矿区地理信息系统信息编码与数据采集研究

蔡恩琪,魏丽琼,黄 丽

(1. 青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室 青海省地质调查院，青海 西宁 810012； 2. 青海省地质调查局，青海 西宁 810000)

人类社会接触的各类信息有75%与其地理空间位置有关。1946年，世界上首台计算机研制成功，信息技术发展序幕由此揭开[1]。60年的发展中，计算机技术迅猛发展，奠定了信息存储与处理的基础。对于采矿业或矿业而言，计算机技术已在矿业开发的很多环节得到了渗透。为了对矿山作业中相关于空间位置的各项数据进行存储、处理与管理，以GIS技术为基础的矿业地理信息系统(MGIS)得以产生，力求实现矿业开发全过程的信息化。

MGIS是将GIS应用于矿山的区域性GIS，可为矿山生产、设计与规划提供支持。以计算机为基础，MGIS利用摄影测量与遥感等技术进行数据、信息等的采集，将GIS的强大的分析与辅助决策功能发挥出来。系统兼具信息采集、存储与处理，构建矿区数据库与软件系统，查询检索、综合分析、动态预测信息等功能[2]。可提供科学依据于矿区环境监测与评价以及矿产资源开发管理，是矿山现代化管理与决策的重要标志[3]。

矿区是一种特殊的地理区域，有广泛、综合、复杂且变化迅速的地理空间要素与社会经济要素内容，属于复杂性、动态性、开放性特征鲜明的社会经济区域。可以说，数据与信息是MGIS的生命，可为系统的空间分析与决策提供基础，因此数据与信息的质量决定着MGIS的应用价值。文章围绕MGIS架构及其数据采集与信息编码技术进行分析。

1 MGIS功能与架构

1.1 功能分析

基于矿区信息数据仓库，MGIS对现代化技术进行综合运用，提供技术平台与强大工具于矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全与决策管理等工作的模拟、仿真与分析，所需具备功能如下[4]：

1)对矿区环境状况及其变化进行监测；

2)对所有与矿区经济、社会、环境以及资源相关的时空信息进行采集、处理、分析与管理；

3)利用3D建模与可视化技术进行矿山开采活动及其环境所受影响的动态模拟、再现与仿真；

4)辅助矿山的开拓设计与生产管理工作，为安全评价、生产监督以及减灾指挥等提供支持；

5)制定人机协同的矿区可持续发展规划，确立评估指标，实施经济评价与预测；

6)在矿山各管理层与部门之间共享信息，提供决策支持。

1.2 系统架构

MGIS的总体设计对C/S结构予以采用，多个客户端与服务器及下层硬件网络、操作系统与支撑平台进程间的通信系统共同组成一个支持分布式计算、分析与表示的系统[5]。在此模式下，应用有前端客户与后端服务器两部分的划分，当客户方发出请求时，网络通信服务系统会将其传送至服务器，服务器根据请求进行相关处理，然后反馈结果给客户。MGIS的总架构如图1所示。

图1中各模块执行的操作(任务)如下：

1)客户端，数据输入与特征描述、拟实施操作确定、处理运行结果；

2)数据集成平台服务器，数据注册、数据查询、多源数据融合、数据库与模型交互；

图1 MGIS总体架构

3)模型集成平台服务器，提供模型库管理系统、宏语言与调用、可视化建模工具；

4)应用模型类服务器，建立矿区三维立体模型、动态地质模型、GPS车辆监控模型、决策支持系统模型等；

5)视频服务器，影像预处理、影响分类、影像制图；

6)GIS服务器，覆盖分析、缓冲分析、网络分析、地图制作；

7)ERP服务器，数据定义、数据操作、数据维护。

2 数据采集技术

2.1 数据源

根据矿山的构成特征，MGIS的矿体数据与信息既有长时间形成的，又有实时获取的，还存在伴生数据，数据源十分丰富，处理对象非常复杂。图2所示为其多源数据体组成。

图2 MGIS数据源构成

矿山数据的采集手段必须与矿山的特殊要求相适应[6]。

1)矿体数据有很长的形成期限，作为一种隐伏体，各种描述数据的获取需以探测与揭露为前提。在揭露之前，数据均为一种近似的表达，它对矿山的生产与规划有着直接的影响，因此需强调矿体数据获取的手段与精度。

2)KGIS处于动态变化环境中，主要由井下不同级别的巷道与其他辅助体共同组成。作为系统骨架，巷道数据采集对系统正常运转有直接影响，与地面相比，矿山井下数据采集设备与技术依旧落后。

3)MGIS数据的完整性与准确性直接关系到矿山作业的安全与高效进行，除矿体、巷道骨架数据外，地面、井下等相关数据也包含在内，基于数据量大、面广、领域复杂等的影响，必须对各方关系进行协调才能保证数据采集的准确性与及时性。

在上述问题影响下，应致力于矿体数据快速采集理论与手段的发展，确保矿体表达精度；虽然借助常规测量手段可实现井下巷道数据采集，但无法满足现代化矿山作业要求，因此需进行与井下条件相适应的数据采集系统的开发，设立多方位数据采集中心，保证数据完整与准确。

2.2 数据采集系统

MGIS数据采集系统构成如图3所示。

图3 MGIS数据采集系统构成

2.2.1 GPS定位数据采集模块

在MGIS中，利用全球定位系统(GPS)进行数据采集，既经济，又迅速，采集的信息有直接数据信息与用户数据信息之分。

1)直接数据信息

其一，利用RTK(实时动态)定位技术采集地形数据信息，在进行野外作业之时，RTK技术具有机动性与灵活性优势，在10～20 km的范围内不受视距长度与地形条件的限制，工作效率与成图精度高；其二，利用GPS技术采集边界数据信息，根据矿区边界的长短，灵活运用GPS的静态与快速静态观测模式测量边界点，可大幅提高边界测量精度与工作效率；其三，GPS测量具有高精度与全天候优势，可在矿区滑坡、崩塌等检测中发挥重要作用。

2)用户数据信息

采用RTK定位技术在野外提供实时定位数据信息于地质勘探等任务的执行。

GPS有很多测量精度与模式(表1)，在进行数据采集之前必须按照MGIS的精度确定GPS测量模式[7]。

表1 GPS测量模式与MGIS数据匹配

2.2.2 遥感数据采集模块

长线阵(1 500)像元与大面阵(5 120×5 120)CCD传感器可获得5 m甚至更小的空间分辨率以及同轨与异轨立体像对，实现以二维图像进行三维地球表面的建立；合成孔径雷达基于空间重复轨道的雷达干涉测量技术可导出精度为±5 m的数字高程模型；差分干涉雷达技术(DINSAR)可实现对精度为厘米甚至毫米级的相对位移量的测定，为矿区地表移动、土地利用、环境污染以及环境监测等提供重要依据。

2.2.3 数字摄影测量模块

主要应用目标有地面测量、地表沉陷或文献定性检测、环境与灾害监测、3D地质与构造信息提取等。可快速与详细地进行空间全息影像的记录，制作影像地图，生成三维DTM，测量不安全或不可到达区域，判译地质、地貌、采矿、土地等多元数据，并实施数字集成处理，得到的图像信息可作多目标使用。

2.2.4 现有数据数字化模块

现有图形与图像数据的采集主要采用手持跟踪数字化、扫描数字化与解析测图等手段，其精度的影响因素有很多，如数字化仪的精度、数字化方式、操作者经验及其心理状态等。多数数字化仪的标称分辨率可达0.001或0.025 mm，通常可对MGIS的要求予以满足。

2.2.5 不同属性数据采集模块

采用地球物理、地球化学、地质勘探等多种技术手段观测与采集矿区资源与环境信息，生产统计数据、社会经济数据、表格数据、法规数据等则通过多媒体技术手段采集。

2.2.6 常规测量数据采集模块

光电测距仪、电子速测仪等测量仪器可通过电子数据记录器、数据终端等以数字形式进行测量数据的自动记录，并将其传输至计算机，完成MGIS的数据采集工作。

3 系统信息分类编码技术

面对采集来的海量数据信息，必须按照一定规律分类与编码，并有序地将其存入计算机，才能保证MGIS存储、管理、检索分析、输出与交换等功能的实现，满足系统信息标准化、信息资源共享等应用需求，确保系统协调、稳定与高效运作。所以，完成数据采集工作之后，数据信息的分类与编码成为MGIS建设的另一基础，他是MGIS健康发展的前提[8]。

3.1 图形信息分类编码

3.1.1 主码

即分类码，根据矿业信息分类体系进行信息分类编码的设计，直接按照信息分类的结果对不同类别信息的数据进行标识。主码的构成包含数字与字符，应确保类别不同的矿业地理信息在全矿区内的唯一性。基于对矿业地理信息的概括、规划与优化，可对信息进行14个基本类的划分(含控制点、井巷设施、生产设施等)。然后，对各类信息执行相应代码归属操作，形成图形分类体系结构表，进而归类井田区域地形图、工业广场平面图等矿图所属信息，构建框图图形信息要素表。表2所示为井巷设施分类与分类码举例。

表2 井巷设施分类与分类码

3.1.2 副码

即实体标识码，基于图形分类对某一类图形数据进行全部或主要实体识别代码的设计，亦即同类地物的识别代号，属于对信息分类进行间接利用的结果。副码主要标识的是某类图形数据中的某个实体，以弥补主码无法按实体分离各地的缺陷。通常，副码会在图形输入或数字化过程中由系统自动生成。

3.2 符号信息分类编码

采用基于构造函数的对象关系式符号库设计方法完成此项操作。根据组成与处理特征对图例符号进行点状、线状、面状、体状符号的划分，将其特性存储于对象—关系型数据库中，保证自动成图时符号配置与具体图形符号相互独立。

基于不同的符号特征，按照比例尺划分为3种类型：不依比例尺变化、半依比例尺变化、依比例尺变化。在符号库中，需设定标识字段用于后两种类型的表示，具体有5种比例尺类型：1∶200，1∶500，1∶1 000，1∶2 000，1∶5 000，库中符号分类码应一致。当数值超出当前比例尺所示范围时，需调用相应比例尺符号进行图形的重新绘制。

3.3 属性信息分类编码

采用面分类法进行该项操作，可形成不同属性字段，以数值、字符或代码表示，其中必须包括容纳实体的User ID，采用面向对象思想，利用对象—关系型数据库进行属性信息数据库的管理。

该类编码以图形信息分类主码为基础，需考虑父级别类与子级别类的关系，保证数据共享，拒绝冗余；进行合适数据库产品的选择，库结构的设计需在各码段中留出扩充空间，进行最短字段长度的压缩。表3所示为巷道属性分类编码举例。

表3 巷道属性分类编码

4 结 语

MGIS是以现代信息技术为基础，经对传统采矿技术进行改造与升级而构建的一套用于矿山监测各类实时数据的采集、传输、分析、控制与反馈的自动化综合信息技术系统，适时且准确地统计、共享并管理相关于生产及安全的相关信息为其关键。随着科学技术的发展，MGIS已趋于完善，应用范围也得到了拓展，人们获取信息的方式与能力被优化。随着地理信息产业结构的日渐完善，地理空间数据会愈发丰富，地理信息产业将会实现进一步的发展。展望未来，地理信息产业必将为人类社会创造更多收益。

参考文献：

[1] 徐豁, 马小计, 石琨. 矿业地理信息系统及数字矿山若干问题探讨[J]. 煤炭科学技术, 2003(8): 55-57.

[2] 蒲凯, 何彬彬, 李小文. 基于MapX和Oracle Spatial的空间数据库管理系统开发[J]. 地理空间信息, 2009(2): 54-56.

[3] 李国钊. 地理信息系统在矿山测量中的应用[J]. 地理空间信息, 2013(4): 38-39.

[4] 孙丽军, 许梦国. 地理信息系统在矿山的应用研究现状及发展趋势[J]. 黄金, 2006(2): 26-28.

[5] 李亚龙, 沈昌贤. 浅谈金堆城矿区地理信息系统建设[J]. 中国钼业, 2010(5): 23-27.

[6] 张和生, 温志勇, 刘艳华. 矿山地理信息系统的若干关键技术探讨[J]. 煤炭科学技术, 2006(6): 77-80.

[7] 周廷刚, 郭达志. 矿区地理信息系统数据采集探讨[J]. 江西煤炭科技, 1999(2): 15-18.

[8] 胡金星, 吴立新, 齐安文, 等. 矿业信息的分类编码研究[J]. 矿山测量, 1999(4): 39-41.