地理信息系統在礦山的應用研究現狀及發展趨勢

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摘要:地理信息系統(GIS)作為目前發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經營管理的現代化。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(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展趨勢。

關鍵詞:GIS;礦山地理信息系統;應用及問題;發展趨勢

GIS是英文GeographicInformationSystem的縮寫,通常稱為地理信息系統。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。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據的空間信息系統[1]。

地理信息系統應用廣泛,有多個分支,目前GIS在資源調查管理、環境監測與評價、城市規劃、土地利用、公共交通、各類工程施工、軍事國防以及商業、經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(MGIS)是其分支之一,該系統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。將GIS運用于指導礦山的規劃、日常生產、管理、環境監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,起步較晚。但是,經過我國礦業科技工作者的努力,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。并且MGIS在一些礦山的應用中,已經或正在發揮其重要作用。所以,建立與發展MGIS對我國礦業的可持續發展有著重要的意義。

1礦山應用MGIS的必要性

礦山是一種特殊的地理區域?，F代礦山一般規模龐大,面積較廣,地質條件和礦體賦存條件差別很大,主要表現為:礦床地層構造復雜,礦體厚度不穩定,傾角變化大,頂底板不穩定,有時受地下水的威脅等等;生產方式復雜,生產礦井提升、運輸方式多樣;設備復雜,種類繁多,設備數量多。由此可見,礦山的信息量巨大,并且數據類型多,包括地質、采礦、測繪、選冶、分析、環保、經濟、建設、生產與管理等多方面的數據。數據載體有文件資料、表格、圖形圖像、數據庫等[1]。

礦山數據具有重要經濟價值。大量的數據不及時收集、整理、保存,一旦丟失,將給礦山造成巨大信息及經濟浪費。礦山數據的保存和分析對礦山的生產、技術、安全、管理、效益、資源的有效利用及環境的保護具有重要意義,例如對地表及采空區上的構(建)筑物等的保護,對地下水及地表水、生態的保護,采礦工程引起的塌陷區的復懇等可提供科學依據。目前,礦山工程施工、開采過程、設備、材料信息、經營管理信息等的收集和處理主要停留在手工操作上,已不適應現代企業生產、管理、辦公等要求,急需具有智能化特征的方法與系統來滿足企業之需求。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系統,其可持續發展系統具有結構非線形、行為多樣性、信息不確定性和狀態不可逆性的特點。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]

礦山地理定位數據是MGIS的基本數據,利用礦山地面和井下測量信息構建礦山的幾何空間框架。礦山數據源包括地形圖、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。這些為數據源靜態的一面。另一方面,由于礦山生產和區域社會的不斷發展,還有大量動態數據,即在生產過程中不斷更新、增加的數據和信息。這部分數據是生產和管理的最新資料,是系統保持現實性所必需的。MGIS的數據具有以下主要特點:

(1)多源性。數據涉及不同的領域、不同的來源、不同的載體。

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

(3)多時相性。礦山信息涵蓋礦山生產和建設的各個階段。

(4)不確定性。各種空間、資源和環境數據具有不確定性或模糊性。

2.2MGIS的基本功能[3]

MGIS是在礦業信息數據倉庫基礎上,充分利用現代空間分析、數據采礦、知識挖掘、虛擬現實、可視化、網絡、多媒體和科學計算技術,為礦產資源評估、礦山規劃、開拓設計、生產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)監測礦區環境狀況及演變。

(2)采集、管理、處理、分析一切與礦區經濟、社會、環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模擬、再現與仿真礦山開采活動及給環境帶來的相關影響。

(4)輔助礦井開拓設計、礦井生產管理,支持礦山防災、減災與救災指揮。

(5)進行人機協同的礦區可持續發展規劃與指標評估,其核心是礦區多目標動態規劃模型庫、決策知識庫及中間關聯的邏輯解譯等子系統。

3GIS礦山應用現狀

地理信息系統用于礦山必將引起礦山數據管理和應用的一場革命。發展礦山地理信息系統已成為一種必然趨勢。礦山地理信息系統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據,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,優化設計成果。

(2)編制生產計劃。依賴礦山地理信息數據也可以制定生產計劃,通過對其空間關系的實時分析,可以使生產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計劃的科學合理性和可操作性。

(3)日常生產管理。礦山日常生產過程中會遇到各種各樣的問題,會揭露出許多新的地質現象,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計劃,提高生產計劃實施效率。同時,各種生產數據也可以及時準確地統計計算出來,供領導實施決策時參考。

(4)礦山生產安全。礦山生產中有許多因素會影響生產安全,如隨著開挖的進行,礦山地壓的變化及冒頂片幫規律的變化;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部位的空間關系如何是礦山生產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,從而保證礦山生產的安全

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

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

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

4MGIS研究所面臨問題及發展趨勢

4.1MGIS所面臨的問題

建立礦區地理信息系統是一項復雜的、工程量巨大的系統工程,需要從數據、功能、應用各方面對系統進行設計、研究與開發,綜合應用信息、地理、采礦、計算機、數學、測繪、地球空間信息科學等學科的知識和技術。隨著現代科學技術的發展,建立能對礦區多源信息進行管理和處理的計算機技術系統已成為實現礦區可持續發展的必然要求。但是,對復雜的礦區系統,運用這些知識和技術建立MGIS時面臨很多問題[5]。

4.1.1MGIS數據的采集及質量

數據是MGIS中重要的組成部分,建立MGIS的一個關鍵問題就是數據的采集輸入與數據的質量保證。數據是MGIS進行規劃、管理和決策的基礎。MGIS中的數據主要是指與礦產資源條件有關的描述和分析。由于各種數據獲取的方法、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象本身客觀存在著多種不確定性,以及人類對自然現象本身認識的不完備性,所有的空間數據都是對空間現象的近似表達。因此,MGIS中的數據存在多種不確定性。為了發揮MGIS的性能,需要針對各種數據類型的特征深入研究處理數據不確定性的方法[6]。

4.1.2MGIS數據的表達顯示及分析

通過各種有效手段采集到的空間數據及其導出信息,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。如何根據所要解決的問題,連接GIS數據庫、方法庫和知識庫,實現GIS的目標、空間建模。將復雜現象及過程可視化顯示[7]。

4.1.3MGIS應用模型的開發

模型是將現實的礦山世界的數據組織為有用的且能反映真實信息的數據集,對MGIS來說,數據建模就是GIS與礦山生產與管理應用專業模型的結合,建立起礦山開發過程實踐的各種應用模型庫。建立MGIS的應用模型庫是MGIS系統集成的十分重要的一環[8]。

4.1.4礦山三維GIS數據模型及其三維可視化

目前,大部分GIS系統為二維,各行各業對三維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,實現這些立體空間的真三維操作,是GIS行業目前關注較多的研究課題[3]。

4.2MGIS的發展趨勢

礦山地理信息系統的建立、發展和廣泛應用,必將促使我國礦山工業的生產管理向信息化、科學化的方向邁進。通過對各種地質、礦山測量、經濟、技術參數的分析和處理,可使礦山企業的各級主管人員迅速、及時并直觀地查詢有關技術數據。

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

5結語

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

參考文獻

[1]李學亮.礦山地理信息系統的現狀及其發展趨向[J].礦山測量,1997(2):12～28。

[2]杜云,戴華陽,李貴昌,等.地理信息系統在礦山中的應用[J].煤,2002,1(1):6～7。

[3]王大江,張麟,李永民.MGIS在煤炭工業可持續發展中的作用[J].礦業研究與開發,2004,8(4):47～49。

[4]王少安.地理信息系統及其在煤礦上的應用[J].中州煤炭,2000(5):17。

[5]杜培軍,盛業華,唐宏.對建立礦區地理信息系統(MGIS)若干問題的探討[J].地礦測繪,2000(2):28～30。

[6]張海榮,郭達志,張書畢,等.MGIS的數據特征及其不確定性[J].礦山測量,2002,6(2):8～10。

[7]劉惠德,李和林,李志強.GIS在礦山中的應用探討[J].西山科技,2000,6:11～13。

[8]徐豁,馬小計,石琨.礦業地理信息系統及數字礦山若干問題探討[J].煤炭科學技術,2003,8(8):55～57。

[9]魏一敏,劉堅,吉兆寧.GIS技術及其在礦業中的應用[J].中國錳業,1998,8(3):13～16。