基于GIS的庙沟铁矿露天转地下空间信息分析

第 1 章 绪论

1.1 矿山信息系统的发展现状
矿山三维空间信息集成系统是对不同时间、不同空间和不同部门的空间数据的集合，是对空间数据进行表达、分析、处理和对矿山活动进行模拟的过程，以空间数据管理、数据建模、数据挖掘及多维可视化表达技术为基础。因此，矿山空间信息集成系统的研究和数据库技术、网络技术、数据挖掘技术[1,2]、计算机图形学及科学可视化等技术密切相关，矿山空间信息集成系统的研究以这些技术的发展与应用为基础。数据库（DataBase）是以一定的组织方式存储在一起的相互关联的数据集合，能最大限度地减少数据冗余，增强数据间的联系，实现对数据的合理组织和灵活存取。从 1963 年 C.W.Bachman 设计开发综合数据存储系统[3,4]IDS（Integated DataStore），开创了数据库技术的先河。数据库技术的发展经历了层次、网络数据库系统，发展到关系型数据库系统和以面向对象为主要特征的数据库系统后，数据库技术与分布式网络通信技术、面向对象技术、多媒体技术、人工智能技术以及可视化技术相互渗透，使数据库技术与网络技术成为信息化建设领域的基础技术。当今市面上大型的数据库系统包括 Oracle、SQL Server、Sybase 和 DB2 等[5,6,7,8]。目前，数据库管理系统（DBMS，Data Base Management System）已进入人们的日常生活。DBMS 为用户访问数据库提供了事务处理、操作进程的并发和共享数据的访问、数据的备份与恢复、数据的存储管理与容错机制等服务功能，数据库管理软件的开发使得人们在使用数据库时不需要了解数据的具体存取与管理方式。计算机网络是利用通信线路和交换、传输等通信设备，将地理上分散在不同地点，并具有独立功能的多套计算机系统互相连接起来，接照网络协议进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。计算机网络为用户间提供资源共享、信息的快速传输与集中处理等信息服务功能。尤其是 Internet/Intranet 的迅猛发展，为信息的交流和共享，部门间的协同运作提供了技术的保证，同时也预示着网络化办公时代来临，涌现了大量的基于 C/S（Client/Server）模式和基于 B/S（Browse/Server）模式的各类数据库管理系统[9,10]。
.......

1.2 庙沟空间信息集成
矿山三维空间信息集成包括了原始信息、成果信息和生产信息之间的集成，以及这三类信息与空间模型信息之间的集成。矿山空间信息模型与矿山信息管理和矿山应用存在大量的、复杂的信息流交换，通过信息的交换和连接将三者集成到一起，因此通过信息流分析，将等高模型、表面模型和实体模型有机集成，建立集成的矿山空间信息模型。无论是等高线模型、表面模型还是实体模型，都是由大量空间对象组成，对这些空间对象进行有效的组织，是矿山空间信息模型成败的关键。矿山空间信息产生于不同专业、不同阶段，各专业的信息相互应用，信息之间既成层状关系又成网状关系，信息流向错综复杂，为了对矿山信息进行管理和应用，对信息间的关系进行分析，其中又可分为原始信息的信息流分析、生产信息的信息流分析、矿山三维空间信息模型的信息流分析：1）原始信息的最终成果是地质地形图和钻孔综合成果表，由地表测量点进行等高线连接处理得到地形等高线图，再由地质填图信息、山地工程信息对地形等高线图综合编辑处理，得到地质地形图。2）生产信息的主要作用是生成采矿现状图和对地质资料进行更新修改。将生产测量信息、地质测点信息和采矿工程信息展点到地质地形图（采矿工程综合图）上，根据这些新的地质数据修改矿层顶底板等高线图，再由矿层顶底板等高线图与勘探线剖面图交互调整，完成地质修改操作。
.........

第 2 章 庙沟铁矿现状调研

2.1 庙沟铁矿的现状及总平面图
河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿位于河北省青龙满族自治县城东南方向100km 处，矿区中心地理坐标：东经 119°24′10″,北纬 40°10′20″。行政隶属青龙满族自治县祖山镇管辖。承秦公路由矿区北部 4.5km 处通过，有简易公路与之相通，矿区面积：1.5488km2；开采标高：787m～-175m，如图 4。矿区范围内靠近地表的浅部矿体采用露天开采，根据中钢集团工程设计研究院有限公司 2010 年 8 月编制的《河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿露天采场扩帮工程可行性研究》，露天开采最低开采标高为 372m，本次露天转地下开采工程的设计范围为：采矿许可证批准的本矿山矿区范围，露天开采境界外的深部矿体。最低开采标高为 0m。现为露天开采结束后的露天转地下开采工程初步设计。露天开采结束后，露天采场已建成的地表截排洪系统、排土场、总图运输、办公及生活福利设施等矿山现有工程，将继续为地下开采服务。因此，本次设计内容为露天转地下开采的采矿工程及其生产辅助设施，包括：地下开采的开拓及提升运输系统、通风排水系统、供水系统、供电系统等。
..........

2.2 庙沟铁矿信息分类及其特征
原始信息是指利用不同的勘探或分析手段，直接探测到的、能够反映地质对象空间几何特征、属性特征及相互关系的信息，也称之为第一性信息，如地质填图信息、遥感影像、山地工程信息、钻探信息、地震勘探信息、测井信息、采样点信息及其样品分析信息等。成果信息是对原始信息进行综合、分析、归纳、提取后产生的反映地质对象空间几何特征、属性特征及相互关系的信息（图件、表格或文字等）。如勘探线剖面图、矿层底板等高线图、钻孔成果表、矿层综合成果表[23,24]。生产信息是随着采矿工程的推进，不断产生的信息，从信息的不同专业来源划分，有生产测量信息、地质测点信息、地质素描信息、采矿工程信息等。生产信息是工程图制作、工程量计算和模型的修改维护的信息来源。地质填图主要包括实测地质剖面图、地质图测制两方面内容。实测地质剖面获取的信息主要有地质剖面的起止位置、剖面方位角、地形坡度角、地形转折点、剖面转折点或平移点，剖面上的地层界线点、矿层起止点、断层点，地层、矿层及断层的倾向和倾角等空间几何信息，以及地层的岩石组成、厚度、岩性描述、接触关系、含矿性、矿层的类型、特征描述等属性信息。还有实测地质剖面图、地层综合柱状图等图件。地质图测制可获取观测路线上所布置的观测点空间位置信息，同时获取观测点的属性信息[25-27]。
.......

第 3 章 庙沟三维空间信息模型 ....39
3.1 基于表面模型的方法........39
3.2 基于约束三角剖分的矿山表面信息模型.........41
3.2.1 带约束边的 Delaunay三角形剖分..........42
4.2.2 露天矿采场三维模型的建立...........43
3.3 基于实体建模的方法.........44
3.4 基于不规则四面体的矿山实体信息模型.........46
3.5 小结...........49
第 4 章 庙沟三维空间信息集成 ....50
4.1 矿山三维空间的信息流分析.....50
4.2 等高线信息模型........53
4.3 表面信息模型....55
4.4 实体信息模型....58
4.4.1 实体模型的建模流程.......59
4.4.2 实体模型的管理.......59
4.5 小结 ...........60

第 4 章 庙沟三维空间信息集成

矿山三维空间信息集成包括了原始信息、成果信息和生产信息之间的集成，以及这三类信息与空间模型信息之间的集成。原始信息、成果信息和生产信息是基础，矿山空间信息模型是矿山系统的关键，它连接着矿山信息和矿山应用，是整个矿山系统的连接器。矿山空间信息模型与矿山信息管理和矿山应用存在大量的、复杂的信息流交换，通过信息的交换和连接将三者集成到一起。本章通过信息流分析，将等高模型、表面模型和实体模型有机集成，建立集成的矿山空间信息模型。无论是等高线模型、表面模型还是实体模型，都是由大量空间对象组成，对这些空间对象进行有效的组织，将是矿山空间信息模型成败的关键。

4.1 矿山三维空间的信息流分析
矿山空间信息的组成和特征表明，矿山空间信息产生于不同专业、不同阶段，各专业的信息相互应用，前一阶段的信息又作为下一阶段的基础，信息之间既成层状关系又成网状关系，信息流向错综复杂，为了对矿山信息进行管理和应用，对信息间的关系进行分析。矿山空间信息的组成和特征表明，矿山空间信息产生于不同专业、不同阶段，各专业的信息相互应用，前一阶段的信息又作为下一阶段的基础，信息之间既成层状关系又成网状关系，信息流向错综复杂，为了对矿山信息进行管理和应用，对信息间的关系进行分析。

结 论

本文以矿山三维空间信息集成系统及其应用为主要研究内容，对矿山三维空间信息集成管理的理论和方法进行了研究探讨。
1）通过对矿山空间对象的信息及其特征进行分析，将矿山空间信息划分为三类，即原始信息、成果信息和生产信息，并对这三类信息之间的信息流进行了分析，得出这三类信息相互间的内在联系，为矿山三维空间信息的集成和管理提供了信息基础。
2）根据矿山空间信息的特点，采用不同的数据挖掘方法，，分别实现了对矿岩参数、钻孔信息和测量信息的数据挖掘。
3）根据庙沟铁矿露天转地下空间信息的特点，建立了矿山空间信息表面模型，在对矿层等高线数据进行离散化的基础上，基于不规则四面体建立矿山空间信息实体模型，最终形成庙沟铁矿露天转地下过程的三维空间信息系统集成。
............
参考文献（略）