煤矿开采沉陷损害评价方法研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 煤矿开采沉陷损害评价方法研究 姓名潘拥军 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师刘立民 20041101 L L 东科投夫学坝上学位沧文 摘要 摘要 随着信息社会的迅速发展，G I S 作为“3 S ”技术的核心，已成为地球信息科学的重 要组成部分。为有效地控制和治理开采损害，进行科学有效的开采损害评价是必不可少 的。本文围绕建立基于G I S 的开采损害评价系统，进行的主要研究有通过对评价对象 的分析与综合，将评价对象抽象为点对象、线对象和面对象三类，并分别建立了基于G I s 的开采沉陷计算方法；建立了建筑物损坏评价的模糊综台评判模型和建筑物损坏等级识 别的物元模型，同时，还研究了颜色值与建筑物移动变形值的对应关系，使评价结果获 得了良好的视觉效果建立了土地损害评价和塌陷地资源优化配置的物元模型，给出了 地表沉陷面积和沉陷体积的计算方法；建立了直线道路和弯曲道路的沉陷回填量计算方 法整个软件系统实现了数据的内部传递、交换和数据的可视化表达通过优化界面设 计和结构设计，最终研究开发出了基于G I S 的集开采损害评价、环境保护治理工程量化 计算决策于一体的系统软件。 关键词地理信息系统；开采损害；矿区环境评价；可视化；模糊综合评判；物元模型 可拓学。 u 末科技犬学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T W jt ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y ，t h eG e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o nS y s t e m G I S ，a st h ec o r eo f ”3 S ”t e c h n o l o g y ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n t p a r to ft h ee a r t hi n f o r m a t i o ns c i e n c e ．I ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u ts c i e n t i f i c a n de f f i c i e n te v a l u a t i o nf o rt h ec o n t r o l l i n ga n dt a c k l eo ft h em i n i n gd a m a g e B a s e do nd e a l sw i t ht h ee v a l u a t i o ns y s t e mo fm i n i n gd a m a g e ．I tm a i n l yc o v e r st h e f o l l o w i n ga s p e c t s B a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p r e h e n s i o n ，t h ee v a l u a t i o no b j e c t sc a nb e a b s t r a c t e da sp o i n to b j e c t ，1 i n e a ro b j e c ta n dp l a n a ro b j e c t ，a n dt h ec a l c u l a t i o n m e t h o da g a i n s te a c ht y p eo fm i n i n gs u b s i d e n c eh a sb e e ne s t a b l js h e d T h ef u z z y c 。m D r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e ls u i t e d t o t h eb u i l d i n gd a m a g ea n dt h e m a t t e r e l e m e n tm o d e lf o rt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h er a n k so fb u i l d i n gd a m a g ea r e s e tu pA tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no ft h ec o l o rv a l u eL ot b e d e f o r m a t i o nv a l u eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，w h i c hm a k e sag o o dv is u a le f f e c tf o r tb er e s u l td is p l a y T h em a t t e r e l e m e n tm o d e lf o rt h el a n dd a m a g ee v a l u a t i o na n d t h e o p t i m u m a l l o c a t i o no fs u b s i d i n gl a n d h a v eb e e np u t t e df o r w a r d ．T h e c a l o u l a t i o nm e t h o d sf o rt h es u b s i d i n ga r e aa n dv o l u m eh a v eb e e np r e s e n t e d T h e I n t e r n a lt r a n s f e r ，e x c h a n g ea n dt h ev i s u a le x p r e s s i o no ft h ed a t a h a v eb e e n r e a l iz e d T h r o u g ht h ed e s i g no fo p t i m u mi n t e r f a c ea l l ds t r u c t UJ e s ．tP i e s y s L o f s o f t w a r ec o m b i n i n gm i n i n gd a m a g ee v a l u a t i o n ，t h eq u a n t i t a t i v ec a L c u l a ti o na n d d e c is i o nm a k i n go fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dr e c o v e r ye n g i n e e r i n gis d e v e I o p e d ． K e yw o r d s 6 I S m i n i n gd a m a g e m i n ee n v i r o m e n t a le v a l u a t i o n v is u a l i z a t i o n ； f u z z yc o m p r e h e n s iv ee v a l u a t i o n m a t t e r e l e m e n tm o d e l e x t e n i c s 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文尚未呈交于其它任何学术机关作鉴定。 研究生签名磊鼾 E t 期炒4 ．偿、f 7 A F F I R M A T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r do f m a s t er ’i nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n y o t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 浙峰 D a t e 加，、h 2 ，l ’ J j 东抖技，i 学顺十学位论文 1 绪论 邗1 山丌采的对象是各种矿产资源，矿产资源是人类发展生产、赖以生息的物质基础， 其种类和数量是衡量一个国家综合国力的的重要标志。因此，古今中外，各国都很重视 地质勘查工作，大力寻找可供开采利用的矿产资源。迄今，世界上已发现矿产1 ㈤种。 矿产除了用于基础工业之外，还广泛用于国计民生的各个方面。近代，在发展高新技术、 厅发精尖产品方面，矿产更是不可缺少。今后，随着世界经济和科技的迅速发展，人类 对矿产资源的需求更会与日俱增。这种需求不仅表现在数量上，而且表现在品种和质量 上。因此，矿产资源的种类及其应用范围，也将会随着科学技术水平的提高而不断增加 和扩大。 我国各类矿产齐全，现已发现矿产1 6 3 种，其中1 4 9 种已探明储量。2 0 多种矿产的 探明储量居世界前列，如煤、锡、稀土、萤石、硼、滑石、高岭土等。1 3 0 多种矿产已 丌发利用，每年矿石采掘量5 0 多亿吨，我国已成为世界第三矿产资源采掘大国。矿产资 源粟掘业已成为我国国民经济发展的重要基础工业，矿产资源的采掘在为国民经济和科 学按术发展做出贡献的同时，也带来一些负面影响 主要指对生态环境 ，其中以矿产资 源采掘过程和加工利用过程产生的损害最为突出。尽管世界各国都在大力研究开发矿产 资源采掘和加工利用的新技术，使矿产资源的采掘和加工利用过程产生的损害降至最小。 但是，不管科学技术怎样发展，这种损害将是始终存在的，人们只能减小它，而不能根 除它。因此，加强矿产资源开采损害的评价与治理的研究是非常必要的，是可持续发展 规划必不可少的内容。 煤炭是我国国民经济的主要能源，占一次能源消耗的7 6 ％，1 9 9 7 年我国原煤产量达 1 3 ．2 5 亿吨，占我国所有矿产资源开采总量的2 6 ％，是世界上最大的原煤生产囤和消费 国。预计下一个世纪煤炭作为我国主导能源的地位将不会改变。因此，煤炭的采掘和加 工利用过程造成的损害是最普遍的和最长期的，同时，也是最严重的。如何科学有效地 评价和控制煤炭采掘和加工利用过程中产生的损害，是一项长期而艰巨的任务。 煤炭开采方式主要有两种，即井工开采和露天开采。以下分析论证的煤炭开采损害 主要针对井工开采而言。 1 ．1 开采沉陷损害的分类 开采损害可广义理解为由于采矿工程使地上、地下的建筑物、构筑物和自然对象 受到的不利影响统称为开采损害。据此，一系列因采动引起的地压破坏现象也被包括在 开采损害范围之内，如采场及巷道矿压、岩爆等等。事实上关于采场、巷道受力稳定性 问题及岩爆问题已形成了一些独立问题和研究分支，它们都属于岩石力学或矿山岩体工 l 坐查型垫查堂堡圭兰垡笙兰堕堡 程力学的范畴。矿山开采沉陷学也可归纳其中。因此，广义的开采损害是与矿山岩体上 程力学密切相关的。前者强调现象，后者强调理论系统| 7 ⋯。 狭义的开采损害主要指岩层和地表受开采影响面发生的移动和变形所引发的～切有 害变化。岩层与地表移动规律及其对地表建筑物和自然对象的有害影响是这～研究的主 耍内容。埘于地下工程，则需区别两种情况通常将位于明显的移动变形区范围之内的 采场、巷道、峒室所遭到的损害，划归为开采损害范围之内，而位于明显的移动变形区 之外的采场、巷道、峒室等的稳定性研究则不属于开采损害的研究范围，它们的失稳不 属于狭义的开采损害。 开采损害可分为直接与间接两种。位于开采沉陷区，即岩层和地表明显移动与变形 区域内的采动对象所受到的损害称为直接开采损害。但在个别情况下，在离开开采沉陷 区较远的地方，也可能发生明显的开采损害现象，这种影响往往是开采活动间接引起的， 称为间接开采损害。间接开采损害通常与开采引起的地下水活动、断层活动及其它工程 地质条件的变化有关。 1 ．2 开采沉陷损害的表现形式 自9 0 年代以来，因煤炭开采形成的地表塌陷每年约2 ．2 万公倾；至1 9 9 4 年底形成 的塌陷累计已达3 2 万公倾；预计到2 0 0 5 年，累计形成的塌陷面积将达4 0 余万公顷；到 2 l 世纪初，我国的采矿业每年占用和破坏的土地将达3 ．4 万公顷。据不完全统计，1 9 9 5 年煤炭丌采损害的补偿额在6 0 亿元左右。 煤矿开采沉陷损害了地表各类建筑物和构筑物，如城镇、村庄、工业与民用建筑、 铁路、桥梁、管道、输电线路、通讯设施等。同时还影响了煤矿城市规划和绿化，使农 田高低不平，使地面水利设施和排水系统不能正常使用，破坏周围的水体 源 ，并引起 地面区域环境和生态结构的变化，造成东部平原矿区耕地大量减少，加剧西部矿区水土 流失和沙漠化，在南部和西南部矿区还会引起山体滑坡等等。这一系列问题不仅给国家 和企业带来了巨大损失和沉重负担，而且还会对区域生态环境产生较大的负面影响。因 此，对煤炭开采沉陷造成的损害进行合理地评价，并对其提出有效的防治保护对策，是 煤炭资源丌采开发过程中的重要研究课题。 煤炭开采损害的评价及其防治问题不仅是关系煤炭企业能否持续发展的重大问题， 而且也是直接影响我国国民经济 尤其是农业 可持续发展的重要问题。因此，进行煤 炭丁F 采沉陷损害评价和防治的深入研究，将具有重要的理论意义和现实意义。 1 ．3G I s 用于开采沉陷损害评价的优越性 G I S 是“地理信息系统”的英文名称 G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o nS y s t e m 或G e o - I n f o r m a t i o n 2 生墨型垫叁兰竺． 堂些生兰 塑 S y s t e m 的缩写，是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科 学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，咀提供对规划、管理、决策手研究所需隋 息的技术系统。文献【80 】还将地理信息系统解释为是人们赖以生存的现实【盐界L 资源与上I 、 境 的现势和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬 件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它是集 计算机科学、地理学、测绘学、遥感学、坏境科学、城市科学、空闽科学、信息科学、 应用数学、工程力学、管理科学为一体的新兴科学。例如加拿大的C G l S 和美国的 A R C ／I N F O 、M a p l n f o 等都是典型的处理和分析空间数据的技术系统。 地理信息系统 G I S 从外部看，它表现为计算机软硬件系统，丽其内涵却是幽计 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瞎皂、化㈤地 理系统。信息的流动及信息流动的结果完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真， 地理学家可以在G I S 支持下提取地理系统不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息．， 也可以快速地模拟自然过程的演变过程，取得地理预测和实验的结果，选择优化方案， 避免错误的决策。 煤矿地质、采矿及区域环境等各因素大都属于三维的地理信息，而采动破坏过程则 是一个随着时间维变化而变化，其属性信息和空间位置信息均发生变化的地理信息演变 过程，属于四维地理信息。基于G I S 的开采沉陷损害评价理论和方法的研究，可充分发 挥G I S 对空间信息方便管理的优势，提高由计算机进行煤矿开采沉陷损害评价的效率和 效果，并克服煤矿月采损害防治决策时对空间信息难于查询、识别和更新的弱点。所以 该课题的研究不仅具有新颍性，而且具有实用性[ 4 0 】【5 3 】。 1 ．4 课题研究的必要性 1 ．4 ．1 矿区地理位置与交通 兖州矿区地处鲁西南济宁市的东部大平原上，地跨济宁市任城区、市中区、邹城市、 兖州市、血阜市和微山县等六市 县 。矿区包括兖州煤田大部和济宁煤田东部。兖州煤 盼现有南屯煤矿、兴隆庄煤矿、鲍店煤矿、东滩煤矿、杨树煤矿和北宿煤矿等六座统配 生产矿井，面积4 4 2 ．2 k m 2 ；济宁东部煤田有济宁二号和三号煤矿两座矿井，面积2 0 0 k m ， 8 个矿共计6 4 2 ．2 k m 2 。 兖矿集团公司驻地在邹城市，北距兖州市2 3 k m ，京沪铁路、兖新铁路、兖石铁路分 别从矿区东部和北部穿过；西距京九铁路的菏泽站1 4 5 k m 。驻地铁路线至济南1 7 6 k m ，至 北京6 7 3 k m ，至上海7 9 0 k m ，至石臼所3 2 0 k i n ；1 0 4 国道从邹城市通过。此外尚有兖州～ 济宁、邹城一济宁、邹城一兖州公路从矿区穿过；内河航运可由白马河至微山湖，经京 抗大运河直达江、浙；海运由石臼所港可达国内外海港。交通运输十分方便。 1 ．4 ．2 矿区地质采矿条件 圭 篓垒兰丝占兰垒兰鲨苎竺堡 宽州矿区含煤地层为石炭二叠系，平均厚度2 9 0 m ，全部为第四系冲积层所覆盖。其 e } ，第四系厚1 6 3 3 8 m ，东薄西厚，由粘土、砂质土和砂砾层组成；上侏罗系蒙阴组O 一9 l j m ， 东、南部薄，西部较厚，由粉砂岩、细砂岩、中砂岩及泥岩组成，底部常有一层砂砾岩； 二叠系下石盒子组厚0 一1 8 1 m ，由砂岩及粘土岩组成；二叠系山西组厚约1 3 7 m ，由砂岩、 粉砂岩、粘土岩及煤组成，其中3 号煤层是煤田主采厚煤层；石炭系太原组厚约1 7 3 m ， 由砂岩、泥岩、石灰岩和煤组成，其中1 6 、1 7 号煤层是全煤田可采的薄煤层，石炭系本 溪组厚约5 3 m ，由粘土岩、泥岩及薄层灰岩组成，与奥陶系灰岩呈假整合接触奥陶系 分为中、下统，厚约4 5 0 7 5 0 m 。 兖州煤田山西组和太原组共含煤层2 4 层，煤层平均总厚1 6 m ，含煤系数j ．1 ％，其 中，可采和局部可采煤层平均总厚1 2 ．7 m ，含煤系数为4 ．1 ％。山西组主采的3 号煤层在 煤田北部为一层，厚8 - l O m 在煤田中、南部分岔为3 上、3 ，两层，厚度分别为3 ．6 7 ．O m f 一般5 ．2 m 和1 ．3 6 ．4 m 一般3 ．2 m 。 济宁煤田共含煤2 7 层，平均总厚1 7 ．1 l I I l ，含煤系数6 ．8 ％。可采和局部可采煤层共 8 层，平均总厚1 0 ．9 4 m ，含煤系数为4 ．4 ％。 1 ．4 ．3 矿区“三下”压煤概况 宛州矿区地处鲁西南土地肥沃、人口密集、村庄稠密、经济发达的高潜水位、厚冲 积层平原地带；煤层开采强度和一次性开采厚度大，开采引起的地表沉陷量大，下沉速 4 型垒坠丝查兰塑三堂竺堕 一． 塑 度大是我国丌采损害最为严重的矿区之一。为此矿区也付出了巨大的代价。 充州矿区“三下”压煤严重。截止1 9 9 9 年末矿区总计能利用储量3 58 j 亿吨，可采 储譬2 0 ．4 j 亿吨。其中“三F ”压能利用储量1 6 ．9 8 亿吨，压可采储量1 2 ，0 8 亿吨，分别 占总储量的4 74 ％和j 9 ．1 ％。在“三下”压煤中，集团公司所属矿井范冈内压煤村庄 2 7 2 个，村庄建筑物下压可储量9 ．6 0 亿吨，占总储量的4 6 ．9 ％，占总压煤量的7 9 ．5 ”j ； 水体下压可采储量1 ．9 3 亿吨，占总压煤储量的1 6 ．O ％；矿区铁路压可采储量 不包括济 宁- 三号井 o ，5 5 亿吨，占总压煤量的4 ．5 ％． 2 0 0 1 2 0 0 5 年矿区“三下”压煤计划采出量总计为3 6 0 9 ．2 万吨，主要集中在铁路下、 白马河卜| 、泗河下，还有村庄煤柱下、高压线下、第四系含水层下，治理费用约10 6 7 2 ，8 万元，吨煤增加成本2 ．9 6 元 详见表一1 。 表一1 兖矿集团“三下”压煤统计表 矿井南屯矿兴隆庄煤矿鲍店矿东滩矿济三矿北宿矿 矿肛’总讨 “二F ”采出壁 5 0 0 ．06 7 1 ．51 1 0 8 ．52 5 808 2 772 4 3 ．53 6 0 92 万吨 治理费用 万元 8 2 2 ．01 1 8 0 ，03 8 7 5 ．33 0 0 001 3 3 3 ．54 0 2 ．0l Ⅲ 7 28 增加成本 元／吨 1 ．7 6I ．7 63 ．51 1 61 1 ．61729 6 1 ．4 ．4 国内外同类技术研究应用状况 地理信息系统 G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m 简称G I S 是一项以计算机为基础 的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科， 是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理 坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通 过对多因素的综合分析，它可以迅速她获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或 数据的形式表示处理的结果。 目前世界上常用的G I S 软件已达4 0 0 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名 的有A R C ／I N F O ，G E N A M A P ，M G E 等；国内较著名的有M A P ／G I S ，G e o s t a r 和C I T Y S T A R 等。 虽然G l s 起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情 况。一是利用G I S 系统来处理用户的数据二是在G I S 的基础上，利用它的开发函数库 二次开发出用户的专用的地理信息系统软件。目前已成功地应用到了包括资源管理、自 动制图、设旋管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、 教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及 环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近 年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、 些曼竺丝垒兰坐竺堂些堡苎堕堡 交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益 } 』社会效益。 1 地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即以多种方式录入的地理数据，以 有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索，以多种方式输 出决策所需的地理空间信息。目前流行的数据库管理系统，与G I S 中数据库管理系统在 对地理空间数据的管理上，存在两个明显的不足；一是缺乏空间实体定义能力；二是缺 乏空间关系查寻能力，这使得G I S 在对空间数据管理上的应用日趋活跃。如A R C ／I N F O 在公路管理中的应用；A R C ／I N F O 在对市政设施管理中的应用。后者如北京某测绘部门 以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大娄管 线 包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线 以及测量控制网，规划路等基础测 绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。从而实现了对地下管线信息的全 面的现代化管理。为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部 门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。 2 G I s 在综合分析评价与模拟预测中的应用。G I S 不仅可以对地理空间数据进行编 码、存储和提取，而且还是现实世晁模型，可以将对现实世界各个侧面的思维评价结果 作用其上，得到综合分析评价结果；也可以将自然过程、决策和倾向的发展结果以命令、 函数和分析模拟程序作用上这些数据上，摸拟这些过程的发生发展，对未来的结果作出 定量的和趋势预测，从而预知自然过程的结果，对比不同决策方案的效果以及特殊倾向 可能产生的后果，以作出最优决策，避免和预防不良后果的发生。如G I S 在焦作东部矿 区煤矿底板突水预报中的应用；G I S 在土地信息和土壤保护中的应用。后者如美国资源 部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地6 1 S 。该系 统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、 卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的壤侵蚀模型A R * K * L * S * C * P ，其中A 为潜在的土壤侵蚀 面积／年 ，R 为降雨量，K 为侵蚀土壤参数，L 为坡长，s 为坡度参数， c 为耕地面积，P 为管理参数。探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的方案，达到土壤保 护的月的，还可以利用它对土地进行长期的动态研究，避免土质的重心恶化。这里把土 壤侵蚀模型A R 州十L 丰s } c 半P 作用到与之有关数据，达到综合分析评价及模拟预测结果。 i 3 G I s 的空问查询和空问分析功能的应用。为了便于管理和开发地理信息 空1 1 白J 1 言 息和属性信息 ，在建库时是分层处理的。也就是说，根据数据的性质分类，性质相同或 栩近的归并一起，形成一个数据层。这样G I S 对单酗或多副图件及其属性数据进行分析 秘指标量算。这种应用以原始图为输入，雨查询和分析结果则是以原始图经过空{ ’日j 操作 后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一致。因此，也可将其称为空矧函数 变换。这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析 逻辑交运 算、逻辑并运算、逻辑差运算 。这方面应用例子有很多，例如在城市规划过程中，对城 市中救护车、救火车的分布位置以及行车路线和控制的规划；如何安排多路警车交通路 线，以保证在紧急时刻，在任意地方应至少能有一辆警车在事发后最短时间内赶到出事 6 』 篓型垫叁兰堡 兰 堡兰 ⋯堑 地点在环境保护方面，对水土流失导致土地资源的破坏进行评价；在区域环境质量现 状j 乎价过程中，对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污 染的程度以及空间分布状态在地学方面，M A P G I S 在油气勘探中和在成矿预测中的应用， 解决T 肉哏所不能看见的深部构造问题和指明矿产的远景区。在大都市防震减灾系统中 的应用，1 9 9 4 年的美国洛杉机大地震，就是利用R A C ／I N F O 进行灾后应急响应决策支持． 成为大都市利用G I S 技术建立防震减灾系统的成功范例。日本横滨大地震后，日本政府 决定利用6 I S 技术建立更好的能快速响应的防震减灾系统。日本建筑署建设研究所、 N A S D A 等政府机构在联合国区域发展支持下，建立了防震减灾应急系统，选用A R C ／I N F O 对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等 图库。把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可 以对象神户一样的大都市大地震作出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。 4 j I s 的输出功能在地图制图中的应用。地理信息系统的发展是从地图制图丌始 的，因而G I s 的主要功能之一用于地图制图，建立地图数据库。与传统的、周期长、更 新慢的手工制图方式相比，利用G I S 建立起地图数据库，可以达到一次投入、多次产出 的效果。它不仅可以为用户输出全要素地形图，而且可以根据用户需要分层输出各种专 题，如行政区划图、土地利用图、道路交通图等等。更重要的是由于G I S 是一种空间信 恩系统。它所制作的图也能够反映一种空间关系，可以制作多种立体图形，而制作立体 图形的数据基础就是数字高程模型。在地图的输出中，M A P G I S 达到世界九进水平。 5 运用G I S 系统，建立起专题信息系统和区域信息系统。专题信息系统如水资源管 理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、水土流失信息系统和目前上海正 在建立长途电信局6 I S 系统等等。这类信息系统具有有限目标和专业特点，系统数据项 的选择和操作功能是为特定的专门目的服务。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美 国O a k r i d g e 地区模式信息系统等等。这类信患系统主要以区域综合研究和全面的信息服 务为目标，可以有不同的规模，其特点是数据项多，功能齐全，通常具有较强的丌放性。 这两种信息系统与上述四种G I S 应用或多或少有重叠处，但这里强调的是完整性、系统 性、故与它们分丌讨论。 6 地理信息系统与遥感图像处理系统的结合的应用。遥感数据是地理信息系统重要 信息源。其实目前大多数G I S 系统已揉进图像处理功能，并把它作为其一个子模块。这 种应用如海湾战争期间，美国国防制图局G I S 实时服务，为战争需要在工作站上建立了 G I s 与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术处理，处理卫星和高 低侦察机实时获得战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图 上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供2 4 小时的实时服务。 7 应用G I S 一些二次开发函数库开发出具有特定功能软件系统。如国家九五攻关项 目“紧缺金属资源快速勘察评价系统”，这个系统中，分为地质变量信息提取模块、数据 挖掘模块、物探数据处理模块、图像处理模块、综合预测模块等，其中地质变量信息提 取模块使用了M A P G I S 中基本输入函数、空间功能分析函数，目前这个系统已初具皱形， 7 堕型塾叁堂塑． 兰竺堡兰 签 8 G I S 中属性数据的综合及融合。在现有的G I S 中，属性数据只是用于检索和查 乩二戈进行简单的统计，难以深入的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。在众多 项的属性数据中，有时将几个属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意 义的新属性项新属性值，这种综合不是综合前属性数据值的简单反映，也不是它们的孤 芏』- 集合．而是经过某领域研究人员深思熟虑的综合分析，用数量表示某领域问题的综合 概念和结果特征。国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，我们对研 究区进行合理网格大小划分后，利用G I S 空间分析功能，求得每个网格单元的各地层、 岩体、脉体的面积及相应的面积百分数、各断裂的长度、方向等众多的属性数值，在此 基础} 二，我们用具有特定意义数学模型计算出三个综合属性值，分别为相对熵、断裂的 优盏度和中心对称度。用相对熵来考查围岩蚀变组合特征与矿化的关系；在以构造为主 要控矿因素的内生矿产中，用断裂的优益度来评价每个网格单元是否有利储矿用中心 对称度来研究和圈定古火山机构、小型等轴状隐伏侵入体等具有放射状断裂体系的环形 掏造。 数据融合的概念始于7 0 年代，但直接促其迅速发展的是进入9 0 年代以后，最初以 军事应用为目的的数据融合技术现今亦用于工业和农业。我们在开发国家科委九五攻关 项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，引进数据融合技术，融合G I S 的属性数据，进 行地质异常单元的圈定与评价。利用G I S 对空间数据强大的显示功能，显示其结果。我 ”j 在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，如前面所述，求出 各网格单元的各属性项的属性数据值 即各变量值 ，我们知道，地学数据是典型的多源 卒间数据，它们的量刚不一、形式多样既有定量数据、又有定性文字描述数据，因此 丧数据融合前，必须统一量刚、把定性数据定量化，然后筛选出独立、有用的变量 包括 综台交量 ，选择相应的数学模型 包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型 和模型 单元，确定地质异常临界值大小，根据它对未知单元进行异常圈定和异常评价，最后利 用G I s 其显示结果。通过G I S 空间叠加分析，对其属性数据值的预处理、筛选、数据融 台，利用C I S 管理、显示，使其结果的应用范围与利用价值大大提高。 总之，G I S 为人类由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界返回客 现世界的利用改造过程的发展和转化，创造了空前良好的条件和环境。 现代信息技术的发展及知识经济的形成，促进了整个信息社会的发展，地理信息系 统作为信息基础设施的重要组成部分，提供有关自然、社会、文化、军事等方匝的各种 宅l 列信息，成为关系到每个人日常生活所必要的基本信息。 矿山地理信息系统的英文缩写为M G I S M i n eG e o g r a p h i cI n f o r m a t i O DS y s t e m 。矿 山庭一种特殊的地理和工业区域，其地理空间要素和社会经济要素的内容广泛、综合、 复杂、动态。矿山地理信息系统可为矿区或矿业生产为主的工矿城市规划、建设、生产、 经营和管理定量化、定位化、科学化以及信息的快速查询、分析提供先进的技术手段。 广太矿山和地理信息系统工作者正积极从事这方面的研究，将地理信息系统的理论和方 洼直用于矿山信息的管理和应用中，并取得了一定的成果。但就总体而言，我国在M G l s B 型垒壁丝查 竺 兰 兰生兰 兰 ＆0 应用研究方面起步较晚，与国际水平和国内其他行业G I S 引用水平相比有较大差距。 矿区的三维宅恻是地面、地下甚至大气层构成的多层次主题空间，具有复杂的内靴 结构，因此，M G I S 是一种综合、动态、时空～体化的四维G [ S ，与应用于其它行业的 ，ls 有显著的差别，在构造时其难度也较大。煤炭系统的有识之士也发现了这一新兴学科住 煤炭行业中』。‘阔的应用前景。一些单位以对G I S 在煤炭生产中的应用进行了一系列探索 性灼实验和研究，并上i 在G I S 软件系统的支持下，已完成矿区或丁矿城市的} 一地刊- f ， 环境卫态、岩溶陷落柱探测、小煤窑调查、矿井水预测、地质构造调垒、矿产资源} m I 采觇划管理等项目的研究，取得了一些成果和经验。但是，G I S 作为一门新兴学科，在 煤炭生产的许多环节中还没有得到充分的重视，它的作用还没有充分发挥出来。同前， 在矿山企业尚未见投入运行的完整的M G I S 。但由于G I S 具有对海量数据和空吲信息巡{ J 有效管理的特点和优势，因此，将G I g 应用于矿区或矿井的总体管理、调度等综合系统 中，更能发挥G I S 优势。 将Gr s 应用“三下”压煤规划管理中将有如下优势G I S 便于对空间信息进行管珲， 其空间数据库模型和数据库便于对各种类型的空间数据分别存储和处理。例如领域 ；』s 中层的概念和相关功能，可对不同类型或来源的空间数据和属性数据分层存储，以及进 行投影、比例尺变换、旋转、叠置、‘分离等运算处理。G I S 的空间分析评价功能有利于 解决传统方法难以完成的数值计算或空间模拟及仿真问题。如开采沉陷舰律的空间模拟、 建筑物破坏的仿真模拟等。对空间数据和属性数据及研究结果的表现形式直观、形象， 容易实现可视化、图形形象化、专题图化、主体化，比传统的文件、报表形式直观、实 用、准确。 欧关发达国家其煤炭开