基于GIS的数字化矿山系统的建立及其应用

冯树清等

摘 要：（本文原刊于《煤矿开采》2014年11月） 随着数字化矿山概念的提出和煤矿综合自动化程度的提高，地理信息系统在煤矿中也得到了应用，但应用水平很低。本文对地理信息系统在煤矿中的应用现状进行了探讨，分析了数字化系统建立的可行性，为实现矿山数字化提供了重要思想。

关键词：数字化矿山；地理信息系统；矿山模型

1 前言

数字化正随着计算机技术的迅猛发展给生产、生活的带来了巨大的变革。数字地球、数字城市正从理论变成现实。同样，数字矿山也随着煤矿生产环节自动化、集成化、地质测量的数字化、生产管理的信息化的逐步普及，这为数字矿山的发展铺平了道路。随着地理信息系统技术的逐步成熟，建立基于地理信息系统的数字化矿山是最有效的办法。（本文原刊于《煤矿开采》2014年11月）

2 地理信息系统与数字矿山

2.1 地理信息系统

地理信息系统（GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM，简称GIS）是一门综合性学科，结合地理学、地图学、遥感、测绘和计算机科学，在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

（1）地理信息系统的功能

1）数据采集：主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

2）数据处理：初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。

3）数据存储与组织：如何有效地存储和管理栅格数据、矢量数据、栅格/矢量混合数据，空间数据与属性数据融合于一体。

4）空间查询与分析：空间分析是地理信息系统的核心功能，它由空间检索、空间数据计算与分析、空间模型分析组成。

5）图形显示与输出：根据用户需要提供不同功能的地图，如普通地图、专题地图、统计图表、分析评价图等。

（2）煤矿地理信息系统模型

2.2 数字矿山

（1）数字矿山概念

数字化矿山是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现。数字矿山的核心是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合，在矿业信息数据库的基础上，充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术，为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具。最终表现为矿山的高度信息化、自动化与高效、安全、绿色开采，以至在信息技术支持下的无人采矿与遥控采矿，实现矿山开采的可持续发展。

（2）数字矿山的关键技术

数字矿山的实现涉及众多的学科和知识，主要包括数据动态获取与实时更新技术、数据处理与信息提取技术、空间数据仓库技术、空间数据建模技术、虚拟仿真技术、网络技术等，对这些技术体系及其相互集成方式的研究是数字矿山系统实现的关键。从图2-2中可以看出，数据获取是数字矿山系统的数据来源，数据管理是数字矿山系统的基础，数据建模和空间分析是数字矿山系统的核心，分布式网络可视化发布是数字矿山系统重要的表现形式。

3 GIS在数字矿山中的应用

3.1 三维空间数据获取

GIS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GIS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。

3.2 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。该管理方式存在两个主要问题：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；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

3.3 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像绘制与处理技术，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。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。

4 结束语

矿山生产作业流程的动态性与复杂性，数字模型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，加快数字建设，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。 （本文原刊于《煤矿开采》2014年11月）

参考文献

[1] 张正栋，邱国锋，郑春燕，胡华科. 地理信息系统原理. 武汉：武汉大学出版社，2005.9

[2] 毛仲玉，徐拴祥，聂兆刚 . GIS在煤矿中的应用及展望.东北煤炭技术，1999.12

[3] 张建军.地理信息系统在祁南煤矿的应用.煤矿开采第12卷第5期，2007年10月

[4] 曾堡華.矿山地理信息系统在江西煤矿的应用. 江西煤炭科技2006年第3期

[5] 张振明，张建文，马方清，谭得健.地理信息系统在羊场湾矿综合信息化中的应用.2007.09

作者简介

冯树清（1969-），男，籍贯：内蒙古开鲁县人，工程师，现任中电投白音华煤电公司矿业分公司生产矿长。