劉 洋
(河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營鐵礦有限公司,河北 唐山 063000)
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建技術(shù)的研究,是一個復(fù)雜而艱巨又富有挑戰(zhàn)性﹑系統(tǒng)性很強(qiáng)的工程項(xiàng)目。大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建是大勢所趨,而在當(dāng)前的地質(zhì)測繪領(lǐng)域,由于其技術(shù)不成熟﹑設(shè)備落后等原因?qū)е聼o法滿足社會發(fā)展需要。在大中型礦山勘探開發(fā)中,地質(zhì)測繪工作主要包括:地質(zhì)資料采集系統(tǒng)設(shè)計(jì);野外現(xiàn)場勘察及測量控制等。
近年來,隨著我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高和礦業(yè)企業(yè)對礦產(chǎn)資源開采日益重視以及國家相關(guān)政策法規(guī)相繼出臺后,礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建技術(shù)研究工作也取得了一些成就。
礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),應(yīng)用各種先進(jìn)的信息處理手段,實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)和空間關(guān)系的綜合分析﹑挖掘及整理。通過利用現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字圖像處理技術(shù)等相關(guān)軟件系統(tǒng)將礦山區(qū)域內(nèi)各區(qū)域內(nèi)各類資源數(shù)據(jù)整合起來。同時結(jié)合GIS平臺中所提供的三維可視化工具來完成對地質(zhì)體數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建工作過程中所需各種參數(shù)進(jìn)行自動生成并顯示,實(shí)現(xiàn)信息共享。
利用數(shù)字濾波技術(shù),將信息進(jìn)行處理,得到的結(jié)果直觀﹑清晰。通過對采集到各種地質(zhì)信息所獲取到得資料分析得出結(jié)論。根據(jù)這些方法可以實(shí)現(xiàn)對地下地質(zhì)體和物探情況中存在問題做出正確判斷并采取相應(yīng)對策措施來解決實(shí)際工作當(dāng)中遇到或可能出現(xiàn)地電干擾及人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等一系列難題。
(1)促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和預(yù)警。由于地震﹑水文等自然災(zāi)害具有較強(qiáng)破壞性,在進(jìn)行測繪過程中,需要考慮到人為因素對其造成影響;同時隨著科技發(fā)展以及社會進(jìn)步以及國家政策方針不斷完善的情況下也會使得地震風(fēng)險更加嚴(yán)重化和復(fù)雜化程度更高而出現(xiàn)更多新類型自然事件與工程事故等問題,所以礦山地理數(shù)據(jù)信息化及智能構(gòu)建可以將這些災(zāi)害發(fā)生概率大大減少[1]。
(2)通過地質(zhì)測繪,對地質(zhì)體中的礦產(chǎn)資源進(jìn)行綜合分析,建立起一個科學(xué)﹑合理而又有效地評價和判斷礦山工程建設(shè)過程是否安全可靠以及礦山施工質(zhì)量是否滿足要求等方面做出全面準(zhǔn)確且客觀公正,既為大型礦產(chǎn)資源開采提供重要依據(jù);同時也為國家和地方政府制定相關(guān)政策措施奠定基礎(chǔ)。
1.4.1 地面數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)
利用數(shù)字化的方法對地質(zhì)體進(jìn)行有效地分析,以實(shí)現(xiàn)礦山地理信息綜合評價﹑地質(zhì)研究及開發(fā)應(yīng)用。首先,要將地面物探資料作為基礎(chǔ)性工作;其次在獲取地表移動點(diǎn)和地下管線時采用GIS空間地圖法;再次通過遙感影像圖斑確定井下地形地貌情況以及地層結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征參數(shù)與地震活動規(guī)律﹑水文條件等等的關(guān)系;最后利用數(shù)字化技術(shù)對礦山地理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析。
1.4.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
在礦山地理數(shù)據(jù)信息智能構(gòu)建過程中,需要利用多種先進(jìn)的方法對其進(jìn)行處理,例如:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法﹑模糊理論和認(rèn)知語言學(xué)等[2]。其中BP是一種典型的基于統(tǒng)計(jì)推理與模式識別相結(jié)合而形成的新型系統(tǒng)。它不僅能夠解決傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題所帶來的困難,而且還可以通過模擬人腦思維方式來分析事物發(fā)展變化規(guī)律并及時反饋給工作人員以提高工作效率;該算法在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中廣泛應(yīng)用。
(1)數(shù)據(jù)庫管理,在大中型礦山地質(zhì)資料信息管理系統(tǒng)中,其工作量巨大﹑且對工作人員技術(shù)要求較高。因此需要建立一套完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和模擬分析等方法來實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)處理工作及精度控制。
(3)利用GNSS定位和三維空間分析軟件進(jìn)行礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建過程的研究以及應(yīng)用效果評價。
(4)采用多種手段獲取地質(zhì)體資料信息并將其轉(zhuǎn)化為可識別的數(shù)字化圖像。
(1)數(shù)字化﹑信息化原則。數(shù)據(jù)的智能是指能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和各種信息處理軟件在實(shí)際工作中所產(chǎn)生的實(shí)時性,而不是傳統(tǒng)意義上二維碼。
(2)實(shí)用性與應(yīng)用價值兼顧原則。礦山地理數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)應(yīng)一定程度上綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益等各方面因素后設(shè)計(jì)開發(fā)出來符合自身特點(diǎn)的數(shù)字化﹑信息化平臺。同時也要結(jié)合企業(yè)管理信息系統(tǒng)建設(shè)要求來選擇合適技術(shù)手段和軟件設(shè)備,以便為后續(xù)工作提供必要支持。
(3)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。在礦山地理數(shù)字化建設(shè)過程中,應(yīng)按照“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)﹑規(guī)范”和“通用性強(qiáng),兼容性好”原則進(jìn)行。
(4)信息共享與協(xié)同應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合。礦山地區(qū)各單位之間要實(shí)現(xiàn)資源共建共享以及業(yè)務(wù)互通;同時還要建立起一套完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以滿足信息需求分析及決策需要等方面問題要求;最后還需通過數(shù)據(jù)整合平臺來達(dá)到相互溝通協(xié)作,提高工作效率﹑降低成本和提升效益效果的目標(biāo),從而促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3]。
礦山地理數(shù)據(jù)智能構(gòu)建主要包括:①人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立。通過對人工神經(jīng)元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,使其可以在不同程度上模擬地質(zhì)體,并能準(zhǔn)確識別出地質(zhì)體。②模糊綜合評價模型研究與應(yīng)用系統(tǒng)化的應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)性工作提供了重要支撐和保障;③遙感探測﹑三維空間分析等多種手段相結(jié)合形成多維立體數(shù)據(jù)處理方式;④基于物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)的礦山地理信息智能構(gòu)建及相關(guān)配套設(shè)備研發(fā)為輔助作用。
智能化是大數(shù)據(jù)時代的重要特征之一,它不僅能夠?yàn)橛脩籼峁└喋p更好的信息服務(wù),而且還能有效提高礦山地理成果利用率。
首先要明確系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)模型。在實(shí)際工作中我們需要對各種參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算和預(yù)測處理等相關(guān)操作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo);其次還要確定數(shù)據(jù)庫之間相互關(guān)系;最后是根據(jù)具體的需求進(jìn)行建模,然后通過相應(yīng)算法完成相應(yīng)任務(wù)并最終形成一個完整的大框架結(jié)構(gòu)。
在對地質(zhì)體進(jìn)行勘探﹑構(gòu)造時,要先將探測到的物探資料作為一個完整而清晰地信息,并建立一套合理科學(xué)且具有可操作性和通用價值的數(shù)字模型。然后再根據(jù)模擬過程中所產(chǎn)生出來的結(jié)果來分析其規(guī)律以及結(jié)論是否準(zhǔn)確可靠。同時通過軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)處理及計(jì)算能力等方面均需要滿足一定程度上對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理。
國外礦山地理數(shù)據(jù)信息化建設(shè)較早,其主要經(jīng)歷了三個階段:第一,從地面管線的建立;第二,在對地質(zhì)體進(jìn)行探測﹑分析和識別之后建立起一套完整系統(tǒng)地開發(fā)流程。第三則是從模擬地下勘探到數(shù)字化測繪再到遙感技術(shù)。
國內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息化建設(shè)起步較晚,我國在礦山地理數(shù)據(jù)信息研究方面雖然也取得一定進(jìn)展但尚處于探索階段,主要是通過對傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新而形成一些具有實(shí)用價值并能夠解決復(fù)雜工程問題﹑適應(yīng)實(shí)際工作需要等功能為一體且能滿足社會需求應(yīng)用到各個領(lǐng)域中的新方法。
在國外,地質(zhì)數(shù)據(jù)信息化建設(shè)已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。如美國﹑俄羅斯等一些國家都建立起大型礦山地理數(shù)據(jù)庫。我國目前已建成或即將建好一個以GIS為基礎(chǔ)﹑以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段的信息庫系統(tǒng),但仍處于開發(fā)階段和探索階段;從整體上而言還存在著很多問題:一是各方面資源整合能力不強(qiáng)導(dǎo)致重復(fù)投入大量建設(shè)成本高而難以盈利甚至虧損嚴(yán)重,二是缺乏統(tǒng)一規(guī)劃與管理造成了資源浪費(fèi)現(xiàn)象突出。
20世紀(jì)80年代初以來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)﹑通信和網(wǎng)絡(luò)通訊等相關(guān)學(xué)科不斷發(fā)展與進(jìn)步。我國在礦山地理信息數(shù)字化方面取得了顯著成就:一是建立了多級地面地震數(shù)據(jù)庫;二是通過對地下巖體進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)采集并實(shí)現(xiàn)全過程智能監(jiān)控;三是利用遙感探測手段完成地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取及分析工作,形成地下礦產(chǎn)資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及綜合管理信息系統(tǒng)。
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng),其主要包括地質(zhì)勘探﹑地質(zhì)分析和礦區(qū)信息采集等多個過程。
(1)GIS技術(shù)。以數(shù)字化空間為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。利用空間地理信息系統(tǒng)中的圖形處理工具對地下物探資料進(jìn)行存儲與管理;通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將GIS軟件自動記錄到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢功能,使礦山地理數(shù)據(jù)信息化更加全面完整,方便工作人員隨時隨地獲取地質(zhì)﹑礦石礦物等信息資源庫。
(2)在礦山地理數(shù)據(jù)信息化建設(shè)中,主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:一是數(shù)據(jù)庫技術(shù)。通過對計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用和開發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲﹑信息檢索等功能。二是數(shù)字化處理方法與流程設(shè)計(jì);三是模擬系統(tǒng)與集成方案研究及實(shí)施方案制定工作;四是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系構(gòu)建及運(yùn)行管理制度建設(shè),并為地質(zhì)資料提供安全保障措施等。
(1)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求:
礦山地理數(shù)字化建模﹑分析與應(yīng)用是一個龐大復(fù)雜的過程,需要通過多層次和多方面手段進(jìn)行,因此必須有一套完備而科學(xué)合理且切實(shí)可行地開發(fā)方案。首先應(yīng)建立一套完整有效地?cái)?shù)據(jù)庫,在系統(tǒng)中對地質(zhì)體及構(gòu)造特征等信息進(jìn)行收集整理并分類匯總成相應(yīng)格式后生成計(jì)算機(jī)圖形文件;其次要將數(shù)據(jù)錄入到軟件上實(shí)現(xiàn)自動識別﹑檢索與存儲功能(包括查詢等),為后續(xù)的分析和綜合研究提供有力依據(jù)。
(2)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建設(shè):
首先對礦山地理信息進(jìn)行采集,然后將收集到的地質(zhì)資料通過軟件處理,最后生成數(shù)字化﹑信息化文件,形成可視化地形圖。利用GIS技術(shù)建立空間數(shù)據(jù)庫。同時使用地理信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)三維建模。并采用遙感影像解譯和多參數(shù)綜合應(yīng)用等技術(shù)完成了數(shù)據(jù)挖掘與提取工作;在信息分析過程中運(yùn)用數(shù)據(jù)融合方法對原始物證進(jìn)行三維重建和識別,從而得到地質(zhì)體的屬性特征點(diǎn)分布情況;
(3)數(shù)字化處理技術(shù):利用云計(jì)算等先進(jìn)手段進(jìn)行模擬信號分析處理及傳輸﹑數(shù)字圖像壓縮格式轉(zhuǎn)換以及采集到的各類電子影像信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行保存;同時也可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件如GNSS系統(tǒng)對現(xiàn)場視頻錄像資料加以收集與整理并將其轉(zhuǎn)化為電文形式,實(shí)現(xiàn)礦山地理數(shù)據(jù)信息化和智能構(gòu)建。
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化系統(tǒng)構(gòu)建的總體思路是:首先,利用地質(zhì)資料,建立一個統(tǒng)一﹑集成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其次通過對大尺度空間信息量進(jìn)行分析和研究。最后在大尺度上實(shí)現(xiàn)了對各種地形地貌以及不同區(qū)域地貌特征等方面綜合評價。然后通過綜合評估模型來確定各功能模塊之間相互關(guān)系及參數(shù)配置情況下所需資源數(shù)量與分布情況;并根據(jù)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與處理系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)間耦合度,建立大型地質(zhì)礦山地理數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)﹑格式﹑輸入量等信息庫。
數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù),即在礦山地理數(shù)據(jù)信息化應(yīng)用系統(tǒng)中,首先對原始的地質(zhì)信息進(jìn)行分析和提取。將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對礦山地區(qū)自然景觀﹑地形地貌等要素的識別以及定位功能;其次利用GIS空間網(wǎng)格法建立數(shù)據(jù)庫模型并根據(jù)實(shí)際需要構(gòu)建相應(yīng)軟件程序來完成相關(guān)參數(shù)計(jì)算及結(jié)果輸出工作后即可得到最終所需數(shù)據(jù)成果,也就是三維地震記錄體數(shù)據(jù)化處理技術(shù),在該基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)地貌研究分析和預(yù)測。
礦山地理數(shù)據(jù)的信息化解決方案主要包括以下幾個方面:
(1)建立完善的信息數(shù)據(jù)庫。利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對大量復(fù)雜﹑難以處理和不易分析處理,但又具有較高價值,且能進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測與控制等特點(diǎn)而開發(fā)出一套針對不同地區(qū)地質(zhì)情況以及其發(fā)展規(guī)律而制定并實(shí)施起來并能夠有效指導(dǎo)各種類型工程項(xiàng)目的地質(zhì)工作及生產(chǎn)活動。
(2)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集方法。在礦山地理數(shù)據(jù)信息化過程中要充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)﹑軟件技術(shù)和微機(jī)原理,采用數(shù)字技術(shù)對礦山地理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集,并通過計(jì)算機(jī)軟件處理將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的圖像﹑文字等形式。同時在系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)庫﹑存儲和查詢功能。利用該平臺可以實(shí)現(xiàn)對大中型礦山工程地質(zhì)資料及各種相關(guān)參數(shù)的檢索分析處理以及綜合評價;還可根據(jù)不同類型工程項(xiàng)目需求選擇多種格式進(jìn)行分類管理,便于用戶操作使用及維護(hù)管理。
(3)聯(lián)合開發(fā)的數(shù)字地質(zhì)模型
通過集成多種數(shù)據(jù)源,將其與地質(zhì)災(zāi)害等多變量信息融合,建立一個綜合的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對礦山地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。在實(shí)際工作中可采用不同類型的模擬方法來完成對各種參數(shù)值進(jìn)行處理并得到相應(yīng)結(jié)果;利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件自動生成各類模型庫;還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬地質(zhì)過程中數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜情況下的動態(tài)觀測與研究﹑預(yù)測及管理等功能。
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化構(gòu)建的總體方案是:在系統(tǒng)中,主要包括了信息采集﹑處理和分析三個部分。
(1)信息采集指的是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對所得到的原始資料進(jìn)行收集并加以加工,然后以一定格式儲存起來。
(2)處理則是把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號或圖像等形式來表示出其本身屬性及參數(shù)值后形成一個完整而又直觀地圖形化模型。系統(tǒng)中包含了軟件與硬件兩個子系統(tǒng),大型礦山地理數(shù)據(jù)信息處理主要包括:地質(zhì)勘探﹑工程勘察和測繪。其中,地質(zhì)勘查工作是基礎(chǔ),在對地下管線進(jìn)行探測時需要利用人工的方法來完成。GNSS系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對空間地形圖實(shí)施動態(tài)觀測;同時也可以通過衛(wèi)星定位功能將地面與地下之間的關(guān)系展現(xiàn)出來并建立起三維模型從而為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持及參考依據(jù);還能根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)所存在各種地質(zhì)體和構(gòu)造情況,采用多層次綜合分析手段。
(3)大型礦山地理數(shù)據(jù)信息的分析,其主要是通過以下幾個方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn):其一,地質(zhì)構(gòu)造﹑地震等相關(guān)參數(shù)對地下管線的分布和位置有著非常大影響。在實(shí)際工作中由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層巖性具有較大差異以及不同類型地震活動造成了大量地面沉降現(xiàn)象。因此要想解決這一問題就必須將勘探技術(shù)結(jié)合起來以提高勘測精度為前提進(jìn)行勘察設(shè)計(jì);其二,大型礦山地理數(shù)據(jù)信息在采集過程中會受到諸多因素干擾而產(chǎn)生各種誤差甚至是錯誤的結(jié)果。
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建的實(shí)現(xiàn),需要對系統(tǒng)進(jìn)行功能展示。在功能上,首先是系統(tǒng)中各模塊之間能夠正常工作﹑運(yùn)行并相互兼容;其次就是信息采集過程中所涉及到的各種參數(shù)和屬性等都要一一顯示出來以供使用者查看使用;再次則是從信息數(shù)據(jù)庫里獲取相關(guān)資料后再根據(jù)不同用戶需求來提供相應(yīng)服務(wù)。
大型礦山地理數(shù)據(jù)信息化與智能構(gòu)建是大勢所趨。通過對大型地質(zhì)物數(shù)據(jù)的采集和分析,可以實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害﹑礦產(chǎn)資源以及環(huán)境變化等信息進(jìn)行綜合評價,并為相關(guān)部門制定相應(yīng)政策提供參考。