廖世芳

(咸陽師范學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

礦業(yè)地理信息系統(tǒng)與數(shù)字礦山分析研究

廖世芳

(咸陽師范學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

利用信息化技術(shù)，可以降低開采礦產(chǎn)資源的難度，也可以提高工作的效率。礦產(chǎn)企業(yè)為了提高競爭力，更好的適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)礦業(yè)向現(xiàn)代化礦業(yè)的轉(zhuǎn)變。對地理信息系統(tǒng)在數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，對數(shù)字礦山的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，對數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的框架進(jìn)行了研究，希望對實(shí)現(xiàn)我國礦業(yè)現(xiàn)代化提供一定幫助。

地理信息系統(tǒng)；數(shù)字礦山；技術(shù)結(jié)構(gòu)

1 數(shù)字礦山發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字礦山建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)字礦山在西方發(fā)達(dá)國家比較常見，我國在引進(jìn)這項(xiàng)先進(jìn)采礦技術(shù)后，采礦水平有了較大的提高。目前我國礦業(yè)的信息化水平還不高，但是隨著人們對礦產(chǎn)資源需求量的增大，國家相關(guān)單位對礦業(yè)行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，并出臺(tái)了相關(guān)政策對礦業(yè)的發(fā)展進(jìn)行扶持。在20世紀(jì)初期，礦山行業(yè)研究人員就對地理信息系統(tǒng)、虛擬技術(shù)以及三維技術(shù)進(jìn)行了研究[1]。在對數(shù)字礦山的建設(shè)進(jìn)行研究時(shí)，了解到效率較高的礦區(qū)都有著先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而且礦區(qū)內(nèi)覆蓋了光纖，利用計(jì)算技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.2 數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字礦山有著較多優(yōu)點(diǎn)，其可以實(shí)現(xiàn)資源數(shù)字化，而且系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)藏的海量信息可以直觀地進(jìn)行顯示，這些信息資源是以一種立體的方式呈現(xiàn)出來的，在整個(gè)數(shù)字化空間中，業(yè)務(wù)都是多元的，管理方式是多層次的。數(shù)字礦山有3項(xiàng)基本功能，首先是對系統(tǒng)內(nèi)固有的信息進(jìn)行數(shù)字化處理，還要建立三維坐標(biāo)，對礦區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的描述；其次是在數(shù)字化三維空間內(nèi)嵌入詳盡的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測的過程中，不斷地更新數(shù)字信息；最后是多元化管理，數(shù)字礦山內(nèi)的數(shù)據(jù)信息都具有立體化特點(diǎn)，業(yè)務(wù)具有多層次、多角度特點(diǎn)，所以在進(jìn)行管理時(shí)應(yīng)了解到數(shù)字化空間的多元性，從而根據(jù)業(yè)務(wù)變化而變化。在數(shù)字礦山中，還應(yīng)用了三維地學(xué)模擬、GIS、RS、GPS等先進(jìn)的信息技術(shù)。下面筆者對數(shù)字礦山中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行一一介紹。

1.2.1 數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在數(shù)字礦山信息系統(tǒng)中集合了多種數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)來自不同的時(shí)間與空間，而且對企業(yè)不同階段的管理有著較大幫助，在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的過程中，如果需要做出決策，則需要在數(shù)據(jù)倉庫中調(diào)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]。礦山信息具有海量、多源、復(fù)雜等特點(diǎn)，這給信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理以及共享帶來了較大的難度，對挖掘技術(shù)進(jìn)行不斷的完善與改進(jìn)已經(jīng)成為當(dāng)前礦山行業(yè)研究人員的首要任務(wù)。

1.2.2 三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

數(shù)字礦山的數(shù)據(jù)具有多元、多角度、多空間等特點(diǎn)，數(shù)字化空間是多元、立體的，所以在建模的過程中，需要采用三維技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與整理，形成三維模型，這樣才能對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化表達(dá)[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字礦山中也應(yīng)用比較多，為了模擬出真實(shí)的畫面，可以利用這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行虛擬開采及爆破，這為礦山安全開采帶來了幫助，可了解開采行為的可行性，也可以降低開采的危險(xiǎn)系數(shù)，降低礦山開采中出現(xiàn)安全事故的概率，也降低了礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的損失。

1.2.3 組件式礦山軟件與模型

為了更好地對礦山信息進(jìn)行分析，需要利用專業(yè)的軟件，比如在對礦山生產(chǎn)進(jìn)行評估以及監(jiān)測，對礦山活動(dòng)進(jìn)行模擬，對礦山數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策時(shí)，都需要應(yīng)用到不同的軟件或者模型，只有選擇適合的軟件才能保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究人員應(yīng)該結(jié)合礦山行業(yè)的發(fā)展方向、工程需求，開發(fā)出不同類型、功能的組件式軟件以及模型[4]。

1.2.4 井下多媒體通信與無線傳輸技術(shù)

在礦山進(jìn)行開采時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行井下作業(yè)，為了保證井下作業(yè)的高效與安全性，需要保證礦井通信質(zhì)量。一般在整個(gè)礦區(qū)都覆蓋了網(wǎng)絡(luò)信號，但是井下較深的位置信號較差，為了快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地采集井下礦業(yè)信息，并實(shí)時(shí)傳輸這些信息數(shù)據(jù)，需要利用井下多媒體通信技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)，以多媒體的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要解決地面與井下同時(shí)雙向傳輸?shù)膯栴}，還有提高無線傳輸?shù)馁|(zhì)量，這樣才能保證井下作業(yè)的安全性。

2 數(shù)字礦山信息系統(tǒng)

2.1 數(shù)字礦山信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字礦山系統(tǒng)是由多個(gè)體系組成的，其具有復(fù)雜性與多層次性，不同的模型有不同的功能，也應(yīng)用著不同的信息技術(shù)。數(shù)字礦山信息系統(tǒng)對礦山企業(yè)的生產(chǎn)與管理有著指導(dǎo)作用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為決策層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層3個(gè)方面，系統(tǒng)內(nèi)分別有業(yè)務(wù)管理與業(yè)務(wù)處理兩種模式。數(shù)字礦山系統(tǒng)功能的發(fā)揮借助于高速寬帶網(wǎng)絡(luò)支撐體系，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取處理。

2.2 數(shù)字礦山信息系統(tǒng)需求

數(shù)字礦山信息系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是在地理信息系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，應(yīng)用了多種地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，還應(yīng)用了總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)等方法，這對礦山地質(zhì)研究提供了全面的技術(shù)支持，對三維建模、可視化模型、工程軟件使用提供了接口。在對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，需要保證數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性以及全面性，不但需要挖掘出地質(zhì)地形數(shù)據(jù)，還要提供地質(zhì)層剖析圖、現(xiàn)場地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

2.3 數(shù)字礦山信息系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文的分析了解了數(shù)字礦山系統(tǒng)具有4項(xiàng)基本功能，所以在建模的過程中，需要分出4個(gè)子系統(tǒng)，分別滿足系統(tǒng)的4種功能。數(shù)字礦山信息系統(tǒng)模塊有4個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；地質(zhì)體建模系統(tǒng)；可視化系統(tǒng)；專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。這4個(gè)子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山系統(tǒng)的不同功能。

2.3.1 礦山工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

礦山工程地質(zhì)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)編輯模塊、查詢統(tǒng)計(jì)模塊以及數(shù)據(jù)輸入模塊構(gòu)成的。這3個(gè)模塊分別有不同的功能，編輯模塊主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)規(guī)劃化管理，數(shù)據(jù)錄入，數(shù)據(jù)修改等，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息，對系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行增減。

2.3.2 三維工程地質(zhì)建模子系統(tǒng)

數(shù)字礦山利用了三維建模技術(shù)，通過在礦區(qū)內(nèi)建立三維坐標(biāo)，可以詳細(xì)描述出整個(gè)礦山的地質(zhì)信息。在礦產(chǎn)資源開采前，首先需要對礦區(qū)的基本情況進(jìn)行了解，從而制定出業(yè)務(wù)流程以及工程方案。三維工程地質(zhì)建模系統(tǒng)又包括兩種建模方式，一是礦區(qū)地質(zhì)體建模，二是采礦工程建模。前者是系統(tǒng)的基本功能，應(yīng)用了三維地層建模的指導(dǎo)理論，還應(yīng)用了三維數(shù)據(jù)模型與算法，利用可視化技術(shù)為礦業(yè)工作人員展示可視化的三維立體模型。該系統(tǒng)兩種不同的建模方式具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)規(guī)范化、數(shù)據(jù)錄入以及數(shù)據(jù)修改等功能，可以保證及時(shí)更新系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，降低了礦業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)誤差的概率。

2.3.3 三維可視化子系統(tǒng)

三維可視化子系統(tǒng)在數(shù)字礦山中發(fā)揮著重要作用，該系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的模式，在系統(tǒng)中也是獨(dú)立運(yùn)行的，可以滿足數(shù)據(jù)可視化的要求，對系統(tǒng)內(nèi)不同的數(shù)據(jù)或者圖件都可以滿足顯示的要求。該系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)、圖件顯示與對象操作兩部分構(gòu)成，顯示圖像時(shí)不但可以進(jìn)行放大縮小、旋轉(zhuǎn)等基本的操作，還可以對圖件的顏色、光照進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用對象操作技術(shù)，還可以提取數(shù)據(jù)屬性、改變圖形。

2.3.4 工程應(yīng)用子系統(tǒng)

工程應(yīng)用是數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的目的，本系統(tǒng)可以結(jié)合礦山工程的實(shí)際情況，編寫計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口及數(shù)值分析的軟件接口，實(shí)現(xiàn)采礦方法的設(shè)計(jì)以及對采礦工程、采后工效數(shù)值的模擬。該系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)功能的開拓以及對技術(shù)的創(chuàng)新。工程應(yīng)用子系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)模擬接口、工程監(jiān)測、CAD接口3部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)模擬接口主要是負(fù)責(zé)對空間穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對地表沉陷情況進(jìn)行分析；工程監(jiān)測主要是觀察巖石變形情況以及巷道變形情況；CAD接口主要是負(fù)責(zé)礦山企業(yè)生產(chǎn)開拓設(shè)計(jì)以及開采方法的設(shè)計(jì)與研究。

3 數(shù)字礦山問題研究

3.1 DE技術(shù)

DE技術(shù)是數(shù)字礦山的基礎(chǔ)技術(shù)，其也是三維地球信息模型，可以對地球表面的信息進(jìn)行分析，這項(xiàng)基礎(chǔ)是信息時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，在研究的過程中還有較大的開發(fā)空間。DE技術(shù)在數(shù)字礦山的應(yīng)用中，需要做好與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、3S技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)的融合與協(xié)調(diào)，從而開發(fā)出覆蓋面更廣的地球信息模型，對地球表面信息進(jìn)行更加清晰的表示，并利用三維技術(shù)進(jìn)行真實(shí)的模擬，虛擬出完整的地球。DE技術(shù)的應(yīng)用與功能發(fā)揮依賴信息的快速傳輸以及空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。DE技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?guī)范化、管理的標(biāo)準(zhǔn)化，還提高了數(shù)據(jù)庫海量信息的利用率，是未來數(shù)字礦山發(fā)展的重要保證。

3.2 數(shù)字礦山應(yīng)用的可行性研究

數(shù)字礦山在國外礦山行業(yè)應(yīng)用比較廣，其是一個(gè)較廣的概念，有學(xué)者在研究的過程中提出，數(shù)字礦山更加準(zhǔn)確的表達(dá)應(yīng)該是數(shù)字城市。礦山包含在城市范疇內(nèi)，城市又是國家的組成，國家又包含在地球的組成中。所以對數(shù)字礦山的研究，即對數(shù)字地球的研究。DE是在一個(gè)礦區(qū)建立三維坐標(biāo)，可以描述出礦區(qū)內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的信息，能直觀的顯示出礦業(yè)地理信息系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)?？梢哉fDE建立了以三維坐標(biāo)為基礎(chǔ)的信息框架，并且為信息系統(tǒng)挖掘數(shù)據(jù)提供了便利。DE可以直觀的描述礦山的地表地形信息，還能描述井下地質(zhì)，在其信息系統(tǒng)框架中加入動(dòng)態(tài)信息，還能對礦山企業(yè)生產(chǎn)、管理提供正確指導(dǎo)，從而形成多維化、立體化、對層次的數(shù)字化礦山。

數(shù)字礦山是礦業(yè)不斷發(fā)展的必然趨勢，采用DM等先進(jìn)的數(shù)字礦山技術(shù)，可以改變傳統(tǒng)礦山的生產(chǎn)、管理方式，還能對礦區(qū)進(jìn)行客觀的評價(jià)，對資源進(jìn)行正確的評估，對生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行模擬，對生產(chǎn)決策進(jìn)行指導(dǎo)，還能提供先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)施，是提高礦業(yè)生產(chǎn)水平的有效方法。DM可以真實(shí)的反映出礦山的地表信息，數(shù)字礦區(qū)是數(shù)字城市的子集，所以DM系統(tǒng)也是數(shù)字城市建設(shè)的重要保證，可以為信息技術(shù)推廣、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供較大幫助。

4 結(jié) 語

礦山信息系統(tǒng)框架有著一定特殊性，其集合了多源、多層次、多空間的信息數(shù)據(jù)，以三維坐標(biāo)為建模的基礎(chǔ)，還分出了可視化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)模塊，并分別設(shè)計(jì)出了對應(yīng)的模塊框架，這對研究數(shù)字礦山提供了全面的信息。DM技術(shù)在數(shù)字礦山中有著廣泛的應(yīng)用，其對現(xiàn)代化礦山的建設(shè)有著輔助幫助，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將礦山信息以多媒體的方式展現(xiàn)出現(xiàn)，為礦山開采提供了重要的參考依據(jù)，也為礦產(chǎn)資源安全開采提供了保障。

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Information System of Mining Geographic and Its Analysis of Digital Mines

LIAO Shifang

(XianyangNormalUniversityofShanxiProvince,Xianyang,Shanxi712000,China)

The use of information technology can not only reduce the difficulty of mining mineral resources, but also improve the efficiency of work. In order to improve competitiveness in better adaptation to social development, we think all mineral enterprises should realize the transformation from traditional mining industry to modern mining industry. Geographic information system is introduced in the application of digital mine information system. The application of digital mine is also analyzed, and the digital mine information system frame is in our research. We are hoping to provide some help for the realization of modern mining industry in China.

Geographic information system; Digital mines; Technology structure

2017-03-10

咸陽師范學(xué)院專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(13XSYK029)

廖世芳(1984-)，男，甘肅天水人，講師，研究方向：工程測量，手機(jī)：18391378008，E-mail：liaoshifangtougao@163.com.

P628；TD672

C

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.050