馬煜+賀金勇

摘要：地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息等功能，作為一門融合地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)的綜合性學(xué)科，近年來在礦業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用研究。結(jié)合近年來該領(lǐng)域的最新研究成果，圍繞礦山地質(zhì)勘查與評價、礦山機(jī)械及工作人員定位、礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬、礦山邊坡穩(wěn)定性與采空區(qū)塌陷等災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警、礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測及礦山復(fù)墾等方面對GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，分別從大型礦山GIS空間數(shù)據(jù)庫與云GIS的構(gòu)建，礦區(qū)環(huán)境與穩(wěn)定性監(jiān)測過程中“3S”等多元技術(shù)的融合，構(gòu)建Interoperable GIS以實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)庫共享，以3D/4D GIS為代表的GIS多維化發(fā)展，礦山生產(chǎn)管理過程中空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合等方面對GIS在礦業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用方向進(jìn)行展望，為礦山數(shù)字化建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：GIS；礦業(yè)系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；展望；

礦山數(shù)字化、信息化與可視化是礦山未來發(fā)展的必然趨勢。GIS由于具有多源地學(xué)信息的綜合管理，多源地學(xué)信息的空間查詢，空間信息疊置分析，緩沖區(qū)分析，空間實(shí)體統(tǒng)計，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、調(diào)度管理及空間可視化分析等功能，因而近年來在礦山開采影響環(huán)境評價、開采沉陷規(guī)律研究、礦區(qū)滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測、礦山動態(tài)管理、礦山地質(zhì)災(zāi)害評價、礦山重金屬污染評價、礦區(qū)測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用研究。為此，通過對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行適當(dāng)總結(jié)，并對GIS在該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行展望，為提高礦山數(shù)字化水平提供參考。

1.礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫與云GIS

礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫是指由礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù)、井巷數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程中機(jī)車人員實(shí)時數(shù)據(jù)等構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，該類數(shù)據(jù)庫的真正價值在于構(gòu)建了各種異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性[1]。當(dāng)前，礦山GIS系統(tǒng)仍缺乏強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持，對于用戶指定的要素?zé)o法進(jìn)行合理的顯示，該類要素主要包括：1基于式樣的要素（點(diǎn)、線與多邊形）的有序集合；2諸如數(shù)字高程模擬和影像的柵格數(shù)據(jù)集、網(wǎng)絡(luò)、地形及其他地表、測量數(shù)據(jù)集、其他類型數(shù)據(jù)。當(dāng)前礦山GIS不能充分滿足海量數(shù)據(jù)分析的需要，而面向礦產(chǎn)勘查數(shù)據(jù)的嚴(yán)重缺失，無法確保礦產(chǎn)勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，構(gòu)建礦山大型GIS空間數(shù)據(jù)庫將是GIS在該領(lǐng)域的一個發(fā)展方向，一方面滿足用戶數(shù)據(jù)分析的需求，另一方面為礦產(chǎn)勘查提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

云GIS的實(shí)質(zhì)是將GIS平臺、軟件和礦區(qū)地理空間信息能夠方便、高效地部署到以云計算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務(wù)[2]。在云GIS大環(huán)境下，最大的改變就是GIS平臺所有的技術(shù)點(diǎn)都將“暴露”成多項(xiàng)可調(diào)用、可訪問的服務(wù)，一切都是開放性的、以服務(wù)的形式展現(xiàn)，整個產(chǎn)品是一個具有松耦合、可移動、可伸縮性和自適應(yīng)性的架構(gòu)。必須強(qiáng)調(diào)的是，云計算絕不僅僅是局部應(yīng)用模塊的虛擬化，而是包括存儲、數(shù)據(jù)庫（空間數(shù)據(jù)庫）在內(nèi)，整個基礎(chǔ)架構(gòu)都將以服務(wù)形式來提供[3]。在未來“大數(shù)據(jù)”環(huán)境下，隨著大型GIS空間數(shù)據(jù)庫以及云GIS[45]的發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)礦山多個數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)無障礙共享。

2.“3S”等多元技術(shù)融合

“3S”技術(shù)是指遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geographical information System，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）為代表的多元技術(shù)集合，是礦區(qū)環(huán)境和穩(wěn)定性監(jiān)測發(fā)展的重要方向。在該方面，Li Xiao等[4]基于GIS，通過構(gòu)建反應(yīng)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)敏感性與景觀空間結(jié)構(gòu)的生態(tài)脆弱性指數(shù)，對阜新礦區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境的影響進(jìn)行評價，并基于Arc GIS軟件以條帶狀的5個級別進(jìn)行呈現(xiàn)。

3.Interoperable GIS

“Interoperable GIS”即“互操作地理信息系統(tǒng)”，所謂互操作，就是指在異構(gòu)環(huán)境下2個或2個以上的實(shí)體，盡管它們實(shí)現(xiàn)的語言、執(zhí)行的環(huán)境和基于的模型不同，但它們可以互相通信和協(xié)作，完成某一特定任務(wù)。對此，M.Breunig等[5]基于GIS組件，建立了面向?qū)ο蟮鸟詈蠑?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將所有的數(shù)據(jù)以及3D模型存儲于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫中，地質(zhì)和地球物理3D建模工具必須通過公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（COREA）直接訪問數(shù)據(jù)庫，如此便間接的實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)信息的交互共享。對于礦業(yè)系統(tǒng)而言，利用Interoperable GIS可以將不同的礦山數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)通過實(shí)現(xiàn)和使用規(guī)范所描述的公共接口模板進(jìn)行互操作，從而解決地質(zhì)與鉆探數(shù)據(jù)的共享問題，促進(jìn)礦山間技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)交流。

4.3D/4D GIS

GIS雖然具有空間分析功能，但空間分析功能僅停留在空間幾何分析層面上，且以較簡易的圖形、圖層分析為主，未能提供大量的以數(shù)據(jù)操作為主的空間分析功能。隨著3D GIS的發(fā)展，利用3D GIS分析處理礦區(qū)井巷的三維數(shù)據(jù)、地下作業(yè)人員與管線信息，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡表面變形地貌與炮孔的三維定位等應(yīng)用效果仍不理想。GIS多維化的發(fā)展是與礦山數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與共享相配合的，隨著礦山大型數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與共享機(jī)制的建立，在3D GIS的基礎(chǔ)上開發(fā)4D GIS來處理礦山四維數(shù)據(jù)，不斷完善GIS空間分析功能，將是一項(xiàng)十分有意義的工作。

5.空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合

在空間可視化方面，P.Ghadirian等[6]基于GIS的建模與離線增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，采用真實(shí)物體的紋理信息，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的全景視頻幀動態(tài)與模擬的時間變化的橫向視圖之間的聯(lián)系，來研究澳大利亞某區(qū)域14a期間的雜草傳播動態(tài)，取得了較好的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由實(shí)時三維計算機(jī)圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)， 以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等多種技術(shù)所組成技術(shù)體系。

將空間可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可以對礦區(qū)地質(zhì)地形、井下生產(chǎn)作業(yè)過程中人員與機(jī)車行動進(jìn)行仿真模擬。通過對礦體、圍巖、礦井風(fēng)流狀況、地應(yīng)力場等進(jìn)行交互式觀察與分析，將會提升對于礦區(qū)環(huán)境認(rèn)識的精確程度，井下生產(chǎn)與露天開采過程中人員機(jī)械的可控能力，機(jī)電線路等設(shè)備安全的可視化程度等。隨著可視技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，有助于逐步實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理過程的數(shù)字化。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸鋒，張恒才.大數(shù)據(jù)與廣義GIS[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2014，39（6）：645-654.Lu Feng，ZhangHengcai.Big data and generalized GIS[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University，2014，39（6）：645-654.

[2]李少丹.云GIS的發(fā)展趨勢分析[J].電腦知識與技術(shù)，2011（16）：3824-3826.Li Shaodan.Analysis of cloud GISs development trend[J].Computer Knowledge and Technology，2011（16）：3824-3826.

作者簡介：

馬煜（1996.08-）男，漢族，身份證號：140202199608106512，本科生，山西省大同市，研究方向：地理信息科學(xué).

賀金勇（1996.07-）男，漢族，身份證號：410181199607206015，本科生，河南省鞏義市，研究方向：地理信息科學(xué)endprint