三维地理信息系统在矿山中的技术研究与应用

刘江 李向新

摘要：随着高新科技技术的快速发展，地理信息系统已经开始广泛地涉及到各个领域和行业。矿山地理信息系统的发展和创建也提上了日程，虽然我国在这方面理论上取得了一些成果，但是矿山地理信息系统的实际应用并未取得巨大的进展。因此，如果将地理信息系统与矿山完整地融为一体，通过地理信息系将数字信息数据与矿山地理关系进行整合，可以给矿山带来巨大的社会效益和经济效益，推动当地经济的发展，为地方做出巨大贡献。

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.

关键词：矿山地理信息系统；地理信息系统；数字化

Key words： mine geographic information system；geographic information system；digitization

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0196-03

0 引言

上世纪60年代，标志着地理信息系统的诞生是加拿大地理信息系统（CGIS）的建立。地理信息系统（GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。近年来GIS在计算机科学、数学、测绘科学、地理学等诸多学科快速发展的拉动下得到迅猛发展。本文主要介绍了地理信息系统在矿山中的应用和在Skyline平台下矿山地理信息系统地形、地貌、建筑模型的构建以及系统的初步实现。

矿山地理信息系统在中国还是一个新概念，需要深入的研究理论基础上不断发展我国矿山地理信息系统的技术和应用。可以明确地说，地理信息系统与矿山的结合在以后的矿山工业中必定受到重视，它对矿山工业的发展会起到巨大的推进作用。

1 地理信息系统的特点

由于建立地理信息系统的目的、用途、分类等信息的不同，地理信息系统的种类有很多，如最基本的地理信息系统、资源勘察类地理信息系统、城市工程类管理信息系统、土地管理地理信息系统等。然而，不论是基础的还是专题的地理信息系统还是综合应用的信息系统，也不论其规模大小，基本组成都是相似的：数据输入、数据的存贮、编辑和数据库管理、数据的运算、查询、检索和分析、信息应用、数据输出和显示、数据更新。

为了能够对空间数据的做出更好的研究，地理信息系统应该具备以下几个前提条件：首先需要公共的地理定位基础，即系统所有的地理要素需要严格的空间分布定位，即需要放在一个特定的比例或投影的坐标系内进行。其次要将输入信息进行数字化和标准化，对于来自系统外部的多种类的原始信息数据在输入系统时要将由外部格式转换成计算机可以分析处理的内部数据格式。最后需要多维的数据结构，地理信息包括所研究要素的空间位置，也包括该要素实体特征的属性信息，同时还具备时序特征。因此，系统的空间数据组织结构应是一个由空间位置（三维空间坐标及其拓朴关系）、时态数据和属性数据所构成的多维数据结构。

此外，地理信息系统还具有三个主要特征。分别为采集、储存、管理、分析和将数据以多种方式输出的能力，具有空间性和动态性；可以为决策和管理服务，以空间模型方法为主要方式，具有地区空间分析、多种要素的综合分析和实时预测能力；可以在计算机系统的支持下进行空间地理数据的管理，而且让计算机程序模拟地理分析方法，空间数据在分析方法的作用下产生有效信息，完成人类不可能完成的任务。在计算机系统的辅助下可以使得地理信息系统具有迅速、精准地对多样的地理系统进行空间和过程的综合动态分析。

所以，GIS的功能决不仅只局限于对现实存在的地理空间数据的采集、储存、解决、运算、分析、显示，也是现实世界的抽象模型，它比平面地图所表达的世界模型更为多样和立体，用户可以按需求来观察提取该模型各方面的内容，也可以测量这个模型的各种空间尺度指标，另外更主要的是可以将自然发生的或者主观能动的动态过程赋予在这个模型之上，取得对自然和人为过程的解析和判断信息，有助于人类做出正确决策。

2 地理信息系统在矿山中的应用

2.1 在矿山中GIS应用的必要性

矿山与其他普通山体差异很大，现代矿山一般都是范围大，面积广，地质条件差别明显，主要表现为：矿系地层结构参差不齐，矿层走向的复杂多样，矿层顶底板不稳定，地下水的威胁等等；生产方式多样化，矿井生产同时使用的设备数目庞大复杂多样。因此，矿山具有巨大的信息和数据类型，包含地质，矿业，测绘，经济，建设，生产和经营等多项内容。数据可以通过文档，表格，影像，图像，数据库等形式来承载。矿山数据有重要的经济价值，大量的数据若不及时收集，储存，管理，就会造成矿山数据丢失从而导致信息和经济上的巨大浪费。

当前，矿山矿场的施工、开采过程、矿物的储备、设备材料的信息、开采过后的数据信息的处理和整合基本停留在手动作业上，已经和企业现代化生产、管理、办公的要求不在同一起跑线上，迫切需要拥有人工智能化的方法和系统来满足企业的内在需求。那么充分利用地理信息系统则是解决这一迫切需求的最好方法。

2.2 地理信息系统在矿山中的应用

对矿山的信息管理即对矿山的信息分析，也就是在信息管理的基础上运用模型来进行分析，对矿山的信息进行采集、储存、管理、运算、分析、显示，节约生产成本，降低经费。通过对各种地质、矿山测量、经济、技术参数的分析和处理，可使矿山企业的各级主管人员迅速、及时并直观地查询有关技术数据，如了解矿层资源分布状况、开采方式、未来储蓄量、矿层特性等等，为制定有关发展规划和进行生产决策提供科学依据。

3 矿山地理信息系统的三维可视化

3.1 三维场景模型的建立

以普朗铜矿地理信息系统为例，三维场景模型包括了地下巷道，表面的厂区，职工住宅区，办公区等。本文是基于二维GIS的建模。根据DEM和纹理数据，再根据建筑的基本高度信息在3DMAX中来创建建筑物的模型。如图1为模型二维底图、图2为厂区部分三维模型示意图。

3.2 三维地形的创建

本文中的数据使用的是0.2M的DEM和0.5M的DOM，在生成三维地形场景时，使用Skyline系列软件生成，将高程数据和航片卫片数据经过Arcgis处理后加载到Terrabuilder构件中，生成.mpt格式文件如图3所示，加载.mpt格式文件后，TerraExplorer中就显示了三维地形，如图4所示，基本流程图如5所示，系统登录界面以及系统操作界面如图6和图7所示。

4 矿山地理信息系统的实现方法

地理信息系统的开发方法一般分为两种：一种是独立开发，即开发者在不依靠任何GIS平台工具软件的基础上，从数据的采集、处理、编辑和分析输出结果到系统的所有功能的实现算法都是开发者自行独立设计完成的。另外一种是借助GIS平台软件集成的二次开发，即开发者可以利用GIS软件的一些原始功能的基础上通过可视化的开发软件如Visual C#、C++、VB等计算机语言进行改进修改或者添加新的功能从而实现新的系统开发。

4.1 数据的录入和输出

数据是最基本也是最重要的组成部分。地理信息系统的数据不同于其他信息系统的数据，地理信息系统的数据基本可以分为两类：属性数据和空间数据。属性数据和一般的信息系统类似，主要表现为文字、文档、表格之类，可以把这些数据按某些特定的排列顺序通过办公软件例如Word，Excel等保存然后转换为GIS可以读取的数据格式装入数据库中；空间数据又称为图形数据，空间数据主要是一些矿区的等高线图，地形图等。空间数据需要通过扫描或者数字化来输入，同时要建立和实体间的拓扑结构和输入实体的属性特征。

4.2 数据的查询和管理

可以通过实体间的拓扑关系来建立空间查询从而实现图形到属性的查询以及属性到图形的双向查询。随着矿山开采的进行，矿山的数据时刻在进行着变化。所以需要对数据库中的数据进行删除、增加、修改来和开采过程相一致。总之，矿山GIS要和矿山的现实情况相结合，用地理信息系统的知识和理论技术实现对数据输入、分析、处理、搜索、输出的自动化、可视化与地理信息的一体化等。

5 我国矿山地理信息系统现在主要存在的问题

由于矿山的特点不同于其他一般的地形山体，具有一定的特殊性，一般的地理信息系统并不适合用在矿山中，并且，在实现比较复杂的矿山地理信息系统时，数据的采集、应用模型的建立以及对数据的实时更新等方面的技术相比于国外还比较落后。矿山地理信息系统在我国作为一项较新的技术，起步较晚，未能够得到很多矿山领导和技术人员当中得到充分了解。与国外水平和其他行业的GIS应用技术有一些差距。因此需要在今后加大研究力度，对矿山地理信息系统的重视度越高，那么它发挥的作用就越大。

6 结束语

矿山和地理信息系统的结合，不可否认的是在未来拥有非常广泛的应用和广阔的前景。矿山是一个结构复杂地质多样的系统，而且范围巨大，MGIS可以很好地三维化表达矿山。解决好数据的采集和数据及时的更新是当下的主要问题。充分地利用MGIS处理矿山数据，实现矿山与地形的一体化可以大大提高工作效率给矿山带来巨大的社会效益和经济效益，推动当地经济的可持续发展，为地方做出巨大贡献。

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