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摘要:地理信息系統(tǒng)(GIS)作為目前發(fā)展最迅速的高新技術之一,將其應用在礦山,可以大大地推動礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理的現(xiàn)代化。GIS在城市交通、通訊、電力等方面應用廣泛,但其在礦山方面的應用還很少。文中簡要介紹了礦山應用GIS的必要性,礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)的特點及功能,概述了目前MGIS在應用方面存在問題以及發(fā)展趨勢。

關鍵詞:GIS;礦山地理信息系統(tǒng);應用及問題;發(fā)展趨勢

GIS是英文GeographicInformationSystem的縮寫,通常稱為地理信息系統(tǒng)。GIS是介于信息科學、空間科學和地球科學之間的交叉學科,是一種特定而又十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面(包括大氣層在內)與空間和地理分布有關數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1]。

地理信息系統(tǒng)應用廣泛,有多個分支,目前GIS在資源調查管理、環(huán)境監(jiān)測與評價、城市規(guī)劃、土地利用、公共交通、各類工程施工、軍事國防以及商業(yè)、經(jīng)營決策等方面均已得到廣泛而卓有成效的應用。礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)是其分支之一,該系統(tǒng)主要是以計算機為基礎,應用測量、攝影測量與遙感等技術采集信息,并通過機械制圖和圖像處理等手段,緊密結合礦山的空間與資源特征構建起來的一種信息系統(tǒng)。將GIS運用于指導礦山的規(guī)劃、日常生產(chǎn)、管理、環(huán)境監(jiān)測以及安全預警等各方面將有很重要的意義。我國的礦山地理信息系統(tǒng),起步較晚。但是,經(jīng)過我國礦業(yè)科技工作者的努力,在深入的理論研究和縝密的實驗實踐基礎上,建立了初步的礦山地理信息系統(tǒng)。并且MGIS在一些礦山的應用中,已經(jīng)或正在發(fā)揮其重要作用。所以,建立與發(fā)展MGIS對我國礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

1礦山應用MGIS的必要性

礦山是一種特殊的地理區(qū)域?，F(xiàn)代礦山一般規(guī)模龐大,面積較廣,地質條件和礦體賦存條件差別很大,主要表現(xiàn)為:礦床地層構造復雜,礦體厚度不穩(wěn)定,傾角變化大,頂?shù)装宀环€(wěn)定,有時受地下水的威脅等等;生產(chǎn)方式復雜,生產(chǎn)礦井提升、運輸方式多樣;設備復雜,種類繁多,設備數(shù)量多。由此可見,礦山的信息量巨大,并且數(shù)據(jù)類型多,包括地質、采礦、測繪、選冶、分析、環(huán)保、經(jīng)濟、建設、生產(chǎn)與管理等多方面的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載體有文件資料、表格、圖形圖像、數(shù)據(jù)庫等[1]。

礦山數(shù)據(jù)具有重要經(jīng)濟價值。大量的數(shù)據(jù)不及時收集、整理、保存,一旦丟失,將給礦山造成巨大信息及經(jīng)濟浪費。礦山數(shù)據(jù)的保存和分析對礦山的生產(chǎn)、技術、安全、管理、效益、資源的有效利用及環(huán)境的保護具有重要意義,例如對地表及采空區(qū)上的構(建)筑物等的保護,對地下水及地表水、生態(tài)的保護,采礦工程引起的塌陷區(qū)的復懇等可提供科學依據(jù)。目前,礦山工程施工、開采過程、設備、材料信息、經(jīng)營管理信息等的收集和處理主要停留在手工操作上,已不適應現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)、管理、辦公等要求,急需具有智能化特征的方法與系統(tǒng)來滿足企業(yè)之需求。MGIS是滿足這一需求的最好方法之一[2]。

礦山是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng),其可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)具有結構非線形、行為多樣性、信息不確定性和狀態(tài)不可逆性的特點。面臨著非常巨大的困難,MGIS的建立將提供解決這些問題的可能[3]。

2MGIS的特點及其功能

2.1MGIS的特點[2]

礦山地理定位數(shù)據(jù)是MGIS的基本數(shù)據(jù),利用礦山地面和井下測量信息構建礦山的幾何空間框架。礦山數(shù)據(jù)源包括地形圖、測量資料、礦山土地利用圖、地質圖及文字報告、礦床產(chǎn)狀圖及文字報告、采掘工程圖、井上下對照圖、礦山建筑資料等。其儲存形式,主要有圖象、圖形、文字、表格等。這些為數(shù)據(jù)源靜態(tài)的一面。另一方面,由于礦山生產(chǎn)和區(qū)域社會的不斷發(fā)展,還有大量動態(tài)數(shù)據(jù),即在生產(chǎn)過程中不斷更新、增加的數(shù)據(jù)和信息。這部分數(shù)據(jù)是生產(chǎn)和管理的最新資料,是系統(tǒng)保持現(xiàn)實性所必需的。MGIS的數(shù)據(jù)具有以下主要特點:

(1)多源性。數(shù)據(jù)涉及不同的領域、不同的來源、不同的載體。

(2)時空特性。數(shù)據(jù)具有時空四維的幾何和屬性信息,并且隨著生產(chǎn)的進行,數(shù)據(jù)處在不斷的更新、增刪之中。

(3)多時相性。礦山信息涵蓋礦山生產(chǎn)和建設的各個階段。

(4)不確定性。各種空間、資源和環(huán)境數(shù)據(jù)具有不確定性或模糊性。

2.2MGIS的基本功能[3]

MGIS是在礦業(yè)信息數(shù)據(jù)倉庫基礎上,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、可視化、網(wǎng)絡、多媒體和科學計算技術,為礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設計、生產(chǎn)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。MGIS具備如下功能:

(1)監(jiān)測礦區(qū)環(huán)境狀況及演變。

(2)采集、管理、處理、分析一切與礦區(qū)經(jīng)濟、社會、環(huán)境和資源相關的時空信息。

(3)利用3D建模與可視化技術來動態(tài)模擬、再現(xiàn)與仿真礦山開采活動及給環(huán)境帶來的相關影響。

(4)輔助礦井開拓設計、礦井生產(chǎn)管理,支持礦山防災、減災與救災指揮。

(5)進行人機協(xié)同的礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與指標評估,其核心是礦區(qū)多目標動態(tài)規(guī)劃模型庫、決策知識庫及中間關聯(lián)的邏輯解譯等子系統(tǒng)。

3GIS礦山應用現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)用于礦山必將引起礦山數(shù)據(jù)管理和應用的一場革命。發(fā)展礦山地理信息系統(tǒng)已成為一種必然趨勢。礦山地理信息系統(tǒng)目前在礦山中主要應用于以下幾個方面[4]:

(1)礦床地質勘探及礦山設計。建立的MGIS存儲有大量的礦山地理信息數(shù)據(jù),利用GIS的強大功能進行勘探設計、地質施工、報告編制及礦山設計,可以極大地提高工作效率,減少設計失誤,優(yōu)化設計成果。

(2)編制生產(chǎn)計劃。依賴礦山地理信息數(shù)據(jù)也可以制定生產(chǎn)計劃,通過對其空間關系的實時分析,可以使生產(chǎn)計劃的制定建立在客觀、合理、有效的基礎之上,通過模擬,還可以進一步檢驗生產(chǎn)計劃的科學合理性和可操作性。

(3)日常生產(chǎn)管理。礦山日常生產(chǎn)過程中會遇到各種各樣的問題,會揭露出許多新的地質現(xiàn)象,這些新的資料要及時地輸入到MGIS中,通過其強大的分析功能,科學及時有效地調制生產(chǎn)計劃,提高生產(chǎn)計劃實施效率。同時,各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)也可以及時準確地統(tǒng)計計算出來,供領導實施決策時參考。

(4)礦山生產(chǎn)安全。礦山生產(chǎn)中有許多因素會影響生產(chǎn)安全,如隨著開挖的進行,礦山地壓的變化及冒頂片幫規(guī)律的變化;斷層裂隙帶;地下水;粉塵及有害氣體等等。這些因素與礦山生產(chǎn)部位的空間關系如何是礦山生產(chǎn)安全所要考慮的首要問題。GIS所具有的空間分析功能和空間模擬功能,能使這種關系可視化,能提高管理者的判斷能力,從而保證礦山生產(chǎn)的安全

(5)生產(chǎn)監(jiān)督檢查。礦山生產(chǎn)要接受上級部門和地礦管理部門的監(jiān)督檢查,如礦山生產(chǎn)安全方面和資源回收方面的檢查等。這些部門通過MGIS對礦山生產(chǎn)的檢查,會更及時、更客觀、更有效。

(6)礦山環(huán)境保護。礦山生產(chǎn)會造成許多環(huán)保問題,如采礦塌陷、礦區(qū)周邊環(huán)境破壞、礦山需重新綠化等等,利用MGIS和專家系統(tǒng)相結合,可以有效地預測這些環(huán)保問題,以便及時地采取措施加以解決。

(7)經(jīng)濟評價及預測。在礦山中還可以使用MGIS來對礦山進行經(jīng)濟評價,對未來的生產(chǎn)經(jīng)營狀況進行預測等。礦山經(jīng)營的各個方面可以使用MGIS來提高工作效率,降低生產(chǎn)成本,提高決策的科學合理性。

4MGIS研究所面臨問題及發(fā)展趨勢

4.1MGIS所面臨的問題

建立礦區(qū)地理信息系統(tǒng)是一項復雜的、工程量巨大的系統(tǒng)工程,需要從數(shù)據(jù)、功能、應用各方面對系統(tǒng)進行設計、研究與開發(fā),綜合應用信息、地理、采礦、計算機、數(shù)學、測繪、地球空間信息科學等學科的知識和技術。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,建立能對礦區(qū)多源信息進行管理和處理的計算機技術系統(tǒng)已成為實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。但是,對復雜的礦區(qū)系統(tǒng),運用這些知識和技術建立MGIS時面臨很多問題[5]。

4.1.1MGIS數(shù)據(jù)的采集及質量

數(shù)據(jù)是MGIS中重要的組成部分,建立MGIS的一個關鍵問題就是數(shù)據(jù)的采集輸入與數(shù)據(jù)的質量保證。數(shù)據(jù)是MGIS進行規(guī)劃、管理和決策的基礎。MGIS中的數(shù)據(jù)主要是指與礦產(chǎn)資源條件有關的描述和分析。由于各種數(shù)據(jù)獲取的方法、采用的設備不盡相同,其可靠度、精度也不一致。此外,由于自然界各種空間現(xiàn)象本身客觀存在著多種不確定性,以及人類對自然現(xiàn)象本身認識的不完備性,所有的空間數(shù)據(jù)都是對空間現(xiàn)象的近似表達。因此,MGIS中的數(shù)據(jù)存在多種不確定性。為了發(fā)揮MGIS的性能,需要針對各種數(shù)據(jù)類型的特征深入研究處理數(shù)據(jù)不確定性的方法[6]。

4.1.2MGIS數(shù)據(jù)的表達顯示及分析

通過各種有效手段采集到的空間數(shù)據(jù)及其導出信息,如何利用可視化技術和符號化表示方式來形象、直觀、生動地表達和顯示。如何根據(jù)所要解決的問題,連接GIS數(shù)據(jù)庫、方法庫和知識庫,實現(xiàn)GIS的目標、空間建模。將復雜現(xiàn)象及過程可視化顯示[7]。

4.1.3MGIS應用模型的開發(fā)

模型是將現(xiàn)實的礦山世界的數(shù)據(jù)組織為有用的且能反映真實信息的數(shù)據(jù)集,對MGIS來說,數(shù)據(jù)建模就是GIS與礦山生產(chǎn)與管理應用專業(yè)模型的結合,建立起礦山開發(fā)過程實踐的各種應用模型庫。建立MGIS的應用模型庫是MGIS系統(tǒng)集成的十分重要的一環(huán)[8]。

4.1.4礦山三維GIS數(shù)據(jù)模型及其三維可視化

目前,大部分GIS系統(tǒng)為二維,各行各業(yè)對三維GIS要求日益迫切。礦山由地表、地下等多層三維或四維(含時間)立體空間構成,實現(xiàn)這些立體空間的真三維操作,是GIS行業(yè)目前關注較多的研究課題[3]。

4.2MGIS的發(fā)展趨勢

礦山地理信息系統(tǒng)的建立、發(fā)展和廣泛應用,必將促使我國礦山工業(yè)的生產(chǎn)管理向信息化、科學化的方向邁進。通過對各種地質、礦山測量、經(jīng)濟、技術參數(shù)的分析和處理,可使礦山企業(yè)的各級主管人員迅速、及時并直觀地查詢有關技術數(shù)據(jù)。

通過分析研究,礦山地理信息系統(tǒng)的近期發(fā)展重點是:MGIS應用技術的開發(fā),以礦山空間數(shù)據(jù)的采集、處理、加工為突破口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的滾動開發(fā),從而提高MGIS的應用水平。它的遠景發(fā)展趨向,則是與遙感,全球定位系統(tǒng)以及專家系統(tǒng)相結合,成為智能化的高度集成的礦山地理信息系統(tǒng),并向著規(guī)范化、標準化和信息共享等方面發(fā)展。

5結語

GIS技術的日趨成熟和廣泛應用,為礦產(chǎn)資源開發(fā)中的規(guī)劃、管理、設計與決策提供了嶄新的技術手段[9]?，F(xiàn)代礦山是一個多介質的復雜系統(tǒng),而且規(guī)模較大,可視化表達礦山信息是MGIS優(yōu)勢所在。對于礦山生產(chǎn)管理、規(guī)劃、消除安全隱患以及及時了解礦山各個區(qū)域的情況,原始的方法已經(jīng)不適合于礦山。隨著現(xiàn)代化礦山建設的發(fā)展,以及礦山可持續(xù)發(fā)展的要求,建立礦山地理信息系統(tǒng)處理數(shù)據(jù),可視化管理礦山意義重大,將給礦山帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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