GIS在矿业系统中的应用现状与展望

马煜+贺金勇

摘要：地理信息系统（Geographic Information System，GIS）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息等功能，作为一门融合地理学、地图学、遥感技术和计算机科学的综合性学科，近年来在矿业系统中得到了广泛的应用研究。结合近年来该领域的最新研究成果，围绕矿山地质勘查与评价、矿山机械及工作人员定位、矿井通风网络模拟、矿山边坡稳定性与采空区塌陷等灾害的监测与预警、矿区环境监测及矿山复垦等方面对GIS在矿业系统中的应用现状进行分析。在此基础上，分别从大型矿山GIS空间数据库与云GIS的构建，矿区环境与稳定性监测过程中“3S”等多元技术的融合，构建Interoperable GIS以实现矿山数据库共享，以3D/4D GIS为代表的GIS多维化发展，矿山生产管理过程中空间可视化技术与虚拟现实技术的有机结合等方面对GIS在矿业系统中的应用方向进行展望，为矿山数字化建设提供参考。

关键词：GIS；矿业系统；研究现状；展望；

矿山数字化、信息化与可视化是矿山未来发展的必然趋势。GIS由于具有多源地学信息的综合管理，多源地学信息的空间查询，空间信息叠置分析，缓冲区分析，空间实体统计，强大的数据采集、调度管理及空间可视化分析等功能，因而近年来在矿山开采影响环境评价、开采沉陷规律研究、矿区滑坡稳定性监测、矿山动态管理、矿山地质灾害评价、矿山重金属污染评价、矿区测量等方面得到了广泛的应用研究。为此，通过对现有的研究成果进行适当总结，并对GIS在该领域的发展方向进行展望，为提高矿山数字化水平提供参考。

1.矿山大型GIS空间数据库与云GIS

矿山大型GIS空间数据库是指由矿山地质数据、钻探数据、井巷数据、生产过程中机车人员实时数据等构成的数据库，该类数据库的真正价值在于构建了各种异构数据之间的关联性[1]。当前，矿山GIS系统仍缺乏强大的数据库支持，对于用户指定的要素无法进行合理的显示，该类要素主要包括：1基于式样的要素（点、线与多边形）的有序集合；2诸如数字高程模拟和影像的栅格数据集、网络、地形及其他地表、测量数据集、其他类型数据。当前矿山GIS不能充分满足海量数据分析的需要，而面向矿产勘查数据的严重缺失，无法确保矿产勘查结果的准确性。因此，构建矿山大型GIS空间数据库将是GIS在该领域的一个发展方向，一方面满足用户数据分析的需求，另一方面为矿产勘查提供强有力的数据支持。

云GIS的实质是将GIS平台、软件和矿区地理空间信息能够方便、高效地部署到以云计算为支撑的“云”基础设施之上，能够以弹性的、按需获取的方式提供最广泛的基于Web的服务[2]。在云GIS大环境下，最大的改变就是GIS平台所有的技术点都将“暴露”成多项可调用、可访问的服务，一切都是开放性的、以服务的形式展现，整个产品是一个具有松耦合、可移动、可伸缩性和自适应性的架构。必须强调的是，云计算绝不仅仅是局部应用模块的虚拟化，而是包括存储、数据库（空间数据库）在内，整个基础架构都将以服务形式来提供[3]。在未来“大数据”环境下，随着大型GIS空间数据库以及云GIS[45]的发展，将实现矿山多个数据库间的数据无障碍共享。

2.“3S”等多元技术融合

“3S”技术是指遥感技术（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geographical information System，GIS）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）为代表的多元技术集合，是矿区环境和稳定性监测发展的重要方向。在该方面，Li Xiao等[4]基于GIS，通过构建反应生态环境现状、生态敏感性与景观空间结构的生态脆弱性指数，对阜新矿区总体规划环境的影响进行评价，并基于Arc GIS软件以条带状的5个级别进行呈现。

3.Interoperable GIS

“Interoperable GIS”即“互操作地理信息系统”，所谓互操作，就是指在异构环境下2个或2个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但它们可以互相通信和协作，完成某一特定任务。对此，M.Breunig等[5]基于GIS组件，建立了面向对象的耦合数据库管理系统，将所有的数据以及3D模型存储于扩展的数据库中，地质和地球物理3D建模工具必须通过公共对象请求代理体系结构（COREA）直接访问数据库，如此便间接的实现了矿业信息的交互共享。对于矿业系统而言，利用Interoperable GIS可以将不同的矿山数据库数据通过实现和使用规范所描述的公共接口模板进行互操作，从而解决地质与钻探数据的共享问题，促进矿山间技术与管理经验交流。

4.3D/4D GIS

GIS虽然具有空间分析功能，但空间分析功能仅停留在空间几何分析层面上，且以较简易的图形、图层分析为主，未能提供大量的以数据操作为主的空间分析功能。随着3D GIS的发展，利用3D GIS分析处理矿区井巷的三维数据、地下作业人员与管线信息，实现露天矿边坡表面变形地貌与炮孔的三维定位等应用效果仍不理想。GIS多维化的发展是与矿山数据库构建与共享相配合的，随着矿山大型数据库的建设与共享机制的建立，在3D GIS的基础上开发4D GIS来处理矿山四维数据，不断完善GIS空间分析功能，将是一项十分有意义的工作。

5.空间可视化技术与虚拟现实技术相结合

在空间可视化方面，P.Ghadirian等[6]基于GIS的建模与离线增强现实（AR）技术，采用真实物体的纹理信息，增强现实的全景视频帧动态与模拟的时间变化的横向视图之间的联系，来研究澳大利亚某区域14a期间的杂草传播动态，取得了较好的效果。虚拟现实技術是由实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术， 以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等多种技术所组成技术体系。

将空间可视化技术与虚拟现实技术相结合，可以对矿区地质地形、井下生产作业过程中人员与机车行动进行仿真模拟。通过对矿体、围岩、矿井风流状况、地应力场等进行交互式观察与分析，将会提升对于矿区环境认识的精确程度，井下生产与露天开采过程中人员机械的可控能力，机电线路等设备安全的可视化程度等。随着可视技术与虚拟现实技术的应用，有助于逐步实现矿山生产管理过程的数字化。

参考文献：

[1]陆锋，张恒才.大数据与广义GIS[J].武汉大学学报：信息科学版，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的发展趋势分析[J].电脑知识与技术，2011（16）：3824-3826.Li Shaodan.Analysis of cloud GISs development trend[J].Computer Knowledge and Technology，2011（16）：3824-3826.

作者简介：

马煜（1996.08-）男，汉族，身份证号：140202199608106512，本科生，山西省大同市，研究方向：地理信息科学.

贺金勇（1996.07-）男，汉族，身份证号：410181199607206015，本科生，河南省巩义市，研究方向：地理信息科学endprint