蔡恩琪,魏麗瓊,黃 麗

(1. 青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810012； 2. 青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海 西寧 810000)

人類社會(huì)接觸的各類信息有75%與其地理空間位置有關(guān)。1946年，世界上首臺(tái)計(jì)算機(jī)研制成功，信息技術(shù)發(fā)展序幕由此揭開[1]。60年的發(fā)展中，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，奠定了信息存儲(chǔ)與處理的基礎(chǔ)。對于采礦業(yè)或礦業(yè)而言，計(jì)算機(jī)技術(shù)已在礦業(yè)開發(fā)的很多環(huán)節(jié)得到了滲透。為了對礦山作業(yè)中相關(guān)于空間位置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理與管理，以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的礦業(yè)地理信息系統(tǒng)(MGIS)得以產(chǎn)生，力求實(shí)現(xiàn)礦業(yè)開發(fā)全過程的信息化。

MGIS是將GIS應(yīng)用于礦山的區(qū)域性GIS，可為礦山生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與規(guī)劃提供支持。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，MGIS利用攝影測量與遙感等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息等的采集，將GIS的強(qiáng)大的分析與輔助決策功能發(fā)揮出來。系統(tǒng)兼具信息采集、存儲(chǔ)與處理，構(gòu)建礦區(qū)數(shù)據(jù)庫與軟件系統(tǒng)，查詢檢索、綜合分析、動(dòng)態(tài)預(yù)測信息等功能[2]?？商峁┛茖W(xué)依據(jù)于礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)以及礦產(chǎn)資源開發(fā)管理，是礦山現(xiàn)代化管理與決策的重要標(biāo)志[3]。

礦區(qū)是一種特殊的地理區(qū)域，有廣泛、綜合、復(fù)雜且變化迅速的地理空間要素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素內(nèi)容，屬于復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性、開放性特征鮮明的社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)域?？梢哉f，數(shù)據(jù)與信息是MGIS的生命，可為系統(tǒng)的空間分析與決策提供基礎(chǔ)，因此數(shù)據(jù)與信息的質(zhì)量決定著MGIS的應(yīng)用價(jià)值。文章圍繞MGIS架構(gòu)及其數(shù)據(jù)采集與信息編碼技術(shù)進(jìn)行分析。

1 MGIS功能與架構(gòu)

1.1 功能分析

基于礦區(qū)信息數(shù)據(jù)倉庫，MGIS對現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，提供技術(shù)平臺(tái)與強(qiáng)大工具于礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全與決策管理等工作的模擬、仿真與分析，所需具備功能如下[4]：

1)對礦區(qū)環(huán)境狀況及其變化進(jìn)行監(jiān)測；

2)對所有與礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境以及資源相關(guān)的時(shí)空信息進(jìn)行采集、處理、分析與管理；

3)利用3D建模與可視化技術(shù)進(jìn)行礦山開采活動(dòng)及其環(huán)境所受影響的動(dòng)態(tài)模擬、再現(xiàn)與仿真；

4)輔助礦山的開拓設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理工作，為安全評價(jià)、生產(chǎn)監(jiān)督以及減災(zāi)指揮等提供支持；

5)制定人機(jī)協(xié)同的礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，確立評估指標(biāo)，實(shí)施經(jīng)濟(jì)評價(jià)與預(yù)測；

6)在礦山各管理層與部門之間共享信息，提供決策支持。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

MGIS的總體設(shè)計(jì)對C/S結(jié)構(gòu)予以采用，多個(gè)客戶端與服務(wù)器及下層硬件網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)與支撐平臺(tái)進(jìn)程間的通信系統(tǒng)共同組成一個(gè)支持分布式計(jì)算、分析與表示的系統(tǒng)[5]。在此模式下，應(yīng)用有前端客戶與后端服務(wù)器兩部分的劃分，當(dāng)客戶方發(fā)出請求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)系統(tǒng)會(huì)將其傳送至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)請求進(jìn)行相關(guān)處理，然后反饋結(jié)果給客戶。MGIS的總架構(gòu)如圖1所示。

圖1中各模塊執(zhí)行的操作(任務(wù))如下：

1)客戶端，數(shù)據(jù)輸入與特征描述、擬實(shí)施操作確定、處理運(yùn)行結(jié)果；

2)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)服務(wù)器，數(shù)據(jù)注冊、數(shù)據(jù)查詢、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)庫與模型交互；

圖1 MGIS總體架構(gòu)

3)模型集成平臺(tái)服務(wù)器，提供模型庫管理系統(tǒng)、宏語言與調(diào)用、可視化建模工具；

4)應(yīng)用模型類服務(wù)器，建立礦區(qū)三維立體模型、動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型、GPS車輛監(jiān)控模型、決策支持系統(tǒng)模型等；

5)視頻服務(wù)器，影像預(yù)處理、影響分類、影像制圖；

6)GIS服務(wù)器，覆蓋分析、緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地圖制作；

7)ERP服務(wù)器，數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)維護(hù)。

2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)源

根據(jù)礦山的構(gòu)成特征，MGIS的礦體數(shù)據(jù)與信息既有長時(shí)間形成的，又有實(shí)時(shí)獲取的，還存在伴生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源十分豐富，處理對象非常復(fù)雜。圖2所示為其多源數(shù)據(jù)體組成。

圖2 MGIS數(shù)據(jù)源構(gòu)成

礦山數(shù)據(jù)的采集手段必須與礦山的特殊要求相適應(yīng)[6]。

1)礦體數(shù)據(jù)有很長的形成期限，作為一種隱伏體，各種描述數(shù)據(jù)的獲取需以探測與揭露為前提。在揭露之前，數(shù)據(jù)均為一種近似的表達(dá)，它對礦山的生產(chǎn)與規(guī)劃有著直接的影響，因此需強(qiáng)調(diào)礦體數(shù)據(jù)獲取的手段與精度。

2)KGIS處于動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中，主要由井下不同級別的巷道與其他輔助體共同組成。作為系統(tǒng)骨架，巷道數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有直接影響，與地面相比，礦山井下數(shù)據(jù)采集設(shè)備與技術(shù)依舊落后。

3)MGIS數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性直接關(guān)系到礦山作業(yè)的安全與高效進(jìn)行，除礦體、巷道骨架數(shù)據(jù)外，地面、井下等相關(guān)數(shù)據(jù)也包含在內(nèi)，基于數(shù)據(jù)量大、面廣、領(lǐng)域復(fù)雜等的影響，必須對各方關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)才能保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

在上述問題影響下，應(yīng)致力于礦體數(shù)據(jù)快速采集理論與手段的發(fā)展，確保礦體表達(dá)精度；雖然借助常規(guī)測量手段可實(shí)現(xiàn)井下巷道數(shù)據(jù)采集，但無法滿足現(xiàn)代化礦山作業(yè)要求，因此需進(jìn)行與井下條件相適應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)立多方位數(shù)據(jù)采集中心，保證數(shù)據(jù)完整與準(zhǔn)確。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MGIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 MGIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 GPS定位數(shù)據(jù)采集模塊

在MGIS中，利用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，既經(jīng)濟(jì)，又迅速，采集的信息有直接數(shù)據(jù)信息與用戶數(shù)據(jù)信息之分。

1)直接數(shù)據(jù)信息

其一，利用RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))定位技術(shù)采集地形數(shù)據(jù)信息，在進(jìn)行野外作業(yè)之時(shí)，RTK技術(shù)具有機(jī)動(dòng)性與靈活性優(yōu)勢，在10～20 km的范圍內(nèi)不受視距長度與地形條件的限制，工作效率與成圖精度高；其二，利用GPS技術(shù)采集邊界數(shù)據(jù)信息，根據(jù)礦區(qū)邊界的長短，靈活運(yùn)用GPS的靜態(tài)與快速靜態(tài)觀測模式測量邊界點(diǎn)，可大幅提高邊界測量精度與工作效率；其三，GPS測量具有高精度與全天候優(yōu)勢，可在礦區(qū)滑坡、崩塌等檢測中發(fā)揮重要作用。

2)用戶數(shù)據(jù)信息

采用RTK定位技術(shù)在野外提供實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)信息于地質(zhì)勘探等任務(wù)的執(zhí)行。

GPS有很多測量精度與模式(表1)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前必須按照MGIS的精度確定GPS測量模式[7]。

表1 GPS測量模式與MGIS數(shù)據(jù)匹配

2.2.2 遙感數(shù)據(jù)采集模塊

長線陣(1 500)像元與大面陣(5 120×5 120)CCD傳感器可獲得5 m甚至更小的空間分辨率以及同軌與異軌立體像對，實(shí)現(xiàn)以二維圖像進(jìn)行三維地球表面的建立；合成孔徑雷達(dá)基于空間重復(fù)軌道的雷達(dá)干涉測量技術(shù)可導(dǎo)出精度為±5 m的數(shù)字高程模型；差分干涉雷達(dá)技術(shù)(DINSAR)可實(shí)現(xiàn)對精度為厘米甚至毫米級的相對位移量的測定，為礦區(qū)地表移動(dòng)、土地利用、環(huán)境污染以及環(huán)境監(jiān)測等提供重要依據(jù)。

2.2.3 數(shù)字?jǐn)z影測量模塊

主要應(yīng)用目標(biāo)有地面測量、地表沉陷或文獻(xiàn)定性檢測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、3D地質(zhì)與構(gòu)造信息提取等。可快速與詳細(xì)地進(jìn)行空間全息影像的記錄，制作影像地圖，生成三維DTM，測量不安全或不可到達(dá)區(qū)域，判譯地質(zhì)、地貌、采礦、土地等多元數(shù)據(jù)，并實(shí)施數(shù)字集成處理，得到的圖像信息可作多目標(biāo)使用。

2.2.4 現(xiàn)有數(shù)據(jù)數(shù)字化模塊

現(xiàn)有圖形與圖像數(shù)據(jù)的采集主要采用手持跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化與解析測圖等手段，其精度的影響因素有很多，如數(shù)字化儀的精度、數(shù)字化方式、操作者經(jīng)驗(yàn)及其心理狀態(tài)等。多數(shù)數(shù)字化儀的標(biāo)稱分辨率可達(dá)0.001或0.025 mm，通常可對MGIS的要求予以滿足。

2.2.5 不同屬性數(shù)據(jù)采集模塊

采用地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì)勘探等多種技術(shù)手段觀測與采集礦區(qū)資源與環(huán)境信息，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)、法規(guī)數(shù)據(jù)等則通過多媒體技術(shù)手段采集。

2.2.6 常規(guī)測量數(shù)據(jù)采集模塊

光電測距儀、電子速測儀等測量儀器可通過電子數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)終端等以數(shù)字形式進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，并將其傳輸至計(jì)算機(jī)，完成MGIS的數(shù)據(jù)采集工作。

3 系統(tǒng)信息分類編碼技術(shù)

面對采集來的海量數(shù)據(jù)信息，必須按照一定規(guī)律分類與編碼，并有序地將其存入計(jì)算機(jī)，才能保證MGIS存儲(chǔ)、管理、檢索分析、輸出與交換等功能的實(shí)現(xiàn)，滿足系統(tǒng)信息標(biāo)準(zhǔn)化、信息資源共享等應(yīng)用需求，確保系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定與高效運(yùn)作。所以，完成數(shù)據(jù)采集工作之后，數(shù)據(jù)信息的分類與編碼成為MGIS建設(shè)的另一基礎(chǔ)，他是MGIS健康發(fā)展的前提[8]。

3.1 圖形信息分類編碼

3.1.1 主碼

即分類碼，根據(jù)礦業(yè)信息分類體系進(jìn)行信息分類編碼的設(shè)計(jì)，直接按照信息分類的結(jié)果對不同類別信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。主碼的構(gòu)成包含數(shù)字與字符，應(yīng)確保類別不同的礦業(yè)地理信息在全礦區(qū)內(nèi)的唯一性?；趯ΦV業(yè)地理信息的概括、規(guī)劃與優(yōu)化，可對信息進(jìn)行14個(gè)基本類的劃分(含控制點(diǎn)、井巷設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)施等)。然后，對各類信息執(zhí)行相應(yīng)代碼歸屬操作，形成圖形分類體系結(jié)構(gòu)表，進(jìn)而歸類井田區(qū)域地形圖、工業(yè)廣場平面圖等礦圖所屬信息，構(gòu)建框圖圖形信息要素表。表2所示為井巷設(shè)施分類與分類碼舉例。

表2 井巷設(shè)施分類與分類碼

3.1.2 副碼

即實(shí)體標(biāo)識(shí)碼，基于圖形分類對某一類圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行全部或主要實(shí)體識(shí)別代碼的設(shè)計(jì)，亦即同類地物的識(shí)別代號，屬于對信息分類進(jìn)行間接利用的結(jié)果。副碼主要標(biāo)識(shí)的是某類圖形數(shù)據(jù)中的某個(gè)實(shí)體，以彌補(bǔ)主碼無法按實(shí)體分離各地的缺陷。通常，副碼會(huì)在圖形輸入或數(shù)字化過程中由系統(tǒng)自動(dòng)生成。

3.2 符號信息分類編碼

采用基于構(gòu)造函數(shù)的對象關(guān)系式符號庫設(shè)計(jì)方法完成此項(xiàng)操作。根據(jù)組成與處理特征對圖例符號進(jìn)行點(diǎn)狀、線狀、面狀、體狀符號的劃分，將其特性存儲(chǔ)于對象—關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，保證自動(dòng)成圖時(shí)符號配置與具體圖形符號相互獨(dú)立。

基于不同的符號特征，按照比例尺劃分為3種類型：不依比例尺變化、半依比例尺變化、依比例尺變化。在符號庫中，需設(shè)定標(biāo)識(shí)字段用于后兩種類型的表示，具體有5種比例尺類型：1∶200，1∶500，1∶1 000，1∶2 000，1∶5 000，庫中符號分類碼應(yīng)一致。當(dāng)數(shù)值超出當(dāng)前比例尺所示范圍時(shí)，需調(diào)用相應(yīng)比例尺符號進(jìn)行圖形的重新繪制。

3.3 屬性信息分類編碼

采用面分類法進(jìn)行該項(xiàng)操作，可形成不同屬性字段，以數(shù)值、字符或代碼表示，其中必須包括容納實(shí)體的User ID，采用面向?qū)ο笏枷?，利用對象—關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行屬性信息數(shù)據(jù)庫的管理。

該類編碼以圖形信息分類主碼為基礎(chǔ)，需考慮父級別類與子級別類的關(guān)系，保證數(shù)據(jù)共享，拒絕冗余；進(jìn)行合適數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的選擇，庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需在各碼段中留出擴(kuò)充空間，進(jìn)行最短字段長度的壓縮。表3所示為巷道屬性分類編碼舉例。

表3 巷道屬性分類編碼

4 結(jié) 語

MGIS是以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)對傳統(tǒng)采礦技術(shù)進(jìn)行改造與升級而構(gòu)建的一套用于礦山監(jiān)測各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、控制與反饋的自動(dòng)化綜合信息技術(shù)系統(tǒng)，適時(shí)且準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)、共享并管理相關(guān)于生產(chǎn)及安全的相關(guān)信息為其關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，MGIS已趨于完善，應(yīng)用范圍也得到了拓展，人們獲取信息的方式與能力被優(yōu)化。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的日漸完善，地理空間數(shù)據(jù)會(huì)愈發(fā)豐富，地理信息產(chǎn)業(yè)將會(huì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展。展望未來，地理信息產(chǎn)業(yè)必將為人類社會(huì)創(chuàng)造更多收益。

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