三維地理信息系統(tǒng)在礦山中的技術(shù)研究與應(yīng)用

劉江 李向新

摘要：隨著高新科技技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)開始廣泛地涉及到各個領(lǐng)域和行業(yè)。礦山地理信息系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)建也提上了日程，雖然我國在這方面理論上取得了一些成果，但是礦山地理信息系統(tǒng)的實際應(yīng)用并未取得巨大的進展。因此，如果將地理信息系統(tǒng)與礦山完整地融為一體，通過地理信息系將數(shù)字信息數(shù)據(jù)與礦山地理關(guān)系進行整合，可以給礦山帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，推動當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，為地方做出巨大貢獻。

Abstract： With the rapid development of hi-tech technology， geographic information system has already begun to be widely involved in various fields and industries. The development and establishment of the mine geographic information system is also put on the agenda. Although China has made some achievements in this respect， the practical application of the mine geographic information system has not made great progress. Therefore， if the geographic information system and mine fully integrated， through the Department of Geographic Information System will be the digital information data and mine geography to integrate， can bring great social and economic benefits to the mine to promote the local economic development， for the Local make a great contribution.

關(guān)鍵詞：礦山地理信息系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；數(shù)字化

Key words： mine geographic information system；geographic information system；digitization

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）03-0196-03

0 引言

上世紀60年代，標志著地理信息系統(tǒng)的誕生是加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）的建立。地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。近年來GIS在計算機科學、數(shù)學、測繪科學、地理學等諸多學科快速發(fā)展的拉動下得到迅猛發(fā)展。本文主要介紹了地理信息系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用和在Skyline平臺下礦山地理信息系統(tǒng)地形、地貌、建筑模型的構(gòu)建以及系統(tǒng)的初步實現(xiàn)。

礦山地理信息系統(tǒng)在中國還是一個新概念，需要深入的研究理論基礎(chǔ)上不斷發(fā)展我國礦山地理信息系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用。可以明確地說，地理信息系統(tǒng)與礦山的結(jié)合在以后的礦山工業(yè)中必定受到重視，它對礦山工業(yè)的發(fā)展會起到巨大的推進作用。

1 地理信息系統(tǒng)的特點

由于建立地理信息系統(tǒng)的目的、用途、分類等信息的不同，地理信息系統(tǒng)的種類有很多，如最基本的地理信息系統(tǒng)、資源勘察類地理信息系統(tǒng)、城市工程類管理信息系統(tǒng)、土地管理地理信息系統(tǒng)等。然而，不論是基礎(chǔ)的還是專題的地理信息系統(tǒng)還是綜合應(yīng)用的信息系統(tǒng)，也不論其規(guī)模大小，基本組成都是相似的：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)的存貯、編輯和數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)的運算、查詢、檢索和分析、信息應(yīng)用、數(shù)據(jù)輸出和顯示、數(shù)據(jù)更新。

為了能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)的做出更好的研究，地理信息系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個前提條件：首先需要公共的地理定位基礎(chǔ)，即系統(tǒng)所有的地理要素需要嚴格的空間分布定位，即需要放在一個特定的比例或投影的坐標系內(nèi)進行。其次要將輸入信息進行數(shù)字化和標準化，對于來自系統(tǒng)外部的多種類的原始信息數(shù)據(jù)在輸入系統(tǒng)時要將由外部格式轉(zhuǎn)換成計算機可以分析處理的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。最后需要多維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，地理信息包括所研究要素的空間位置，也包括該要素實體特征的屬性信息，同時還具備時序特征。因此，系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個由空間位置（三維空間坐標及其拓樸關(guān)系）、時態(tài)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)所構(gòu)成的多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

此外，地理信息系統(tǒng)還具有三個主要特征。分別為采集、儲存、管理、分析和將數(shù)據(jù)以多種方式輸出的能力，具有空間性和動態(tài)性；可以為決策和管理服務(wù)，以空間模型方法為主要方式，具有地區(qū)空間分析、多種要素的綜合分析和實時預(yù)測能力；可以在計算機系統(tǒng)的支持下進行空間地理數(shù)據(jù)的管理，而且讓計算機程序模擬地理分析方法，空間數(shù)據(jù)在分析方法的作用下產(chǎn)生有效信息，完成人類不可能完成的任務(wù)。在計算機系統(tǒng)的輔助下可以使得地理信息系統(tǒng)具有迅速、精準地對多樣的地理系統(tǒng)進行空間和過程的綜合動態(tài)分析。

所以，GIS的功能決不僅只局限于對現(xiàn)實存在的地理空間數(shù)據(jù)的采集、儲存、解決、運算、分析、顯示，也是現(xiàn)實世界的抽象模型，它比平面地圖所表達的世界模型更為多樣和立體，用戶可以按需求來觀察提取該模型各方面的內(nèi)容，也可以測量這個模型的各種空間尺度指標，另外更主要的是可以將自然發(fā)生的或者主觀能動的動態(tài)過程賦予在這個模型之上，取得對自然和人為過程的解析和判斷信息，有助于人類做出正確決策。

2 地理信息系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用

2.1 在礦山中GIS應(yīng)用的必要性

礦山與其他普通山體差異很大，現(xiàn)代礦山一般都是范圍大，面積廣，地質(zhì)條件差別明顯，主要表現(xiàn)為：礦系地層結(jié)構(gòu)參差不齊，礦層走向的復(fù)雜多樣，礦層頂?shù)装宀环€(wěn)定，地下水的威脅等等；生產(chǎn)方式多樣化，礦井生產(chǎn)同時使用的設(shè)備數(shù)目龐大復(fù)雜多樣。因此，礦山具有巨大的信息和數(shù)據(jù)類型，包含地質(zhì)，礦業(yè)，測繪，經(jīng)濟，建設(shè)，生產(chǎn)和經(jīng)營等多項內(nèi)容。數(shù)據(jù)可以通過文檔，表格，影像，圖像，數(shù)據(jù)庫等形式來承載。礦山數(shù)據(jù)有重要的經(jīng)濟價值，大量的數(shù)據(jù)若不及時收集，儲存，管理，就會造成礦山數(shù)據(jù)丟失從而導致信息和經(jīng)濟上的巨大浪費。

當前，礦山礦場的施工、開采過程、礦物的儲備、設(shè)備材料的信息、開采過后的數(shù)據(jù)信息的處理和整合基本停留在手動作業(yè)上，已經(jīng)和企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)、管理、辦公的要求不在同一起跑線上，迫切需要擁有人工智能化的方法和系統(tǒng)來滿足企業(yè)的內(nèi)在需求。那么充分利用地理信息系統(tǒng)則是解決這一迫切需求的最好方法。

2.2 地理信息系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用

對礦山的信息管理即對礦山的信息分析，也就是在信息管理的基礎(chǔ)上運用模型來進行分析，對礦山的信息進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示，節(jié)約生產(chǎn)成本，降低經(jīng)費。通過對各種地質(zhì)、礦山測量、經(jīng)濟、技術(shù)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(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，如了解礦層資源分布狀況、開采方式、未來儲蓄量、礦層特性等等，為制定有關(guān)發(fā)展規(guī)劃和進行生產(chǎn)決策提供科學依據(jù)。

3 礦山地理信息系統(tǒng)的三維可視化

3.1 三維場景模型的建立

以普朗銅礦地理信息系統(tǒng)為例，三維場景模型包括了地下巷道，表面的廠區(qū)，職工住宅區(qū)，辦公區(qū)等。本文是基于二維GIS的建模。根據(jù)DEM和紋理數(shù)據(jù)，再根據(jù)建筑的基本高度信息在3DMAX中來創(chuàng)建建筑物的模型。如圖1為模型二維底圖、圖2為廠區(qū)部分三維模型示意圖。

3.2 三維地形的創(chuàng)建

本文中的數(shù)據(jù)使用的是0.2M的DEM和0.5M的DOM，在生成三維地形場景時，使用Skyline系列軟件生成，將高程數(shù)據(jù)和航片衛(wèi)片數(shù)據(jù)經(jīng)過Arcgis處理后加載到Terrabuilder構(gòu)件中，生成.mpt格式文件如圖3所示，加載.mpt格式文件后，TerraExplorer中就顯示了三維地形，如圖4所示，基本流程圖如5所示，系統(tǒng)登錄界面以及系統(tǒng)操作界面如圖6和圖7所示。

4 礦山地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

地理信息系統(tǒng)的開發(fā)方法一般分為兩種：一種是獨立開發(fā)，即開發(fā)者在不依靠任何GIS平臺工具軟件的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)的采集、處理、編輯和分析輸出結(jié)果到系統(tǒng)的所有功能的實現(xiàn)算法都是開發(fā)者自行獨立設(shè)計完成的。另外一種是借助GIS平臺軟件集成的二次開發(fā)，即開發(fā)者可以利用GIS軟件的一些原始功能的基礎(chǔ)上通過可視化的開發(fā)軟件如Visual C#、C++、VB等計算機語言進行改進修改或者添加新的功能從而實現(xiàn)新的系統(tǒng)開發(fā)。

4.1 數(shù)據(jù)的錄入和輸出

數(shù)據(jù)是最基本也是最重要的組成部分。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不同于其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基本可以分為兩類：屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)和一般的信息系統(tǒng)類似，主要表現(xiàn)為文字、文檔、表格之類，可以把這些數(shù)據(jù)按某些特定的排列順序通過辦公軟件例如Word，Excel等保存然后轉(zhuǎn)換為GIS可以讀取的數(shù)據(jù)格式裝入數(shù)據(jù)庫中；空間數(shù)據(jù)又稱為圖形數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要是一些礦區(qū)的等高線圖，地形圖等?？臻g數(shù)據(jù)需要通過掃描或者數(shù)字化來輸入，同時要建立和實體間的拓撲結(jié)構(gòu)和輸入實體的屬性特征。

4.2 數(shù)據(jù)的查詢和管理

可以通過實體間的拓撲關(guān)系來建立空間查詢從而實現(xiàn)圖形到屬性的查詢以及屬性到圖形的雙向查詢。隨著礦山開采的進行，礦山的數(shù)據(jù)時刻在進行著變化。所以需要對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行刪除、增加、修改來和開采過程相一致?？傊?，礦山GIS要和礦山的現(xiàn)實情況相結(jié)合，用地理信息系統(tǒng)的知識和理論技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)輸入、分析、處理、搜索、輸出的自動化、可視化與地理信息的一體化等。

5 我國礦山地理信息系統(tǒng)現(xiàn)在主要存在的問題

由于礦山的特點不同于其他一般的地形山體，具有一定的特殊性，一般的地理信息系統(tǒng)并不適合用在礦山中，并且，在實現(xiàn)比較復(fù)雜的礦山地理信息系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)用模型的建立以及對數(shù)據(jù)的實時更新等方面的技術(shù)相比于國外還比較落后。礦山地理信息系統(tǒng)在我國作為一項較新的技術(shù)，起步較晚，未能夠得到很多礦山領(lǐng)導和技術(shù)人員當中得到充分了解。與國外水平和其他行業(yè)的GIS應(yīng)用技術(shù)有一些差距。因此需要在今后加大研究力度，對礦山地理信息系統(tǒng)的重視度越高，那么它發(fā)揮的作用就越大。

6 結(jié)束語

礦山和地理信息系統(tǒng)的結(jié)合，不可否認的是在未來擁有非常廣泛的應(yīng)用和廣闊的前景。礦山是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜地質(zhì)多樣的系統(tǒng)，而且范圍巨大，MGIS可以很好地三維化表達礦山。解決好數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)及時的更新是當下的主要問題。充分地利用MGIS處理礦山數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦山與地形的一體化可以大大提高工作效率給礦山帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，推動當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，為地方做出巨大貢獻。

參考文獻：

[1]郭宏慧.地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].河北農(nóng)業(yè)科學，2009（01）：140-142.

[2]傅曉珊.地理信息系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].安徽工程科技學院學報（自然科學版），2010（04）：89-93.

[3]徐翠云.地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].地質(zhì)找礦論叢，2001（01）：52-57.

[4]董娜.基于ArcGISEngine的某大學新校區(qū)地理信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].昆明理工大學，2008.

[5]段長友.基于地理信息系統(tǒng)的校園虛擬生活的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京交通大學，2015.

[6]陸世安.三維校園地理信息系統(tǒng)分析與實現(xiàn)[D].重慶交通大學，2013.

[7]羅帥偉.基于Skyline的城市三維地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安科技大學，2012.

[8]宋世凱.基于Skyline的城市三維地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].河北師范大學，2012.

[9]陳福江.基于skyline的三維景觀信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連理工大學，2013.