大型礦山地理數據信息化與智能構建關鍵技術及應用

劉 洋

（河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司，河北 唐山 063000）

大型礦山地理數據信息化與智能構建技術的研究，是一個復雜而艱巨又富有挑戰性﹑系統性很強的工程項目。大型礦山地理數據信息化與智能構建是大勢所趨，而在當前的地質測繪領域，由于其技術不成熟﹑設備落后等原因導致無法滿足社會發展需要。在大中型礦山勘探開發中，地質測繪工作主要包括：地質資料采集系統設計；野外現場勘察及測量控制等。

近年來，隨著我國科學技術水平不斷提高和礦業企業對礦產資源開采日益重視以及國家相關政策法規相繼出臺后，礦山地理數據信息化與智能構建技術研究工作也取得了一些成就。

1 礦山地理數據信息化與智能構建相關理論基礎

1.1 礦山地理數據信息化與智能構建相關概念

礦山地理數據信息化與智能構建是以計算機技術為基礎，應用各種先進的信息處理手段，實現對地質和空間關系的綜合分析﹑挖掘及整理。通過利用現代信息技術的發展以及數字圖像處理技術等相關軟件系統將礦山區域內各區域內各類資源數據整合起來。同時結合GIS平臺中所提供的三維可視化工具來完成對地質體數據信息化與智能構建工作過程中所需各種參數進行自動生成并顯示，實現信息共享。

1.2 礦山地理數據信息化的基本原理

利用數字濾波技術，將信息進行處理，得到的結果直觀﹑清晰。通過對采集到各種地質信息所獲取到得資料分析得出結論。根據這些方法可以實現對地下地質體和物探情況中存在問題做出正確判斷并采取相應對策措施來解決實際工作當中遇到或可能出現地電干擾及人為因素導致數據丟失等一系列難題。

1.3 礦山地理數據信息化與智能構建的主要作用

（1）促進地質災害的預測和預警。由于地震﹑水文等自然災害具有較強破壞性，在進行測繪過程中，需要考慮到人為因素對其造成影響；同時隨著科技發展以及社會進步以及國家政策方針不斷完善的情況下也會使得地震風險更加嚴重化和復雜化程度更高而出現更多新類型自然事件與工程事故等問題，所以礦山地理數據信息化及智能構建可以將這些災害發生概率大大減少[1]。

（2）通過地質測繪，對地質體中的礦產資源進行綜合分析，建立起一個科學﹑合理而又有效地評價和判斷礦山工程建設過程是否安全可靠以及礦山施工質量是否滿足要求等方面做出全面準確且客觀公正，既為大型礦產資源開采提供重要依據；同時也為國家和地方政府制定相關政策措施奠定基礎。

1.4 礦山地理數據智能構建技術

1.4.1 地面數據預處理技術

利用數字化的方法對地質體進行有效地分析，以實現礦山地理信息綜合評價﹑地質研究及開發應用。首先，要將地面物探資料作為基礎性工作；其次在獲取地表移動點和地下管線時采用GIS空間地圖法；再次通過遙感影像圖斑確定井下地形地貌情況以及地層結構構造等特征參數與地震活動規律﹑水文條件等等的關系；最后利用數字化技術對礦山地理數據進行預處理和分析。

1.4.2 人工神經網絡技術

在礦山地理數據信息智能構建過程中，需要利用多種先進的方法對其進行處理，例如：BP神經網絡法﹑模糊理論和認知語言學等[2]。其中BP是一種典型的基于統計推理與模式識別相結合而形成的新型系統。它不僅能夠解決傳統方法難以實現復雜問題所帶來的困難，而且還可以通過模擬人腦思維方式來分析事物發展變化規律并及時反饋給工作人員以提高工作效率；該算法在人工神經網絡研究中廣泛應用。

1.5 大型礦山地理數據信息化與智能構建的關鍵技術

（1）數據庫管理，在大中型礦山地質資料信息管理系統中，其工作量巨大﹑且對工作人員技術要求較高。因此需要建立一套完善的數據庫系統。

（2）人工神經網絡訓練和模擬分析等方法來實現井下數據處理工作及精度控制。

（3）利用GNSS定位和三維空間分析軟件進行礦山地理數據信息化與智能構建過程的研究以及應用效果評價。

（4）采用多種手段獲取地質體資料信息并將其轉化為可識別的數字化圖像。

1.6 礦山地理數據智能構建的原則

（1）數字化﹑信息化原則。數據的智能是指能夠實現計算機網絡技術和各種信息處理軟件在實際工作中所產生的實時性，而不是傳統意義上二維碼。

（2）實用性與應用價值兼顧原則。礦山地理數據集成系統應一定程度上綜合考慮經濟效益以及社會效益等各方面因素后設計開發出來符合自身特點的數字化﹑信息化平臺。同時也要結合企業管理信息系統建設要求來選擇合適技術手段和軟件設備，以便為后續工作提供必要支持。

（3）數據的標準化。在礦山地理數字化建設過程中，應按照“統一標準﹑規范”和“通用性強，兼容性好”原則進行。

（4）信息共享與協同應用技術相結合。礦山地區各單位之間要實現資源共建共享以及業務互通；同時還要建立起一套完善的數據庫系統以滿足信息需求分析及決策需要等方面問題要求；最后還需通過數據整合平臺來達到相互溝通協作，提高工作效率﹑降低成本和提升效益效果的目標，從而促進企業經濟發展[3]。

1.7 礦山地理數據智能構建原理

礦山地理數據智能構建主要包括：①人工神經網絡的建立。通過對人工神經元結構進行優化，實現人機交互，使其可以在不同程度上模擬地質體，并能準確識別出地質體。②模糊綜合評價模型研究與應用系統化的應用技術為基礎性工作提供了重要支撐和保障；③遙感探測﹑三維空間分析等多種手段相結合形成多維立體數據處理方式；④基于物聯網平臺建設的礦山地理信息智能構建及相關配套設備研發為輔助作用。

1.8 智能構建算法

智能化是大數據時代的重要特征之一，它不僅能夠為用戶提供更多﹑更好的信息服務，而且還能有效提高礦山地理成果利用率。

首先要明確系統所需數據模型。在實際工作中我們需要對各種參數進行分析計算和預測處理等相關操作來實現系統功能目標；其次還要確定數據庫之間相互關系；最后是根據具體的需求進行建模，然后通過相應算法完成相應任務并最終形成一個完整的大框架結構。

1.9 礦山地理數據智能構建與評價

在對地質體進行勘探﹑構造時，要先將探測到的物探資料作為一個完整而清晰地信息，并建立一套合理科學且具有可操作性和通用價值的數字模型。然后再根據模擬過程中所產生出來的結果來分析其規律以及結論是否準確可靠。同時通過軟件系統可以實現模擬數據處理及計算能力等方面均需要滿足一定程度上對數據進行智能化處理。

2 基于智能構建的礦山地理數據信息化研究

2.1 國內外礦山地理數據信息化現狀

國外礦山地理數據信息化建設較早，其主要經歷了三個階段：第一，從地面管線的建立；第二，在對地質體進行探測﹑分析和識別之后建立起一套完整系統地開發流程。第三則是從模擬地下勘探到數字化測繪再到遙感技術。

國內的地質數據信息化建設起步較晚，我國在礦山地理數據信息研究方面雖然也取得一定進展但尚處于探索階段，主要是通過對傳統技術與現代先進科學技術相結合的基礎上進行改進和創新而形成一些具有實用價值并能夠解決復雜工程問題﹑適應實際工作需要等功能為一體且能滿足社會需求應用到各個領域中的新方法。

在國外，地質數據信息化建設已經有了很大的進展。如美國﹑俄羅斯等一些國家都建立起大型礦山地理數據庫。我國目前已建成或即將建好一個以GIS為基礎﹑以物聯網技術為手段的信息庫系統，但仍處于開發階段和探索階段；從整體上而言還存在著很多問題：一是各方面資源整合能力不強導致重復投入大量建設成本高而難以盈利甚至虧損嚴重，二是缺乏統一規劃與管理造成了資源浪費現象突出。

20世紀80年代初以來，隨著計算機技術﹑通信和網絡通訊等相關學科不斷發展與進步。我國在礦山地理信息數字化方面取得了顯著成就：一是建立了多級地面地震數據庫；二是通過對地下巖體進行物聯網采集并實現全過程智能監控；三是利用遙感探測手段完成地質數據的獲取及分析工作，形成地下礦產資源動態監測系統以及綜合管理信息系統。

2.2 礦山地理數據信息化的主要內容

大型礦山地理數據信息化是一個復雜的綜合系統，其主要包括地質勘探﹑地質分析和礦區信息采集等多個過程。

（1）GIS技術。以數字化空間為基礎進行研究。利用空間地理信息系統中的圖形處理工具對地下物探資料進行存儲與管理；通過計算機網絡技術將GIS軟件自動記錄到數據庫當中并實現遠程查詢功能，使礦山地理數據信息化更加全面完整，方便工作人員隨時隨地獲取地質﹑礦石礦物等信息資源庫。

（2）在礦山地理數據信息化建設中，主要包括以下幾個方面的內容：一是數據庫技術。通過對計算機軟件的應用和開發實現數據存儲﹑信息檢索等功能。二是數字化處理方法與流程設計；三是模擬系統與集成方案研究及實施方案制定工作；四是技術標準規范體系構建及運行管理制度建設，并為地質資料提供安全保障措施等。

3 礦山地理數據信息化與智能構建關鍵技術

3.1 礦山地理數據信息化與智能構建需求分析

（1）數據采集技術的要求：

礦山地理數字化建模﹑分析與應用是一個龐大復雜的過程，需要通過多層次和多方面手段進行，因此必須有一套完備而科學合理且切實可行地開發方案。首先應建立一套完整有效地數據庫，在系統中對地質體及構造特征等信息進行收集整理并分類匯總成相應格式后生成計算機圖形文件；其次要將數據錄入到軟件上實現自動識別﹑檢索與存儲功能(包括查詢等)，為后續的分析和綜合研究提供有力依據。

（2）數據分析系統的建設：

首先對礦山地理信息進行采集，然后將收集到的地質資料通過軟件處理，最后生成數字化﹑信息化文件，形成可視化地形圖。利用GIS技術建立空間數據庫。同時使用地理信息技術手段實現三維建模。并采用遙感影像解譯和多參數綜合應用等技術完成了數據挖掘與提取工作；在信息分析過程中運用數據融合方法對原始物證進行三維重建和識別，從而得到地質體的屬性特征點分布情況；

（3）數字化處理技術：利用云計算等先進手段進行模擬信號分析處理及傳輸﹑數字圖像壓縮格式轉換以及采集到的各類電子影像信息通過網絡傳送到數據庫系統進行保存；同時也可以運用計算機輔助軟件如GNSS系統對現場視頻錄像資料加以收集與整理并將其轉化為電文形式，實現礦山地理數據信息化和智能構建。

3.2 系統整體思路

大型礦山地理數據信息化系統構建的總體思路是：首先，利用地質資料，建立一個統一﹑集成的基礎數據庫。其次通過對大尺度空間信息量進行分析和研究。最后在大尺度上實現了對各種地形地貌以及不同區域地貌特征等方面綜合評價。然后通過綜合評估模型來確定各功能模塊之間相互關系及參數配置情況下所需資源數量與分布情況；并根據數據采集點與處理系統中各個子系統間耦合度，建立大型地質礦山地理數據庫的結構﹑格式﹑輸入量等信息庫。

3.3 礦山地理數據信息化與智能構建關鍵技術具體步驟

數據采集與處理技術，即在礦山地理數據信息化應用系統中，首先對原始的地質信息進行分析和提取。將其轉化為數字圖像信號。通過計算機網絡實現了對礦山地區自然景觀﹑地形地貌等要素的識別以及定位功能；其次利用GIS空間網格法建立數據庫模型并根據實際需要構建相應軟件程序來完成相關參數計算及結果輸出工作后即可得到最終所需數據成果，也就是三維地震記錄體數據化處理技術，在該基礎上進行地質地貌研究分析和預測。

3.4 礦山地理數據信息化解決方案

礦山地理數據的信息化解決方案主要包括以下幾個方面：

（1）建立完善的信息數據庫。利用計算機軟件技術對大量復雜﹑難以處理和不易分析處理，但又具有較高價值，且能進行實時動態監測與控制等特點而開發出一套針對不同地區地質情況以及其發展規律而制定并實施起來并能夠有效指導各種類型工程項目的地質工作及生產活動。

（2）采用先進的數據采集方法。在礦山地理數據信息化過程中要充分利用計算機技術﹑軟件技術和微機原理，采用數字技術對礦山地理數據信息進行收集，并通過計算機軟件處理將其轉換成相應的圖像﹑文字等形式。同時在系統中建立數據庫﹑存儲和查詢功能。利用該平臺可以實現對大中型礦山工程地質資料及各種相關參數的檢索分析處理以及綜合評價；還可根據不同類型工程項目需求選擇多種格式進行分類管理，便于用戶操作使用及維護管理。

（3）聯合開發的數字地質模型

通過集成多種數據源，將其與地質災害等多變量信息融合，建立一個綜合的地質數據庫。該系統可以實現對礦山地理數據進行采集和分析。在實際工作中可采用不同類型的模擬方法來完成對各種參數值進行處理并得到相應結果；利用計算機技術和軟件自動生成各類模型庫；還可實現數字化模擬地質過程中數據量大且復雜情況下的動態觀測與研究﹑預測及管理等功能。

4 系統的設計與應用

4.1 系統總體方案

大型礦山地理數據信息化構建的總體方案是：在系統中，主要包括了信息采集﹑處理和分析三個部分。

（1）信息采集指的是通過計算機技術對所得到的原始資料進行收集并加以加工，然后以一定格式儲存起來。

（2）處理則是把這些數據轉化為數字信號或圖像等形式來表示出其本身屬性及參數值后形成一個完整而又直觀地圖形化模型。系統中包含了軟件與硬件兩個子系統，大型礦山地理數據信息處理主要包括：地質勘探﹑工程勘察和測繪。其中，地質勘查工作是基礎，在對地下管線進行探測時需要利用人工的方法來完成。GNSS系統技術能夠實現對空間地形圖實施動態觀測；同時也可以通過衛星定位功能將地面與地下之間的關系展現出來并建立起三維模型從而為后續研究提供數據支持及參考依據；還能根據不同區域內所存在各種地質體和構造情況，采用多層次綜合分析手段。

（3）大型礦山地理數據信息的分析，其主要是通過以下幾個方面進行實現：其一，地質構造﹑地震等相關參數對地下管線的分布和位置有著非常大影響。在實際工作中由于地質結構與地層巖性具有較大差異以及不同類型地震活動造成了大量地面沉降現象。因此要想解決這一問題就必須將勘探技術結合起來以提高勘測精度為前提進行勘察設計；其二，大型礦山地理數據信息在采集過程中會受到諸多因素干擾而產生各種誤差甚至是錯誤的結果。

4.2 系統功能展示

大型礦山地理數據信息化與智能構建的實現，需要對系統進行功能展示。在功能上，首先是系統中各模塊之間能夠正常工作﹑運行并相互兼容；其次就是信息采集過程中所涉及到的各種參數和屬性等都要一一顯示出來以供使用者查看使用；再次則是從信息數據庫里獲取相關資料后再根據不同用戶需求來提供相應服務。

5 結語

大型礦山地理數據信息化與智能構建是大勢所趨。通過對大型地質物數據的采集和分析，可以實現對地質災害﹑礦產資源以及環境變化等信息進行綜合評價，并為相關部門制定相應政策提供參考。