基于GIS的數(shù)字化礦山系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用

馮樹清等

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

關(guān)鍵詞：數(shù)字化礦山；地理信息系統(tǒng)；礦山模型

1 前言

數(shù)字化正隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展給生產(chǎn)、生活的帶來了巨大的變革。數(shù)字地球、數(shù)字城市正從理論變成現(xiàn)實(shí)。同樣，數(shù)字礦山也隨著煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化、集成化、地質(zhì)測量的數(shù)字化、生產(chǎn)管理的信息化的逐步普及，這為數(shù)字礦山的發(fā)展鋪平了道路。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的逐步成熟，建立基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)與數(shù)字礦山

2.1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM，簡稱GIS）是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感、測繪和計(jì)算機(jī)科學(xué)，在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

（1）地理信息系統(tǒng)的功能

1）數(shù)據(jù)采集：主要用于獲取數(shù)據(jù)，保證地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在內(nèi)容與空間上的完整性、數(shù)值邏輯一致性與正確性等。

2）數(shù)據(jù)處理：初步的數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)格式化、轉(zhuǎn)換、概括。

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

4）空間查詢與分析：空間分析是地理信息系統(tǒng)的核心功能，它由空間檢索、空間數(shù)據(jù)計(jì)算與分析、空間模型分析組成。

5）圖形顯示與輸出：根據(jù)用戶需要提供不同功能的地圖，如普通地圖、專題地圖、統(tǒng)計(jì)圖表、分析評價(jià)圖等。

（2）煤礦地理信息系統(tǒng)模型

2.2 數(shù)字礦山

（1）數(shù)字礦山概念

數(shù)字化礦山是對真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn)。數(shù)字礦山的核心是在統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)和空間框架下，科學(xué)合理地組織各類礦山信息，將海量異質(zhì)的礦山信息資源進(jìn)行全面、高效和有序的管理和整合，在礦業(yè)信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代空間分析、數(shù)據(jù)采礦、知識挖掘、虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化、網(wǎng)絡(luò)、多媒體和科學(xué)計(jì)算技術(shù)，為礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全和決策管理進(jìn)行模擬、仿真和過程分析提供新的技術(shù)平臺和強(qiáng)大工具。最終表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動(dòng)化與高效、安全、綠色開采，以至在信息技術(shù)支持下的無人采礦與遙控采礦，實(shí)現(xiàn)礦山開采的可持續(xù)發(fā)展。

（2）數(shù)字礦山的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字礦山的實(shí)現(xiàn)涉及眾多的學(xué)科和知識，主要包括數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)獲取與實(shí)時(shí)更新技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與信息提取技術(shù)、空間數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、空間數(shù)據(jù)建模技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，對這些技術(shù)體系及其相互集成方式的研究是數(shù)字礦山系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。從圖2-2中可以看出，數(shù)據(jù)獲取是數(shù)字礦山系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，數(shù)據(jù)管理是數(shù)字礦山系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)建模和空間分析是數(shù)字礦山系統(tǒng)的核心，分布式網(wǎng)絡(luò)可視化發(fā)布是數(shù)字礦山系統(tǒng)重要的表現(xiàn)形式。

3 GIS在數(shù)字礦山中的應(yīng)用

3.1 三維空間數(shù)據(jù)獲取

GIS是數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)，它的準(zhǔn)確與否關(guān)系到數(shù)據(jù)模型和空間分析的準(zhǔn)確性。面向礦山的GIS數(shù)據(jù)獲取，除了傳統(tǒng)測量、電子測量、地質(zhì)鉆探等方法，礦山三維空間數(shù)據(jù)獲取還有以下新方法：

1）三維物探技術(shù)。包括地震探測、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)。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(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的可視化，可以判斷出小斷層、巷道等，為采區(qū)的精細(xì)勘探及其他與工程有關(guān)的災(zāi)害地質(zhì)預(yù)測提供有力保障。

2）三維激光掃描。即用數(shù)據(jù)實(shí)景復(fù)制技術(shù)，采用三維激光掃描儀采集掃描礦區(qū)下的點(diǎn)云，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以建立幾何面片模型，同時(shí)配合其他方法獲取掃描物體的紋理數(shù)據(jù)。這種掃描方法采用特點(diǎn)是快速、精確，但數(shù)據(jù)量大，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡和壓縮。

3）數(shù)字?jǐn)z影測量是獲取地面三維數(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù)，利用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)可以得到礦區(qū)地表巖石和地形表面的影像。根據(jù)像對立體成像原理，生成礦區(qū)地形或礦坑等數(shù)字地面模型。數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)已經(jīng)成熟和普及，與傳統(tǒng)測量方式相比，它具有精度高、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 三維空間數(shù)據(jù)管理

目前多數(shù)礦業(yè)單位使用的信息系統(tǒng)，如ArcGIS、MapGIS等，他們的數(shù)據(jù)存儲與管理大多采用傳統(tǒng)方式，即用文件方式存放圖形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫存放屬性數(shù)據(jù)，幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)是通過索引或關(guān)鍵字鏈接。該管理方式存在兩個(gè)主要問題：幾何數(shù)據(jù)的處理、更新速度以及空間數(shù)據(jù)管理的可靠性無法保障；地震解釋數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)、磁力數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理入手，根據(jù)OpenGIS規(guī)范制定元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將三維幾何數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系和屬性數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。目前，市場上流行的Oracle、SQL Server、Informix等大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已經(jīng)可以支持存儲和管理空間二維幾何屬性數(shù)據(jù)，具有空間數(shù)據(jù)操作能力，從而大幅度提高空間數(shù)據(jù)的處理速度和空間數(shù)據(jù)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(fù)雜景觀的模擬，三維數(shù)據(jù)場的可視化，虛擬礦山現(xiàn)實(shí)。

1）三維復(fù)雜景觀的模擬。礦山地面及井下存在著大量復(fù)雜的三維自然和人工景觀，對三維復(fù)雜景觀的模擬是GIS的基本功能。復(fù)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(jié)構(gòu)的幾何描述或過程描述，通過位置、視點(diǎn)和場景的交換，依據(jù)特定的顯示技術(shù)，展現(xiàn)出描述對象的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。目前，復(fù)雜景觀的造型技術(shù)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(yīng)以造型技術(shù)為主，在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持下進(jìn)行。其中幾何造型的實(shí)現(xiàn)可以采用三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，體元造型的實(shí)現(xiàn)則可以使用三維柵格或八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而分形造型則應(yīng)綜合考慮采用不同的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2）三維數(shù)據(jù)場的可視化。實(shí)質(zhì)上就是三維計(jì)算機(jī)圖形圖像繪制與處理技術(shù)，包括三維立體圖的自動(dòng)繪制、空間等值曲面生成技術(shù)等。在三維MGIS的研究和應(yīng)用中，可視化包括對三維數(shù)據(jù)本身及處理過程與結(jié)果的可視化。其基本思路是：在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持下，通過空間對象的三維表達(dá)、數(shù)據(jù)更新對礦山實(shí)體進(jìn)行構(gòu)建，并可對動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行模擬。如對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化時(shí)，首先根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立基于三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)模型，然后對各巖層界面進(jìn)行內(nèi)插后用TIN表示，而進(jìn)行有關(guān)的空間分析時(shí)，則可以用三維柵格或八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。維表達(dá)、數(shù)據(jù)更新對礦山實(shí)體進(jìn)行構(gòu)建，并可對動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行模擬。如對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化時(shí)，首先根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立基于三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)模型，然后對各巖層界面進(jìn)行內(nèi)插后用TIN表示，而進(jìn)行有關(guān)的空間分析時(shí)，則可以用三維柵格或八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。

4 結(jié)束語

礦山生產(chǎn)作業(yè)流程的動(dòng)態(tài)性與復(fù)雜性，數(shù)字模型的建設(shè)必將是一個(gè)復(fù)雜的、長期的系統(tǒng)工程。應(yīng)積極推廣當(dāng)代信息化技術(shù)在我國數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用，充分利用GIS平臺，加快數(shù)字建設(shè)，化解礦山開采過程中的高風(fēng)險(xiǎn)、高危害因素，落實(shí)我國的資源開發(fā)政策，力保使我國資源開發(fā)進(jìn)入一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的良性循環(huán)，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）

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作者簡介

馮樹清（1969-），男，籍貫：內(nèi)蒙古開魯縣人，工程師，現(xiàn)任中電投白音華煤電公司礦業(yè)分公司生產(chǎn)礦長。