簡論礦山測量內(nèi)涵和技術(shù)的演進(jìn)

郭達(dá)志

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

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簡論礦山測量內(nèi)涵和技術(shù)的演進(jìn)

郭達(dá)志

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

[摘要]討論了礦山測量學(xué)科的特性及服務(wù)領(lǐng)域的拓展、學(xué)科技術(shù)裝備與研究方法的演進(jìn)、礦山測量學(xué)科應(yīng)用基礎(chǔ)理論的發(fā)展等問題；論述了近30多年來，中國礦山測量學(xué)科發(fā)展、演變的特點(diǎn)，即從傳統(tǒng)的主要圍繞礦產(chǎn)資源的勘探和開釆進(jìn)行礦山(區(qū))的各種測量、計(jì)算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時(shí)考慮礦區(qū)的礦產(chǎn)和土地等自然資源的綜合開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，開展相關(guān)的測繪和監(jiān)管工作。

[關(guān)鍵詞]礦山測量；學(xué)科內(nèi)涵；技術(shù)演進(jìn)；發(fā)展展望

Technology Evolution and Mine Surveying Connotation

礦山測量作為一門獨(dú)立的學(xué)科已有百年歷史，它首先是在德國、俄國和東歐等一些國家開始誕生的，特別是在俄國和前蘇聯(lián)時(shí)期取得過歷史性的重大發(fā)展。而在中國，礦山測量學(xué)科和事業(yè)主要是從1949年以后逐步繁榮發(fā)展起來的。

然而，礦山測量學(xué)科的服務(wù)領(lǐng)域、運(yùn)用的技術(shù)方法和儀器裝備以及相關(guān)的基礎(chǔ)理論，隨著世界科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與需求的不斷進(jìn)步而呈現(xiàn)出不同的時(shí)代特征。

1礦山測量學(xué)科的特性及服務(wù)領(lǐng)域的拓展

1.1學(xué)科的綜合性、包容性和社會性

礦山測量學(xué)科從創(chuàng)建之日起就呈現(xiàn)出其交叉性、綜合性和社會服務(wù)性的特點(diǎn)。早期，主要體現(xiàn)在測繪學(xué)、地質(zhì)學(xué)和采礦工程等學(xué)科相關(guān)理論和技術(shù)方法的綜合，以解決礦區(qū)地上地下的各種空間幾何、資源開采和環(huán)境保護(hù)的問題。與采礦學(xué)的交叉、融合主要體現(xiàn)在“開采沉陷與防治”課程的設(shè)置及其生產(chǎn)實(shí)踐中(早期一般稱謂“礦山巖層與地表移動”)。與地質(zhì)學(xué)的交叉融合則主要體現(xiàn)在“礦體幾何學(xué)與礦產(chǎn)資源保護(hù)”課程及其礦山實(shí)踐工作中。

近20年來，由于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對生存環(huán)境認(rèn)識的提高，本專業(yè)又分別吸收經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)環(huán)境學(xué)的一些知識，創(chuàng)建了“礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)”和“礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建”等課程，并且應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，體現(xiàn)出本學(xué)科具有多學(xué)科相互借鑒、相互交融、兼收并蓄，不斷適應(yīng)時(shí)代變化和需求的特征和優(yōu)勢。

1.2學(xué)科的服務(wù)領(lǐng)域

傳統(tǒng)上，礦山測量學(xué)科的基本任務(wù)是：礦山地面和井下的測量與礦圖編制；巖層與地表移動的觀測、計(jì)算和預(yù)計(jì)評價(jià)；礦藏儲量調(diào)查、計(jì)算和制圖；礦山權(quán)益調(diào)查及礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)資料的提供；礦山測量科技與教育等。

近30年來，隨著以“3S”(RS，GNSS，GIS)為核心的空間信息科技、計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)等科技的迅猛發(fā)展和普及，以及人們對生存環(huán)境質(zhì)量認(rèn)識的提高，本學(xué)科在礦區(qū)自然資源開發(fā)和保護(hù)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境信息的采集和環(huán)境保護(hù)中的作用日益顯現(xiàn)，學(xué)科的內(nèi)涵和服務(wù)領(lǐng)域得到顯著拓展。例如，“3S”和空間信息技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)；礦山與地下工程(管線)測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理；礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)；礦產(chǎn)資源信息采集、3D可視化與分析評價(jià)；礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)等?？梢姡緦W(xué)科近期發(fā)展、演變的特點(diǎn)是，從傳統(tǒng)的只是針對礦產(chǎn)資源的勘探、開發(fā)和開采而開展礦山(區(qū))的各種測量、計(jì)算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時(shí)考慮礦區(qū)的礦產(chǎn)和土地資源以及生態(tài)環(huán)境的勘測、開發(fā)、開采和保護(hù)而開展相關(guān)的測繪和監(jiān)管工作。

2學(xué)科技術(shù)裝備與研究方法的演進(jìn)

2.1應(yīng)用技術(shù)和儀器設(shè)備的發(fā)展

(1)光學(xué)—機(jī)械式儀器設(shè)備時(shí)代在20世紀(jì)50年代以前，本學(xué)科測量的對象(目標(biāo))主要是空間點(diǎn)的位置及其相互關(guān)系，測量的內(nèi)容則主要是兩個(gè)點(diǎn)之間的距離、角度、高差及方位。所使用的儀器工具大體上是：皮尺或鋼尺、游標(biāo)經(jīng)緯儀、普通水準(zhǔn)儀、測斜儀、羅盤以及通過天文觀測(觀測太陽或北極星)來確定方位，等等。

(2)光學(xué)—電子式儀器設(shè)備時(shí)代20世紀(jì)60年代以后，隨著光學(xué)與精密儀器科技的發(fā)展，各種型式的光學(xué)經(jīng)緯儀取代游標(biāo)經(jīng)緯儀而被廣泛使用。同時(shí)，隨著集成電路和微電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，各種型式的光電測距儀、電子經(jīng)緯儀、電子速測儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀(配合條形碼水準(zhǔn)尺)等儀器設(shè)備得到快速發(fā)展與普遍應(yīng)用，從而作業(yè)的技術(shù)手段進(jìn)入光學(xué)—電子方式時(shí)期。

特別是上世紀(jì)90年代以來，隨著GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)性能和價(jià)格比的不斷提高，很快在測繪界得到廣泛應(yīng)用，并促使測量技術(shù)和理念發(fā)生重大變革，即可以直接測定地面上和空中某一點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，并且定位和導(dǎo)航精度不斷提高。目前，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)和歐盟的加里略系統(tǒng)已逐步加入全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的系列,從而進(jìn)入GNSS時(shí)期，使我們從平面測量進(jìn)入空間測繪的新時(shí)代。此外，GNSS與TPS(電子經(jīng)緯儀系統(tǒng))協(xié)同作業(yè)的技術(shù)方法在工程測量和礦區(qū)測量領(lǐng)域受到青睞。

(3)數(shù)字—電子式儀器設(shè)備時(shí)代20世紀(jì)80年代以后，各種型式的數(shù)字讀數(shù)、電子手簿(電子數(shù)據(jù)記錄存儲器)在光電測距儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、電子水準(zhǔn)儀、GNSS接收機(jī)等測繪儀器中得到廣泛使用。目前，許多電子手簿還具有一般的測量計(jì)算功能,如平距換算、計(jì)算高差、計(jì)算經(jīng)緯儀導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)等。此外,通過接口和通信傳輸線還可以將外業(yè)測量的數(shù)據(jù),傳輸?shù)诫娮佑?jì)算機(jī)中進(jìn)一步存儲和運(yùn)算。如果計(jì)算機(jī)再與繪圖儀連接后還可按所需的比例尺繪圖。目前，這種數(shù)字—電子式的測繪技術(shù)和方法還在不斷創(chuàng)新、優(yōu)化，向著更高水平、更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展。

(4)數(shù)字—影像信息時(shí)代眾所周知，傳統(tǒng)的測繪科技基本上都是為了獲取目標(biāo)的位置信息，然后編制各種圖件，如地形圖、礦圖和專題圖。期間，盡管航空攝影測量或地面攝影測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但并未擺脫點(diǎn)位信息獲取的傳統(tǒng)思路。

隨著空間信息獲取技術(shù)、遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像信息存儲、處理、表達(dá)和因特網(wǎng)信息傳輸科技的不斷發(fā)展，如今，不但能夠利用數(shù)字信息來表達(dá)地學(xué)目標(biāo)乃至社會經(jīng)濟(jì)狀況的空間位置、形態(tài)及其變化，還能夠應(yīng)用數(shù)字和圖像信息來表征一些物理量(如重力、磁力、溫度、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、電磁波譜等)特征的空間分布及其變化。上述地球資源、環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的信息都可用數(shù)字或圖形圖像形式表達(dá)，經(jīng)數(shù)字化后可利用計(jì)算機(jī)或GIS進(jìn)行處理、計(jì)算和存取，且通過有線光纜和無線衛(wèi)星通訊等方式傳輸，還可進(jìn)行遠(yuǎn)程互操作、數(shù)據(jù)或知識挖掘、多源數(shù)據(jù)融合與立體表達(dá)、虛擬仿真等，為礦區(qū)資源勘測、開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展服務(wù)。

當(dāng)然，上述幾個(gè)時(shí)期的劃分并不是絕對的，前后會有重疊，且不同囯家或者同一國家的不同地區(qū)和行業(yè)之間的發(fā)展往往是不平衡的、會有先后。

2.2研究理念和方法的進(jìn)展

近30年來，受世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的影響，在研究理念和方法上，測繪學(xué)界和礦山測量學(xué)科也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。舉例如下：

(1)從過去的點(diǎn)、線、二維平面表達(dá)發(fā)展到三維及多維空間的數(shù)據(jù)獲取、處理、存儲和動態(tài)表達(dá)。

(2)從傳統(tǒng)的靜態(tài)、孤立研究發(fā)展到動態(tài)、多方位的研究。

(3)從只是獲取與處理空間幾何數(shù)據(jù)信息發(fā)展到多源、多元信息的空間幾何+屬性(物理量、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù))的獲取與綜合分析評價(jià)。

(4)在研究目標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量研究方面，從只考慮其位置誤差發(fā)展到地學(xué)空間位置信息與屬性信息及其關(guān)聯(lián)的不確定性、模糊性數(shù)據(jù)質(zhì)量，以及空間數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)的研究。

(5)從孤立的、分散尺度(比例尺)的測量數(shù)據(jù)處理研究發(fā)展到多尺度(比例尺)的數(shù)據(jù)獲取、儲存、檢索、表達(dá)、應(yīng)用、變換(推繹)與傳輸?shù)难芯俊?/p>

(6)注重礦區(qū)及區(qū)域多種自然資源(礦產(chǎn)、土地、水等)的綜合勘測與開發(fā)，以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)。

3礦山測量學(xué)科應(yīng)用基礎(chǔ)理論的發(fā)展

眾所周知，在工學(xué)和地學(xué)中測繪是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識最多的學(xué)科之一。在礦山測量學(xué)科的傳統(tǒng)課程中，除需要基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識外，還必須具備球面三角學(xué)、解析幾何、微分、積分(含多重積分)、(偏)微分方程、矩陣、行列式、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、級數(shù)(特別是傅氏級數(shù))、復(fù)變函數(shù)、矢量計(jì)算、場論、誤差理論、最小二乘理論等高等數(shù)學(xué)知識。

近20年來,隨著專業(yè)課程門數(shù)以及內(nèi)容的擴(kuò)展和深化，特別是GNSS空間定位與導(dǎo)航技術(shù)、遙感技術(shù)及其應(yīng)用、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)地圖制圖、地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用、礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建等新課程的增設(shè)，以及開采沉陷與防治等傳統(tǒng)課程內(nèi)容的拓展和深化,需要具備更多現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識。例如：信息論、穩(wěn)健(抗差)估計(jì)、濾波與推估、模式識別、圖像編碼、拓?fù)鋵W(xué)、小波理論、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、分形幾何、模糊學(xué)、混沌理論、圖論、(信息)熵理論、突變論、灰色系統(tǒng)、自組織系統(tǒng)論、非線性理論、等級結(jié)構(gòu)理論等等。

在理學(xué)特別是力學(xué)方面，巖石力學(xué)、土力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、應(yīng)力(場)、應(yīng)變、有限(單)元法、黑箱理論等理論和方法，也已在本學(xué)科廣泛應(yīng)用。

4礦山測量科技的當(dāng)代發(fā)展

當(dāng)今，礦山測量與礦區(qū)空間信息科技的發(fā)展呈現(xiàn)出如下態(tài)勢：

(1)礦山(區(qū))或礦業(yè)城市是一個(gè)復(fù)雜的“自然資源—生態(tài)環(huán)境—社會經(jīng)濟(jì)”巨系統(tǒng)，該巨系統(tǒng)又包括諸多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又涉及許多方面或內(nèi)容。在進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)時(shí)，必須同時(shí)兼顧土地、水文等其他自然資源的保護(hù)和綜合開發(fā)利用，進(jìn)行區(qū)域整體綜合規(guī)劃、協(xié)調(diào)開發(fā)，使社會經(jīng)濟(jì)得以可持續(xù)良性發(fā)展。

(2)各種國內(nèi)外通用光電測量儀器裝備，如光電測距儀、全站儀、陀螺經(jīng)緯儀、GNSS接收機(jī)等都已數(shù)字化讀數(shù)、記錄和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化，有的部分功能智能化，如自動尋找瞄準(zhǔn)目標(biāo)、自動讀數(shù)記錄等。測量機(jī)器人LeicaTM30加配套的軟件，具有自動監(jiān)測和分析的功能。礦山陀螺儀經(jīng)緯儀和慣性測量系統(tǒng)(IMS)進(jìn)一步完善和實(shí)用。

隨著我國北斗系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟Galileo系統(tǒng)的逐步構(gòu)建運(yùn)營，已經(jīng)從單一GPS系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)的局面過渡到多系統(tǒng)并存兼容的GNSS時(shí)代，使三頻GNSS定位技術(shù)實(shí)用化，能夠顯著提高定位精度和效率。目前，四大系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)已接近80顆，這對于遮擋嚴(yán)重的城市或山區(qū)的應(yīng)用格外有利。特別是，我國北斗系統(tǒng)加速向全球全覆蓋發(fā)展，目前在軌衛(wèi)星已達(dá)22顆，在定位測量中，短基線解算精度平面方向可達(dá)1mm，高程方向可達(dá)2mm的水平。各種型號的GNSS接收機(jī)與RTK技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種測量作業(yè)中。除了導(dǎo)航定位應(yīng)用之外，GNSS的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，例如氣象信息的提取，利用北斗GED衛(wèi)星反射信號反演土壤的濕度等。

(3)“3S”與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展和廣泛深入應(yīng)用時(shí)期。多傳感器多平臺多姿態(tài)多分辨率的衛(wèi)星遙感技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)及其應(yīng)用蓬勃發(fā)展。目前，國內(nèi)外各種實(shí)用的高中低分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)資料豐富，方便按需購置。例如，Landsat5TM，SPOT5，CBERS-2，IKONOS，QuickBird、中國的高分衛(wèi)星、SAR，LIDAR等影像或點(diǎn)云數(shù)據(jù)。它們在礦山(區(qū))開發(fā)規(guī)劃、土地利用狀況調(diào)查、沉陷(形變)區(qū)監(jiān)測、區(qū)域生態(tài)環(huán)境整治、土地復(fù)墾及土壤濕度或污染物信息提取等方面都已得到應(yīng)用。近年來，基于多尺度分割與融合的面向?qū)ο筮b感影像變化檢測技術(shù)已取得突破，總體精度優(yōu)于像素級變化檢測。GB-InSAR(Ground-Based Interferometry SAR)能夠克服星載SAR數(shù)據(jù)的一些局限，具有較高的空間分辨率，可獲取任意視線方向的形變數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零基線觀測，為礦區(qū)等局部區(qū)域的沉陷(形變)監(jiān)測提供了一種新技術(shù)方法。

當(dāng)今，各具特色的國內(nèi)外通用GIS軟件和礦山專用GIS軟件及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)眾多，已應(yīng)用于礦區(qū)開發(fā)、礦產(chǎn)資源的空間模擬、3D可視化、數(shù)字制圖及數(shù)據(jù)處理等?；贕IS的,采煤機(jī)定位定姿裝置已在我國山西一煤礦工作面試驗(yàn)成功。

同時(shí)，GPS與GIS結(jié)合、RS與GIS結(jié)合及“3S”結(jié)合的礦山應(yīng)用事例十分普遍，并產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。

(4)在礦山空間和資源數(shù)據(jù)(信息)的獲取與分析處理中，往往需要解決空間數(shù)據(jù)信息的可(適)用性、未確知性、不確定性、不完整性以及信息標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用模型、軟件不完善等現(xiàn)象和問題。在大數(shù)據(jù)、大用戶及互聯(lián)網(wǎng)的背景下，有關(guān)理論、方法、手段和處理平臺等問題有待完善或解決。

5結(jié)束語

近70年來，礦山測量學(xué)科在前蘇聯(lián)和俄羅斯以及中東歐一些國家，亞洲的中國、印度，以及北美的加拿大等國家得到較快發(fā)展。

近30年來，礦山測量學(xué)科發(fā)展、演變的特點(diǎn)從傳統(tǒng)的主要圍繞礦產(chǎn)資源的勘探和開釆進(jìn)行礦山(區(qū))的各種測量、計(jì)算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時(shí)考慮礦區(qū)的礦產(chǎn)和土地等自然資源的綜合開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，開展相關(guān)的測繪和監(jiān)管工作。

在礦區(qū)或礦業(yè)城市的資源開發(fā)中，人們應(yīng)該更加重視區(qū)域自然資源的綜合開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。如今，大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)可歸納為4個(gè)“V”(Volume，Variety，Value及Velocity)，即數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)類型多，價(jià)值密度低但商業(yè)價(jià)值高，處理速度快但時(shí)效性要求高。時(shí)空數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)科技的迅猛發(fā)展與廣泛應(yīng)用，正在改變著人們的生活、工作、學(xué)習(xí)和思維方式，也給廣大礦山測量業(yè)者提供了廣闊的發(fā)展前景。

[責(zé)任編輯：鄒正立]

[收稿日期]2015-08-19

[作者簡介]郭達(dá)志(1938-)，男，福建龍巖人，教授，博士生導(dǎo)師，享受國務(wù)院特殊津貼，長期從事礦山測量、遙感與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)科研工作。

[中圖分類號]TD17

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)02-0004-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.002

[引用格式]郭達(dá)志.簡論礦山測量內(nèi)涵和技術(shù)的演進(jìn)[J].煤礦開采，2016，21(2)：4-6，3.