基于GIS的数字矿山研究

    引言

    自美国前副总统戈尔于1998年1月在“数字地球：21世纪如何认识我们的星球”的演讲中首次提出数字化地球的概念及其框架以来，数字化的概念和实践陆续出现在各个具体的产业和领域中，数字化信息技术也越来越深刻地影响着人类社会的发展。根据国家“十五”计划对企业信息化的要求，要利用信息化带动矿山等传统企业的发展。

    GIS(Geographic Information System)是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科。以GIS为平台，构建数字矿山DM（Digital Mine）是对所有与矿山有关的数据信息进行数字化，可以实现信息处理、检索、输出的自动化、可视化、与地理关系的一体化，以便矿山进行计算机辅助设计、矿产资源预测和矿山生产的动态管理等，以达到充分合理开发利用资源，谋求矿山开发的最佳社会经济效益和环境效益的目的。

    1 我国矿山信息化现状分析

    近年来，我国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不容乐观。在矿山勘察、规划、设计、生产、管理等信息化领域，与发达国家的差距越来越大。我国矿山没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发与综合利用，更没有形成信息资源充足、系统性能稳定的矿山信息基础设施。总体来说存在以下问题：

    1.1矿山信息化总体水平较低
    
    我国是一个矿业大国，矿山行业是劳动密集型行业，信息化程度很低。除了少部分矿山企业有较先进的各种信息管理系统外，大部分矿山尚处于信息管理的初级阶段，没有很好地利用信息技术促进企业的发展，缺乏统筹规划，从而导致这个层次上的矿山企业没有较好的计算机网络设施，没有共享的网络信息数据，也就使这类矿山企业在以信息为主导的知识经济面前没有优势可言[4]。

    1.2大部分企业只注重硬件投资，忽视了软件的开发、管理与应用

    大部分企业没有建立适合企业生产发展的矿山基础信息数据库，缺乏完善的地学煤矿空间信息系统、储量资源管理系统及三维地质模型系统等，没有形成一个完善的矿山软件体系。

    1.3 对现代信息化认识不足

    虽然矿山企业对信息化的认识与以往相比有了一定程度的提高，但与国家信息化建设要求的要利用信息化带动矿山等传统企业的发展尚有较大差距。在信息化项目建设上，各个矿山也相差很大，仅有那些效益好、规模大，市场观念和现代管理意识强的大中型矿山企业对信息化需求较为强烈。

    1.4 信息资源管理不够完善

    目前，已有一部分企业虽然已经开通了企业内部通信网络，但绝大多数企业网站仅仅是网络的简单扩充上，并没有充分利用网络进行深层次的信息资源开发，缺乏共享的、网络化的信息资源，不能使企业内部及企业与客户之间的进行有效地信息沟通，直接影响企业的生存与发展。

    2  DM的理念

    2.1 DM的涵义

    DM是建立在数字化、信息化、虚拟化和集成化基础上的，由计算机网络管理的管、控一体化系统。它综合生产、经营、管理、环境、资源、安全与效益等各种因素，使企业在实施绿色采矿的条件下实现整体协调优化，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力，其最终目标是实现矿山的高度信息化、自动化与高效率。

    2.2 DM基本特点

    DM具有以下六大特征：

    2.2.1应具备完善的企业数据传输网络。DM建设中的各种海量数据、模型的管理、应用与共享是通过网络来进行的，这就需要建立一个宽带、高速和双向的通讯网络平台，确保数据在矿山企业内外的高速传输，以利于矿山产品、经营等社会化信息在网上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。

    2.2.2具备完整的矿业信息数据库及矿业应用模型，数字矿山的核心就是数据仓库。时空数据仓库、矿业应用模型等核心系统能够管理着矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息，管理着矿山工程、设计、生产、决策服务等重要环节，如：矿山开采沉陷设计、储量计算、瓦斯聚集程度模型等。

    2.2.3真三维地学模拟(3DGM)、各类数据挖掘工具等包装系统；3DGM和数据挖掘对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型，进行数据与模型的过滤和重组。

    2.2.4以测量(包括数字摄影测量、GPS、大地测量及井下常规测量)、地球物理探测、遥感技术为综合手段来建立精确、全面的矿山综合信息数据采集与更新系统。

    2.2.5以采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS)、科学计算(SC)、可视化(VS)、办公自动化等多技术高度集成[7]。采矿CAD、虚拟现实、仿真、科学计算、可视化等系统，不仅能够对矿山井上的各种作业条件进行3D模拟，而且可以对井下的地质、地层分布情况进行准确的模拟与虚拟分析，还可以对即将下井作业的矿工进行虚拟的井下条件培训，提高他们的安全意识和工作效率。

    2.2.6建立完善的矿山GIS系统。MGIS作为现代矿山信息化办公与决策的公共平台，作为各类矿山软件集成和各类模型融合的公共载体，在矿山业务的全过程中起着决定性作用。面向21世纪DM的MGIS系统应该是一个能为采矿业提供矿山信息组织管理、采矿模拟、空间分析与可视决策支持的真三维GIS系统[9]。

    3  DM建设关键技术

    3.1DM建设总体技术体系

    DM的实现与应用涉及GIS、虚拟现实、网络、多媒体、数据库和海量数据存储等多种高新技术，集成应用是其实现的关键。因此，DM建设将是一个复杂的系统工程，需要一大批科技工作者和技术人员不断努力才能实现。依据DM的数据流程下图1列出了从数据获取、数据传输、数据存储、数据处理和数据共享等层面的DM总体技术框架[10]。

图1  DM建设总体技术体系框架 

    3.2以GIS为平台的DM建设关键技术

    基于DM建设的目标和主要内容，对现代先进技术进行集成创新，应完成以下关键技术的攻关，为不同的矿山企业做出符合国情、符合企业实际的基于GIS的DM建设技术方案。

    3.2.1矿山空间数据库管理与数据挖掘技术

    针对矿山数据信息的复杂性、海量性、不确定性和动态多源、多精度、多时相和多尺度性的特点，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的空间数据库管理技术，其中包括矿山数据的分类组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理。而为了从矿山海量的空间数据库中快速提取专题信息，发掘隐含规律，认识未知现象和进行时空发展预测等，必须研究一种高效、智能、符合矿山思维的数据挖掘技术。矿山数据挖掘技术是指从海量的矿山数据中提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测的过程。这些规律和知识对矿山的安全、生产、经营与管理能发挥预测和指导作用，可以方便未经专门培训的用户和各业务部门工作人员共享和使用海量矿山信息[11]。

    3.2.2 3D地学建模与虚拟现实(VR)技术

    3D地学建模即对测量、钻孔、物探、传感等数据集于一体进行真3D地学模拟和动态数据维护，对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的3D可视化再现、模拟与分析。数字矿山涉及到地下及地上三维空间的动态变化问题。虚拟现实技术能够对整个地层环境及局部地质构造进行多维、多视角、多分辨率显示，对矿山能进行三维景观设计，对矿区生态环境的动态变迁能进行实时监测和时空模拟，对井下采场矿山压力显现及岩层移动能够根据一定的模型进行实时监测和动态仿真等，则整个矿山系统将成为一个布局合理、结构优化、安全、高产、高效的良性循环运作系统。

    3.2.3矿山3S(GIS、GPS、RS)、办公自动化(OA）综合集成技术

    为实现全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度，必须基于矿山GIS对矿山信息统一管理与可视化表达，无缝集成自动化办公，并集成RS和GPS技术，真正做到从数据采集、处理、融合、设备跟踪、动态定位、过程管理、调度指挥的全过程一体化。

    3.2.4矿山综合网络通讯技术

    矿山井下智能化开采的目的是为了实现矿山生产的最优化，而在条件发生变化时维持最优产值是个连续优化过程，在此过程中必须考虑到各个相关因素。矿山井下实时、动态、海量数据的传输要求必须构建井下信息高速公路。矿山井上/井下综合通讯能够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视频、数据三合一。

    4        三维GIS在DM中的应用

    数字矿山建设是一项系统而庞大的工程，涉及到矿山、安全、信息、测绘等多个学科。目前，面向地质矿山领域的3DGIS研究方面大量集中在概念模型、数据模型和可视化表达等方面。除此之外，关键技术研究还应包括数据获取技术、数据管理和共享、空间分析和分布式网络可视化等，这些问题同时也是数字矿山面临的挑战性问题(图2)。 

    4.1三维空间数据获取

    3DGIS是数据获取的基础，它的准确与否关系到数据模型和空间分析的准确性。面向矿山的3DGIS数据获取，除了传统测量、电子测量、地质钻探等方法，矿山三维空间数据获取还有以下新方法：

    1)三维物探技术。包括地震探测、地质雷达等技术。通过高分辨率三维地震勘探，可以获得高分辨率、高信噪比、高密度的三维数据，通过数据的可视化，可以判断出小断层、巷道等，为采区的精细勘探及其他与工程有关的灾害地质预测提供有力保障。

    2)三维激光扫描。即用数据实景复制技术，采用三维激光扫描仪采集扫描矿区下的点云，利用点云数据，可以建立几何面片模型，同时配合其他方法获取扫描物体的纹理数据。这种扫描方法采用特点是快速、精确，但数据量大，需要进行数据精简和压缩。

    3)数字摄影测量是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，利用数字摄影测量系统可以得到矿区地表岩石和地形表面的影像。根据像对立体成像原理，生成矿区地形或矿坑等数字地面模型。数字摄影测量技术已经成熟和普及，与传统测量方式相比，它具有精度高、成本低、效率高等优点。

    4.2三维空间数据管理

    目前多数矿业单位使用的信息系统，如ArcGIS、MapGIS等，他们的数据存储与管理大多采用传统方式，即用文件方式存放图形数据，数据库存放属性数据，几何数据和属性数据是通过索引或关键字链接[12]。该管理方式存在两个主要问题：1)几何数据的处理、更新速度以及空间数据管理的可靠性无法保障；2)地震解释数据、测量数据、地形数据、监测数据、重力数据、磁力数据等多源三维信息的共享比较困难。

    要解决上述问题，要从3DGIS的数据管理入手，根据OpenGIS规范制定元数据标准，将三维几何数据、拓扑关系和属性数据全部存入数据库管理系统中。目前，市场上流行的Oracle、SQL Server、Informix等大型数据库系统已经可以支持存储和管理空间二维几何属性数据，具有空间数据操作能力，从而大幅度提高空间数据的处理速度和空间数据管理的可靠性[13]。

    4.3三维可视化

    矿山的三维可视化主要包括：三维复杂景观的模拟，三维数据场的可视化，虚拟矿山现实。1)三维复杂景观的模拟。矿山地面及井下存在着大量复杂的三维自然和人工景观，对三维复杂景观的模拟是GIS的基本功能。复杂景观模拟的基本思想是：通过造型过程获得自然客体与人为结构的几何描述或过程描述，通过位置、视点和场景的交换，依据特定的显示技术，展现出描述对象的结构和细节。目前，复杂景观的造型技术包括几何造型、体元造型和分形造型3种。矿山GIS中三维景观的模拟应以造型技术为主，在三维数据结构的支持下进行。其中几何造型的实现可以采用三维矢量数据结构，体元造型的实现则可以使用三维栅格或八叉树数据结构，而分形造型则应综合考虑采用不同的三维数据结构。

    2)三维数据场的可视化。实质上就是三维计算机图形图象绘制与处理技术，包括三维立体图的自动绘制、空间等值曲面生成技术等。在三维MGIS的研究和应用中，可视化包括对三维数据本身及处理过程与结果的可视化。其基本思路是，在三维数据结构的支持下，通过空间对象的三维表达、数据更新对矿山实体进行构建，并可对动态演变过程进行模拟。如对测量数据进行三维可视化时，首先根据实测数据建立基于三维矢量数据结构的表达模型，然后对各岩层界面进行内插后用TIN表示，而进行有关的空间分析时，则可以用三维栅格或八叉树数据结构进行可视化。


    5  结束语

    我国矿山经历了从计划经济到市场经济的转变，到现在虽然有了一定程度的发展，但还必须清醒地认识到现存的问题，以及与发达国家的DM建设存在的巨大差距。由于煤矿生产作业流程的动态性与复杂性，DM的建设必将是一个复杂的、长期的系统工程。应积极推广当代信息化技术在我国数字矿山建设中的应用，充分利用GIS平台，加快基于GIS技术的DM建设，化解矿山开采过程中的高风险、高危害因素，落实我国的资源开发政策，力保使我国资源开发进入一个可持续发展的良性循环，从而提高我国矿山在国际上的竞争力。

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