对大屯矿区三维地理信息系统研究的几点思考.pdf

第 2期 2 0 1 3年 4月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG No 2 ADr , 2 0l 3 d o i： 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 13 5 8 X 2 01 3 0 2 0 5 画对大屯 矿区 三维地 理信息系 统 研究的 几点思考 周克清， 温德华 ( 中煤 集 团大 屯煤 电公 司 ， 江 苏 沛县 2 2 1 6 1 1 ) 摘要 ： 文中根据作者 多年从事地测工作的经验， 介绍 了大屯矿 区地理信 g - 系统的建设现状及存在的 问题 ； 指 出了现有 系统的局限性； 分析探 讨 了系统改进 的研究思路 ； 构想 了系统应达到 的 目标和功 能； 对 完善矿区地理信 息系统 ， 促进矿山的现代化建设， 具有一定的意义。 关键 词 ：矿 区 ； 地 理信 息 系统 ；局 限性 ；目标 中 图分类 号 ： P 2 0 8 文献标 识码 ： B 文 章编 号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 1 0一 O 3 煤炭是我国的第一能源 。随着我 国经济体制改 革的不断深人 ， 现代化进程的不断加快 ， 煤矿生产必 将以现代化的管理和生产技术展现于世人面前。实 现矿山管理和生产现代化的关键技术之一在于矿 山 空间信息管理 的现代化。地理信息 系统是采集、 存 储 、 处理 、 分析、 转换和输出空间数据 的计算机系统 ， 是计算机科学、 遥感与航测技术、 计算 机图形学、 计 算数学 、 图论 、 地理学、 地质学等学科综合发展 的产 物 。 煤 矿开 采 过 程 完 全 不 同 于 地 表 的 地 理 地 质 研 究 、 环境监测、 城市规划 ， 它 的工作空 间是一个 三维 空间地质实体 ， 大量的图形需要动态修改 ， 图形 的生 成及数据处理方法有其本身 的特殊性 。由于现有 的 地理信息系统在系统设计时， 并未考虑煤矿井下点、 线、 面状图形实体及其相关关 系的特点 ， 所以很难在 煤矿得到全方位 的应用。另一方面 ， 由于与煤矿 日 常生产有关 的各 种地测数据 ， 如煤层 资料、 断层资 料 、 导线 点资 料 等 ， 它们 不 仅数 量 较 大 ， 而 且 存 放 较 为分散。所以 ， 根据煤矿生产的具体情况和特点 ， 以 现有的计算机 软硬件 和信息管理 的最新 技术 为依 据 ， 开发一套如何实现数据共享、 异构数据库 间实现 数据互访、 并 自动为图形系统提供数据 的数据库管 理系 统十 分必 要 。 1 大屯矿 区地理信息 系统的建设现状及存在 的问 题 目前 ， 大屯矿 区计 算机 的应用 除了在财务 、 工 资、 营销等领域取得较好的应用效果外 ， 在空间信息 的管理方面还存在很多问题。由于矿山的生产技术 信息主要为空 间信息 ， 而且地测信息是最基础 的信 1 0 息源之一 ， 所 以地测计算机应用水平的落后 直接造 成了大屯矿区计算机整体应用水平的停滞不前。虽 然公司已在煤矿计算机应用领 域投入 了巨额 资金 ， 也先后引进了不少软件， 但到 目前为止矿井对 日常 空间信息的处理、 查询 、 图形 的修改 和绘制仍 为传统 的手工或用 C A D绘制 。 1 1 现 有 系统 的局 限性 ( 1 ) 现有的系统对 图形 的输入主要是建立 在图 形数 字 化 的基础 上 的 ， 即系统 中的 点 、 线 、 面 、 体 等 图 形数据主要来源于底 图的数字化 ， 而根据原始 数据 ( 如钻孑 L 、 矿 山测 量 和观 测 点 数 据 )自动 生 成 图 形 的 功能太 弱 ， 甚至 没有 。 ( 2 ) 系统动态修改 图形 的功能无法 满足煤 矿。 虽然可以利用图形编辑 、 生成或插入图例的功能 ， 但 这些操作只能对 图形进行有 限的修 改， 而且被修改 的图形实体对其它图形的存 在或形态的影响不大。 随着地质研究或矿山的开采， 对 已有 图形 的修改并 不是 简单 的点 、 线 、 面 的增 减 ， 而 是 在 加 入 原 始 控 制 数据点的基础上 局部或全 部重新 生成 图形 确切 的 说 ， 现有 的系统 主要 从 图形 编 辑 的角 度 实 现 对 图 形 的动态修改 ， 没有从 数据模 型和数据结构 的角度 完 成对图形的动态修改机制 。 ( 3 ) 对 现有 的系 统 而 言 ， 建立 模 型 时 ， 一 般 没 考 虑制图区域内的突变信 息， 如具有上下盘断层线的 断层 ， 特别是逆断层及其组合。有 的把 断层简化为 单线条 ， 有 的简单地讨论 了处理正断层上下盘线 的 算法 ， 该算法 的实质是使三角形边与所有 的断层线 求交 ， 如有交点 ， 那 么三角形扩展边 的扩展点非法。 显然 ， 这些算法是无法满足地质应用的要求的， 更无 法处 理逆 断层 。 第 2期 周 克清等 ： 对 大屯矿 区三维地 理信息 系统研 究的几点思考 2 0 1 3年 4月 ( 4 ) 矢 量 图形 数 据 结 构 并 不 能 完 美 地 表 达 地 质 体特有的点、 线、 面及其相关关 系。如剖面图上带楔 形的地层剖面线等。所 以， 必须设计地测领域特有 的矢量数据结构。 ( 5 ) 无法处理井下纵横交错的采掘巷道图形。 1 2 造成地测管理信息系统落后 的原因 ( 1 ) 在矿井生产过程 中， 需要根据最新 的地测信 息动态修改或 自动生成地测图形 ， 这就要求管理信 息系统具有动态处理图形的功能。而现有的引进 的 地测信息系统 对图形 的管理 往往是静态的 ， 无法快 速生成新的图形 ， 其结果是系统无法在煤矿得 到实 际 应用 。 ( 2 ) 受传统管理模式的限制 ， 以专业和职能部门 为界线 ， 分别 开发各 自领域 内的数据库管理系统 和 制图系统。各系统的数据结构相互独立 ， 互不兼容。 从系统论 的角度来看 ， 煤 矿空间管理信息系统为一 个大系统 ， 而地质、 测量、 水文 、 “ 三量” 管理等为大系 统中的子系统 。所 以， 只有建立一体化 的综合管理 信 息系统 ， 煤矿地测 空间信 息的管理才能取得实质 性的突破 ， 并最终改变煤矿生产现有的管理模式 ， 为 矿山管理 的现代化提供技术上的保证。 ( 3 ) 并未全方位地开展矿 山信息 的分类和编码 研究 ， 以形成煤矿生产统一的编码系统。没有统一 的编码系统 ， 必然造成数据共享困难 ， 并增加数据处 理 的难度 。 ( 4 ) 在图形处理方 面， 大多借 助于 A u t o C AD的 开发 和 编辑 环境 。 由于 A u t o C AD主 要实 用 于机械 制 图领域 ， 故在图形数据库文件结构 ， 空间信息 的操作 和界面的设计方 面都有很多不适合煤矿应用 之处。 A u t o C A D是一计算机辅助设计 系统 ， 正如前 面论述 的那样 ， 与地理信息系统有很大的区别 ， 无法大量存 储各种矿 山属性信息 ， 同时， 因图形间无法建立拓扑 关 系 ， 这 就为 矿 山 日常信 息 的查 询 和处 理 带来 了很 大 的困难 。 2 系统 改进 意见 及应 达 到的 目标 2 1 系统的 改进 意见 煤矿地测管理信息系统 的最大特点之一是对已 有信息的动态修改。这些 修改不是对专题 图形点 、 线 、 面的简单修改 ， 而是对与最新信息有关 的所有相 关地层、 巷道、 地层实体 图形 的属性 的全面修改 ， 以 使三维分 布的煤 系地层更 加逼 近它 的实际分 布形 态， 最大限度地为矿 区生产提供准确 的信息。为 了 提高成 图的 自动化程度 ， 实现矿山任意 比例尺 ， 任意 局部区域间图形 的 自动转换 ， 图形的 自动绘制与处 理 ， 就必须解决 以下几个 问题 ： ( 1 ) 建立动态的具有拓扑结构的矿 山地质模型。 现有的系统和相关技术对矿山地质模型动态修改重 视 不够 ， 更 没有 建立 相应 的拓 扑 结构 。所 以 ， 只能 对 图形进行图形学意义上 的修 改， 无法动态查询属性 信息， 不能以小 比例尺的底图为准 自动生成满足矿 山要求的大比例尺局部图形 。对地质模型的动态修 改可以把最新 的地层控制信 息反应 到地质模 型中， 通过 地质 模 型生 成 的矿 图也 就反 应 了地层 的最 新 变 化。拓扑结构可 以反应 矿 山图形 实体 间的相关关 系 ， 从而为矿山的 自动综合和生成提供信息支持 。 ( 2 ) 动态拓扑地质模型及相关信息系统 的建立 ， 将 为矿 山设计 部 门提供 全 新 的技 术 方法 和计 算 机设 计手段。对矿区而言 ， C A D技术一般只能完成纯图 形 的设计 ， 不 能 很 好 地 对 与设 计 结 果 有 关 的大 量 描 述、 计算、 决策提供直接支持 。 ( 3 ) 生成采掘工程平 面图的原始数据点为测量 导线点 ， 也就是说 ， 无 论采掘图的 比例尺如何变化 ， 它的原始数据点的空间分布结构是不变的 ， 巷道 间 的空 间分 布 及 相 互 关 系 ( 如 平 面 相 交 ， 空 间 相 加 ， T 字型相交等) 是 固定 的。对于系统而言， 巷道间的相 关关系即为图形间的拓扑关 系。由于矿井巷道在空 间的分布类似三大数据库数据模型 中的网状模型 ， 所 以建立巷道的网状拓扑数据模型及数据结构就相 当重要 。因建立 了巷道线 间的拓扑关 系， 系统就可 以利用这些关系重新求交并放置左右邦巷道线。这 样 ， 在管理信息系统 中就无需分别绘制各种 比例尺 的图形 ， 以最常用的 1 ： 1 0 0 0的图形为准即可。 ( 4 ) 系统要 能够根据最新 的空间数据动态修改 煤层等实体模型 ， 并得到正确的分析结果和图形 ， 无 需 先进 行 人工 的处 理 ， 再 通 过 数 字 化 等 途 径 完 成 对 地质图件的输入和处理 。 ( 5 ) 充 分利 用计 算机 发展 的最 新 网络 技术 ， 实 现 对矿山原始数据 的管 理， 特别是对属性数据库的管 理 。 2 2 系统应达 到 的 目标 和 功能 通过系统的改进和完善 ， 矿 区地 理信息系统应 达 到如 下 目标 和功 能 ： ( 1 ) 在 Win d o w s 环境下 ， 利用面向对象的编程技 1 1 第 2期 矿 山 测 量 2 0 1 3年 4月 术( V is u a l C+) 研制 出适合大屯矿区的煤矿地测 管理信息系统。 ( 2 ) 系统具备独立的图形输入输出功能 。 ( 3 ) 系统的设计及功能的实现必须遵循现有的 各种图例 、 规范。另外 ， 系统不仅具有通用 G I S的实 用 功能 ， 而且 还应 有大 量 的煤矿应 用 的专业 功 能 。 ( 4 ) 系统不仅具备处理静态图形( 如对 已有底图 的数字化及其处理 ) 的能力 ， 而且还需具有强大的动 态处理数据和 图形的能力 ， 即依据煤矿开采获取 的 最新信息 自动生成或动态修改老的图形。 ( 5 ) 系统要达到界面友好 ， 操作简单、 实用 ， 自动 性强 ， 符合 煤矿地质 、 测量 图例规范 的要求 。 ( 6 ) 实现地测信息 的远程综合查询 ， 实现地质 、 测 量 、 水文 和储量 ( 三 量 ) 数 据 的一体 化 网络 管理 。 ( 7 ) 在井下巷道数据 、 井下测量 资料 、 测量图纸 及数据库的基础上建立井下巷道三维模 型， 该模型 须能显 示井 下所 有 巷道 、 硐室 。 ( 8 ) 该三维系统建立的矿井井下巷道三维模型 须能显示巷道掘进情况 、 各种煤柱 留设情况 ， 能显示 矿井所有的巷道、 煤仓、 水仓 、 重要导 线点 的位置和 标高 、 井 口高程 、 井底高程。 ( 9 ) 该系统建立 的工业广场三维模型须能显示 矿井工业广场范围内的所有建筑物、 永久电力线 、 传 送带、 围墙、 道路及绿化带等。 ( 1 0 ) 在搜集整理各期钻探 、 物探、 生产揭露等煤 层赋存情况资料的基础上建立矿井煤层三维地质模 型 。 ( 1 1 ) 在煤层 、 巷道三维模型基 础上结合所有勘 探 、 生产中揭露的地质构造 ， 形成构造地质体三维模 型 。 ( 1 2 ) 该三维系统建立的矿井煤层三维地质模型 须 能 显示该 矿井 的煤 层状 况 、 煤 层 回采 情 况 ， 且 能 显 示该矿井的各种地质构造 ， 包括断层 、 褶 曲、 陷落柱 等 。 ( 1 3 ) 使用系统能任意切割并生成该方 向的三维 地质剖面图 ， 能任意切割块段并计算该块段 的资源 储量。 ( 1 4 ) 创建一个三维地质模型与三维地震数据体 的接 口， 能实现资料 的相互转换 ， 动态 的相互利用 、 修改 ， 实现动态可视化管理 。 ( 1 5 ) 在矿 井 三 维 地质 模 型 、 井 下 巷 道 三 维模 型 的基础上， 利用水文地质资料 ， 使该系统能显示该矿 井的有关水文地质情况。 3 结 语 实现矿山管理和生产现代化的关键技术之一在 于矿山空间信息管理的现代化。大屯矿区在地理信 息系 统建设 方 面 ， 经 过多 年 的努 力 ， 虽 取 得 了一 些 成 果 ， 但仍存在很大的局限性 ， 应不断地进行改进 和完 善 ， 使该系统更具实用性 ， 能更好地为矿井的现代化 生产和地测工作服务。 参考文献 ： 1 王军锋 ， 黄勇 ， 匡勇， 等 矿 山信 息化的主要 问题 与关键 因素 J 采矿技术 ， 2 0 0 4 ， 9 ( 3 ) ： 5 05 1 2 宁 津 生 测 绘 学 概 论 M 武