郭達志

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

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簡論礦山測量內涵和技術的演進

郭達志

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

[摘要]討論了礦山測量學科的特性及服務領域的拓展、學科技術裝備與研究方法的演進、礦山測量學科應用基礎理論的發(fā)展等問題；論述了近30多年來，中國礦山測量學科發(fā)展、演變的特點，即從傳統(tǒng)的主要圍繞礦產資源的勘探和開釆進行礦山(區(qū))的各種測量、計算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時考慮礦區(qū)的礦產和土地等自然資源的綜合開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護，開展相關的測繪和監(jiān)管工作。

[關鍵詞]礦山測量；學科內涵；技術演進；發(fā)展展望

Technology Evolution and Mine Surveying Connotation

礦山測量作為一門獨立的學科已有百年歷史，它首先是在德國、俄國和東歐等一些國家開始誕生的，特別是在俄國和前蘇聯(lián)時期取得過歷史性的重大發(fā)展。而在中國，礦山測量學科和事業(yè)主要是從1949年以后逐步繁榮發(fā)展起來的。

然而，礦山測量學科的服務領域、運用的技術方法和儀器裝備以及相關的基礎理論，隨著世界科學技術和社會經濟的發(fā)展與需求的不斷進步而呈現(xiàn)出不同的時代特征。

1礦山測量學科的特性及服務領域的拓展

1.1學科的綜合性、包容性和社會性

礦山測量學科從創(chuàng)建之日起就呈現(xiàn)出其交叉性、綜合性和社會服務性的特點。早期，主要體現(xiàn)在測繪學、地質學和采礦工程等學科相關理論和技術方法的綜合，以解決礦區(qū)地上地下的各種空間幾何、資源開采和環(huán)境保護的問題。與采礦學的交叉、融合主要體現(xiàn)在“開采沉陷與防治”課程的設置及其生產實踐中(早期一般稱謂“礦山巖層與地表移動”)。與地質學的交叉融合則主要體現(xiàn)在“礦體幾何學與礦產資源保護”課程及其礦山實踐工作中。

近20年來，由于社會經濟的發(fā)展和人們對生存環(huán)境認識的提高，本專業(yè)又分別吸收經濟學和生態(tài)環(huán)境學的一些知識，創(chuàng)建了“礦產經濟學”和“礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建”等課程，并且應用于生產實踐，體現(xiàn)出本學科具有多學科相互借鑒、相互交融、兼收并蓄，不斷適應時代變化和需求的特征和優(yōu)勢。

1.2學科的服務領域

傳統(tǒng)上，礦山測量學科的基本任務是：礦山地面和井下的測量與礦圖編制；巖層與地表移動的觀測、計算和預計評價；礦藏儲量調查、計算和制圖；礦山權益調查及礦山規(guī)劃設計資料的提供；礦山測量科技與教育等。

近30年來，隨著以“3S”(RS，GNSS，GIS)為核心的空間信息科技、計算機和通訊網絡等科技的迅猛發(fā)展和普及，以及人們對生存環(huán)境質量認識的提高，本學科在礦區(qū)自然資源開發(fā)和保護、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境信息的采集和環(huán)境保護中的作用日益顯現(xiàn)，學科的內涵和服務領域得到顯著拓展。例如，“3S”和空間信息技術的應用和研發(fā)；礦山與地下工程(管線)測量技術和數據處理；礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、土地復墾與生態(tài)修復；礦產資源信息采集、3D可視化與分析評價；礦產經濟等。可見，本學科近期發(fā)展、演變的特點是，從傳統(tǒng)的只是針對礦產資源的勘探、開發(fā)和開采而開展礦山(區(qū))的各種測量、計算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時考慮礦區(qū)的礦產和土地資源以及生態(tài)環(huán)境的勘測、開發(fā)、開采和保護而開展相關的測繪和監(jiān)管工作。

2學科技術裝備與研究方法的演進

2.1應用技術和儀器設備的發(fā)展

(1)光學—機械式儀器設備時代在20世紀50年代以前，本學科測量的對象(目標)主要是空間點的位置及其相互關系，測量的內容則主要是兩個點之間的距離、角度、高差及方位。所使用的儀器工具大體上是：皮尺或鋼尺、游標經緯儀、普通水準儀、測斜儀、羅盤以及通過天文觀測(觀測太陽或北極星)來確定方位，等等。

(2)光學—電子式儀器設備時代20世紀60年代以后，隨著光學與精密儀器科技的發(fā)展，各種型式的光學經緯儀取代游標經緯儀而被廣泛使用。同時，隨著集成電路和微電子等技術的迅速發(fā)展，各種型式的光電測距儀、電子經緯儀、電子速測儀、數字水準儀(配合條形碼水準尺)等儀器設備得到快速發(fā)展與普遍應用，從而作業(yè)的技術手段進入光學—電子方式時期。

特別是上世紀90年代以來，隨著GPS衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)性能和價格比的不斷提高，很快在測繪界得到廣泛應用，并促使測量技術和理念發(fā)生重大變革，即可以直接測定地面上和空中某一點位的三維坐標，并且定位和導航精度不斷提高。目前，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)和歐盟的加里略系統(tǒng)已逐步加入全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的系列,從而進入GNSS時期，使我們從平面測量進入空間測繪的新時代。此外，GNSS與TPS(電子經緯儀系統(tǒng))協(xié)同作業(yè)的技術方法在工程測量和礦區(qū)測量領域受到青睞。

(3)數字—電子式儀器設備時代20世紀80年代以后，各種型式的數字讀數、電子手簿(電子數據記錄存儲器)在光電測距儀、電子經緯儀、全站儀、電子水準儀、GNSS接收機等測繪儀器中得到廣泛使用。目前，許多電子手簿還具有一般的測量計算功能,如平距換算、計算高差、計算經緯儀導線點的三維坐標等。此外,通過接口和通信傳輸線還可以將外業(yè)測量的數據,傳輸到電子計算機中進一步存儲和運算。如果計算機再與繪圖儀連接后還可按所需的比例尺繪圖。目前，這種數字—電子式的測繪技術和方法還在不斷創(chuàng)新、優(yōu)化，向著更高水平、更廣泛應用的方向發(fā)展。

(4)數字—影像信息時代眾所周知，傳統(tǒng)的測繪科技基本上都是為了獲取目標的位置信息，然后編制各種圖件，如地形圖、礦圖和專題圖。期間，盡管航空攝影測量或地面攝影測量技術被廣泛應用，但并未擺脫點位信息獲取的傳統(tǒng)思路。

隨著空間信息獲取技術、遙感技術和地理信息系統(tǒng)，以及計算機數字圖像信息存儲、處理、表達和因特網信息傳輸科技的不斷發(fā)展，如今，不但能夠利用數字信息來表達地學目標乃至社會經濟狀況的空間位置、形態(tài)及其變化，還能夠應用數字和圖像信息來表征一些物理量(如重力、磁力、溫度、物質結構、電磁波譜等)特征的空間分布及其變化。上述地球資源、環(huán)境及社會經濟數據的信息都可用數字或圖形圖像形式表達，經數字化后可利用計算機或GIS進行處理、計算和存取，且通過有線光纜和無線衛(wèi)星通訊等方式傳輸，還可進行遠程互操作、數據或知識挖掘、多源數據融合與立體表達、虛擬仿真等，為礦區(qū)資源勘測、開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測與保護、社會經濟的協(xié)調發(fā)展服務。

當然，上述幾個時期的劃分并不是絕對的，前后會有重疊，且不同囯家或者同一國家的不同地區(qū)和行業(yè)之間的發(fā)展往往是不平衡的、會有先后。

2.2研究理念和方法的進展

近30年來，受世界科學技術發(fā)展進步的影響，在研究理念和方法上，測繪學界和礦山測量學科也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。舉例如下：

(1)從過去的點、線、二維平面表達發(fā)展到三維及多維空間的數據獲取、處理、存儲和動態(tài)表達。

(2)從傳統(tǒng)的靜態(tài)、孤立研究發(fā)展到動態(tài)、多方位的研究。

(3)從只是獲取與處理空間幾何數據信息發(fā)展到多源、多元信息的空間幾何+屬性(物理量、社會經濟數據)的獲取與綜合分析評價。

(4)在研究目標的數據質量研究方面，從只考慮其位置誤差發(fā)展到地學空間位置信息與屬性信息及其關聯(lián)的不確定性、模糊性數據質量，以及空間數據挖掘和知識發(fā)現(xiàn)的研究。

(5)從孤立的、分散尺度(比例尺)的測量數據處理研究發(fā)展到多尺度(比例尺)的數據獲取、儲存、檢索、表達、應用、變換(推繹)與傳輸的研究。

(6)注重礦區(qū)及區(qū)域多種自然資源(礦產、土地、水等)的綜合勘測與開發(fā)，以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和保護。

3礦山測量學科應用基礎理論的發(fā)展

眾所周知，在工學和地學中測繪是應用數學知識最多的學科之一。在礦山測量學科的傳統(tǒng)課程中，除需要基礎數學知識外，還必須具備球面三角學、解析幾何、微分、積分(含多重積分)、(偏)微分方程、矩陣、行列式、概率論、數理統(tǒng)計、級數(特別是傅氏級數)、復變函數、矢量計算、場論、誤差理論、最小二乘理論等高等數學知識。

近20年來,隨著專業(yè)課程門數以及內容的擴展和深化，特別是GNSS空間定位與導航技術、遙感技術及其應用、數字圖像處理、計算機地圖制圖、地理信息系統(tǒng)與應用、礦區(qū)土地復墾與生態(tài)重建等新課程的增設，以及開采沉陷與防治等傳統(tǒng)課程內容的拓展和深化,需要具備更多現(xiàn)代數學知識。例如：信息論、穩(wěn)健(抗差)估計、濾波與推估、模式識別、圖像編碼、拓撲學、小波理論、空間統(tǒng)計學、分形幾何、模糊學、混沌理論、圖論、(信息)熵理論、突變論、灰色系統(tǒng)、自組織系統(tǒng)論、非線性理論、等級結構理論等等。

在理學特別是力學方面，巖石力學、土力學、彈性力學、塑性力學、應力(場)、應變、有限(單)元法、黑箱理論等理論和方法，也已在本學科廣泛應用。

4礦山測量科技的當代發(fā)展

當今，礦山測量與礦區(qū)空間信息科技的發(fā)展呈現(xiàn)出如下態(tài)勢：

(1)礦山(區(qū))或礦業(yè)城市是一個復雜的“自然資源—生態(tài)環(huán)境—社會經濟”巨系統(tǒng)，該巨系統(tǒng)又包括諸多子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又涉及許多方面或內容。在進行礦產資源開發(fā)時，必須同時兼顧土地、水文等其他自然資源的保護和綜合開發(fā)利用，進行區(qū)域整體綜合規(guī)劃、協(xié)調開發(fā)，使社會經濟得以可持續(xù)良性發(fā)展。

(2)各種國內外通用光電測量儀器裝備，如光電測距儀、全站儀、陀螺經緯儀、GNSS接收機等都已數字化讀數、記錄和數據傳輸網絡化，有的部分功能智能化，如自動尋找瞄準目標、自動讀數記錄等。測量機器人LeicaTM30加配套的軟件，具有自動監(jiān)測和分析的功能。礦山陀螺儀經緯儀和慣性測量系統(tǒng)(IMS)進一步完善和實用。

隨著我國北斗系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟Galileo系統(tǒng)的逐步構建運營，已經從單一GPS系統(tǒng)應用服務的局面過渡到多系統(tǒng)并存兼容的GNSS時代，使三頻GNSS定位技術實用化，能夠顯著提高定位精度和效率。目前，四大系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數已接近80顆，這對于遮擋嚴重的城市或山區(qū)的應用格外有利。特別是，我國北斗系統(tǒng)加速向全球全覆蓋發(fā)展，目前在軌衛(wèi)星已達22顆，在定位測量中，短基線解算精度平面方向可達1mm，高程方向可達2mm的水平。各種型號的GNSS接收機與RTK技術已廣泛應用于各種測量作業(yè)中。除了導航定位應用之外，GNSS的應用領域還在不斷拓展，例如氣象信息的提取，利用北斗GED衛(wèi)星反射信號反演土壤的濕度等。

(3)“3S”與計算機技術進入穩(wěn)步發(fā)展和廣泛深入應用時期。多傳感器多平臺多姿態(tài)多分辨率的衛(wèi)星遙感技術，無人機遙感技術及其應用蓬勃發(fā)展。目前，國內外各種實用的高中低分辨率的遙感影像數據資料豐富，方便按需購置。例如，Landsat5TM，SPOT5，CBERS-2，IKONOS，QuickBird、中國的高分衛(wèi)星、SAR，LIDAR等影像或點云數據。它們在礦山(區(qū))開發(fā)規(guī)劃、土地利用狀況調查、沉陷(形變)區(qū)監(jiān)測、區(qū)域生態(tài)環(huán)境整治、土地復墾及土壤濕度或污染物信息提取等方面都已得到應用。近年來，基于多尺度分割與融合的面向對象遙感影像變化檢測技術已取得突破，總體精度優(yōu)于像素級變化檢測。GB-InSAR(Ground-Based Interferometry SAR)能夠克服星載SAR數據的一些局限，具有較高的空間分辨率，可獲取任意視線方向的形變數據，實現(xiàn)零基線觀測，為礦區(qū)等局部區(qū)域的沉陷(形變)監(jiān)測提供了一種新技術方法。

當今，各具特色的國內外通用GIS軟件和礦山專用GIS軟件及計算機系統(tǒng)眾多，已應用于礦區(qū)開發(fā)、礦產資源的空間模擬、3D可視化、數字制圖及數據處理等。基于GIS的,采煤機定位定姿裝置已在我國山西一煤礦工作面試驗成功。

同時，GPS與GIS結合、RS與GIS結合及“3S”結合的礦山應用事例十分普遍，并產生良好的社會經濟環(huán)境效益。

(4)在礦山空間和資源數據(信息)的獲取與分析處理中，往往需要解決空間數據信息的可(適)用性、未確知性、不確定性、不完整性以及信息標準、應用模型、軟件不完善等現(xiàn)象和問題。在大數據、大用戶及互聯(lián)網的背景下，有關理論、方法、手段和處理平臺等問題有待完善或解決。

5結束語

近70年來，礦山測量學科在前蘇聯(lián)和俄羅斯以及中東歐一些國家，亞洲的中國、印度，以及北美的加拿大等國家得到較快發(fā)展。

近30年來，礦山測量學科發(fā)展、演變的特點從傳統(tǒng)的主要圍繞礦產資源的勘探和開釆進行礦山(區(qū))的各種測量、計算、制圖和監(jiān)管工作，發(fā)展到同時考慮礦區(qū)的礦產和土地等自然資源的綜合開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護，開展相關的測繪和監(jiān)管工作。

在礦區(qū)或礦業(yè)城市的資源開發(fā)中，人們應該更加重視區(qū)域自然資源的綜合開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護和社會經濟的協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。如今，大數據和網絡時代已經到來，大數據的特點可歸納為4個“V”(Volume，Variety，Value及Velocity)，即數據量巨大，數據類型多，價值密度低但商業(yè)價值高，處理速度快但時效性要求高。時空數據和網絡科技的迅猛發(fā)展與廣泛應用，正在改變著人們的生活、工作、學習和思維方式，也給廣大礦山測量業(yè)者提供了廣闊的發(fā)展前景。

[責任編輯：鄒正立]

[收稿日期]2015-08-19

[作者簡介]郭達志(1938-)，男，福建龍巖人，教授，博士生導師，享受國務院特殊津貼，長期從事礦山測量、遙感與地理信息系統(tǒng)的教學科研工作。

[中圖分類號]TD17

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)02-0004-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.002

[引用格式]郭達志.簡論礦山測量內涵和技術的演進[J].煤礦開采，2016，21(2)：4-6，3.