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“3S” 技术在我国矿山测量中的应用 张廷斌 1,2 ,秦岩宾 2 1 1西南交通大学 土木工程学院,成都 610031; 21成都理工大学 地球科学学院,成都 610059 摘要测量工作在矿山勘探、 设计、 开发和生产运营的各个阶段起着重要的保障作用。以“3S” 技术及其集成为核心 的空间信息技术的迅速发展和广泛应用,使矿山测量在工作内容和技术方法等方面发生了深刻的变革。文章概述 了“3S” 技术在我国矿山测量中的具体应用及发展趋势。 关键词矿山测量;“3S”技术;数字矿山;空间信息学 中图分类号 P2 文献标识码B 文章编号 1001 - 358X2008 03 - 0075 - 03 矿山测量学是测量学、 地质学和采矿学的一个交叉学科。 它是综合运用测量、 地质及采矿等多种学科的知识,来研究和 处理矿山地质勘探、 建设和采矿过程中由矿体到围岩、 从井下 到地面在静态和动态下的各种空间几何问题。我国矿山测量 历经50多年的发展,已在矿业部门形成和采矿、 矿建、 地质、 环境等学科既相互独立,又彼此渗透、 交融的态势。测绘新技 术特别是“3S” 技术的发展,为矿山测量学的发展注入了新的 活力,本文就“3S” 技术在矿山测量中的应用作简要概述。 1 GPS技术在矿山测量中的应用 人造地球卫星导航定位技术问世于20世纪60年代,到 20世纪70年代逐步发展为全球定位系统GPS, Global Posi2 tioning System。现在全球定位系统以其全天候、 高精度、 自 动化、 测站间无需通视、 可同时测定点的三维坐标等优点,已 经成熟地应用于大地测量、 控制测量、 工程测量、 地籍测量等 方面,并在交通、 地震、 海洋、 农业以及气象等领域开展了广泛 的研究和应用。 111 GPS技术应用于矿区地面控制测量 矿区地面控制测量是根据矿山工程的特点和需要,在地 面布设一定形状的控制网,并精密测定其地面位置,它是矿山 地下工程测量的基础。传统上平面控制网一般布设为导线网 闭合导线、 符合导线或三角网。而GPS测量不要求两点间 通视,且所测点位精度均匀,与常规地面控制相比,具有很大 的优越性和灵活性,尤其适合矿区平面控制测量。 另外,矿区GPS控制点除满足一般选点的基本要求外, 结合矿山测量的工作要求,应注意以下三点应尽量选在视野 开阔的地方,利于常规仪器的加密;洞口点必须布设GPS点, 便于坐标系转换;为减少垂线偏差影响,各洞口的进洞方向点 应尽量选在同一高程面上。GPS技术应用于矿区地面控制测 量,在建立新的矿区控制网、 检核和改善已有控制网、 对旧网 进行加密以及日常工作中控制点的设立等方面都具有显著的 优势 [4]。 112 RTK技术用于矿区地面碎部测量 GPS - RTK Real Time Kinematic技术是实时载波相位 差分技术,实时处理2个测站载波相位观测量的差分方法。 RTK技术可以达到厘米级的观测值的精度,可以满足矿区各 比例尺测图要求。与传统地形测图相比, RTK技术不需建立 加密控制网,不要求测站间通视,测量工作比较灵活;误差相 互独立、 不积累、 不传递,测量精度高;每个工作组每天可采集 多达1000个碎部点,工作效率高;测量获得的数据成果便于 存储、 管理和共享,达到一测多用的目的。 基于以上优势, RTK技术已经在地形测量、 线路测量、 地 籍测量、 图根控制测量、 大面积地面沉降监测、 工程放样等方 面进行了广泛的应用。近年来,许多研究者如靳海亮等 2003、 杨建庆2005、 曹学伟等2006也将RTK技术逐步 引入矿山测量中来。 113 GPS技术应用于矿区地表移动监测 按传统的地面测量手段布设矿区地表变形监测网,通常 是将水平变形二维网和地表沉降变形一维网分别布 网。应用三角测量或角度交会的方法监测地表的位移,应 用水准测量的方法监测地表的沉降。由于监测环境复杂,对 监测技术要求较高,因此应用常规技术不仅观测时间长、 劳动 强度大,而且难以实现自动化监测。 目前矿区地表移动监测以GPS技术为主,按监测对象及 要求不同又可分为静态测量法、 快速静态测量法和动态测量 法三种。GPS技术用于平面位置监测的精度已毋庸置疑,而 GPS技术用于垂直分量的监测高程一直备受关注。一方 面, GPS获得的高程其高程系统与传统不一致GPS为大地高 系统、 传统水准测量为正常高系统 ; 另一方面, GPS测得的高 程精度要比水平位置精度低。通常解决这一问题的方法有两 个,其一是利用GPS高程根据研究区已有的、 足够数量的、 高 精度水准测量值来拟合研究区的似大地水准面,依此来求得 GPS测点的水准高程;拟合精度因测区环境、 水准点的数量以 及水准网的结构和拟合方法而异。另一种方法是直接利用 GPS高程的变化值作为测区垂直形变的观测量,曾旭平 2004、 高伟等2004、 赵超英等2005、 杨建图等2006都 作了有益的探讨,研究认为, GPS高程在一定范围、 特定目的 下可直接用于沉降监测。 57 第3期 2008年8月 矿 山 测 量 M I NE SURVEYI NG No13 Aug12008 2 G IS技术在矿山测量中的应用 地理信息系统GIS, Geographical Ination System是采 集、 存储、 管理、 描述、 分析地球表面及空间和地理分布有关的 数据的理论和技术的总称。近年来,地理信息系统正朝着面 向对象、 网络化、 开放化、 组件式、 虚拟化、 多媒体、 多时相方向 发展 [11]。地理信息系统在地质、 矿产领域的应用可以概括为 三个方向 211 基于GIS技术建立多源数据找矿模型 基础地质资料、 地球物理、 地球化学以及遥感等信息从不 同的侧面反映了地质体和地质现象的某些特征,它们既相互 独立又彼此联系。单一的信息源所提供的信息往往是片面 的,需要对这些众多复杂而又相互关联的内容进行更深入、 更 贴近本质的认识,地理信息系统的多源数据综合分析和数据 管理能力给这些具有空间属性的异源数据提供了一个良好的 融合平台。 212 矿山管理信息系统 矿山管理涉及矿山设计、 巷道开挖、 矿产开采、 沉降监测、 土地复垦、 环境评价等一系列过程。在这一过程中的每一个 环节, GIS都可以发挥重要的作用。矿山管理信息系统是一 个庞大的管理系统工程和技术体系,目前,许多研究者已在矿 区地质灾害、 矿山机电安全管理、 煤矿灾害事故、 矿井通风信 息系统、 煤矿瓦斯管理信息系统、 矿区生态环境评价、 矿区土 地利用、 煤矿安全管理、 矿山开采沉降可视化、 井下可视化管 理系统、 救援信息系统等方面进行了研究和探讨 [13] - [19]。这 些研究都是矿山管理信息系统的重要组成部分。 213 三维矿山 随着地理信息系统、 科学可视化技术和地质信息计算机 模拟技术的发展,近10多年来,三维地学模拟3 Demesion Geo - scienceModeling,简称3DG M已成为地学与信息科学 的交叉技术前沿和攻关热点。三维矿山是矿山客观实体的一 个模型描述,是3DG M理念的一个具体实现。通过三维矿山 的建设,地质、 矿业界人士能够更直观、 更精确地圈定矿体边 界,了解不同矿体分布的三维形态,准确地解译和圈定地下地 质体,借以指导矿业开发和深部找矿预测。国内研究者如胡 金星等1999、 吴立新等2003、 祁秩宏等2005、 王欣等 2007都对矿山三维模拟的技术体系和建模方法进行了相 关论述。 3 RS技术在矿山测量中的应用 1972年美国第一颗地球资源卫星的成功发射标志着地 球遥感Remote Sensing时代的开始。随着传感器地面分辨 率、 光谱分辨率和时间分辨率的不断提高,遥感技术在地质、 测绘、 环境、 海洋、 农业、 林业等领域得到了长足的发展。 311 RS技术在矿区地形图测绘中的应用 米级、 亚米级地面分辨率遥感图像的商业应用,使得利用 遥感图像进行大比例尺地形图测绘成为可能。如1999年9月 24日美国空间成像公司Space I maging发射的IKONOS - 2高 分辨率卫星,其全色波段的地面分辨率为1米; 2001年10月18 日美国DigitalGlobe/Earth Watch公司发射的QuickBird高分辨 率商业遥感卫星,其全色波段空间分辨率为0161米。实验证 明, IKONOS全色影像可以制作1 5000的影像图,QuickBird全 色影像可以制作1 2500的影像图 [21]。此外 ,近年来高分辨率 遥感影像在土地资源调查、 采矿塌陷地的提取、 矿山生态环境 调查、 地质灾害调查等方面也得到了广泛的应用。 312 InSAR技术应用于矿区地表沉降监测 合成孔径雷达干涉 InSAR测量及差分干涉测量D In2 SAR技术是近年来微波遥感发展的一个重要方向。 I NSAR 利用雷达信号的相位信息提取地球表面的高精度三维信息, 可以测量地面点的高程变化,是目前空间遥感技术中获取高 程信息精度最高的一项技术。由于它可以获得全球高精度的 毫米级、 高可靠性的全天时、 全天候地表变化信息,因此 能够有效地监测由自然和人为因素引起的地表形变。21世 纪80年代,国外学者开始将I NSAR应用于监测地表形变的 各个领域;国内对于利用InSAR技术来监测滑坡的研究起步 较晚,张景发等1998较早的介绍了InSAR技术的发展历 史、 基本原理和关键技术,并指出InSAR在三维信息获取及 地壳形变监测方面具有良好的应用前景。目前, InSAR /D In2 SAR技术已广泛应用于地表沉降监测、 滑坡监测、 地震形变监 测、 冰川动力学等方面。近年来, InSAR /D InSAR技术在工矿 区地表沉陷、 闭坑矿井塌陷、 矿山地表形变、 煤矿开采沉陷等 监测方面的研究也取得了满意的效果 [23]。 4 “3S” 技术集成及数字矿山 [25 ] - [26 ] “3S” 技术集成是当前国内外的发展趋势,在这种集成 中, GPS主要用于提供目标的空间位置, RS用于快速地提供 目标地物的信息, GIS则对多种来源的时空数据进行综合处 理、 集成管理和动态存取。三者在功能上存在明显的互补性, 只有将它们集成在一个统一的平台中,其各自的优势才能得 到充分发挥。如GPS与InSAR数据融合应用于矿山开采沉 陷监测,既可以改正InSAR数据本身难于消除的误差,又可 以实现GPS技术高时间分辨率和高平面位置精度与InSAR 技术高空间分辨率和高程变形精度的有效统一;利用遥感影 像资料进行矿区土地利用变化进行分类解译,结合GIS技术 进行土地利用动态监测可以全面、 系统地反映土地利用状态 及其分布规律; GPS与GIS组合用于矿山安全监测,则可构成 GPS数据采集与GIS数据管理的实时分析等。 自1998年美国副总统戈尔提出“ 数字地球 ” 概念以来, 相继提出了“ 数字中国 ” 、 “ 数字城市 ” 、 “ 数字长江 ” 、 “ 数字矿 山 ” 等一系列“ 数字X” 概念。 “ 数字矿山 ”DigitalMine,简称 DM 是以计算机技术、 多媒体技术和数据库技术为基础,以网 络技术为纽带,运用3S技术和虚拟现实等技术实现与矿山基 67 第3期 矿 山 测 量 2008年8月 建、 勘探、 开发、 开采、 环境保护、 治理等相关信息的采集、 输 入、 存储、 检索、 查询与空间分析,并实现空间信息的多方式输 出和联机决策的分析处理系统。近年来,国内已有许多学者 对“ 数字矿山 ” 的概念、 内涵、 体系结构及其核心技术等进行 了有益的探讨和研究。如,吴立新等2003以智能交通体系 为参照描述了数字矿山以高速企业网为“ 路网 ”,以组件式矿 山软件为“ 车辆 ”,以矿山数据与模型为“ 燃料 ”,以3D地学模 拟与数据挖掘为“ 过滤 ”,以数据采集与更新为“ 保障 ”;以矿 山GIS为“ 调度 ” 的六大基本特征。目前大多数学者认为, “ 数字矿山 ” 是一个多学科群体,涉及诸多交叉学科领域的发 展方向,它不是一项具体的工程或技术体系,需要根据我国的 国情和矿山实际进行较长时期的逐步建设和完善。 5 结 语 随着空间技术、 计算机技术、 通讯技术和信息技术的发 展,传统测绘学科的技术体系、 研究领域和学科目标都发生了 深刻的变化。测绘学逐步发展为内涵更为丰富的“ 地球空间 信息学 ” 。矿山测量学作为测绘学的一个分支,在“3S” 技术 的推动下,正朝着“ 矿山空间信息学 ” 的方向发展。 参考文献 [1] 张国良 1矿山测量学[M ]1徐州中国矿业大学出版 社, 20011 [2] 张正禄 1工程测量学[M ]1 武汉武汉大学出版社, 20021 [3] 朱煜峰 1概述我国矿山测量技术的新进展[J ]1中国矿 业, 20044 7 - 81 [4] 唐令广 1GPS卫星定位技术在矿山中的应用[J ]1矿业 工程, 2006, 1 6 58 - 591 [5] 靳海亮,韩奎峰,周兴东等 1矿区地形图测绘中RTK技 术的应用[J ]1测绘通报, 200310 31 - 321 [6] 杨建庆 1RTK技术在大峰矿测量中的应用[J ]1西北 煤炭, 2005, 34 31 - 321 [7] 陶本藻 1GPS水准似大地水准面拟合和正常高计算 [J ]1测绘通报, 19924 14 - 181 [8] 曾旭平 1GPS滑坡高程监测的数据处理问题[J ]1武汉 大学学报 信息科学版, 2004, 293 201 - 2041 [9] 高伟,徐绍铨 1GPS城市地表三维变形监测和精度分 析[J ]1工程勘察, 20041 45 - 491 [10 ] 赵超英,张勤,王利 1GPS高差在滑坡监测中的应用 研究[J ]1测绘通报, 20051 39 - 411 [11 ] 朱恩利,李建辉等 1地理信息系统基础及应用教程 [M ]1北京机械工业出版社, 20041 [12] 黄旭钊,徐昆,梁月明 1利用Maplnfo综合分析多源地 学信息进行矿产预测[J ]1地球科学-中国地质大学 学报, 2001, 262 189 - 1911 [13] 杨建军,王天保 1WebGIS在煤矿防救灾管理系统开 发中的应用[J ]1煤矿安全, 2005, 368 29 - 321 [14] 孙丽军,许梦国 1地理信息系统在矿山的应用研究现 状及发展趋势[J ]1黄金, 2006, 27 2 26 - 281 [15] 向中林,徐华山,王润怀等 1基于ArcI MS的矿区环境 监测WebGIS研究与开发[J ]1河南理工大学学报自 然科学版 , 2007, 26 4 385 - 3891 [16] 杨运良,王振江,程磊 1基于GIS的矿井通风信息系统 开发研究[J ]1矿业安全与环保, 2007, 344 35 - 361 [17] 张玉柱,杨建华 1基于GIS的矿山安全信息系统研究 [J ]1煤炭工程, 20064 93 - 941 [18] 赵奎,王晓军 1基于组件式GIS技术的矿山井下可视 化管理信息系统[J ]1有色金属矿山部分 , 2005, 57 4 44 - 461 [19] 姜在炳,张庭林 1煤矿地质测量信息系统MSGIS21 5 [J ]1煤田地质与勘探, 2003, 315 4 - 51 [20] 胡金星,吴立新,高卫贞等 1三维地学模拟体视化技 术的应用研究[J ]1煤炭学报, 1999, 244 345 - 3491 [21] 潘家文,朱德海,严泰来等 1遥感影像空间分辨率与 成图比例尺的关系应用研究[ J ]1 农业工程学报, 2005, 21 9 124 - 1281 [22] 杨圣军,赵燕,吴泉源等 1高分辨率遥感图像中采矿 塌陷地的提取-以龙口矿区为例[J ]1地域研究与开 发, 2006, 25 4 120 - 1231 [23] 吴立新,高均波,葛大庆等 1工矿区地表沉陷D - In2 SAR监测试验研究[ J ]1 东北大学学报自然科学 版 , 2005, 268 778 - 7811 [24] 彭小沾,崔希民 1闭坑矿井塌陷灾害的动态监测方法 研究[J ]1矿山测量, 20062 72 - 741 [25] 李德仁,关泽群 1空间信息系统的集成与实现[M ]1 武汉武汉测绘科技大学出版社, 20001 [26] 汪云甲,郭达志,邓喀中 1我国矿山测量学科的发展 与创新[J ]1测绘通报, 20052 1 - 61 [27] 李德仁,李清泉 1地球空间信息学与数字地球[J ]1地 球科学进展, 1999, 146 535 - 5401 [28] 宁津生,晁定波 1数字地球与现代测绘科技的发展 [J ]1测绘通报, 199912 10 - 121 [29] 郭达志 1空间信息技术的应用与矿山测量的现代任 务[J ]1矿山测量, 19981 3 - 61 [30] 郭达志 1论“ 矿山空间信息学 ” 矿山测量的现代 发展[J ]1测绘工程, 2006, 153 1 - 141 作者简介张廷斌1978 - , 男,汉,山东沂水人,在读博士, 讲师,从事大地测量与测绘工程、 遥感地质教学与研究工作。 收稿日期 2008 - 03 - 10 77 第3期 张廷斌等“3S” 技术在我国矿山测量中的应用 2008年8月 ENGL ISH ABSTRACTS OF MA IN ARTICLES IN THIS ISSUE Discussion on the of Setting out the Grade Line of the In2 clined Roadway In order to realize rapid and precise setting - out of the grade line of the inclined roadway, a new , i . e.novel application of total - station, is discussed in the paper based on summary of the pseudo - inclined angle and traditional and new trigonometrical leveling s . What’s more, analysis is made of advantages and precision of these dif2 ferent s on the basis of actual project examples, which proves that using the novel application of total - station to set out the grade line is the easiest in operation and could not on2 ly save time mostly but also meet requirement forprecision.Tao Lianjin et al . Rebuilding andQuality Controlof theUrban Surveying Coordinate System The paper elaborates firstly how to rebuild the coor2 dinate system, and then suggestsmanys in view of differ2 entproblems existed currently based on analysis of the old coordi2 nate system, finally illustrates the quality control during rebuil2 ding the coordinate system, which could undoubtedly provide ref2 erence value for rebuilding of the urban coordinate system. Wang Xiaochun I mprovementof the G M 1, 1 Model and ItsApplication inAnal2 ysis of Deation Occurred in the Mining Area The coal mining - induced surface and buildings deation always brings about unfavorable influence for safe production in the mining are2 a, so it is necessary to monitor and predict the subsidence of the surface there.In the paper,in order to i mprove quality of the predictive model, improvement ismade for the parameter esti ma2 tion of the G M 1, 1 model based on analysis of this model, that is to say, the original least - squares is re2 placed with the common least - absolute value and the of discount least - absolute value.The analysis and pre2 diction made through taking the subsidence monitoring of the main shaft at a mine for example prove that the improved is effective and satisfactory results could be obtained.Qiu Huan et al . Drafting and Research on the Large - scale ContourMap of Sur2 face Deation In the paper, a of drafting large - scale contourmaps of surface deation by using four kinds of software, i . e. MKD, Sufer, AutoCAD and RGIS2. 0, is intro2 duced.The maps drafted with this are true to the origi2 nal, high in precision, and could be printed out in any scale from large - scale drafting machines .Therefore such has very important practical significance both for academic research and for instruction of production at the coalmine.TongWenliang et al . Analysis and Design of the UML - based Geological Mineral Ination Management System In the paper,the analysis and design process of the UML - based geological mineral in2 ation management system is described,and the modeling and realization based on the multi - level use case dia2 gram that is statically and dynamically designed by the UML are put for ward aswell .Liu Yaqi et al . Application of theMATLAB in Experimental Teaching of the GIS Spatial Analysis In view of features of the GIS course and status - quo of the experimental teaching, the experiment that u2 sing theMATLAB to design the GIS spatial analysis modeling is put for ward, andmain contentof theMATLAB adopted in the ex2 perimental teaching during experi ment design and the operation of the software are also introduced in the paper, which could help students rapidly understand the principle of the GIS spatial analysismodeling and learn how to use theMATLAB soft2 ware to analyze and solve actual problems related to the geogra2 phy .Tian Yu et al . Experimental Research on Positioning Precision of the Digital Close - range Photo - grammetry in the Larger Vertical Fa ade In the paper, a study ismade on positioning precision of the common digital camera - based digital close - range photo - grammetry in the larger vertical fa ade, which includes that u2 sing the 2D DLT and the co - linearity equation to decompose the initial valuesof exteriororientation elements firstly, and then cal2 culating accurately the point coordinates by using the bundle ad2 justment with self - calibration.The test done on a 20 - m high and 40 - m wide vertical fa ade of a building indicates that the relative positioning precision in plane and depth of the point coor2 dinates could be up to 1/16000 and 1/9700 respectively . Liu Chao et al . Research on Using the GPS Elevation to Replace the Leveling in Particularly Difficult Area In the paper,the mathematical model used to calculate normal elevation of the GPSwith the ele2 vation fitting is introduced, and the feasibilityof using the GPS elevation to replace the leveling in particularly difficult area is studied aswell based on an actual project example.The prac2 tice proves that,under specific condition,the GPS elevation could meet precision requirement of the leveling and also could satisfy the need of topographical mapping in different scales . JiaoMinglian Application of the OpenGL in Simulation of Seismic Ground Mo2 tion The development of GIS visualization and features of the OpenGL are elaborated in the paper . What’smore, the process of using the OpenGL to make si mulation of seis mic ground motion is described aswell in the paper .Zhang Shanshan et al . Application of the “ 3S“Technology in Mine Surveying in China The mine surveying has been playing an important guarantee role at the stagesofmine exploitation, design, develop2 ment and production management, afterwards rapid development and wide application of the spatial infor mation technologywith the “3S“ technology and “3S“ integrated system as its core bring a profound re for the mine surveying in respects of working content and technical.In the paper, the detailed applica2 tion and development trend of the “ 3S“ technology in the mine surveying in China are briefly introduced. Zhang Tingbin et al . Status - quo and Countermeasures of Professional TalentsMajored in Mine Surveying in Coal Enterprises Due to depressing state in coal industry several years ago, importation and cultiva2 tion of professionals encountered new difficulties, and thus un2 precedented at mosphere of talent fault occurs currently .In 1998 the specialtywas adjusted by the state, that is to say, the spe2 cialty ofmine surveying is changed to be the specialty of survey2 ing andmapping engineering in all coal colleges, and employment of students also became marketized simultaneously .In order to guarantee healthy developmentof coal industry, it is imperative to establish a high - quality scientific and technical talent team that could meet development requirement of the coal industry .In the paper, status - quo of professional talents majored in mine sur2 veying is analyzed from three aspects of enterprises, colleges and students, and corresponding countermeasuresof team construction in this respect are also suggested, including such four aspects as state, coal enterprises, colleges and students .Suo Xiaorong et al .