礦區(qū)地理信息系統(tǒng)信息編碼與數(shù)據(jù)采集研究

蔡恩琪,魏麗瓊,黃 麗

(1. 青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點實驗室 青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810012； 2. 青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海 西寧 810000)

人類社會接觸的各類信息有75%與其地理空間位置有關。1946年，世界上首臺計算機研制成功，信息技術發(fā)展序幕由此揭開[1]。60年的發(fā)展中，計算機技術迅猛發(fā)展，奠定了信息存儲與處理的基礎。對于采礦業(yè)或礦業(yè)而言，計算機技術已在礦業(yè)開發(fā)的很多環(huán)節(jié)得到了滲透。為了對礦山作業(yè)中相關于空間位置的各項數(shù)據(jù)進行存儲、處理與管理，以GIS技術為基礎的礦業(yè)地理信息系統(tǒng)(MGIS)得以產(chǎn)生，力求實現(xiàn)礦業(yè)開發(fā)全過程的信息化。

MGIS是將GIS應用于礦山的區(qū)域性GIS，可為礦山生產(chǎn)、設計與規(guī)劃提供支持。以計算機為基礎，MGIS利用攝影測量與遙感等技術進行數(shù)據(jù)、信息等的采集，將GIS的強大的分析與輔助決策功能發(fā)揮出來。系統(tǒng)兼具信息采集、存儲與處理，構(gòu)建礦區(qū)數(shù)據(jù)庫與軟件系統(tǒng)，查詢檢索、綜合分析、動態(tài)預測信息等功能[2]?？商峁┛茖W依據(jù)于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測與評價以及礦產(chǎn)資源開發(fā)管理，是礦山現(xiàn)代化管理與決策的重要標志[3]。

礦區(qū)是一種特殊的地理區(qū)域，有廣泛、綜合、復雜且變化迅速的地理空間要素與社會經(jīng)濟要素內(nèi)容，屬于復雜性、動態(tài)性、開放性特征鮮明的社會經(jīng)濟區(qū)域。可以說，數(shù)據(jù)與信息是MGIS的生命，可為系統(tǒng)的空間分析與決策提供基礎，因此數(shù)據(jù)與信息的質(zhì)量決定著MGIS的應用價值。文章圍繞MGIS架構(gòu)及其數(shù)據(jù)采集與信息編碼技術進行分析。

1 MGIS功能與架構(gòu)

1.1 功能分析

基于礦區(qū)信息數(shù)據(jù)倉庫，MGIS對現(xiàn)代化技術進行綜合運用，提供技術平臺與強大工具于礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設計、生產(chǎn)安全與決策管理等工作的模擬、仿真與分析，所需具備功能如下[4]：

1)對礦區(qū)環(huán)境狀況及其變化進行監(jiān)測；

2)對所有與礦區(qū)經(jīng)濟、社會、環(huán)境以及資源相關的時空信息進行采集、處理、分析與管理；

3)利用3D建模與可視化技術進行礦山開采活動及其環(huán)境所受影響的動態(tài)模擬、再現(xiàn)與仿真；

4)輔助礦山的開拓設計與生產(chǎn)管理工作，為安全評價、生產(chǎn)監(jiān)督以及減災指揮等提供支持；

5)制定人機協(xié)同的礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，確立評估指標，實施經(jīng)濟評價與預測；

6)在礦山各管理層與部門之間共享信息，提供決策支持。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

MGIS的總體設計對C/S結(jié)構(gòu)予以采用，多個客戶端與服務器及下層硬件網(wǎng)絡、操作系統(tǒng)與支撐平臺進程間的通信系統(tǒng)共同組成一個支持分布式計算、分析與表示的系統(tǒng)[5]。在此模式下，應用有前端客戶與后端服務器兩部分的劃分，當客戶方發(fā)出請求時，網(wǎng)絡通信服務系統(tǒng)會將其傳送至服務器，服務器根據(jù)請求進行相關處理，然后反饋結(jié)果給客戶。MGIS的總架構(gòu)如圖1所示。

圖1中各模塊執(zhí)行的操作(任務)如下：

1)客戶端，數(shù)據(jù)輸入與特征描述、擬實施操作確定、處理運行結(jié)果；

2)數(shù)據(jù)集成平臺服務器，數(shù)據(jù)注冊、數(shù)據(jù)查詢、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)庫與模型交互；

圖1 MGIS總體架構(gòu)

3)模型集成平臺服務器，提供模型庫管理系統(tǒng)、宏語言與調(diào)用、可視化建模工具；

4)應用模型類服務器，建立礦區(qū)三維立體模型、動態(tài)地質(zhì)模型、GPS車輛監(jiān)控模型、決策支持系統(tǒng)模型等；

5)視頻服務器，影像預處理、影響分類、影像制圖；

6)GIS服務器，覆蓋分析、緩沖分析、網(wǎng)絡分析、地圖制作；

7)ERP服務器，數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)維護。

2 數(shù)據(jù)采集技術

2.1 數(shù)據(jù)源

根據(jù)礦山的構(gòu)成特征，MGIS的礦體數(shù)據(jù)與信息既有長時間形成的，又有實時獲取的，還存在伴生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源十分豐富，處理對象非常復雜。圖2所示為其多源數(shù)據(jù)體組成。

圖2 MGIS數(shù)據(jù)源構(gòu)成

礦山數(shù)據(jù)的采集手段必須與礦山的特殊要求相適應[6]。

1)礦體數(shù)據(jù)有很長的形成期限，作為一種隱伏體，各種描述數(shù)據(jù)的獲取需以探測與揭露為前提。在揭露之前，數(shù)據(jù)均為一種近似的表達，它對礦山的生產(chǎn)與規(guī)劃有著直接的影響，因此需強調(diào)礦體數(shù)據(jù)獲取的手段與精度。

2)KGIS處于動態(tài)變化環(huán)境中，主要由井下不同級別的巷道與其他輔助體共同組成。作為系統(tǒng)骨架，巷道數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)有直接影響，與地面相比，礦山井下數(shù)據(jù)采集設備與技術依舊落后。

3)MGIS數(shù)據(jù)的完整性與準確性直接關系到礦山作業(yè)的安全與高效進行，除礦體、巷道骨架數(shù)據(jù)外，地面、井下等相關數(shù)據(jù)也包含在內(nèi)，基于數(shù)據(jù)量大、面廣、領域復雜等的影響，必須對各方關系進行協(xié)調(diào)才能保證數(shù)據(jù)采集的準確性與及時性。

在上述問題影響下，應致力于礦體數(shù)據(jù)快速采集理論與手段的發(fā)展，確保礦體表達精度；雖然借助常規(guī)測量手段可實現(xiàn)井下巷道數(shù)據(jù)采集，但無法滿足現(xiàn)代化礦山作業(yè)要求，因此需進行與井下條件相適應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，設立多方位數(shù)據(jù)采集中心，保證數(shù)據(jù)完整與準確。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MGIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 MGIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 GPS定位數(shù)據(jù)采集模塊

在MGIS中，利用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行數(shù)據(jù)采集，既經(jīng)濟，又迅速，采集的信息有直接數(shù)據(jù)信息與用戶數(shù)據(jù)信息之分。

1)直接數(shù)據(jù)信息

其一，利用RTK(實時動態(tài))定位技術采集地形數(shù)據(jù)信息，在進行野外作業(yè)之時，RTK技術具有機動性與靈活性優(yōu)勢，在10～20 km的范圍內(nèi)不受視距長度與地形條件的限制，工作效率與成圖精度高；其二，利用GPS技術采集邊界數(shù)據(jù)信息，根據(jù)礦區(qū)邊界的長短，靈活運用GPS的靜態(tài)與快速靜態(tài)觀測模式測量邊界點，可大幅提高邊界測量精度與工作效率；其三，GPS測量具有高精度與全天候優(yōu)勢，可在礦區(qū)滑坡、崩塌等檢測中發(fā)揮重要作用。

2)用戶數(shù)據(jù)信息

采用RTK定位技術在野外提供實時定位數(shù)據(jù)信息于地質(zhì)勘探等任務的執(zhí)行。

GPS有很多測量精度與模式(表1)，在進行數(shù)據(jù)采集之前必須按照MGIS的精度確定GPS測量模式[7]。

表1 GPS測量模式與MGIS數(shù)據(jù)匹配

2.2.2 遙感數(shù)據(jù)采集模塊

長線陣(1 500)像元與大面陣(5 120×5 120)CCD傳感器可獲得5 m甚至更小的空間分辨率以及同軌與異軌立體像對，實現(xiàn)以二維圖像進行三維地球表面的建立；合成孔徑雷達基于空間重復軌道的雷達干涉測量技術可導出精度為±5 m的數(shù)字高程模型；差分干涉雷達技術(DINSAR)可實現(xiàn)對精度為厘米甚至毫米級的相對位移量的測定，為礦區(qū)地表移動、土地利用、環(huán)境污染以及環(huán)境監(jiān)測等提供重要依據(jù)。

2.2.3 數(shù)字攝影測量模塊

主要應用目標有地面測量、地表沉陷或文獻定性檢測、環(huán)境與災害監(jiān)測、3D地質(zhì)與構(gòu)造信息提取等?？煽焖倥c詳細地進行空間全息影像的記錄，制作影像地圖，生成三維DTM，測量不安全或不可到達區(qū)域，判譯地質(zhì)、地貌、采礦、土地等多元數(shù)據(jù)，并實施數(shù)字集成處理，得到的圖像信息可作多目標使用。

2.2.4 現(xiàn)有數(shù)據(jù)數(shù)字化模塊

現(xiàn)有圖形與圖像數(shù)據(jù)的采集主要采用手持跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化與解析測圖等手段，其精度的影響因素有很多，如數(shù)字化儀的精度、數(shù)字化方式、操作者經(jīng)驗及其心理狀態(tài)等。多數(shù)數(shù)字化儀的標稱分辨率可達0.001或0.025 mm，通常可對MGIS的要求予以滿足。

2.2.5 不同屬性數(shù)據(jù)采集模塊

采用地球物理、地球化學、地質(zhì)勘探等多種技術手段觀測與采集礦區(qū)資源與環(huán)境信息，生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)、法規(guī)數(shù)據(jù)等則通過多媒體技術手段采集。

2.2.6 常規(guī)測量數(shù)據(jù)采集模塊

光電測距儀、電子速測儀等測量儀器可通過電子數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)終端等以數(shù)字形式進行測量數(shù)據(jù)的自動記錄，并將其傳輸至計算機，完成MGIS的數(shù)據(jù)采集工作。

3 系統(tǒng)信息分類編碼技術

面對采集來的海量數(shù)據(jù)信息，必須按照一定規(guī)律分類與編碼，并有序地將其存入計算機，才能保證MGIS存儲、管理、檢索分析、輸出與交換等功能的實現(xiàn)，滿足系統(tǒng)信息標準化、信息資源共享等應用需求，確保系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定與高效運作。所以，完成數(shù)據(jù)采集工作之后，數(shù)據(jù)信息的分類與編碼成為MGIS建設的另一基礎，他是MGIS健康發(fā)展的前提[8]。

3.1 圖形信息分類編碼

3.1.1 主碼

即分類碼，根據(jù)礦業(yè)信息分類體系進行信息分類編碼的設計，直接按照信息分類的結(jié)果對不同類別信息的數(shù)據(jù)進行標識。主碼的構(gòu)成包含數(shù)字與字符，應確保類別不同的礦業(yè)地理信息在全礦區(qū)內(nèi)的唯一性?；趯ΦV業(yè)地理信息的概括、規(guī)劃與優(yōu)化，可對信息進行14個基本類的劃分(含控制點、井巷設施、生產(chǎn)設施等)。然后，對各類信息執(zhí)行相應代碼歸屬操作，形成圖形分類體系結(jié)構(gòu)表，進而歸類井田區(qū)域地形圖、工業(yè)廣場平面圖等礦圖所屬信息，構(gòu)建框圖圖形信息要素表。表2所示為井巷設施分類與分類碼舉例。

表2 井巷設施分類與分類碼

3.1.2 副碼

即實體標識碼，基于圖形分類對某一類圖形數(shù)據(jù)進行全部或主要實體識別代碼的設計，亦即同類地物的識別代號，屬于對信息分類進行間接利用的結(jié)果。副碼主要標識的是某類圖形數(shù)據(jù)中的某個實體，以彌補主碼無法按實體分離各地的缺陷。通常，副碼會在圖形輸入或數(shù)字化過程中由系統(tǒng)自動生成。

3.2 符號信息分類編碼

采用基于構(gòu)造函數(shù)的對象關系式符號庫設計方法完成此項操作。根據(jù)組成與處理特征對圖例符號進行點狀、線狀、面狀、體狀符號的劃分，將其特性存儲于對象—關系型數(shù)據(jù)庫中，保證自動成圖時符號配置與具體圖形符號相互獨立。

基于不同的符號特征，按照比例尺劃分為3種類型：不依比例尺變化、半依比例尺變化、依比例尺變化。在符號庫中，需設定標識字段用于后兩種類型的表示，具體有5種比例尺類型：1∶200，1∶500，1∶1 000，1∶2 000，1∶5 000，庫中符號分類碼應一致。當數(shù)值超出當前比例尺所示范圍時，需調(diào)用相應比例尺符號進行圖形的重新繪制。

3.3 屬性信息分類編碼

采用面分類法進行該項操作，可形成不同屬性字段，以數(shù)值、字符或代碼表示，其中必須包括容納實體的User ID，采用面向?qū)ο笏枷耄脤ο蟆P系型數(shù)據(jù)庫進行屬性信息數(shù)據(jù)庫的管理。

該類編碼以圖形信息分類主碼為基礎，需考慮父級別類與子級別類的關系，保證數(shù)據(jù)共享，拒絕冗余；進行合適數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的選擇，庫結(jié)構(gòu)的設計需在各碼段中留出擴充空間，進行最短字段長度的壓縮。表3所示為巷道屬性分類編碼舉例。

表3 巷道屬性分類編碼

4 結(jié) 語

MGIS是以現(xiàn)代信息技術為基礎，經(jīng)對傳統(tǒng)采礦技術進行改造與升級而構(gòu)建的一套用于礦山監(jiān)測各類實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、控制與反饋的自動化綜合信息技術系統(tǒng)，適時且準確地統(tǒng)計、共享并管理相關于生產(chǎn)及安全的相關信息為其關鍵。隨著科學技術的發(fā)展，MGIS已趨于完善，應用范圍也得到了拓展，人們獲取信息的方式與能力被優(yōu)化。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的日漸完善，地理空間數(shù)據(jù)會愈發(fā)豐富，地理信息產(chǎn)業(yè)將會實現(xiàn)進一步的發(fā)展。展望未來，地理信息產(chǎn)業(yè)必將為人類社會創(chuàng)造更多收益。

參考文獻：

[1] 徐豁, 馬小計, 石琨. 礦業(yè)地理信息系統(tǒng)及數(shù)字礦山若干問題探討[J]. 煤炭科學技術, 2003(8): 55-57.

[2] 蒲凱, 何彬彬, 李小文. 基于MapX和Oracle Spatial的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)[J]. 地理空間信息, 2009(2): 54-56.

[3] 李國釗. 地理信息系統(tǒng)在礦山測量中的應用[J]. 地理空間信息, 2013(4): 38-39.

[4] 孫麗軍, 許夢國. 地理信息系統(tǒng)在礦山的應用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 黃金, 2006(2): 26-28.

[5] 李亞龍, 沈昌賢. 淺談金堆城礦區(qū)地理信息系統(tǒng)建設[J]. 中國鉬業(yè), 2010(5): 23-27.

[6] 張和生, 溫志勇, 劉艷華. 礦山地理信息系統(tǒng)的若干關鍵技術探討[J]. 煤炭科學技術, 2006(6): 77-80.

[7] 周廷剛, 郭達志. 礦區(qū)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集探討[J]. 江西煤炭科技, 1999(2): 15-18.

[8] 胡金星, 吳立新, 齊安文, 等. 礦業(yè)信息的分類編碼研究[J]. 礦山測量, 1999(4): 39-41.