基于3S技术的矿山测量法及其应用研究.docx

基于“”技术的矿山测量法及其应用研究摘 要：GPS、GIS、遥感和计算机等技术不但是整个测绘学科的核心技术，也是矿山测量领域的关键技术，这些先进技术近几年在矿山测量界取得了较大进展，其理论研究和实际应用不断发展和完善，计算机数据处理与机助制图、电子速测仪、GPS技术开始应用，数字摄影测量、遥感和GIS等在一些矿区得到广泛应用。广大矿山测量科技人员亲身感受到外业仪器设备数字化、自动化、智能化的巨大优越性，内业数据处理、平差计算、图形图像显示和输出的一体化、形象化，使信息得到加工，人们认识自然和改造自然更加深入、深刻，显示出现代科学技术在资源综合开发、环境保护、防灾减兜中的极大优势和应用潜力。吴立新等网络化TITAN-MGIS的研究与开发代表了矿山测量GIS的发展潮流。在矿业GIs基础平台网络化TITAN-MGIS研发总体目标与技术要求的基础上，对系统的数据结构、数据组织、CS结构与网络化以互操作性等系统总体结构要素的设计与策略进行了系统的研究，介绍了系统的开发平台和TITAN工具。这一矿业地理信息系统既符合中国矿业特色、满足矿业要求，又符合国际GIS技术的面向对象组件化、业务化和“傻瓜化”发展方向。同时，他们提出了MGIS信息分类编码的原则，并按面向对象思想，基于线分类法和面分类法提出了图形信息、符号度属性信息分类编码的解决方案，初步形成了一套比较完善的分类编码体系结构，并成功地应用于他们所开发的TITANMGIS中。 关键词；3S技术矿山测量数字化智能化全球定位坐标变换水准测量RS技术 碎部测量 数字矿上 中图分类号：TD17 文献标识码：B 1引言 新中国成立前，矿山测量器具简陋，方法简单，精度很低。新中国建立初期，矿山测量仍是凭经验靠笨办法工作。如开拓巷道施工，用罗盘仪定，向，用透明的玻璃管装上水作水准仪；采矿过程中相邻矿房贯通，有的凭听声音判断位置。 70年代以来，随着电子技术和激光技术的发展，光电结合型的测绘仪器(如测距仪、全站仪、陀螺仪)对传统的测绘仪器方法产生了深刻的影响。矿山测量服务于矿山勘探、设计、开发和生产运营的各个阶段，为此矿山测量必须将先进的现代技术同矿山测量的实际工作、具体特点相结合，拓宽矿山测量的生存空间和业务范围促进矿山测量的改进和发展，适应市场经济体制和矿山体制改革的需要。全站仪、空间信息技术、惯性测量系统等现代测绘仪器技术均已在矿山测量中得到了应用并不断向纵深发展。 2GPS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20K纪60年代，到20世纪70年代逐步发展为全球定位系统(GPS,Global Posi-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。 2.1GPS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、符合导线减三角网。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；为减步垂线偏差影响，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。 2.2 GPS-RTK技术用于矿区地面碎部测量 GPS-RTK fReal 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。 2.3 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(-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。 3GIS技术在矿山测量中的应用 地理信息系统(GIS,Geographical InformationSystern)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。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： 3.1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。 3.2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。这些研究都是矿山管理信息系统的重要组成部分。 3.3三维矿山 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-science Modeling,简称3DGM)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3DGM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。 4RS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 Sensinng)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。 4.1RS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 Imaging)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Digital GlobeEarth Watch公司发射的Quick Bird高分辨率商业遥感卫星，其全色波段空间分辨率为0.61米。实验证明，1KONOs全色影像可以制作1：5000的影像图，QuickBird全色影像可以制作l：2500的影像图。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。 4.2InSAR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(DIn-SAR)技术是近年来微波遥感发展的一个重要方向。INSAR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。2l世纪80年代，国外学者开始将INSAR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，InSARDIn-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，InSARDInSAR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。 4“3S”技术的集成及数字矿山的建立 “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。 结束语 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。