GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

王雷鳴 尹升華

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

·地質(zhì)與測(cè)量·

GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

王雷鳴1,2尹升華1,2

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息等功能，作為一門(mén)融合地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的綜合性學(xué)科，近年來(lái)在礦業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用研究。結(jié)合近年來(lái)該領(lǐng)域的最新研究成果，圍繞礦山地質(zhì)勘查與評(píng)價(jià)、礦山機(jī)械及工作人員定位、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬、礦山邊坡穩(wěn)定性與采空區(qū)塌陷等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)警、礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)及礦山復(fù)墾等方面對(duì)GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，分別從大型礦山GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)與云GIS的構(gòu)建，礦區(qū)環(huán)境與穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)過(guò)程中“3S”等多元技術(shù)的融合，構(gòu)建Interoperable GIS以實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)庫(kù)共享，以3D/4D GIS為代表的GIS多維化發(fā)展，礦山生產(chǎn)管理過(guò)程中空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合等方面對(duì)GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用方向進(jìn)行展望，為礦山數(shù)字化建設(shè)提供參考。

GIS 礦業(yè)系統(tǒng) 研究現(xiàn)狀 展望

礦山數(shù)字化、信息化與可視化是礦山未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。GIS由于具有多源地學(xué)信息的綜合管理，多源地學(xué)信息的空間查詢(xún)，空間信息疊置分析，緩沖區(qū)分析，空間實(shí)體統(tǒng)計(jì)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、調(diào)度管理及空間可視化分析等功能[1-2]，因而近年來(lái)在礦山開(kāi)采影響環(huán)境評(píng)價(jià)[3-4]、開(kāi)采沉陷規(guī)律研究[5-7]、礦區(qū)滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[8]、礦山動(dòng)態(tài)管理[9]、礦山地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)[10]、礦山重金屬污染評(píng)價(jià)[11]、礦區(qū)測(cè)量[12]等方面得到了廣泛的應(yīng)用研究。為此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行適當(dāng)總結(jié)，并對(duì)GIS在該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行展望，為提高礦山數(shù)字化水平提供參考。

1 GIS概述

GIS以地球科學(xué)基礎(chǔ)，用以獲取、存儲(chǔ)、編輯、處理、分析、顯示和輸出地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息等特點(diǎn)，主要通過(guò)描述空間分布格局、地理概念模型、空間關(guān)系、人的一些行為活動(dòng)特征幫助人們加強(qiáng)對(duì)地理空間的認(rèn)知[13-14]。GIS是從幾何特征、時(shí)空屬性、地理語(yǔ)義和空間計(jì)算的維度來(lái)構(gòu)建地理學(xué)語(yǔ)言的表達(dá)方式[15]，表達(dá)內(nèi)容包括地理實(shí)體及其空間關(guān)系、不確定性[16-17]、地理動(dòng)態(tài)及地理本體、對(duì)地理世界的認(rèn)識(shí)差異[18]等。

GIS在礦山應(yīng)用廣泛，主要針對(duì)礦山地質(zhì)、測(cè)量、井下生產(chǎn)、安全、供電、通訊、通風(fēng)、供風(fēng)供水、排水等系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)或空間、屬性數(shù)據(jù)采集，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖數(shù)一體化的集中統(tǒng)一管理?；贕IS的礦業(yè)工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GIS的礦業(yè)工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 研究現(xiàn)狀分析

2.1 礦產(chǎn)勘查與評(píng)價(jià)

現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)出現(xiàn)之前，地圖作為地理空間信息表達(dá)與傳輸?shù)幕竟ぞ?，?shí)現(xiàn)了對(duì)地理空間及地理對(duì)象的精確表達(dá)[19-20]。當(dāng)前，GIS已逐步取代地質(zhì)繪圖板，被普遍應(yīng)用到礦產(chǎn)勘查工作的各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)制圖的全盤(pán)數(shù)字化。利用GIS技術(shù)，將原始的空間地質(zhì)、物理信息、化學(xué)信息、遙感數(shù)據(jù)及成礦信息等加以整合，形成便于礦產(chǎn)預(yù)測(cè)的圖層。通過(guò)多個(gè)圖層的疊加，不僅可以收集及核查各類(lèi)數(shù)據(jù)，而且可以使用圖層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有序管理。

在礦產(chǎn)勘查方面，G.Partington[21]基于GIS構(gòu)建了地質(zhì)評(píng)估與經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)模型，并將該模型應(yīng)用于Oman北部的Semail蛇綠巖帶中的VMS銅金礦產(chǎn)勘查；A.A.Madani等[22]基于GIS環(huán)境，構(gòu)建了Bulghah金礦區(qū)的集成地理數(shù)據(jù)集，利用加權(quán)體系對(duì)空間數(shù)據(jù)與不同的地理數(shù)據(jù)集進(jìn)行了整合；K Sprague等[23]在3D GIS環(huán)境下，構(gòu)建了礦產(chǎn)勘查的定向查詢(xún)方式，實(shí)現(xiàn)了探針對(duì)象鄰近區(qū)域查詢(xún)、數(shù)字屬性查詢(xún)、閉曲面殼體查詢(xún)等功能，獲取數(shù)據(jù)并分析得到了礦體賦存條件?？梢?jiàn)，GIS在該領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定的成效，但是：①現(xiàn)有礦產(chǎn)勘查的時(shí)空數(shù)據(jù)模型大多將時(shí)間作為屬性看待，并未將時(shí)間和空間作為對(duì)等的維度參與表達(dá)與分析,因此，難以支持復(fù)雜地理實(shí)體或連續(xù)地理現(xiàn)象的描述及地理過(guò)程分析[24-26]；②以時(shí)空分離為主要特征的GIS往往僅能給出特定時(shí)刻的地學(xué)現(xiàn)象的狀態(tài)變化情況，對(duì)動(dòng)態(tài)地理現(xiàn)象表達(dá)與分析能力不強(qiáng)，不能很好地支持依賴(lài)于時(shí)空狀態(tài)與結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的復(fù)雜礦體揭露、發(fā)展、演化過(guò)程的表達(dá)與建模。

2.2 生產(chǎn)調(diào)度的“三化”管理

2.2.1 露天及井下機(jī)車(chē)調(diào)度信息化

機(jī)車(chē)調(diào)度信息化是在無(wú)線局域網(wǎng)支持下，將GPS技術(shù)和GIS技術(shù)結(jié)合，通過(guò)實(shí)時(shí)信息采集，將露天礦生產(chǎn)過(guò)程中移動(dòng)終端設(shè)備的位置、狀態(tài)等信息傳輸至調(diào)度中心，調(diào)度中心通過(guò)分析和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將調(diào)度命令發(fā)送給各移動(dòng)終端。對(duì)此，張陽(yáng)等[27]利用GIS軟件中的MapX模塊，以VB為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了一種基于GIS的井下機(jī)車(chē)區(qū)域定位檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下機(jī)車(chē)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)模擬。該系統(tǒng)主要由機(jī)車(chē)檢測(cè)器、檢測(cè)分站與井上控制中心等3部分組成，通過(guò)檢測(cè)器上傳機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)號(hào)、車(chē)速、荷載情況等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯總至井上控制中心，控制中心對(duì)井下機(jī)車(chē)車(chē)況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.2 露天礦生產(chǎn)配礦數(shù)字化

配礦的目的是降低礦石品位的波動(dòng)程度，提高礦石質(zhì)量的穩(wěn)定性，減少經(jīng)濟(jì)損失和提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率。通過(guò)利用GIS技術(shù)，構(gòu)建線性規(guī)劃模型，建立集短期配礦計(jì)劃以及礦石工序流程質(zhì)量控制的生產(chǎn)配礦動(dòng)態(tài)管理體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦石質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。為了提高配礦效率，Gu Qinghua等[28]基于GIS/RS/CPRS技術(shù)，構(gòu)建了露天礦配礦動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦石品位控制、配礦計(jì)劃的自動(dòng)編制與配礦過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在生產(chǎn)中取得了較好的效果。

2.2.3 礦區(qū)消防、管線與人員可視化

礦區(qū)消防滅火系統(tǒng)理論上包含GIS子系統(tǒng)、主業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、空間分析子系統(tǒng)與脫機(jī)模塊子系統(tǒng)等4個(gè)部分，通過(guò)所構(gòu)建的空間數(shù)據(jù)庫(kù)呈現(xiàn)的電子地圖，能夠?qū)ΦV區(qū)突發(fā)火災(zāi)進(jìn)行迅速定位，確定火災(zāi)救險(xiǎn)的最佳方案與人員逃生的最優(yōu)路線，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)消防的信息化。針對(duì)煤礦消防特點(diǎn)，徐效波等[29]基于GIS，在Supermap平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了避災(zāi)路徑、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)、給排水網(wǎng)絡(luò)等分析功能，成效較為顯著。

礦山生產(chǎn)調(diào)度的信息化、數(shù)字化與可視化的建設(shè)，在很大程度上消除了井下盲區(qū)，提高了井下生產(chǎn)的安全性。但是，目前基于GIS實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)調(diào)度仍主要呈現(xiàn)于二維平面“切片”，對(duì)于GIS數(shù)據(jù)的分析主要以圖層形式進(jìn)行展現(xiàn)，缺乏虛實(shí)融合技術(shù)的實(shí)景展示與實(shí)時(shí)交互，虛擬場(chǎng)景與真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景難以進(jìn)行有機(jī)集成，難以實(shí)現(xiàn)觀察空間、感知空間與三維虛擬空間的有效融合。此外，作為GIS最重要主體的“人”缺乏參與性，礦山人員難以有效置入虛實(shí)融合場(chǎng)景中全方位觀察地理現(xiàn)象的分布及其演化過(guò)程。因此，有必要引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)來(lái)增強(qiáng)礦山生產(chǎn)調(diào)度的直觀感，提高礦山生產(chǎn)調(diào)度效率。

2.3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的仿真模擬

目前，國(guó)內(nèi)外大中型礦山均配備有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但在信息處理、監(jiān)控方式、預(yù)測(cè)預(yù)警、動(dòng)態(tài)圖像顯示等方面仍存在不足，將GIS技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦山通風(fēng)信息的數(shù)字化管理，可為礦山生產(chǎn)管理部門(mén)對(duì)礦井通風(fēng)安全信息的管理、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析提供一條新的有效途徑。對(duì)此，張敬宗等[30]基于GIS技術(shù)，構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖的三維數(shù)據(jù)模型和幾何模型，利用OpenGL中的拾取機(jī)，以ADO作為數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，開(kāi)發(fā)了三維GIS礦井通風(fēng)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維可視化建模和風(fēng)流模擬。陳寧等[31]開(kāi)發(fā)了基于GIS的礦井通風(fēng)信息系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于GIS的礦井通風(fēng)信息系統(tǒng)

基于GIS的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型可以實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)流建模、風(fēng)流動(dòng)態(tài)模擬與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，有助于確保巷道風(fēng)流順暢與保障井下人員作業(yè)安全。此外，若將GIS定位功能、預(yù)警理論體系與災(zāi)后救避險(xiǎn)路徑模擬系統(tǒng)相結(jié)合，建立礦井通風(fēng)預(yù)警、預(yù)控以及逃生的完整系統(tǒng)，那么對(duì)于提高礦井通風(fēng)安全，將具有更為重要的意義。

2.4 爆破作業(yè)建模與分析

對(duì)于爆破作業(yè)建模的研究思路是：基于GIS三維顯示、空間分析功能，利用數(shù)字高程模型(Digial elevation model,DEM)[32]數(shù)據(jù)疊加遙感影像，構(gòu)建地表層，并結(jié)合MultiPatch構(gòu)建的地質(zhì)地層，生成礦山模型，構(gòu)建炮孔、爆破模型，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山爆破開(kāi)采過(guò)程中的爆破振動(dòng)效應(yīng)、爆破噪聲污染、爆破及采場(chǎng)運(yùn)輸最優(yōu)路徑的建模和分析。根據(jù)該思路，J.D.McCarthy等[33]基于3D GIS，構(gòu)建鉆孔信息系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)在復(fù)雜查詢(xún)、添加簡(jiǎn)單輪廓面及巖層地層探查等方面的交互操作，使作業(yè)人員能夠突破紙面數(shù)據(jù)與平面地圖的瓶頸，獲得數(shù)據(jù)的空間模式。此外，池秀文等[34]經(jīng)過(guò)研究，構(gòu)建了爆破作業(yè)模型，如圖3所示。該模型實(shí)現(xiàn)的主要功能為：①依據(jù)地震振動(dòng)影響、空氣沖擊波影響、噪聲影響等評(píng)價(jià)因子對(duì)爆破決策進(jìn)行評(píng)價(jià)；②對(duì)爆破炮孔、爆堆形態(tài)、爆破粉塵等因素進(jìn)行爆破動(dòng)態(tài)模擬；③依據(jù)最小成本原則，模擬爆破過(guò)程；④實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破沖擊波危害、爆破振動(dòng)危害的統(tǒng)計(jì)，得到了爆破的數(shù)值模型。但該模型缺乏在巷道深部受力變形監(jiān)測(cè)、水體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面的功能，因而不能完整反應(yīng)爆破過(guò)程對(duì)區(qū)域巖體的影響。

圖3 基于GIS的爆破作業(yè)模型

2.5 礦山穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

GIS技術(shù)在礦山穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要是指露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)GIS可視化、開(kāi)采區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)。對(duì)于露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，首先建立包括屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后依托ArcGIS軟件操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)GIS可視化研究分析。在該方面，于廣明等[35]基于GIS的地表沉陷預(yù)計(jì)程序模型架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了新的地表沉陷預(yù)計(jì)程序，為礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)和災(zāi)害評(píng)估提供了依據(jù)。M.Mergili等[36]提出了一種基于GIS技術(shù)能夠處理淺、深層次邊坡失穩(wěn)的三維邊坡穩(wěn)定性模型，稱(chēng)為R.Rotstab模型，隨機(jī)選擇大量橢圓形或截頭形滑動(dòng)面，完成了對(duì)邊坡穩(wěn)定性的評(píng)估。此外，靳建明等[37]構(gòu)建了基于GIS的礦山穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)模型如圖4所示。

圖4 基于GIS的礦山穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)模型

GIS可以很好地實(shí)現(xiàn)礦山穩(wěn)定性的可視化顯示，提高對(duì)地下工程與露天邊坡的可控能力。但是，缺乏虛實(shí)融合技術(shù)的場(chǎng)景展示和實(shí)時(shí)交互，虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景難以進(jìn)行有機(jī)集成。因此，有必要將GIS技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將“人”有效地置入虛實(shí)融合場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)礦山穩(wěn)定性及其演化過(guò)程。

2.6 礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)與礦山復(fù)墾

對(duì)于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)，是基于GIS中的礦業(yè)環(huán)境信息系統(tǒng)MEIS實(shí)現(xiàn)的。MEIS是隸屬于GIS的一個(gè)分支，它以GIS軟硬件作為基礎(chǔ)，利用遙感圖像或礦區(qū)已有地形圖、地質(zhì)圖等礦圖進(jìn)行掃描或數(shù)字化，建立礦區(qū)幾何數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)礦山生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理各種信息進(jìn)行整理，輸入礦區(qū)環(huán)境相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，從礦山(區(qū))生產(chǎn)與管理的實(shí)際出發(fā)，確立二次開(kāi)發(fā)建立的應(yīng)用模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)整與完善，從而建立MEIS系統(tǒng)。

根據(jù)該思路，文獻(xiàn)[38]應(yīng)用RS和GIS技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤礦火災(zāi)，估算燃煤造成的溫室氣體排放量，觀測(cè)井下開(kāi)采所引起的地面沉降以及廢棄礦點(diǎn)至填海區(qū)的環(huán)境污染情況，考察并監(jiān)測(cè)煤礦火災(zāi)、煤礦塌陷、煤礦關(guān)閉和復(fù)墾對(duì)礦區(qū)周邊環(huán)境的影響。侯湖平等[39]采用生態(tài)景觀學(xué)理論并結(jié)合RS與GIS技術(shù)，分析了采礦對(duì)礦區(qū)景觀生態(tài)影響的變化規(guī)律，從生態(tài)修復(fù)適用范圍、模式、技術(shù)等方面提出了礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的策略。S.M.Kim等[40]基于GIS中一種用于礦區(qū)復(fù)墾計(jì)劃的ArcMine模型，構(gòu)建一個(gè)摻入地形圖，地質(zhì)圖、防雷漂移地圖和鉆孔數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)分布式礦井危險(xiǎn)度、礦區(qū)周邊環(huán)境破壞監(jiān)測(cè)以及礦區(qū)復(fù)墾計(jì)劃規(guī)劃。

將GIS技術(shù)應(yīng)用于礦山塌陷災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，對(duì)于提高礦山土地復(fù)墾效率有一定的幫助，但現(xiàn)有的研究成果主要集中于時(shí)空礦山數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)、快速提取、可視化表達(dá)與遠(yuǎn)程調(diào)度等方面[41]。隨著礦山信息采集、存儲(chǔ)、傳輸、應(yīng)用環(huán)境的發(fā)展以及礦山環(huán)境的日益復(fù)雜，多源混合、海量、具有時(shí)態(tài)特征的礦山數(shù)據(jù)的索引問(wèn)題將更為突出。

3 展 望

3.1 礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)與云GIS

礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)是指由礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、井巷數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)車(chē)人員實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫(kù)，該類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的真正價(jià)值在于構(gòu)建了各種異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性[42]。當(dāng)前，礦山GIS系統(tǒng)仍缺乏強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支持，對(duì)于用戶(hù)指定的要素?zé)o法進(jìn)行合理的顯示，該類(lèi)要素主要包括：①基于式樣的要素(點(diǎn)、線與多邊形)的有序集合；②諸如數(shù)字高程模擬和影像的柵格數(shù)據(jù)集、網(wǎng)絡(luò)、地形及其他地表、測(cè)量數(shù)據(jù)集、其他類(lèi)型數(shù)據(jù)。當(dāng)前礦山GIS不能充分滿(mǎn)足海量數(shù)據(jù)分析的需要，而面向礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺失，無(wú)法確保礦產(chǎn)勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，構(gòu)建礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)將是GIS在該領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，一方面滿(mǎn)足用戶(hù)數(shù)據(jù)分析的需求，另一方面為礦產(chǎn)勘查提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

云GIS的實(shí)質(zhì)是將GIS平臺(tái)、軟件和礦區(qū)地理空間信息能夠方便、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務(wù)[43]。在云GIS大環(huán)境下，最大的改變就是GIS平臺(tái)所有的技術(shù)點(diǎn)都將“暴露”成多項(xiàng)可調(diào)用、可訪問(wèn)的服務(wù)，一切都是開(kāi)放性的、以服務(wù)的形式展現(xiàn)，整個(gè)產(chǎn)品是一個(gè)具有松耦合、可移動(dòng)、可伸縮性和自適應(yīng)性的架構(gòu)。必須強(qiáng)調(diào)的是，云計(jì)算絕不僅僅是局部應(yīng)用模塊的虛擬化，而是包括存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)(空間數(shù)據(jù)庫(kù))在內(nèi)，整個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)都將以服務(wù)形式來(lái)提供[45]。 在未來(lái)“大數(shù)據(jù)”環(huán)境下，隨著大型GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)以及云GIS[45]的發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)礦山多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)無(wú)障礙共享。

3.2 “3S”等多元技術(shù)融合

“3S”技術(shù)是指遙感技術(shù)(Remote Sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographical information System,GIS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)為代表的多元技術(shù)集合，是礦區(qū)環(huán)境和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)發(fā)展的重要方向。在該方面，Li Xiao等[46]基于GIS，通過(guò)構(gòu)建反應(yīng)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)敏感性與景觀空間結(jié)構(gòu)的生態(tài)脆弱性指數(shù)，對(duì)阜新礦區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于ArcGIS軟件以條帶狀的5個(gè)級(jí)別進(jìn)行呈現(xiàn)。

通過(guò)“3S”等多元技術(shù)的融合，可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)周邊環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、礦區(qū)地表沉降塌陷監(jiān)測(cè)、露天礦邊坡位移與變形監(jiān)測(cè)、對(duì)露天礦爆破作業(yè)過(guò)程中的炮孔位置精確定位等。其中，RS主要用于礦山地理信息采集與提??；GPS主要用于對(duì)遙感圖像以及從中提取的信息進(jìn)行定位，賦予坐標(biāo)，使其能與“電子地圖”進(jìn)行套合；GIS則是存儲(chǔ)與管理信息的信息庫(kù)，最終形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可視的、不斷更新的、通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸?shù)?、三維立體的、不同地域和層次都可以使用的、“活”的系統(tǒng)。

3.3 Interoperable GIS

“Interoperable GIS”即“互操作地理信息系統(tǒng)”，所謂互操作，就是指在異構(gòu)環(huán)境下2個(gè)或2個(gè)以上的實(shí)體，盡管它們實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)言、執(zhí)行的環(huán)境和基于的模型不同，但它們可以互相通信和協(xié)作，完成某一特定任務(wù)。對(duì)此，M.Breunig等[47]基于GIS組件，建立了面向?qū)ο蟮鸟詈蠑?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，將所有的數(shù)據(jù)以及3D模型存儲(chǔ)于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)中，地質(zhì)和地球物理3D建模工具必須通過(guò)公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)(COREA)直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，如此便間接的實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)信息的交互共享。對(duì)于礦業(yè)系統(tǒng)而言，利用Interoperable GIS可以將不同的礦山數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)和使用規(guī)范所描述的公共接口模板進(jìn)行互操作，從而解決地質(zhì)與鉆探數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題，促進(jìn)礦山間技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)交流。

3.4 3D/4D GIS

GIS雖然具有空間分析功能，但空間分析功能僅停留在空間幾何分析層面上，且以較簡(jiǎn)易的圖形、圖層分析為主，未能提供大量的以數(shù)據(jù)操作為主的空間分析功能。隨著3D GIS的發(fā)展，利用3D GIS分析處理礦區(qū)井巷的三維數(shù)據(jù)、地下作業(yè)人員與管線信息，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡表面變形地貌與炮孔的三維定位等應(yīng)用效果仍不理想。GIS多維化的發(fā)展是與礦山數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與共享相配合的，隨著礦山大型數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)與共享機(jī)制的建立，在3D GIS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)4D GIS來(lái)處理礦山四維數(shù)據(jù)，不斷完善GIS空間分析功能，將是一項(xiàng)十分有意義的工作。

3.5 空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合

在空間可視化方面，P.Ghadirian等[48]基于GIS的建模與離線增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，采用真實(shí)物體的紋理信息，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的全景視頻幀動(dòng)態(tài)與模擬的時(shí)間變化的橫向視圖之間的聯(lián)系，來(lái)研究澳大利亞某區(qū)域14 a期間的雜草傳播動(dòng)態(tài)，取得了較好的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，廣角(寬視野)立體顯示技術(shù)，對(duì)觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等多種技術(shù)所組成技術(shù)體系。

將空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)礦區(qū)地質(zhì)地形、井下生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中人員與機(jī)車(chē)行動(dòng)進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)對(duì)礦體、圍巖、礦井風(fēng)流狀況、地應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行交互式觀察與分析，將會(huì)提升對(duì)于礦區(qū)環(huán)境認(rèn)識(shí)的精確程度，井下生產(chǎn)與露天開(kāi)采過(guò)程中人員機(jī)械的可控能力，機(jī)電線路等設(shè)備安全的可視化程度等。隨著可視技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，有助于逐步實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理過(guò)程的數(shù)字化。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

Application Status and Prospect of GIS in Mining System

Wang Leiming1,2Yin Shenghua1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducationBeijing100083，China;2.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Geographic information system (GIS) has plenty of functions，such as acquisition，management，analysis and output of a variety of geographic spatial information and so on.As a comprehensive discipline combined of geography，cartography，remote sensing technology and computer science，it has been widely applied and researched in recent years.Combing with the latest research results in this field，the application status of GIS in mining system have been analyzed from the aspects of mine geological prospection and evaluation，mining machinery and personnel position，mining ventilation network simulation，mine slope disaster monitoring and early-warning，mine environment monitoring and mine reclamation and others.Based on this，the directions of GIS in mining system with representative of 3D/4D GIS are prospected from the aspects of constructing large-scale mining GIS spatial database and cloud GIS，integrating with GIS，RS，GPS in mining environmental monitoring and stability process，and constructing interoperable GIS,combination with the spatial visualization and virtual reality technology in the process of mining production management so as to provide some reference for construction of digital mine.

GIS，Mine system，Research status，Prospect

2015-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51374035)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：NCET-13-0669)，全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：201351)。

王雷鳴(1991—)，男，碩士研究生。通訊作者 尹升華(1981—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

TD672

A

1001-1250(2015)-05-122-07