GIS在礦業系統中的應用現狀與展望

王雷鳴 尹升華

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

·地質與測量·

GIS在礦業系統中的應用現狀與展望

王雷鳴1,2尹升華1,2

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

地理信息系統(Geographic Information System,GIS)具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息等功能，作為一門融合地理學、地圖學、遙感技術和計算機科學的綜合性學科，近年來在礦業系統中得到了廣泛的應用研究。結合近年來該領域的最新研究成果，圍繞礦山地質勘查與評價、礦山機械及工作人員定位、礦井通風網絡模擬、礦山邊坡穩定性與采空區塌陷等災害的監測與預警、礦區環境監測及礦山復墾等方面對GIS在礦業系統中的應用現狀進行分析。在此基礎上，分別從大型礦山GIS空間數據庫與云GIS的構建，礦區環境與穩定性監測過程中“3S”等多元技術的融合，構建Interoperable GIS以實現礦山數據庫共享，以3D/4D GIS為代表的GIS多維化發展，礦山生產管理過程中空間可視化技術與虛擬現實技術的有機結合等方面對GIS在礦業系統中的應用方向進行展望，為礦山數字化建設提供參考。

GIS 礦業系統 研究現狀 展望

礦山數字化、信息化與可視化是礦山未來發展的必然趨勢。GIS由于具有多源地學信息的綜合管理，多源地學信息的空間查詢，空間信息疊置分析，緩沖區分析，空間實體統計，強大的數據采集、調度管理及空間可視化分析等功能[1-2]，因而近年來在礦山開采影響環境評價[3-4]、開采沉陷規律研究[5-7]、礦區滑坡穩定性監測[8]、礦山動態管理[9]、礦山地質災害評價[10]、礦山重金屬污染評價[11]、礦區測量[12]等方面得到了廣泛的應用研究。為此，通過對現有的研究成果進行適當總結，并對GIS在該領域的發展方向進行展望，為提高礦山數字化水平提供參考。

1 GIS概述

GIS以地球科學基礎，用以獲取、存儲、編輯、處理、分析、顯示和輸出地理數據的系統，具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息等特點，主要通過描述空間分布格局、地理概念模型、空間關系、人的一些行為活動特征幫助人們加強對地理空間的認知[13-14]。GIS是從幾何特征、時空屬性、地理語義和空間計算的維度來構建地理學語言的表達方式[15]，表達內容包括地理實體及其空間關系、不確定性[16-17]、地理動態及地理本體、對地理世界的認識差異[18]等。

GIS在礦山應用廣泛，主要針對礦山地質、測量、井下生產、安全、供電、通訊、通風、供風供水、排水等系統，進行實時或空間、屬性數據采集，采用數據庫技術對數據進行圖數一體化的集中統一管理。基于GIS的礦業工程系統結構如圖1所示。

圖1 基于GIS的礦業工程系統結構

2 研究現狀分析

2.1 礦產勘查與評價

現代地理信息系統出現之前，地圖作為地理空間信息表達與傳輸的基本工具，實現了對地理空間及地理對象的精確表達[19-20]。當前，GIS已逐步取代地質繪圖板，被普遍應用到礦產勘查工作的各個方面，實現了地質制圖的全盤數字化。利用GIS技術，將原始的空間地質、物理信息、化學信息、遙感數據及成礦信息等加以整合，形成便于礦產預測的圖層。通過多個圖層的疊加，不僅可以收集及核查各類數據，而且可以使用圖層對數據進行有序管理。

在礦產勘查方面，G.Partington[21]基于GIS構建了地質評估與經濟風險模型，并將該模型應用于Oman北部的Semail蛇綠巖帶中的VMS銅金礦產勘查；A.A.Madani等[22]基于GIS環境，構建了Bulghah金礦區的集成地理數據集，利用加權體系對空間數據與不同的地理數據集進行了整合；K Sprague等[23]在3D GIS環境下，構建了礦產勘查的定向查詢方式，實現了探針對象鄰近區域查詢、數字屬性查詢、閉曲面殼體查詢等功能，獲取數據并分析得到了礦體賦存條件。可見，GIS在該領域的應用取得了一定的成效，但是：①現有礦產勘查的時空數據模型大多將時間作為屬性看待，并未將時間和空間作為對等的維度參與表達與分析,因此，難以支持復雜地理實體或連續地理現象的描述及地理過程分析[24-26]；②以時空分離為主要特征的GIS往往僅能給出特定時刻的地學現象的狀態變化情況，對動態地理現象表達與分析能力不強，不能很好地支持依賴于時空狀態與結構連續變化的復雜礦體揭露、發展、演化過程的表達與建模。

2.2 生產調度的“三化”管理

2.2.1 露天及井下機車調度信息化

機車調度信息化是在無線局域網支持下，將GPS技術和GIS技術結合，通過實時信息采集，將露天礦生產過程中移動終端設備的位置、狀態等信息傳輸至調度中心，調度中心通過分析和轉換，實現礦山生產過程的實時監控，并將調度命令發送給各移動終端。對此，張陽等[27]利用GIS軟件中的MapX模塊，以VB為開發平臺，構建了一種基于GIS的井下機車區域定位檢測系統，實現了井下機車運行狀況的實時模擬。該系統主要由機車檢測器、檢測分站與井上控制中心等3部分組成，通過檢測器上傳機車的實時數據，對機車車號、車速、荷載情況等信息進行統計，匯總至井上控制中心，控制中心對井下機車車況進行實時監控。

2.2.2 露天礦生產配礦數字化

配礦的目的是降低礦石品位的波動程度，提高礦石質量的穩定性，減少經濟損失和提高礦產資源的綜合利用率。通過利用GIS技術，構建線性規劃模型，建立集短期配礦計劃以及礦石工序流程質量控制的生產配礦動態管理體系，實現了對礦石質量的實時控制。為了提高配礦效率，Gu Qinghua等[28]基于GIS/RS/CPRS技術，構建了露天礦配礦動態管理系統，實現了礦石品位控制、配礦計劃的自動編制與配礦過程的實時監測，在生產中取得了較好的效果。

2.2.3 礦區消防、管線與人員可視化

礦區消防滅火系統理論上包含GIS子系統、主業務子系統、空間分析子系統與脫機模塊子系統等4個部分，通過所構建的空間數據庫呈現的電子地圖，能夠對礦區突發火災進行迅速定位，確定火災救險的最佳方案與人員逃生的最優路線，實現對礦區消防的信息化。針對煤礦消防特點，徐效波等[29]基于GIS，在Supermap平臺上實現了避災路徑、運輸網絡、通風網絡、供電網絡、給排水網絡等分析功能，成效較為顯著。

礦山生產調度的信息化、數字化與可視化的建設，在很大程度上消除了井下盲區，提高了井下生產的安全性。但是，目前基于GIS實現礦山生產調度仍主要呈現于二維平面“切片”，對于GIS數據的分析主要以圖層形式進行展現，缺乏虛實融合技術的實景展示與實時交互，虛擬場景與真實作業場景難以進行有機集成，難以實現觀察空間、感知空間與三維虛擬空間的有效融合。此外，作為GIS最重要主體的“人”缺乏參與性，礦山人員難以有效置入虛實融合場景中全方位觀察地理現象的分布及其演化過程。因此，有必要引入虛擬現實技術、人機交互技術來增強礦山生產調度的直觀感，提高礦山生產調度效率。

2.3 通風網絡的仿真模擬

目前，國內外大中型礦山均配備有安全監測系統，但在信息處理、監控方式、預測預警、動態圖像顯示等方面仍存在不足，將GIS技術應用于通風系統，實現礦山通風信息的數字化管理，可為礦山生產管理部門對礦井通風安全信息的管理、查詢、統計分析提供一條新的有效途徑。對此，張敬宗等[30]基于GIS技術，構建了礦井通風系統圖的三維數據模型和幾何模型，利用OpenGL中的拾取機，以ADO作為數據庫引擎，開發了三維GIS礦井通風信息系統，實現了礦井通風系統的三維可視化建模和風流模擬。陳寧等[31]開發了基于GIS的礦井通風信息系統，結構如圖2所示。

圖2 基于GIS的礦井通風信息系統

基于GIS的通風網絡模型可以實現巷道風流建模、風流動態模擬與實時監測等功能，有助于確保巷道風流順暢與保障井下人員作業安全。此外，若將GIS定位功能、預警理論體系與災后救避險路徑模擬系統相結合，建立礦井通風預警、預控以及逃生的完整系統，那么對于提高礦井通風安全，將具有更為重要的意義。

2.4 爆破作業建模與分析

對于爆破作業建模的研究思路是：基于GIS三維顯示、空間分析功能，利用數字高程模型(Digial elevation model,DEM)[32]數據疊加遙感影像，構建地表層，并結合MultiPatch構建的地質地層，生成礦山模型，構建炮孔、爆破模型，分別實現對礦山爆破開采過程中的爆破振動效應、爆破噪聲污染、爆破及采場運輸最優路徑的建模和分析。根據該思路，J.D.McCarthy等[33]基于3D GIS，構建鉆孔信息系統，通過該系統在復雜查詢、添加簡單輪廓面及巖層地層探查等方面的交互操作，使作業人員能夠突破紙面數據與平面地圖的瓶頸，獲得數據的空間模式。此外，池秀文等[34]經過研究，構建了爆破作業模型，如圖3所示。該模型實現的主要功能為：①依據地震振動影響、空氣沖擊波影響、噪聲影響等評價因子對爆破決策進行評價；②對爆破炮孔、爆堆形態、爆破粉塵等因素進行爆破動態模擬；③依據最小成本原則，模擬爆破過程；④實現對爆破沖擊波危害、爆破振動危害的統計，得到了爆破的數值模型。但該模型缺乏在巷道深部受力變形監測、水體實時監測等方面的功能，因而不能完整反應爆破過程對區域巖體的影響。

圖3 基于GIS的爆破作業模型

2.5 礦山穩定性監測

GIS技術在礦山穩定性監測方面的應用主要是指露天礦邊坡位移監測GIS可視化、開采區沉陷變形監測。對于露天礦邊坡穩定性監測，首先建立包括屬性數據和圖形數據的GIS基礎數據庫，然后依托ArcGIS軟件操作平臺，實現露天礦邊坡位移監測數據GIS可視化研究分析。在該方面，于廣明等[35]基于GIS的地表沉陷預計程序模型架構，開發了新的地表沉陷預計程序，為礦山開采設計和災害評估提供了依據。M.Mergili等[36]提出了一種基于GIS技術能夠處理淺、深層次邊坡失穩的三維邊坡穩定性模型，稱為R.Rotstab模型，隨機選擇大量橢圓形或截頭形滑動面，完成了對邊坡穩定性的評估。此外，靳建明等[37]構建了基于GIS的礦山穩定性監測模型如圖4所示。

圖4 基于GIS的礦山穩定性監測模型

GIS可以很好地實現礦山穩定性的可視化顯示，提高對地下工程與露天邊坡的可控能力。但是，缺乏虛實融合技術的場景展示和實時交互，虛擬場景與真實場景難以進行有機集成。因此，有必要將GIS技術與虛擬現實技術進行有機結合，將“人”有效地置入虛實融合場景中，從而實現全方位監測礦山穩定性及其演化過程。

2.6 礦區環境監測與礦山復墾

對于礦區環境監測，是基于GIS中的礦業環境信息系統MEIS實現的。MEIS是隸屬于GIS的一個分支，它以GIS軟硬件作為基礎，利用遙感圖像或礦區已有地形圖、地質圖等礦圖進行掃描或數字化，建立礦區幾何數據庫。通過對礦山生產、經營、管理各種信息進行整理，輸入礦區環境相應的屬性數據建立屬性數據庫，從礦山(區)生產與管理的實際出發，確立二次開發建立的應用模型，對系統進行整體調整與完善，從而建立MEIS系統。

根據該思路，文獻[38]應用RS和GIS技術，通過監測煤礦火災，估算燃煤造成的溫室氣體排放量，觀測井下開采所引起的地面沉降以及廢棄礦點至填海區的環境污染情況，考察并監測煤礦火災、煤礦塌陷、煤礦關閉和復墾對礦區周邊環境的影響。侯湖平等[39]采用生態景觀學理論并結合RS與GIS技術，分析了采礦對礦區景觀生態影響的變化規律，從生態修復適用范圍、模式、技術等方面提出了礦區生態修復的策略。S.M.Kim等[40]基于GIS中一種用于礦區復墾計劃的ArcMine模型，構建一個摻入地形圖，地質圖、防雷漂移地圖和鉆孔數據的空間數據庫，實現分布式礦井危險度、礦區周邊環境破壞監測以及礦區復墾計劃規劃。

將GIS技術應用于礦山塌陷災害預測與評價，對于提高礦山土地復墾效率有一定的幫助，但現有的研究成果主要集中于時空礦山數據的壓縮存儲、快速提取、可視化表達與遠程調度等方面[41]。隨著礦山信息采集、存儲、傳輸、應用環境的發展以及礦山環境的日益復雜，多源混合、海量、具有時態特征的礦山數據的索引問題將更為突出。

3 展 望

3.1 礦山大型GIS空間數據庫與云GIS

礦山大型GIS空間數據庫是指由礦山地質數據、鉆探數據、井巷數據、生產過程中機車人員實時數據等構成的數據庫，該類數據庫的真正價值在于構建了各種異構數據之間的關聯性[42]。當前，礦山GIS系統仍缺乏強大的數據庫支持，對于用戶指定的要素無法進行合理的顯示，該類要素主要包括：①基于式樣的要素(點、線與多邊形)的有序集合；②諸如數字高程模擬和影像的柵格數據集、網絡、地形及其他地表、測量數據集、其他類型數據。當前礦山GIS不能充分滿足海量數據分析的需要，而面向礦產勘查數據的嚴重缺失，無法確保礦產勘查結果的準確性。因此，構建礦山大型GIS空間數據庫將是GIS在該領域的一個發展方向，一方面滿足用戶數據分析的需求，另一方面為礦產勘查提供強有力的數據支持。

云GIS的實質是將GIS平臺、軟件和礦區地理空間信息能夠方便、高效地部署到以云計算為支撐的“云”基礎設施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務[43]。在云GIS大環境下，最大的改變就是GIS平臺所有的技術點都將“暴露”成多項可調用、可訪問的服務，一切都是開放性的、以服務的形式展現，整個產品是一個具有松耦合、可移動、可伸縮性和自適應性的架構。必須強調的是，云計算絕不僅僅是局部應用模塊的虛擬化，而是包括存儲、數據庫(空間數據庫)在內，整個基礎架構都將以服務形式來提供[45]。 在未來“大數據”環境下，隨著大型GIS空間數據庫以及云GIS[45]的發展，將實現礦山多個數據庫間的數據無障礙共享。

3.2 “3S”等多元技術融合

“3S”技術是指遙感技術(Remote Sensing,RS)、地理信息系統(Geographical information System,GIS)、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)為代表的多元技術集合，是礦區環境和穩定性監測發展的重要方向。在該方面，Li Xiao等[46]基于GIS，通過構建反應生態環境現狀、生態敏感性與景觀空間結構的生態脆弱性指數，對阜新礦區總體規劃環境的影響進行評價，并基于ArcGIS軟件以條帶狀的5個級別進行呈現。

通過“3S”等多元技術的融合，可以實現礦區周邊環境污染監測、礦區地表沉降塌陷監測、露天礦邊坡位移與變形監測、對露天礦爆破作業過程中的炮孔位置精確定位等。其中，RS主要用于礦山地理信息采集與提取；GPS主要用于對遙感圖像以及從中提取的信息進行定位，賦予坐標，使其能與“電子地圖”進行套合；GIS則是存儲與管理信息的信息庫，最終形成了一個動態的、可視的、不斷更新的、通過計算機網絡能夠傳輸的、三維立體的、不同地域和層次都可以使用的、“活”的系統。

3.3 Interoperable GIS

“Interoperable GIS”即“互操作地理信息系統”，所謂互操作，就是指在異構環境下2個或2個以上的實體，盡管它們實現的語言、執行的環境和基于的模型不同，但它們可以互相通信和協作，完成某一特定任務。對此，M.Breunig等[47]基于GIS組件，建立了面向對象的耦合數據庫管理系統，將所有的數據以及3D模型存儲于擴展的數據庫中，地質和地球物理3D建模工具必須通過公共對象請求代理體系結構(COREA)直接訪問數據庫，如此便間接的實現了礦業信息的交互共享。對于礦業系統而言，利用Interoperable GIS可以將不同的礦山數據庫數據通過實現和使用規范所描述的公共接口模板進行互操作，從而解決地質與鉆探數據的共享問題，促進礦山間技術與管理經驗交流。

3.4 3D/4D GIS

GIS雖然具有空間分析功能，但空間分析功能僅停留在空間幾何分析層面上，且以較簡易的圖形、圖層分析為主，未能提供大量的以數據操作為主的空間分析功能。隨著3D GIS的發展，利用3D GIS分析處理礦區井巷的三維數據、地下作業人員與管線信息，實現露天礦邊坡表面變形地貌與炮孔的三維定位等應用效果仍不理想。GIS多維化的發展是與礦山數據庫構建與共享相配合的，隨著礦山大型數據庫的建設與共享機制的建立，在3D GIS的基礎上開發4D GIS來處理礦山四維數據，不斷完善GIS空間分析功能，將是一項十分有意義的工作。

3.5 空間可視化技術與虛擬現實技術相結合

在空間可視化方面，P.Ghadirian等[48]基于GIS的建模與離線增強現實(AR)技術，采用真實物體的紋理信息，增強現實的全景視頻幀動態與模擬的時間變化的橫向視圖之間的聯系，來研究澳大利亞某區域14 a期間的雜草傳播動態，取得了較好的效果。虛擬現實技術是由實時三維計算機圖形技術，廣角(寬視野)立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等多種技術所組成技術體系。

將空間可視化技術與虛擬現實技術相結合，可以對礦區地質地形、井下生產作業過程中人員與機車行動進行仿真模擬。通過對礦體、圍巖、礦井風流狀況、地應力場等進行交互式觀察與分析，將會提升對于礦區環境認識的精確程度，井下生產與露天開采過程中人員機械的可控能力，機電線路等設備安全的可視化程度等。隨著可視技術與虛擬現實技術的應用，有助于逐步實現礦山生產管理過程的數字化。

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(責任編輯 王小兵)

Application Status and Prospect of GIS in Mining System

Wang Leiming1,2Yin Shenghua1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducationBeijing100083，China;2.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)

Geographic information system (GIS) has plenty of functions，such as acquisition，management，analysis and output of a variety of geographic spatial information and so on.As a comprehensive discipline combined of geography，cartography，remote sensing technology and computer science，it has been widely applied and researched in recent years.Combing with the latest research results in this field，the application status of GIS in mining system have been analyzed from the aspects of mine geological prospection and evaluation，mining machinery and personnel position，mining ventilation network simulation，mine slope disaster monitoring and early-warning，mine environment monitoring and mine reclamation and others.Based on this，the directions of GIS in mining system with representative of 3D/4D GIS are prospected from the aspects of constructing large-scale mining GIS spatial database and cloud GIS，integrating with GIS，RS，GPS in mining environmental monitoring and stability process，and constructing interoperable GIS,combination with the spatial visualization and virtual reality technology in the process of mining production management so as to provide some reference for construction of digital mine.

GIS，Mine system，Research status，Prospect

2015-03-01

國家自然科學基金項目(編號：51374035)，教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(編號：NCET-13-0669)，全國優秀博士學位論文作者專項資金項目(編號：201351)。

王雷鳴(1991—)，男，碩士研究生。通訊作者 尹升華(1981—)，男，教授，博士，博士研究生導師。

TD672

A

1001-1250(2015)-05-122-07