三維地理信息系統在礦山中的技術研究與應用

劉江 李向新

摘要：隨著高新科技技術的快速發展，地理信息系統已經開始廣泛地涉及到各個領域和行業。礦山地理信息系統的發展和創建也提上了日程，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的實際應用并未取得巨大的進展。因此，如果將地理信息系統與礦山完整地融為一體，通過地理信息系將數字信息數據與礦山地理關系進行整合，可以給礦山帶來巨大的社會效益和經濟效益，推動當地經濟的發展，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.

關鍵詞：礦山地理信息系統；地理信息系統；數字化

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的誕生是加拿大地理信息系統（CGIS）的建立。地理信息系統（GIS）是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。近年來GIS在計算機科學、數學、測繪科學、地理學等諸多學科快速發展的拉動下得到迅猛發展。本文主要介紹了地理信息系統在礦山中的應用和在Skyline平臺下礦山地理信息系統地形、地貌、建筑模型的構建以及系統的初步實現。

礦山地理信息系統在中國還是一個新概念，需要深入的研究理論基礎上不斷發展我國礦山地理信息系統的技術和應用?？梢悦鞔_地說，地理信息系統與礦山的結合在以后的礦山工業中必定受到重視，它對礦山工業的發展會起到巨大的推進作用。

1 地理信息系統的特點

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

為了能夠對空間數據的做出更好的研究，地理信息系統應該具備以下幾個前提條件：首先需要公共的地理定位基礎，即系統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進行。其次要將輸入信息進行數字化和標準化，對于來自系統外部的多種類的原始信息數據在輸入系統時要將由外部格式轉換成計算機可以分析處理的內部數據格式。最后需要多維的數據結構，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，系統的空間數據組織結構應是一個由空間位置（三維空間坐標及其拓樸關系）、時態數據和屬性數據所構成的多維數據結構。

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

所以，GIS的功能決不僅只局限于對現實存在的地理空間數據的采集、儲存、解決、運算、分析、顯示，也是現實世界的抽象模型，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生的或者主觀能動的動態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 地理信息系統在礦山中的應用

2.1 在礦山中GIS應用的必要性

礦山與其他普通山體差異很大，現代礦山一般都是范圍大，面積廣，地質條件差別明顯，主要表現為：礦系地層結構參差不齊，礦層走向的復雜多樣，礦層頂底板不穩定，地下水的威脅等等；生產方式多樣化，礦井生產同時使用的設備數目龐大復雜多樣。因此，礦山具有巨大的信息和數據類型，包含地質，礦業，測繪，經濟，建設，生產和經營等多項內容。數據可以通過文檔，表格，影像，圖像，數據庫等形式來承載。礦山數據有重要的經濟價值，大量的數據若不及時收集，儲存，管理，就會造成礦山數據丟失從而導致信息和經濟上的巨大浪費。

當前，礦山礦場的施工、開采過程、礦物的儲備、設備材料的信息、開采過后的數據信息的處理和整合基本停留在手動作業上，已經和企業現代化生產、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來滿足企業的內在需求。那么充分利用地理信息系統則是解決這一迫切需求的最好方法。

2.2 地理信息系統在礦山中的應用

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，節約生產成本，降低經費。通過對各種地質、礦山測量、經濟、技術參數的分析和處理，可使礦山企業的各級主管人員迅速、及時并直觀地查詢有關技術數據，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，為制定有關發展規劃和進行生產決策提供科學依據。

3 礦山地理信息系統的三維可視化

3.1 三維場景模型的建立

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

3.2 三維地形的創建

本文中的數據使用的是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，將高程數據和航片衛片數據經過Arcgis處理后加載到Terrabuilder構件中，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，系統登錄界面以及系統操作界面如圖6和圖7所示。

4 礦山地理信息系統的實現方法

地理信息系統的開發方法一般分為兩種：一種是獨立開發，即開發者在不依靠任何GIS平臺工具軟件的基礎上，從數據的采集、處理、編輯和分析輸出結果到系統的所有功能的實現算法都是開發者自行獨立設計完成的。另外一種是借助GIS平臺軟件集成的二次開發，即開發者可以利用GIS軟件的一些原始功能的基礎上通過可視化的開發軟件如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新的系統開發。

4.1 數據的錄入和輸出

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

4.2 數據的查詢和管理

可以通過實體間的拓撲關系來建立空間查詢從而實現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，礦山的數據時刻在進行著變化。所以需要對數據庫中的數據進行刪除、增加、修改來和開采過程相一致?？傊V山GIS要和礦山的現實情況相結合，用地理信息系統的知識和理論技術實現對數據輸入、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現在主要存在的問題

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并不適合用在礦山中，并且，在實現比較復雜的礦山地理信息系統時，數據的采集、應用模型的建立以及對數據的實時更新等方面的技術相比于國外還比較落后。礦山地理信息系統在我國作為一項較新的技術，起步較晚，未能夠得到很多礦山領導和技術人員當中得到充分了解。與國外水平和其他行業的GIS應用技術有一些差距。因此需要在今后加大研究力度，對礦山地理信息系統的重視度越高，那么它發揮的作用就越大。

6 結束語

礦山和地理信息系統的結合，不可否認的是在未來擁有非常廣泛的應用和廣闊的前景。礦山是一個結構復雜地質多樣的系統，而且范圍巨大，MGIS可以很好地三維化表達礦山。解決好數據的采集和數據及時的更新是當下的主要問題。充分地利用MGIS處理礦山數據，實現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濟效益，推動當地經濟的可持續發展，為地方做出巨大貢獻。

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