虛擬現實、可視化、網絡、多媒體和科學計算技術，為礦產資源評估、礦山規劃、開拓設計、生產安全和決策管理進行模擬、仿真和過程分析提供新的技術平臺和強大工具。最終表現為礦山的高度信息化、自動化與高效、安全、綠色開采，以至在信息技術支持下的無人采礦與遙控采礦，實現礦山開采的可持續發展。

（2）數字礦山的關鍵技術

數字礦山的實現涉及眾多的學科和知識，主要包括數據動態獲取與實時更新技術、數據處理與信息提取技術、空間數據倉庫技術、空間數據建模技術、虛擬仿真技術、網絡技術等，對這些技術體系及其相互集成方式的研究是數字礦山系統實現的關鍵。從圖2-2中可以看出，數據獲取是數字礦山系統的數據來源，數據管理是數字礦山系統的基礎，數據建模和空間分析是數字礦山系統的核心，分布式網絡可視化發布是數字礦山系統重要的表現形式。

3 GIS在數字礦山中的應用

3.1 三維空間數據獲取

GIS是數據獲取的基礎，它的準確與否關系到數據模型和空間分析的準確性。面向礦山的GIS數據獲取，除了傳統測量、電子測量、地質鉆探等方法，礦山三維空間數據獲取還有以下新方法：

1）三維物探技術。包括地震探測、地質雷達等技術。通過高分辨率三維地震勘探，可以獲得高分辨率、高信噪比、高密度的三維數據，通過數據的可視化，可以判斷出小斷層、巷道等，為采區的精細勘探及其他與工程有關的災害地質預測提供有力保障。

2）三維激光掃描。即用數據實景復制技術，采用三維激光掃描儀采集掃描礦區下的點云，利用點云數據，可以建立幾何面片模型，同時配合其他方法獲取掃描物體的紋理數據。這種掃描方法采用特點是快速、精確，但數據量大，需要進行數據精簡和壓縮。

3）數字攝影測量是獲取地面三維數據最精確和最可靠的技術，利用數字攝影測量系統可以得到礦區地表巖石和地形表面的影像。根據像對立體成像原理，生成礦區地形或礦坑等數字地面模型。數字攝影測量技術已經成熟和普及，與傳統測量方式相比，它具有精度高、成本低、效率高等優點。

3.2 三維空間數據管理

目前多數礦業單位使用的信息系統，如ArcGIS、MapGIS等，他們的數據存儲與管理大多采用傳統方式，即用文件方式存放圖形數據，數據庫存放屬性數據，幾何數據和屬性數據是通過索引或關鍵字鏈接。該管理方式存在兩個主要問題：幾何數據的處理、更新速度以及空間數據管理的可靠性無法保障；地震解釋數據、測量數據、地形數據、監測數據、重力數據、磁力數據等多源三維信息的共享比較困難。

要解決上述問題，要從3DGIS的數據管理入手，根據OpenGIS規范制定元數據標準，將三維幾何數據、拓撲關系和屬性數據全部存入數據庫管理系統中。目前，市場上流行的Oracle、SQL Server、Informix等大型數據庫系統已經可以支持存儲和管理空間二維幾何屬性數據，具有空間數據操作能力，從而大幅度提高空間數據的處理速度和空間數據管理的可靠性

3.3 三維可視化

礦山的三維可視化主要包括：三維復雜景觀的模擬，三維數據場的可視化，虛擬礦山現實。

1）三維復雜景觀的模擬。礦山地面及井下存在著大量復雜的三維自然和人工景觀，對三維復雜景觀的模擬是GIS的基本功能。復雜景觀模擬的基本思想是：通過造型過程獲得自然客體與人為結構的幾何描述或過程描述，通過位置、視點和場景的交換，依據特定的顯示技術，展現出描述對象的結構和細節。目前，復雜景觀的造型技術包括幾何造型、體元造型和分形造型3種。礦山GIS中三維景觀的模擬應以造型技術為主，在三維數據結構的支持下進行。其中幾何造型的實現可以采用三維矢量數據結構，體元造型的實現則可以使用三維柵格或八叉樹數據結構，而分形造型則應綜合考慮采用不同的三維數據結構。

2）三維數據場的可視化。實質上就是三維計算機圖形圖像繪制與處理技術，包括三維立體圖的自動繪制、空間等值曲面生成技術等。在三維MGIS的研究和應用中，可視化包括對三維數據本身及處理過程與結果的可視化。其基本思路是：在三維數據結構的支持下，通過空間對象的三維表達、數據更新對礦山實體進行構建，并可對動態演變過程進行模擬。如對測量數據進行三維可視化時，首先根據實測數據建立基于三維矢量數據結構的表達模型，然后對各巖層界面進行內插后用TIN表示，而進行有關的空間分析時，則可以用三維柵格或八叉樹數據結構進行可視化。維表達、數據更新對礦山實體進行構建，并可對動態演變過程進行模擬。如對測量數據進行三維可視化時，首先根據實測數據建立基于三維矢量數據結構的表達模型，然后對各巖層界面進行內插后用TIN表示，而進行有關的空間分析時，則可以用三維柵格或八叉樹數據結構進行可視化。

4 結束語

礦山生產作業流程的動態性與復雜性，數字模型的建設必將是一個復雜的、長期的系統工程。應積極推廣當代信息化技術在我國數字礦山建設中的應用，充分利用GIS平臺，加快數字建設，化解礦山開采過程中的高風險、高危害因素，落實我國的資源開發政策，力保使我國資源開發進入一個可持續發展的良性循環，從而提高我國礦山在國際上的競爭力。 （本文原刊于《煤礦開采》2014年11月）

參考文獻

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[4] 曾堡華.礦山地理信息系統在江西煤礦的應用. 江西煤炭科技2006年第3期

[5] 張振明，張建文，馬方清，譚得健.地理信息系統在羊場灣礦綜合信息化中的應用.2007.09

作者簡介

馮樹清（1969-），男，籍貫：內蒙古開魯縣人，工程師，現任中電投白音華煤電公司礦業分公司生產礦長。