基于地理信息技术的“数字矿山”应用

1、基于地理信息技术的“数字矿山”应用摘要：本文从国内的技术实现背景方面阐述了“数字矿山”的概念，并以自主研发的 Titan（泰坦）煤矿综合信息管理应用平台为例，分析和介绍了当前基于地理信息技术进行数字矿山建设的关键技术。关键词：数字矿山；地理信息；海量数据“数字矿山”是一个科学、系统的概念，也是一种动态持续的过程。对于国内“数字矿山”的技术实现背景， 我们可以从以下两个层面上来理解。一个层面是将数字矿山中的固有信息（如地表地形、井下地质构造与矿体、测量控制系统、已完成的井巷工程等）数字化，按三维坐标组织起来一个数字矿山，全面、详尽地刻画矿山及矿体；另一个层面是在此基础上再嵌入所有相关信息（如储量

2、管理、机电管理、人事管理、生产管理、技术管理等），组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。随着矿山生产管理技术水平的提高，地理信息技术作为信息技术的一个重要组成部分，已逐步应用在“数字矿山”建设中。但是，目前地理信息技术在矿山生产管理上的应用还局限在个别方面，各方面之间缺乏有机的联系，没有作为一个整体综合地考虑，对矿山生产管理的影响有限。本文结合 Titan（泰坦）空间信息基础平台软件，提出了一个新的解决方案，建立了 Titan（泰坦）煤矿 综合信息管理应用平台。该系统平台整合了矿井监控监测数据，使得决策者能够比较准确地了解井下的情况，实现了安全实时监控，同时实现了自动化制图和三维矿井虚拟， 该

3、系统平台已成功应用在山西大阳煤矿系统中。1、系统总体框架系统总体框架为由数据库及管理系统、煤矿应用服务平台和煤矿专业应用系统组成的三层结构。专业应用系统在煤矿应用服务平台的支持下，实现矿井安全实时监控、安全生产管理、设备管理、矿图管理以及煤矿储量计算、突发事件处理辅助决策、三维矿井虚拟等子系统。系统总体框架如下图 1。C/S 模式数据库及管理系统煤矿综合信息库管理系统统计分析运行监控权限管理用户管理煤矿应用服务平台煤矿三维信息分析煤矿模型库管理安全生产综合管理煤矿专业应用系统三维矿井采掘虚拟突发事件处理储量管理矿图管理设备管理安全生产管理井下人员定位矿井安全实时监控煤矿安全Th产主管部门系统接

4、口B/S 模式煤矿综合信息数据库地质测量信息基础地形矿井设计生产信息数据库管理系统硬件及网络系统平台数据采集与更新属性数据录入、转初始换与更新数据录入图形数据、影像数与转据录入、转换与更换支撑软件扫描仪及扫描矢量化软件图 1 系统总体框架2、系统建设的关键技术分析2.1海量空间数据存储GIS 技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题，因为对于一个城市级的 GIS 系统，其数据量极其巨大，一般可达到 GB 的数据量级。例如某市 1:500 的基础地图就有 2.4GB。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题，而利用面向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。在面向对象的空间数据库

5、中，海量地图数据的使用变得更加简单：只需建立单一图层，不必再进行分幅处理。如果用户原来的数据源是分幅的，可将其全部存储到一个图层中，数据库将自动对其进行拼接和索引处理，即可形成一个完整的图层。在应用时，客户端只需极少量的编程（实际上只是指定数据源），就可实现对数据库里数据的动态显示。数据库会根据当前地图客户端的显示视野，自动将此范围内的图形检索出来，并送到客户端显示。因此，即使服务器端的数据是 GB 级的，在客户端的数据量却仅是几十到上百 KB，大大减轻了客户端系统的配置需求，并减轻了网络流量。Titan 空间数据管理接口（Spatial Data Management，SDM）是 Titan

6、 系列地理资讯系统软件平台中面向大型、海量空间信息（包括矢量和影像）的存储和管理系统而开发的解决方案。它提供 TOSA 模块在 Oracle，MySQL，SqlServer，KingBase 等多种数据库系统中存贮和管理矢量和影像数据，充分利用大型关系型数据库的数据存储、管理能力，为大型/超大型空间信息系统提供强有力的支持。2.2 海量空间数据显示由于显示时，特别是地形漫游所涉及的地形数据可能相当大，甚至达到海量级别，受计算机内存和显存资源的限制因而不可能预先一次性把这些地形数据全部调入内存。然而，只要我们能开辟一个数据缓冲区(其数据量将远小于整个场景的地形数据量)来装载当前可见区及其附近的地

7、形数据，并在漫游过程中根据当前视点位置与数据缓冲区几何中心之间的平面位置关系来判断是否需要立即更新数据缓冲区，如此一来，就有可能使得内存中所需调入的数据量仅与数据缓冲区的数据量相关，而与整个场景的地形数据量无关。从而只利用有限的 PC 内存和显存资源，即可实现基于大规模地形数据的大范围漫游。对于遥感影像数据的显示，Titan 空间数据管理 SDM 建立影像金字塔。这样既能避免采用小波影像压缩技术的较多质量损失，又达到了海量影像数据的组织管理和快速浏览效果的目的，可以实现与数据量无关的快速显示。对于矢量数据的显示，Titan 空间数据管理 SDM 建立了基于四叉树、R 树混合索引技术，克服了传统

8、单一索引技术的不足，为海量空间数据管理、显示奠定了坚实的基础。2.3 自动制图在煤矿的勘探、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,是地测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

9、共享程度是衡量一个专业 GIS 平台优劣的一个主要标志。本系统采用了 Titan GIS 基础地理信息平台软件开发，Titan GIS 具有完整的 GIS 数据结构，支持 Titan 实体关系、空间拓扑结构，栅格数据结构和不规则三角网 TIN 数据模型。提供强大的图形编辑、显示、图表互查、绘图输出及丰富的矢量分析功能和基于栅格及 TIN 的多种空间分析功能，是一个全功能、面向分析和开发的专业 GIS 产品。Titan GIS 支持点装、线型符合编辑器，可建立符合煤矿行业制图标准的符号库系统。Titan（泰坦）煤矿综合信息管理应用平台提供了基于采掘工作面进度的采掘工程平面图自动制图功能。数据更新

10、在 Titan SDM ,制图出图采用AutoCAD。Titan SDM 更新的数据主要是采区空间数据。更新的方式采用输入综采周报的推进进度（单位：米），自动更新（制图）采区空间数据。制图自动获得动态数据，即自动获得已经更新的采区数据。其工作方式如图 2 所示。输入工作面回风巷、进风巷推进长度（米）自动计算推进位置地理坐标，方位等信息自动更新工作面空间数据（自动制图）工作面空间数据转换为DXF/DWG选择已经入库的 AutCAD 图件（如采掘工作平面图）浏览、修改、打印装载已经更新的采区空间数据装载原入库图件数据启动 AutoCAD图 2 自动制图出图方案图2.4 三维地质模型生成煤矿地质测量

11、 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。Titan 3DM 基于框架建模的思路研制开发而成。它利用平行或基本平行的剖面数据建立起三维空间任意复杂形状物体的真三维实体模型，并且以此为基础作为特定的要求提供特定的服务。Titan 3DM 主要由三个核心模块组成。分别为：剖面处理模块、对应关系处理模块和模型处理模块。剖面处理模块的主要功能是建立

12、生成模型的数据剖面。数据剖面由多边形、环和点元素组成。对应关系处理模块的主要功能是建立起 剖面之间、多边形之间、环之间和点之间的一一对应关系，这样便建立起了建 模元素之间在三维空间中的联系。在剖面数据和剖面对应关系的基础上，便可 以用模型处理模块建立和处理三维实体模型。在矿山企业中用于建立井下采矿、露天采矿， 矿体模型，巷道模型，矿建模型。2.5 矿山虚拟现实模拟与可视化仿真技术模拟仿真技术是通过图形（图像）反映灾害状况的最好手段，煤矿灾害同其它地理现象一样，具有空间定位性。通过模拟仿真技术可将各种数据或分析成果，如灾害类型分布、灾害危险程度分区、灾情动态演变、损失及救灾措施、规划等直观而有效地交互式的显示在电子地图上。管理人员通过查看历史曲线，利用实践经验，科学预测灾变或发展趋势，做出准确的分析判断，并给出相应 的反馈信息和决策，进而做到科学指挥，将灾害消