煤矿地质测量空间信息系统.doc

一、立项依据1、国内外本项目领域科技创新发展概况和最新发展趋势“数字地球”是从高层次系统论和一体化的角度来综合利用已有的正在发展的理论、技术、数据和能力，从而更广泛、更深入、更经济地为社会提供服务。它的实质是一个含有超大容量的信息系统，并提供管理、查询和分析这些信息的机制。与“数字地球”相适应，数字矿山、数字煤矿的发展战略将是21世纪矿山企业振兴和发展的必由之路。数字煤矿的基本任务是在煤矿基础信息数据库建立的基础上，充分利用数字采集、知识挖掘、空间分析、虚拟现实、可视化、网络、多媒体及其他新技术，为煤矿资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟仿真与过程分析提供新的技术平台和强大工具。数字煤矿的最终目标为煤矿的高度信息化、自动化、高效率，乃至遥控采矿和无人采矿。由于煤矿生产作业流程的动态性与复杂性，数字煤矿的建设必将是一个庞大的、复杂的、长期的系统工程。 在国际上，加拿大、芬兰、瑞典等国家，围绕采、掘、运矿山生产流程，在矿山信息网建设、技术信息适时管理、新机械应用与自动控制等方面制定了长远发展规划。在专业系统应用方面，西方矿业界早在20世纪70年代初就将CAD技术应用于地质、矿业领域; 80 年代末，随着三维地质建模和可视化理论和技术的发展,推动了矿山计算机辅助地质建模技术，一大批具有三维地质建模功能的地质采矿软件被开发应用。90 年代中后期, 三维地质采矿软件逐渐成为矿山专业软件的主流。国际著名的地质采矿软件公司相继开发了专业三维软件, 主要有GOCAD、TerraCube、EarthVision 、SPARC 、Supac 、GeoDepth、GeoCom 、GeoSec 3D、2D&3D TimeDepth Mapper、StratModel、IntegralPlus、MineScape、MineSoft 、Vulcan、DataMine、Medsystem /Mine2、Sight, whittle、ICAMPS和LYNX等。总体来看，国外的地质和采矿类软件均有较好的三维表示能力并各具特色。但是受开采地质条件、生产作业习惯、系统自动化程度以及价格等因素的影响，国外的地质和采矿类软件在国内并没有得到推广应用。近年来，随着煤矿经济形式的好转与数字化矿山发展的需要，煤矿数字化和信息化有了长足的发展。许多煤炭企业已将矿山信息化改造和数字煤矿（DM）技术作为科技发展战略中的重中之重，并将宽带网建设、矿山基础信息数字化、煤矿地质测量空间信息系统及其它煤矿生产专用软件的开发作为当前工作的重点。在煤矿企业应用中，不同的专业部门已经具有和正在开发相应的专业信息管理系统，并形成了一定的信息化规模。在生产领域开发了煤矿地质测量空间信息管理系统、复杂地质条件综合保障系统、采矿设计系统等；在煤矿安全领域开发了一通三防信息管理系统、安全监测实时预警系统以及井下人员跟踪识别救护系统等；在管理领域则开发了煤矿ERP系统、设备管理系统等。在数字化矿山信息系统的建设过程中，煤矿地质测量空间信息系统是最基础的一个核心子系统，它是搭建其它专业系统的基础。其中，煤矿地质测量空间信息系统的发展趋势表现为：11 信息的多源化从信息获取的角度,煤矿地质测量空间信息的获取手段越来越丰富。从以往单一的钻探手段发展为集遥感、数字摄影、GPS (全球定位系统) ,以及三维地震勘探和其他地面物探、矿井物探等手段为一体的立体勘探模式。在数据内容上则以煤矿地质、水文地质、测量、采掘信息为基础,更多地融入地面物探(如地震、瞬变电磁勘探) 、矿井物探(如槽波、坑透、瑞雷波勘探) 、测井及其他地压、瓦斯资料等多源地质信息。在表现形式上,更多地呈现出集图、文、声、像为一体的多媒体特征。计算机信息处理技术作为一种十分经济有效的手段,对这些多源信息进行综合分析处理具有相当的优越性,主要表现在以下几个方面:a.现有资料的整理、归纳,包括各种手段,方法所获取数据的规范化。b.现有资料的深层次利用。一是提高资料利用的深度和广度,通过改进现有方法与手段,开发新的方法和手段,提高资料自身的利用水平,挖掘其潜在的信息资源。二是综合利用,将多源信息组合、叠加以获取新的信息,通过对比、分析,动态交互不断提高认识水平,从而实现对地质资料认识的由灰变白。c.信息的可视化。将地质、测量模型和各种分析处理数据直观地展示给现场工作人员,再结合现场经验和实际材料等“软”数据,对地质条件作出客观分析与判断。12 管理的网络化Internet的出现,给实用化的企业网络系统构建带来了巨大活力。采用全新的Internet 技术,可以实现信息的完全共享,从而实现企业信息管理的网络化、快速化。信息共享、高效管理是社会所需,企业所需,当然煤炭行业也不例外。煤矿地测工作直接关系到煤矿生产的安全管理。为此,实现地测数据与图形的实时管理与查询,是煤矿企业领导监督管理的重要手段。一个矿务局(集团公司) 一般包括多个煤矿,由于地域的分布特征,有相当部分的资料存在共性。目前煤矿所采用的地测信息系统的数据库大多采用桌面数据库,而桌面数据库的缺点是资料的独立性太强,共享困难。这就造成了各个煤矿“各自为政”,矿务局的统一管理非常困难;达不到资源共享的目的,同时还增加了冗余数据;信息的传递速度也慢,统计、汇总麻烦,造成大量人力、物力、财力的浪费。采用客户端/ 服务器(C/S) 与浏览器/服务器(B/S) 相结合的二级管理模式,可以很好的满足局矿两级网络化管理的需要。也就是说,针对地测专业的技术人员,他们通过C/S 模式操作基础数据,完成地测部门日常工作对数据的动态修改与维护;而对于矿级或局级的领导,他们通过B/S 模式来访问基础数据库中的数据,查询关心的信息,指导现场生产。13 决策支持的智能化开采地质条件与采煤设备的适应性问题,是世界各主要产煤国家在发展机械化采煤中普遍遇到的问题,与其他采煤方法相比较,综合机械化采煤对地质条件的要求更加苛刻,所以在高产高效矿井的建设中地质保障的任务就更加突出和艰巨。煤矿地质测量资料是煤矿生产最基础的资料,煤矿地质测量常用图件是煤矿生产成果最直观的表现形式;原始资料与成果图件是指导煤矿生产的基础。通过数据挖掘技术,从煤矿地质测量空间数据库中发掘和提取隐藏在其中的潜在信息或模式,从而为预测和决策行为提供决策支持。矿井构造、煤厚及顶底板变化、瓦斯、涌水、地压等灾害地质条件均严重影响煤矿生产。因此,许多煤矿工作者都在尝试寻找相应的模型与决策机制解决这些问题。例如多元逐步判别分析模型、相似类比综合评判模型、灰色关联分析模型在矿井突水水源的快速识别中得到了较好的应用 。人工神经网络模拟生物神经网络的结构和功能,由大量类似于神经元的简单处理单元(通常为自适应的) 相互联结成复杂网络,具有较强的非线性影射能力,在矿井构造定量评价 、地下水水质评价以及岩溶水水位预报等方面均取得了较好的应用。遗传算法因其实用、高效,且具较强的适应性而应用于预报地下水位和求解水文地质反演问题 。14 系统的集成化在煤矿企业不同的专业部门已经具有和正在开发相应的信息管理系统,并形成了一定的信息化规模。如在煤矿采掘领域开发了煤矿地质测量空间信息管理、复杂地质条件综合保障、采矿开采设计等系统;在煤矿安全领域开发了一通三防信息管理、安全监测实时预警以及井下人员跟踪识别救护等系统; 在生产管理领域开发了煤矿ERP 系统、设备管理系统等。在数字煤矿的发展进程中,资料的共享,系统的集成是一个必然的发展方向。信息技术的发展使得当今社会在信息的获取、存储、分析、处理和发布等方面取得了实质性的进展。数字煤矿的发展战略要求煤矿各生产部门在开发各自专业管理软件的同时,要制定统一的信息化标准体系和相应的共享机制。煤矿地质测量工作在煤矿企业安全生产中的基础地位,决定了发展煤矿地质测量空间信息系统的重要性。地质测量信息采集的多源化、管理的网络化、决策支持的智能化以及与其他专业系统的集成,是煤矿地质测量空间信息系统发展的方向。西安集灵信息技术有限公司是国内最早从事煤矿地质测量信息系统研发的单位之一,先后经历了AutoCAD 二次开发,Dos 平台下自主平台的煤矿地质信息系统CCAD 的开发,Windows 平台下煤矿地测信息系统CGIS 开发的3 个阶段，2003 年推出了最新版的煤矿地质测量信息管理系统CGIS36. 0 ,产品在全国近140余家企业应用，为我国煤矿的信息化建设做出了一定的贡献。此外,国内还有数家单位在从事煤矿地测信息系统的开发与推广工作,如北京龙软公司, 煤炭科学研究总院西安分院,山东科技大学,河南煤田地质局等。2、项目研究的目的、意义当今时代,以信息技术为核心的知识经济突飞猛进，信息技术正以其广泛的渗透性和先进性与传统产业相结合。信息化与网络化已成为各行业数字化的重要基础手段,在企业应用中起到十分重要的作用。与现代化技术先进的国家比较,我国煤矿企业信息化基础设施相对落后;煤矿管理过于粗放;煤矿生产各部门的系统开发相对孤立,没有形成统一的信息化标准体系和共享机制;再加之煤矿生产信息本身的灰色性和动态性,导致了煤矿企业信息化与网络化工作的相对滞后。近年来,我国煤矿数字化和信息化有了长足的发展,信息化已成为改造传统煤矿产业的助力器。煤矿地质测量工作是煤矿生产最基础和最重要的工作之一，对煤矿的安全生产和煤矿的生产能力具有重要的影响。煤矿地质测量资料是一种活跃的、动态变化的、与空间位置密切相关的信息,而且具有一定的不确定性。随着煤矿生产过程的推进,煤矿地质测量资料的积累逐步丰富,人们对煤矿开采地质条件的认识也由灰变白。因此,采用人工检索、分析和处理地质测量信息资料,难以满足煤矿现代化生产与技术管理的需要,尤其是为了准确预防和快速处理矿井重大灾害事故,及时提供采矿设计与经营决策的基础数据,更有必要利用计算机和网络技术,来实现煤矿地质测量数据的自动化管理,地质测量专业各种基础图件的自动生成,以及对井下突发事件的快速、准确地进行分析与决策,具体表现为以下几个方面：2.1地测信息是矿井生产、管理的基础信息煤矿生产所面对的是以煤层为主的巨型复杂系统，生产所涉及的实体对象主要包括： 复杂和认知有限的地质体（地层、矿层、地下水分布和各种构造） 生产巷道系统 生产和辅助生产系统（运输、通风、电力、机电设备、给排水、安全监控、防避灾、调度） 与之相关的地面设施和建筑煤矿地测信息是矿井地质体和开采现状的基本描述，是人们对矿床自然赋存状态的认知和开采过程的记录，是勘探和生产各阶段勘探和地测部的工作成果的积累和进一步工作的基础，地测信息亦是矿山通风、开采、调度、机电、运输、防灾、排水等各项工作的基础数据和消息来源。比如：l 通风系统可以看作是巷道系统加风量属性(风量大小和方向)。l 调度系统可以在三维地层和巷道模型的基础之上加入采煤机、提升、运输、通风、机电设备的运行情况（实际仅为一些开关量），即可获得一个形象生动的调度模拟盘，同时还可不同视角、局部放大的观看。l 三维地层和巷道系统加入的通风、设备、风门、水闸等数据和属性可以以光照模型的方式显示，再加上分析和解算软件，这在矿井的正常生产和防灾救灾中必然意义非凡。不难看出，地测信息平台的建设是矿井和集团有关日常生产和安全的一项基础性工作，是众多生产和指挥调度系统的基础信息来源。此外，随着企业中大量MIS系统的应用，许多和资源物理位置有关的资料如：工矿区移动目标的管理、企业通讯专网线路管理、水、煤气、电线网管理、物业管理等，只用传统的MIS系统是很难和无法进行有效的管理的。为此，引进更先进的管理方法和手段，以地测信息为基础，将GIS系统引进到煤矿企业基础资源和生产信息的管理中来，打造企业地测空间信息平台，建立企业基础资源和生产信息的可视化管理系统就变得十分重要。地测信息是“数字矿山”的最基础和最重要的组成部分，它是其他MIS系统的有关空间信息的唯一来源。2.2 GIS是直观有效的信息管理工具图形语言是直观性、无语种的，有些信息是难以用文字和表格表示的。地理信息系统（GISGeographic Information System）以图形为基本的描述语言，是以地理空间信息的采集、处理、分析、规划和利用为主要研究内容的信息管理系统。它的最大好处就是它的可视化管理和易操作特性，从这层意义上来说，GIS又可以称为VIS（Visual Information System）。世上的万物都占据有自身的地理空间，除一些纯数字的信息外，对任何一个实体的描述均可以用它的空间和非空间属性来表示，即任何一个实体都具其空间坐标、几何空间（几何数据）和其他的特征（属性数据），如：l 一个人现在的位置可以用大地坐标来表示，此人的外形可用众多的空间离散点组成的拼合曲面表示。此外，他（她）还有姓名、年龄、肤色、国籍、种族、学历l 一个机电设备必然是放在地球的某一点上，它有它的外形，有重量、类型、用途、产地、出厂日期、输入输出功率、性能参数l 一段巷道有它的起点和终点，有它的断面形态，有流经的风量，有开拓的日期、支护的类型l 即便是像财务数据这样一些纯数字的信息，从大处着眼亦可以认为是有坐标的，因为它的所有者企业是有营业地点或地域的，这里它成为企业的属性数据。类似地，资源量、人口数亦可为某个行政区划地属性数据。一般的MIS系统展现给用户的操作界面对象是字符和表格，而通过GIS，用户则可以用除字符和表格外的图形甚至是三维图形来表示和操作用户的信息。图形的直观性方便了用户的操作，降低了软件应用的门槛。此外，除了可以表示和处理一般的信息，表示和处理信息的空间几何属性外，它还可以记录信息对象的时空和其他内外部关系并对之进行分析研究。由于基于GIS建立起来的信息系统可以有更方便的，更直观的应用界面、可表示更多的信息类型，占有更多的信息量，更多的空间分析和处理功能，所以拥有GIS型的信息系统，也就拥有了更加实用，更加有效的，功能更加强大的应用和管理工具。地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软件系统；而其内涵是计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。它是由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。由于GIS可以表示更多的信息类型，所以，GIS自60年代发展和应用到今天，除其相关的技术和产品都已十分成熟，业已应用于国民生活的每一个部门，广泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、通讯、电力、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。2.3地测信息GIS化形成地测空间信息系统各种图形的基础信息主要来源于地测资料，地测信息的计算机化是地测资料准确描述和有效管理的唯一途径。目前，地测管理和生产部门在地测计算机信息化上做了大量的工作，取得了许多的成果。但仍存在许多问题，其中最为重要的就是“信息孤岛”问题，表现在：1）各矿地测软件的开发单位不同，编写规范、方式方法、开发工具不同、各矿地测图件格式不统一、接口不规范。2）各矿地测系统与矿其他生产部门（如通风、调度、机电）的系统未能做到信息共享，其数据唯一性和冗余重复等问题表现严重。3）各矿地测信息系统从集团公司的角度来看未能形成一个整体的信息系统。4）各系统内部图形与数据是分离的，数据间的联系不强，也不是一个整体。5）企业没有一个统一的图形信息库，上层基于图形的管理和决策复杂繁琐。6）图形信息仍然是文件形式为主，很少数据库化、更没有信息共享网络化。7）图形信息无法在各部门间实现资源共享与统一，如：图形信息没有形成在测绘部门、生产部门、调度部门、监测部门、安监部门、救护部门、设备管理部门间的图形与业务信息的交互共享。8）图形信息与MIS系统中的数据信息无法实现沟通，互相借用，如：MIS中的管理不直观、部分图形的更新无法自动化、同一信息的重复维护处理。9）领导及技术人员对于图形的浏览查询不方便。10资料管理方法陈旧落后，在信息交流传输数据化、网络化技术日益发达，应用日益普遍的今天，这种传统陈旧的资料图纸化管理的手段的局限性也日益明显，图纸保管受到其自身物理质量及外界自然和为人因素的影响是很严重的。鉴于这些图纸资料的自身特点:纸张大小不一，工程制图用纸材质特殊，作图工具专业等造成其复制不便，在维护工作中经常查阅翻动一旦造成图纸的破损丢失就会造成资料的不可恢复性后果。其他一些日常维护及办公的来往文件用纸来承载保存，也存在管理保管不便的问题，一来其种类繁杂，文件发送方与文件接受者、保管者关系交叉复杂。二来由于维护人员工作的需要，外出频繁，文件经常不能及时传送到位，从而往往会造成信息的时效性破坏。总之，应用煤矿地质测量空间信息系统，对企业的意义在于:l 逐步建立起宝贵的生产基础数据信息资源规范统一图形信息资源，实现信息共享。提高信息利用率，提高工作效率。将地质测量空间信息系统应用到集团的基础资源管理中来，可以把现有的MIS系统进行整合，充分发挥地质测量空间信息系统在空间地理数据的分析能力，建立集团基础资源的可视化管理。整合集团现有的地测信息系统，充分利用现有的数据和图形基础，为集团的其他系统应用提供数据、图形、应用和软件平台，为“数字矿山”打基础。l 提高管理水平矿井生产前期的勘探、矿井设计，生产中的采区设计、人员和生产管理，后期的洗选、煤质、运销、财务等，这些都是有机的结合在一起的，是一条生产和销售线上的不同环节。现有的各类信息系统只是这些不同环节的数据表示和分析应用。所以，深化应用和挖掘现有的系统资源，整合现有系统，共享和综合各系统的专业信息，最终构建一个数字化的虚拟企业集团可以提升企业的安全、生产、进度和效率管理能力，增加各部门工作的协同性。例如：建立共享的采矿工程地理信息资源，能便于生产指挥、生产调度和生产规划，并能以直观的图形反映出各矿生产单位的生产进展情况。l 提高工作效率使用地质测量空间信息系统可以充分发挥其对空间地理数据的分析能力，将大量人力物力从繁重的资源档案管理，人工统计，手工制图制表等工作中解放成立，提高工作效率。l 促进技术进步顺应“数字地球”，“数字中国”的潮流，以地质测量空间信息系统为依托，逐步建立“数字矿山”。利用地质测量空间信息系统技术协助生产管理，保证生产管理水平，改进企业形象，提高企业竞争力。以地测信息为基础，逐步构建一个矿区层面的空间地理信息系统平台，带动企业内部软件及其网络应用的发展。3、本项目研究达到的科技水平开发一个针对煤矿地测和生产对象的地测空间信息系统，其中包括：日常管理、地测业务处理、地测矢量和解析模型建立，地测图件自动生成，地测信息挖掘和分析处理等功能。系统建设完成后，将达到以下水平：1）存储、计算和管理日常的工作数据，程式化的计算和管理，规范了日常工作，减少了人为失误。2）大量数据和图形入库后，不仅可供地测部门内部，亦可供其他生产和管理部门使用，为今后其他生产部门的信息化建设提供一个良好的有关地理信息（图形）的资料基础。3）大量的地测数据统一于一个模型之中地测信息GIS化的结果是全部（至少是绝大多数）数据和生产对象被有机的联系在一起。数据不再只是一个数据，而是生产对象的一部分。4）关联的数据体使地测部门各专业间的联系更加紧密，各专业间操作的是同一个数据对象，从而各部门的数据自动动态对应。5）图形和报表亦是工作对象（数据模型）的两个不同表现形式。地测空间信息系统充分认识这一点，使得图形和报表可以自动地对应，数据表的效果可引起图形的自动修改，反之亦然，维持了数据的完整和统一性。6）本系统对Internet技术的使用使得地测部门的人员可以进行适当权限范围的远程办公，即使其出差外地。其中,良好的界面和互操作性为系统的推广应用提供了保障。4、应用推广前景及预期的社会经济效益煤田地质和煤炭矿井信息除了具有普通空间信息所具有的各种性质外，还具有许多特殊的性质。首先是原始信息量小，大部分地质成果都是在有限的原始信息上，通过地质专家的分析和判断得出的结论。煤田地质信息的另一特点是涉及的专业多，不仅有三维空间信息，同时有诸如水文、测量、煤质、工程等专业信息。正是信息属性的特殊性，针对煤田地质和矿井地质的专业GIS应运而生。 该系统主要服务于生产矿井的地测部门，实现地测工作的数字化和信息化管理。该系统在充分分析矿山空间信息特点的基础上,提出了灰色地理信息系统的理论，相关的数据模型和数据结构。系统正是在灰色地理信息系统理论的指导下，利用面向对象的编程技术设计而成的。随着地质市场的好转，正是依靠地质信息数字化这个核心技术，使煤炭企业的工作效率越来越高，市场份额越来越大，服务领域越来越广。经过几年的努力，中国地质测量空间信息系统的技术水平已经有了长足的进展，已经接近国际先进水平。面对今天的计算机技术的快速发展，面对地质测量空间信息系统充满生机与活力的前景，我们应该进一步抓住机遇、探索规律、创造性地促进地质测量空间信息系统技术在煤田地质和矿井地质方面的应用，努力研发“数字矿山”的实用技术。可以预见，随着计算机技术的发展，信息高速公路的建成，一个以地理信息系统为平台，以信息高速公路为纽带的“数字矿山”，必将为地质信息的交流与共享提供一种全新的方式。研发煤矿地质测量空间信息系统，可以形成具有自主知识产权的系列产品。开发和构建一个矿区层面的空间地理信息系统平台，不但有利于带动煤矿企业内部软件及其网络应用的发展，造就有自主知识产权的核心软件产品，甚至还可以实现煤炭企业GIS系统行业标准。研发煤矿地质测量空间信息系统，可以在煤炭行业进行推广应用，使之商品化和产品化。另外，利用对地理信息系统技术的掌握还可以开拓行业外的市场。可见，该项目的研发既具有良好的社会效益，又具有巨大的、潜在的经济效益。二、研究内容和目标1、主要研究内容、技术经济指标11 在系统开发方面,我国煤矿地质测量空间信息系统的发展主要通过如下两种途径:a.通用绘图系统或通用地质测量空间信息系统 系统平台上的二次开发通用绘图系统(如AutoCAD、MicroStation 等) 和通用地质测量空间信息系统 系统(如Arcview ,MapInfo 、Map地质测量空间信息系统、SuperMap等) 由于其通用性和开放性赢得了广大用户的青睐。这类软件用于地质、测量和采矿目的时,一般必需以接口文件或动态函数库进行二次开发。由于地质体本身的复杂性和多解性,这类软件很难完全满足地质学家及矿井工作者的实际要求,难于达到商品化程度,没有真正形成市场。b.自主版权的煤矿专用地质测量空间信息系统平台的研制开发煤矿专用的地质测量空间信息系统 系统平台,可以充分考虑煤矿生产的专业特点,跟踪生产的全过程。这种开发方式难度较大,需要相当的实力和长久的考验。VC + 语言是系统平台开发的首选语言,属性数据则大多由Oracle 7、Sybase 、DB 2、SqlSever 2000 等数据库来管理。在煤矿地质测量专业地质测量空间信息系统 平台的设计中,层次结构的图形数据结构设计是一种理想的选择,它不仅描述方便,而且便于管理。图形数据结构中的每一个对象都由其成员数据和作用于成员数据的操作所组成。此外,作为一个专业的图形数据库还要充分考虑其专业特性。面向对象的软件开发方法OMT(Object Modeling Technique) 以面向对象的思想为基础,通过对问题进行抽象,构造出一组相关的模型,从而能全面地捕捉问题空间的信息 。面向对象技术和Windows 的消息驱动结构,使得软件开发有了一个根本性的飞跃。通过对象的封装性和继承性使得软件的模块化、稳定性、可操作性、可维护性以及代码的可重用性都大大地提高。目前,国内开发的煤矿地质测量空间系统已初步具备了煤矿生产地测资料的处理与常用图件的编制功能,但无论是功能还是内容均不够完善,不能完全满足现场工作人员日益增长的更高要求。煤矿地测软件已有向通风、设计、安全方面扩展,形成一个为煤矿全方位服务的完整的信息系统的发展趋势。12 整个系统的体系结构如下所示：根据煤矿地质测量部门的实际要求和作业流程，煤矿地质测量空间信息管理系统是以煤矿地质测量采掘空间数据库为基础，在网络环境中实现各专业部门用户对数据的获取、更新、数据的处理与存储、信息的提取与分析，同时建立相应专业的应用模型库和图形库。图 1 系统体系结构图 如图1所示，煤矿地质测量信息管理系统从3个层次考虑了用户的实际需要。第一个层次是以煤矿地质测量基础数据为中心，实现数据的录入、修改、查询、处理与汇总，形成煤矿生产所需的专业成果图件和统计报表； 第二个层次是在网络环境下实现煤矿地质测量数据的Web查询与浏览，为其它专业应用软件提供开放数据接口；第三个层次是在原始资料的积累及成果图件编制的基础上为煤矿的安全生产提供智能化的辅助决策依据，在现有平剖面图的基础上实现地质体的3D动态构模与可视化。从功能划分来讲，煤矿地测数据管理模块主要完成系统对基础数据的采集与整理，是系统的基础；图形处理模块通过ODBC机制访问基础数据，完成煤矿常用专业图件的自动生成，其中最关键的部分就是地质体的3D动态构模技术、3D可视化及其由此带来的平面剖面自动对应和开采工作面的局部修改与矿区或采区的动态协调。该模块是系统的核心；远程管理模块则为用户提供数据和图形文件的远程发布功能，满足集团公司各级用户的资料共享提供技术支持。13 系统的功能特点为：系统以煤矿地测工作为主要服务对象，涉及了煤矿地测部门的全部日常工作，亦适用于层状和层控矿床的勘探、生产与设计。其功能特点如下：a.系统采用客户端服务器（C/S）与浏览器/服务器（B/S）相结合的二级结构设计模式，可以很好的满足局矿两级网络化管理的需要。b.系统的基础数据管理子系统可满足地质、测量部门对日常数据的录入、查询、统计以及标准化报表等的需要，并为煤矿基础图件的自动生成提供数据源c.系统提供了一个面向煤矿专业应用的地质测量空间信息系统平台。可对各种专业图形对象进行属性修改、几何变换、形态编辑与修改、属性数据的查询与访问、图形的拼接与裁剪等操作d.专业图件的自动化程度高。通过煤矿生产专用地质测量空间信息系统平台，可有效地自动生成和管理地质、测量专业所需的各种成果图件。面向专业应用的实用算法保证了系统应用的效率。通过各专业数据库或外部数据文件，系统可方便地生成煤矿生产现场所需的各种基础图件。e.系统的远程管理子系统通过客户端浏览器（如：Internet Explorer）对服务器中的地质测量基础资料及图件进行远程管理。主要包括：基础数据及报表的查询与打印、成果图件的查询与管理、用户管理及权限分配、日常信息的发布与管理等。 f.系统提出并采用了大量先进实用的算法。煤层3D模型的动态建模技术为平面剖面对应与任意切割剖面提供了方便。 g.系统提供了与AUTOCAD、MAP地质测量空间信息系统等通用软件的接口，能通过DXF格式在系统间进行双向交流。1.4系统的主要功能模块分为：1.4.1煤矿地质测量基础数据管理子系统煤矿地质测量基础数据管理子系统是数据采集的中心，用以管理系统的基础数据。子系统采用ACCESS/SQL Server来存储基础数据，前台应用程序由C#.NET开发。该子系统在功能上划分为系统管理、数据录入、数据处理、数据查询、报表输出五个部分。系统充分考虑了煤矿地质测量空间信息多源化的需要。在数据内容上则以煤矿地质、水文地质、测量、采掘信息为基础，更多地融入地面物探（如地震、瞬变电磁勘探）、矿井物探(如槽波、坑透、瑞雷波勘探)，测井及其它地压、瓦斯等资料。通过对生产技术信息的动态更新，及时准确地控制煤矿地质体的形态，动态反映井下生产的状况。1.4.2煤矿专业地质测量空间信息系统平台煤矿专业地质测量空间信息系统平台是整个系统的核心。系统采用面向对象的程序设计方式，充分考虑了煤矿的专业特性，通过该平台可以自动生成煤矿常用的基础图件。主要包括柱状类：钻孔柱状图、综合柱状图、煤层小柱状、煤岩层对比图；剖面类：地质剖面图、采区剖面图、巷道素描图；平面类：煤层底板等高线与储量计算图，各类等值线图，三下压煤图，水平切面图，采掘工程平面图，井上下对照图、通风系统图、排水系统图、井下避灾线路图、采区布置图、采掘衔接计划图、工作面循环图表等。煤矿地质测量常用图件绘制的自动化程度、信息更新的动态编辑能力以及图件之间信息的共享程度是衡量一个专业地质测量空间信息系统平台优劣的一个主要标志。1.4.3煤矿地测信息的远程管理该模块基于.NET平台，采用ASP.NET(动态服务器技术)、ADO.NET(动态数据对象访问技术)开发，可根据用户的使用权限对服务器中存储的各类基础数据和图形文件进行更新与访问。管理层可直接通过网络下达指令，及时解决现场问题，指导煤矿生产。 2、关键技术、技术创新及研究方法和技术路线（或工艺流程）煤矿地质测量管理系统的体系结构是根据煤矿地质测量部门的实际要求和作业流程，以煤矿地质测量采掘空间数据库为基础，在网络环境中实现各专业部门用户对数据的获取、更新、数据的处理与存储、信息的提取与分析，同时建立相应专业的应用模型库和图形库。21数据管理系统一个矿务局(集团公司)一般包括多个煤矿，由于地域的分布特征，有相当部分的资料存在共性。在同一生产矿井，不同专业之间的数据也存在内在的联系。因此，开发基于管理的应用系统将有助于实现数据的一次输人、完全共享，使煤矿专业应用与全局服务相一致。Internet的出现给实用化的企业网络系统构建带来了巨大活力。采用全新的Internet技术，可以实现信息的完全共享，从而实现企业信息管理的网络化、快速化。煤矿地测工作直接关系到煤矿生产的安全管理。实现地测数据与成果图件的实时管理与远程查询，是煤矿企业领导监督管理的重要手段。目前煤矿所采用的地测信息系统的数据库大多采用桌面数据库，而桌面数据库的缺点是资料的独立性太强，共享困难。这就造成了各个煤矿“各自为政”，矿务局的统一管理非常困难，达不到资源共享的目的;同时还增加了冗余数据;信息的传递速度也慢，统计、汇总麻烦，造成大量人力、物力、财力的浪费。采用客户端/服务器(C/S)与浏览器/服务器(B/S)相结合的二级管理模式，可以很好的满足局矿两级网络化管理的需要。也就是说，针对地测专业的技术人员，他们通过C-S模式操作基础数据，完成地测部门日常工作对数据的动态修改与维护，而对矿级或局级领导，他们通过B-S模式来访问基础数据库中的数据，查询关心的信息，指导现场生产。基础 数 据 管理系统涉及了地质、测量、水文地质、储量、采掘、三维地震等基础资料，其作用主要在3个方面:其一是要满足用户录人、查询、修改、统计分析及编制报表的需要;其二要为专业制图系统准备必要的基础数据，以完成煤矿常用基础图件的计算机绘制;其三是对现有资料的深层次利用。一是提高资料利用的深度和广度，通过改进现有方法与手段，开发新的方法和手段，提高资料自身的利用水平，挖掘其潜在的信息资源;二是综合利用，将多源信息组合、叠加以获取新的信息，通过对比、分析和动态交互，不断提高认识水平，从而实现对地质资料认识的由灰变白。从信息获取的角度，煤矿地质测量管理信息的获取手段越来越丰富。从以往单一的钻探手段发展为集遥感、数字摄影、GPS(全球定位系统)，以及三维地震勘探和其他地面物探、矿井物探等手段为一体的立体勘探模式。在数据内容上，则以煤矿地质、水文地质、测量以及采掘信息为基础，更多地融人地面物探(如地震、瞬变电磁勘探)、矿井物探如槽波、坑透、瑞雷波勘探)、测井及其他地压、瓦斯资料等多源地质信息。在表现形式上，更多地呈现出集图、文、声、像为一体的多媒体特征。在数据组织上，一般通过以下3种途径来实现基础数据的采集:2.1.1建立煤矿地质测量采掘等多源基础数据库煤矿生产是一个动态、活跃的过程，在生产过程中会揭露大量的实测资料，通过数据库来对其进行管理是一种理想的选择。在内容上，至少应包含矿井地质、测量、水文地质、储量和采掘等基本信息。在功能上，应满足用户对这些基础数据录入、查询、修改及统计、报表的需要，并且要为计算机成图系统提供数据接口。为满足局矿两级网络化管理的需要，一般选用中、大型关系数据库作为数据库基础平台，如:Oracle7,Sybase,DB2,SqlSever2000等，前台操作界面则可选用Dephi,Vb ,PowerBuild等开发。2.1.2 从现有煤矿生产专业图件上获取数据很多生产矿井都已经开采了一定的年份，积累了一定的生产资料和大量的生产图件。由于图件的编制除基础资料以外，还受到专业认识的影响，已有的经过积累、修改所形成的现阶段的成果图件，很难通过不太完善的资料来自动生成，因此，从现有煤矿生产专业图件上获取数据，就成了一项重要的途径。2.1.3 通过其他通用软件接口获取数据在煤 矿 地 质测量专业软件出现以前，很多煤矿生产单位已经在一些通用软件(如AutoCAD,Map-地质测量空间信息系统,Maplnfo等)上编制了大量的专业图件，也积累了相应的数据。因此，一个专业的煤矿地质测量空间信息系统，必须具备与其他通用软件的接口，通过接口直接获取图形及属性数据。22 煤矿地质测量空间信息系统2.2.1 煤矿地质测量空间信息系统平台的设计面向对象的软件开发方法OMT(ObjectM odelingTechnique)以面向对象的思想为基础，通过对问题进行抽象，构造出一组相关的模型，从而能全面地捕捉问题空间的信息。图形数据库或图形文件可以看作是对专业数据模型进行描述的一套数据结构，它包含了一系列的对象和作用于对象的操作以及定义操作实施的规则。在煤矿地质测量专业地质测量空间信息系统平台的设计中，层次结构的图形数据结构设计是一种理想的选择，它不仅描述方便，而且便于管理。图形数据结构中的每一个对象都由其成员数据和作用于成员数据的操作所组成，面向对象技术和Windows的消息驱动结构使得软件开发有了一个根本性的飞跃。通过对象的封装性和继承性，使得软件的模块化、稳定性、可操作性、可维护性以及代码的可重用性，都大大地提高。此外，作为一个专业的煤矿地质测量图形数据库，还要充分考虑其专业特性。2.2.2 煤矿地质测量专业图形的自动生成在煤矿的勘探、开采设计及生产过程中，地质和测量图件是设计、生产的基础资料和依据，是地质测量工作最终成果的重要组成部分和形象化的表现形式。常用的图件主要包括:柱状类:钻孔柱状图、综合柱状图、煤层小柱状、煤岩层对比图;剖面类:地质剖面图、采区剖面图、巷道素描图;平面类:煤层底板等高线与储量计算图，各类等值线图，三下压煤图，水平切面图，采掘工程平面图，井上下对照图、通风系统图、排水系统图、井下避灾线路图、采区布置图、采掘衔接计划图、工作面循环图表等。煤矿地质测量常用图件绘制的自动化程度、信息更新的动态编辑能力以及图件之间信息的共享程度，是衡量一个专业地质测量空间信息系统平台优劣的一个主要标志。a.柱状类图形的处理柱状图是地质图件中最为规范化的一种。它是对区域地层或钻孔穿过地层的一种说明性描述。柱状图绘制的技术关键有3点:一是岩性符号柱状的绘制;二是地层系统与岩层的一些描述性文字处理;三是各栏之间的关系协调(缓冲线)。此外，还应考虑柱状图格式的自由定义，测井曲线的自动绘制等。b.剖面类图形的处理地质剖面图一般是沿勘探和主要石门方向切绘的，图形反映了该剖面上的煤层、标志层、地层界线、含水层的位置和构造形态以及与井巷之间的相互关系。它是分析研究矿区地质构造、编制其他综合地质图件、进行储量计算、采掘设计和布置生产勘探工程的基础资料，也是矿井地质工作的3大基本图件之一。(a).剖面基础数据的准备一条剖面的绘制涉及到钻孔、巷道、断层、各种边界等基础数据。数据的获取一般有两种方式。其一是通过数据库来组织这些数据;其二是利用剖面线与煤矿地质测量空间数据体的相交关系来获取这些数据。(b). 剖面处理技术以离散的数据(钻孔和采矿数据)绘制地质剖面图，其难度主要是在绘制煤层、标志层和地层界线时，所绘制曲线在断层两盘，上、下层位之间的形态应该协调。即通常所说的剖面断层处理和地层形态协调。以下简单介绍其实现步骤：第 1步 : 处理断层间的相对关系，对剖面断层作必要的延伸与扩展，以形成剖面处理所需的扩充断层数据。第 2步 : 根据断层的初始或上次求得的平错与落差，恢复地层连续。第 3步 : 地层扩展。第 4步 : 求每一地层被每一条断层切错的平错与落差;求每一地层与每一条断层的交点。第 5步 : 重复1-4步，直至求每一地层对每一条断层切错的平错与落差满意地得到。第 6步 : 输出。c.平面类图形的处理平面图所包含的内容很多，如一些点状标志(工程点、钻孔标志、地物，)，区域边界、等值线、文字标注等等，一般通过组合的方式，绘制图框、钻孔标志、煤层小柱状、各类等值线、储量计算块段、各类边界曲线和采掘工程等内容。在平面类图形的处理过程中，需要研究解决这样一些关键技术:复杂地质条件下(包括大量正逆断层)TIN的自动生成、平面与剖面的自动对应与动态修改、任意切剖面、平面图上储量与损失量的自动计算、采掘工程平面图上巷道的自动延伸与巷道空间交叉关系的自动处理等。其中，复杂地质条件下(包括大量正逆断层)TIN的自动生成又是煤层底板等高线绘制的基础，也是工作量最大的一个方面。Cline和 Renka(1990)提出了一种约束Delaunay三角形剖分方法，这种方法首先将点按无约束Delaunay方法进行剖分。然后将所需的边加进去，形成对这种结构进行描述的数据矩阵。实际计算时，有如下算法:a). 找到所有与要求的连接线相矛盾的三角形，将其中的内边去掉，构成一个多边形;b). 将所要求的连接线加人到该多边形内;C). 按照所对的顶点内角最大的原则，继续形成剩余的三角形边。2.3 煤矿地质测量3D模型的构建煤矿地质测量3D模型的构建与可视化将大大提高煤矿工作人员对煤矿生产各个环节的直观认识。但是由于数据采集的难度以及生成算法的复杂性，基于数字化矿山全景式真三维建模与显示为目的3D软件的开发尚处在摸索之中。目前，许多煤炭行业的地学工作者将工作的重点放在多煤层地质实体及井巷工程的3D建模与可视化研究方面。多煤层地质实体及井巷工程的3D模型可以由点、线、面、体来构建。对离散点的强约束Delaunay三角形剖分，可看作3D表面建模的基础，通过对某一煤层顶、底板的Delaunay三角形剖分来实现类三棱柱法对体模型的描述。3、项目的总目标和阶段目标（含预期知识产权情况）3.1系统的总体设计目标： a.煤矿地质测量空间信息管理系统的建立为各集团公司设计、生产、通风、调度、安全、救护、机电、运输等其他应用系统提供一个基础的数据及图形管理平台。以此规范、统一数字矿山的信息资源，实现相关专业、部门的信息共享。b.系统的建立能够实现地质、测量成图的自动化，实现地质、测量有关计算、管理的自动化。能及时准确地根据三维勘探、钻探、井下揭露等最新资料和信息，高效准确地修改各种生产图件。c.以各集团公司已建成的网络环境为基本运行平台，在集团公司生产处和各个矿分别建立相应的地质、测量管理系统，将原来手工处理的数据、图件等资料实现电子化处理，以此全面提高数据处理水平，使其便于保存、修改和网络传输。d.系统按照三层客户/服务器结构（数据库层、应用服务层和用户界面层）和C/S+B/S二级管理模式进行系统整体设计，将整个系统按数据库、业务逻辑和用户界面三层功能进行组织。实现生产现场技术人员对原始资料的分析、处理、设计、制图以及管理者对成果资料及设计图件的Web访问；系统全部采用模块化结构进行设计，可根据需要自由组合拼装。3.2系统阶段目标：a.系统已经实现的目标：1系统具备完善的点、线、图案、图式和图例的自定义功能。2系统可直接根据原始测量导线点数据生成巷道初步模型，由系统的专有巷道对象构造矿区的网状巷道模型，从而直接生成采掘工程平面图，并可在1：1000、1：2000、1：5000之间直接转换，同时单线、等宽和变宽双线可以自由设置。3系统采用大量的先进算法和自动生成技术。如：预定义边界的Delaunay三角网构造；地层空间TIN模型中的分裂法断层处理；地层和巷道模型的交互式编辑生成技术。使系统对诸如剖面和平面断层处理，煤层底板等高线图的生成具备极高的自动化程度。4自动化程度高向导式，一步一步地引导用户由原始数据和数据库直接生成地测基础图件。5系统高度集成同一界面下可处理煤矿地测和其他部门的各种常规和基础图件。6任意比例尺：字体大小、各种单体符号、点型、线型、地质符号或岩性图案符号可随图形比例尺（标准和非标准）变化，或设置为某一固定比例尺，且可自动无损地转换成符合现行规范的式样。图件和报表可按任意比例和尺寸打印输出。7除支持多文档的结构化存储外，支持内部的图形嵌入和图形参考：图形组合的二种手段。图形嵌入可解决如图签、图例这样的可共用的图形文件插入、组合、以及图幅的合并和拼接问题；图形参考可解决图形内容共用时的统一性问题，如：有十幅参考了某一个图形文件，则当被参改图形被修改和保存后，这十幅图可以自动改变，从而维护了不同图形文件中相关内容的一致性。支持粘贴板：使图形文件间图形对象的拷贝变得方便。如：某标高的水平切面图就可以由多个煤层底板等高线图中的同标高等高线对象拼合粘贴而成。8直接结点编辑、属性页、动态自由缩放技术。b.正在完成的目标：1分布式系统-各负其责。地测科管理和处理各矿所属的数据和图形，生产处管理集团公司的代码、线型、图案、图式和图例、数据和图形分布和数据综合和汇总。2友好的界面、精心的设计、面向对象的图形系统。面向对象特性明显：任何图形单元都只是一个图形对象，这样用户对图形的编辑、操作基本上无需记忆命令（系统亦不再提供命令式操作），一般地仅通过鼠标即可完成对图形对象几何形态的编辑和修改工作。此外，图形编辑、操作的方法和形式统一。所以，用户学习是一看就会，操作十分轻松和简单。3三维可编辑模型模型中各空间点参数、断层、轴或脊线、边界可任意添加、删除、定义和编辑。可切割出任意方向的地层剖面及过剖面上的巷道。4 GIS的图形和非图形数据的关联，保证了数据的唯一性