裔紅艷,陳鎖忠,肖鎖云

(1.蘇州大學(xué)檔案館,江蘇蘇州215021;2.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210046)

0 引言

礦山地質(zhì)圖件是用來(lái)反映礦體的形狀、地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)品位的空間分布、井下巷道的空間關(guān)系等圖件的總稱[1]。它是礦山建設(shè)與開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),在礦業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。礦山地質(zhì)圖件主要包括礦區(qū)地形圖、工業(yè)廣場(chǎng)平面圖、井底車場(chǎng)平面圖、采掘工程平面圖、主要巷道平面圖、井上下對(duì)照?qǐng)D、井筒斷面圖以及巷道、井筒、硐室、石門等地質(zhì)素描圖[2]。在未引進(jìn)信息化技術(shù)之前,所有的礦山地質(zhì)圖件均采用人工繪制[3-4]。傳統(tǒng)的人工繪制方法需要投入大量人力以及花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,已不能適應(yīng)現(xiàn)代化礦山建設(shè)的需要。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了礦山機(jī)助制圖技術(shù)。目前礦山機(jī)助成圖系統(tǒng)大都是在AutoCAD等軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的,僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的成圖系統(tǒng),各種礦山地質(zhì)圖件之間相對(duì)獨(dú)立,缺少必要的聯(lián)系和數(shù)據(jù)共享,而對(duì)于屬性數(shù)據(jù)則是以資料、手冊(cè)形式保存。對(duì)于這種成圖方式,制圖技術(shù)人員的工作量仍然很大,而且空間信息與屬性信息分離管理,既不能實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的一體化管理,也不能反映實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系和圖形的空間分析功能,更不能滿足礦山建設(shè)中信息的深層挖掘與業(yè)務(wù)分析等需求。

隨著GIS技術(shù)在礦山行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用,該技術(shù)逐漸改變了傳統(tǒng)地測(cè)資料和礦山地質(zhì)圖件的管理和制圖方式,實(shí)現(xiàn)礦山地測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化與現(xiàn)代化管理。根據(jù)采集的地測(cè)資料數(shù)據(jù),通過(guò)幾何運(yùn)算,運(yùn)用GIS拓?fù)浞治黾夹g(shù),生成礦山巷道內(nèi)的各個(gè)要素,并且利用-GIS可視化技術(shù),以圖形形式直觀顯示,反映礦山采礦層中礦石分布情況與品位結(jié)構(gòu)等信息,為礦山管理提供輔助決策支持。但是,基于-GIS技術(shù)的礦山地質(zhì)圖件自動(dòng)或半自動(dòng)繪制系統(tǒng)還不成熟,系統(tǒng)組成與功能、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案有待于研究。筆者針對(duì)目前基于-GIS技術(shù)的礦山地質(zhì)圖件自動(dòng)或半自動(dòng)繪制過(guò)程中存在的問(wèn)題,以金屬礦山巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)或半自動(dòng)繪制系統(tǒng)為例,探討基于Map GIS的金屬礦山巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)或半自動(dòng)繪制系統(tǒng)組成框架、支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型,為礦山其他地質(zhì)圖件自動(dòng)或半自動(dòng)繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究提供思路。

1 采礦巷道概況

采礦巷道是地下采礦時(shí),為采礦提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、動(dòng)力供應(yīng)等而掘進(jìn)的通道[5]。根據(jù)巷道長(zhǎng)軸線與水平面的關(guān)系分為直立巷道、水平巷道與傾斜巷道。其中直立巷道長(zhǎng)軸線與水平面垂直,包括立井、盲立井;水平巷道(進(jìn)路與聯(lián)絡(luò)道)的長(zhǎng)軸線與水平面近似平行,如平硐,直接與地面相通;傾斜巷道的長(zhǎng)軸線與水平面呈一定角度,如斜井、上山道或下山道、斜坡道和天井等。巷道斷面形狀多為拱形、梯形或矩形,圍巖松軟的為圓形、橢圓形或馬蹄形。本文中研究對(duì)象是金屬礦山開(kāi)采中較為普遍的水平巷道。

2 水平巷道地質(zhì)素描圖組成要素

水平巷道(進(jìn)路與聯(lián)絡(luò)道)地質(zhì)素描圖是在巷道素描模版上反映巷道內(nèi)礦體、圍巖的產(chǎn)狀以及各種地質(zhì)構(gòu)造破碎帶的分布情況,還附加一些水文地質(zhì)等信息的平面圖。巷道地質(zhì)素描圖采用“兩幫一頂”,將巷道立體圖展開(kāi)得到巷道平面展開(kāi)圖(圖1)。根據(jù)金屬礦山管理業(yè)務(wù)需求,巷道地質(zhì)素描圖主要由基本信息、地層信息、構(gòu)造信息、水文地質(zhì)信息、刻槽樣軌信息與樣品化驗(yàn)信息組成。其中基本信息包括巷道編號(hào)、控制點(diǎn)、長(zhǎng)度、寬度、高度、方位角、掘進(jìn)時(shí)間及其文字描述、編錄信息等;地層信息包括礦巖類型、分布點(diǎn)集合與巖層描述等;構(gòu)造信息包括構(gòu)造類型、位置與屬性描述等;水文地質(zhì)信息包括滴水點(diǎn)、涌水點(diǎn)、淋水段與潮濕段等;刻槽樣軌信息包括編號(hào)、控制點(diǎn)、樣數(shù)、取樣方向與取樣時(shí)間、取樣人等;樣品化驗(yàn)信息包括普通樣與組合樣化驗(yàn)信息。水平巷道地質(zhì)素描圖組成與結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 采礦巷道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch Map of Mining Roadw ay Structure

3 巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)繪制業(yè)務(wù)流程

圖2 水平巷道地質(zhì)素描圖組成與結(jié)構(gòu)Fig.2 Constitute and Structure of Aclinic Roadway G eological Sketch Picture

圖3 巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)生成業(yè)務(wù)流程Fig.3 Business Process for Automatic G eneration of Roadway G eological Sketch Picture

巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)生成系統(tǒng)主要用于新增采礦巷道地質(zhì)素描圖的自動(dòng)繪制[6]。其自動(dòng)繪制的業(yè)務(wù)流程(圖3)為:①地測(cè)信息管理技術(shù)人員接受采礦巷道地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)并審核編錄數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求,若符合規(guī)范要求則可錄入系統(tǒng)用于繪制地質(zhì)素描圖,否則返回重新修改與整理;②根據(jù)地質(zhì)素描圖繪制要求,將地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)錄入到系統(tǒng),包括巷道寬度、長(zhǎng)度、兩側(cè)的高度,并對(duì)錄入數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),然后依據(jù)錄入數(shù)據(jù)生成地質(zhì)素描圖繪制模版,并將錄入的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù);③根據(jù)地質(zhì)編錄數(shù)據(jù),利用量算工具,標(biāo)注繪制地質(zhì)素描圖標(biāo)征點(diǎn),提取標(biāo)征值并保存到數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)輸入地質(zhì)素描圖的基本信息與巖性描述內(nèi)容,并保存到數(shù)據(jù)庫(kù);④利用系統(tǒng)提供的工具,聯(lián)接需要連接的標(biāo)征點(diǎn),拓?fù)浞治鲂纬捎嘘P(guān)的特征面,并填充巖性符號(hào)與注記,同時(shí)調(diào)用礦巖分析測(cè)試數(shù)據(jù),標(biāo)注樣軌與樣品編號(hào)以及分析結(jié)果數(shù)據(jù),最終生成標(biāo)準(zhǔn)巷道地質(zhì)素描圖。對(duì)于生成標(biāo)準(zhǔn)的巷道地質(zhì)素描圖,既可打印輸出,也可保存到地質(zhì)素描圖數(shù)據(jù)庫(kù),以便查詢調(diào)用。

4 巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)組成模塊

根據(jù)巷道地測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、巷道地質(zhì)素描圖的組成內(nèi)容與結(jié)構(gòu)特征,巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)主要由8個(gè)模塊組成。

4.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)的基本模塊,它提供了巷道地質(zhì)素描圖組成要素的空間位置與內(nèi)部屬性等信息。涉及的數(shù)據(jù)主要有巷道地測(cè)數(shù)據(jù)、硐室、礦巖分析數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊主要有數(shù)據(jù)的錄入、編輯、入庫(kù)、查詢與統(tǒng)計(jì)、輸出,數(shù)據(jù)備份等。

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊

巷道掘進(jìn)過(guò)程采集的數(shù)據(jù)有的是基于平面坐標(biāo)系,有的是基于地質(zhì)素描圖所在的模版坐標(biāo)系,在地質(zhì)素描圖生成過(guò)程中需要把基于平面坐標(biāo)系的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成基于地質(zhì)素描圖的模版坐標(biāo)系上的坐標(biāo),即解決巷道內(nèi)各要素在地質(zhì)素描圖模版坐標(biāo)系上的定位問(wèn)題。

4.3 巷道素描圖模版自動(dòng)生成模塊

根據(jù)巷道地質(zhì)素描圖繪制業(yè)務(wù)規(guī)則,讀取繪制巷道地質(zhì)素描圖框架的基本數(shù)據(jù)(巷道的頂寬、側(cè)高與巷道長(zhǎng)度),自動(dòng)生成巷道地質(zhì)素描圖的框架,包括巷道中心線、巷道頂界面與兩幫控制線、巷道入口、石門等。

4.4 組成要素繪制模塊

根據(jù)地質(zhì)編錄數(shù)據(jù),利用提供的量算工具,在巷道地質(zhì)素描圖模版上標(biāo)注素描圖的標(biāo)征點(diǎn),連接需要相連的標(biāo)征點(diǎn),通過(guò)多邊形裁剪與拓?fù)浞治鲂纬上鄳?yīng)的特征面,從而生成礦巖類型、面狀構(gòu)造、涌水段與潮濕段等幾何多邊形以及其他點(diǎn)狀與線狀要素[7-8]。

4.5 礦巖類型與面狀構(gòu)造填充模塊

根據(jù)礦巖類型、面狀構(gòu)造、涌水段與潮濕段等在巷道地質(zhì)素描圖上的可視化表達(dá)形式,調(diào)用地質(zhì)圖元符號(hào)庫(kù)中相應(yīng)的面狀圖元,根據(jù)規(guī)定的填充方式,如礦巖類型只需填充礦巖分界線兩側(cè)2 cm寬范圍,填充各個(gè)面狀要素。

4.6 刻槽樣軌自動(dòng)生成模塊

刻槽樣軌數(shù)據(jù)及其礦巖測(cè)試數(shù)據(jù)皆置于屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中,模塊可根據(jù)巷道地質(zhì)素描圖中刻槽樣軌的可視化表達(dá)規(guī)則,直接調(diào)用刻槽樣軌數(shù)據(jù)生成刻槽樣軌,并以樣軌圖元符號(hào)標(biāo)注到巷道的北幫1.2 m高處。

4.7 自動(dòng)注記模塊

針對(duì)巷道地質(zhì)素描圖中各個(gè)組成要素,根據(jù)各自的注記內(nèi)容與注記規(guī)則,從屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的注記數(shù)據(jù),標(biāo)注到組成要素相應(yīng)的位置上。

4.8 巷道綜合地質(zhì)素描圖生成模塊

圖2中巷道綜合地質(zhì)素描圖主要由巷道基本信息、巷道地質(zhì)素描圖與礦巖測(cè)試數(shù)據(jù)組成。根據(jù)定義的巷道綜合地質(zhì)素描圖模版,自動(dòng)讀取巷道基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)、礦巖測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)與地質(zhì)素描圖數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的屬性與圖形數(shù)據(jù),生成符合條件的巷道綜合地質(zhì)素描圖。

5 巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)繪制數(shù)據(jù)模型

5.1 邏輯數(shù)據(jù)模型

根據(jù)巷道地質(zhì)素描圖各類信息的具體內(nèi)容及其彼此之間的邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)繪制的數(shù)據(jù)邏輯模型如圖4。

5.2 空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型主要用來(lái)反映采礦巷道的空間信息,它由空間對(duì)象實(shí)體模型與實(shí)體之間空間拓?fù)潢P(guān)系組成。根據(jù)采礦巷道地質(zhì)素描圖的組成要素及其幾何形態(tài),主要有點(diǎn)、線、面3種空間對(duì)象實(shí)體。其中點(diǎn)對(duì)象有控制點(diǎn)、滴水點(diǎn)與涌水點(diǎn);線對(duì)象有刻槽樣軌、礦巖類型分界線、線狀地質(zhì)構(gòu)造、石門等;面對(duì)象有礦巖類型、面狀地質(zhì)構(gòu)造、淋水段與潮濕段等[9-11]。組成巷道地質(zhì)素描圖的各個(gè)要素之間存在拓?fù)潢P(guān)系。巷道內(nèi)各要素的拓?fù)潢P(guān)系如圖5。

6 巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

6.1 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)環(huán)境

圖4 巷道地質(zhì)素描圖自動(dòng)繪制的數(shù)據(jù)邏輯模型Fig.4 Logic Data Model of Automatic Drawing Roadway G eological Sketch Picture System

圖5 巷道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topological Structure of Roadway

采用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中采用面向?qū)ο蟮目梢暬９ぞ?Together,采用-UML對(duì)模型進(jìn)行形式化描述;數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)工具采用Power Designer;開(kāi)發(fā)工具采用-Microsoft Visual Studio.NET 2003平臺(tái),可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C#;GIS平臺(tái)采用Map GIS;數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用SQL Server2000。

6.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器體系架構(gòu)。按照分層次開(kāi)發(fā)、組件式結(jié)構(gòu)的思路,將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)持久層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層。

數(shù)據(jù)持久層封裝了使對(duì)象持久化的行為,從(或者向)永久存儲(chǔ)中讀取、寫(xiě)入、修改、刪除對(duì)象,將業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)具體巷道數(shù)據(jù)庫(kù)的依賴降低,提高數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的透明性及系統(tǒng)的靈活性。業(yè)務(wù)邏輯層是巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn),并負(fù)責(zé)處理用戶輸入的信息,根據(jù)輸入信息對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)做必要的操作,將操作結(jié)果反饋給用戶。巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)是客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的桌面應(yīng)用-GIS系統(tǒng),采用Windows Forms開(kāi)發(fā)表現(xiàn)層的用戶界面,GIS可視化控件采用Map GIS的可視化組件。

6.3 試驗(yàn)樣區(qū)與效果

試驗(yàn)樣區(qū)選擇上海寶鋼集團(tuán)梅山鐵礦,其位于南京市南郊,屬于大型陸相火山期后復(fù)合成因地下礦床,埋藏于地下36～578.15 m,礦石類型為磁鐵礦-假象半假象赤鐵礦-菱鐵礦型,以致密塊狀為主。整個(gè)礦區(qū)分為東采區(qū)、西采區(qū)和北采區(qū)。采礦工程分層高度12 m,進(jìn)路間隔10 m;垂直進(jìn)路的聯(lián)絡(luò)道間隔50 m。

試驗(yàn)巷道為礦區(qū)地下228 m礦層的某一采掘進(jìn)路,根據(jù)掘進(jìn)地質(zhì)資料,該巷道素描圖上涉及有點(diǎn)、線、面3種的空間要素。其中點(diǎn)狀要素包括控制點(diǎn)、滴水點(diǎn)、涌水點(diǎn);線狀要素包括門、刻槽樣軌;面狀要素包括礦巖類型、地質(zhì)構(gòu)造、淋水段、潮濕段。點(diǎn)狀要素采用注釋和子圖兩種類型表達(dá),面狀要素采用填充圖案表達(dá)。采用巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)生成的地質(zhì)素描圖如圖6、7。

圖6 處于編輯狀態(tài)的巷道地質(zhì)素描圖Fig.6 Roadway G eological Sketch Picture in Editing

圖7 巷道綜合地質(zhì)素描圖Fig.7 Integrated Roadw ay G eological Sketch Picture

7 結(jié)語(yǔ)

(1)從金屬礦山采礦巷道的領(lǐng)域模型出發(fā),采用面向?qū)ο蟮姆椒?將巷道地質(zhì)素描圖組成的空間實(shí)體要素抽象為點(diǎn)狀(控制點(diǎn)、滴水點(diǎn)與涌水點(diǎn))、線狀(礦巖類型分界線、構(gòu)造線、刻槽樣軌與石門線)與面狀(礦巖類型、面狀構(gòu)造、淋水段與潮濕段)3類空間實(shí)體,結(jié)合空間實(shí)體具體的空間拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建支持巷道地質(zhì)素描圖繪制的空間數(shù)據(jù)模型。

(2)根據(jù)巷道地測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、巷道地質(zhì)素描圖的組成內(nèi)容與結(jié)構(gòu)特征,巷道地質(zhì)素描圖繪制系統(tǒng)主要由地測(cè)數(shù)據(jù)管理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、巷道素描圖模版自動(dòng)生成、組成要素繪制、礦巖類型填充、刻槽樣軌自動(dòng)生成、自動(dòng)注記、巷道綜合地質(zhì)素描圖生成8個(gè)模塊組成。

(3)由于巷道地質(zhì)素描圖屬于二維平面圖,可采用GIS的圖層管理思想將組成素描圖的空間要素概括為點(diǎn)、線、面3個(gè)數(shù)據(jù)集,每個(gè)數(shù)據(jù)集劃分為若干圖層,針對(duì)每個(gè)繪制圖層,利用Map GIS繪圖與空間分析工具實(shí)現(xiàn)巷道地質(zhì)素描圖的繪制。

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