矿山测量的昨天、今天、明天

矿山测量的昨天、今天和明天
摘要

本文综述了测绘学科的最新进展,给出了传统测绘学的概念和特征,主要论 述了测绘学科新技术的发展现状,对全球定位系统、卫星重力测量、遥感、地理 信息系统、宽带网络和虚拟现实这几项新技术分别给出其定义、学科特征和最新 进展动态。文中最后给出了测绘学的现代概念,阐述了测绘学科正在向地球空间 信息科学跨越和融合。 关键词:测绘学;全球定位系统;卫星重力;地理信息系统;遥感;地球空间信 息学

1 矿山测量学的兴起和发展简况
矿山测量学科的发展是与社会的需求和科学技术的发展、 进步密切相关的, 并且显示出不同的时代特点和内涵。尽管矿山测量工作几百年前、甚至上千年前 就已存在,但作为一门独立的学科出现则是近一百多年的事。矿山测量作为一门 独立的学科是始于德国、前苏联和东欧等国的。在德文中, “矿山测量术”一词 为 Markscheidekunst,它的原意是地界(Mark)划分(Scheide)术(Kunst)。传入 俄国后,虽然有些学者曾建议改称为“矿山儿何学” ,但由于矿山测量一词已叫 习惯,很难更改。矿山测量的俄文是 MapKme 访 JmpckoBo。在德国、俄国(包括 独联体的国家)和东欧一些国家,矿山测量科技一直很受重视,发展较快例如: 在德国的克劳斯托(Clausthal)技术大学,俄罗斯的莫斯科矿业大学、新西伯利 亚大学,乌克兰的顿湟茨克工业大学,波兰的 AGH 科技大学(原克拉科大矿冶大 学),捷克的俄斯特拉发(Ostrava)技术大学,匈牙利的米什科尔茨(Miskolc)大 学等都设立有矿山测量或工程测量(大地测量)与矿山测量学院(系), 可授予矿山 测量学的学士、硕士和博士学位。在西欧、澳洲和印度等国家,矿山测量科学技 术及其人才培养也一直比较受重视。 例如: 在英国的多所综合性(polytechnica!) 大学或学校中设有矿山测量专业,皇家学会矿山测量师(Mining Surveyor 或 Minerals Surveyor)的资职(职称)一直沿续至今。在澳大利亚的昆士兰大学、卡 坦宁(Curtin)技术大学和卡坦尼大学西澳大利亚矿业学院(位于卡尔古利, kalgoorlie)等院校中设有资源地质与矿山测量系、矿山与工程测量系或采矿工 程与矿山测量系等,培养矿山测量科技人才。在印度的多所矿业学院(位于 Dhanbad、Shahdol 等地)、Nagpur 大学及多所综合技术大学(polytechnics)中可 分别培养具有大专、本科或硕士学历的矿山测量人才[1]。 为了交流世界各国的矿山测量科学技术,促进其发展,加强合作,由原捷克 斯洛伐克的矿山测量专家们发起,于 1969 年 8 月在布拉格召开了有 19 个国家、 460 多名代表参加的首次国际矿山测量工作者会议。会议决定成立国际矿山测量 协会(International Society of MineSurveying,简称 ISM),协会的主席和副 主席由学术大会主办国的代表轮流担任, 并且决定每三年召开一次国际矿山测量 学术大会(International Congress of the International Society forMine Surveying),学术会议及论文采用英语、俄语或德语三种语言文字同时有效,至

今,已召开过十三届学术大会。其中,第十二届国际矿山测量学术大会于 2004 年 9 月在中国(也是首次在江洲召开),第十三届学术大会将于 2007 年 8 月在匈 牙利的布达佩斯召开。 在中国,矿山测量作为一门新兴的独立的学科,还只有几十年的历史,并且 是从本世纪 50 年代以后逐步形成和发展起来的。现在,它已经在矿山部门形成 和采矿、地质、环保、计算机技术与应用(矿山空间数据获取和处理)等学科相互 独立,彼此渗透、交融的态势。近 50 年来矿山测量事业得到了全面、迅速的发 展。在矿山企业中,大中型矿山大都有专门的矿山测量机构,通常称为地质测量 科(处),积极广泛地开展了各项矿山测绘工作。在人才培养方面,1953 年中国 矿业大学(原北京矿业学院)成立了我国第一个矿山测量专业,1956 年以后,中 南大学(原中南矿冶学院)、辽宁工程技术大学(原阜新矿业学院)、山东科技大学 (原山东矿业学院)、河南理工大学(原焦作矿业学院)、西安科技大学(原西安矿 业学院)、江西理工大学(原南方冶金学院)、东北大学(原沈阳黄金学院)等高校 和中等专业学校陆续设置了矿山测量专业,至今为我国培养了两万多名专门人 才。从 1992 年起根据国家专业目录调整方案,归并为测量(绘)工程专业(学科)。 在科学研究方面,1956 年在唐山煤炭科学研究所成立了矿山测量研究室,1982 年改为唐山煤炭科学研究分院矿山测量研究所。 该研究所与北京煤炭科学研究总 院开采研究所、长沙矿冶研究院等科研院所,以及有关的高等学校大力开展了矿 山测量领域的科研工作。研究项目土要面向国民经济主战场,直接为生产建设服 务,同时在国家和部委支持下,也开展一些探索性、前沿性的研究课题。此外, 还有众多勘测、设计机构,例如西安中国煤炭地质总局航测遥感局、中国国土资 源航空物探遥感中心、有色金属矿产地质调查中心、核工业航测遥感中心、中国 石油勘探开发研究院等也都开展着矿产的勘察与开发研究和工程工作[2]。

2 矿山测量学科的性质与作用
矿山测量学就是一门交叉学科,它是综合运用测绘、地质和采矿工程等多种 学科的理论、技术来研究、处理或解决矿山地质勘探、规划设计、建设开发和生 产经营全过程中,从地面到井下,从矿体(煤层)到围岩,在静态和动态下的各种 空间几何、资源和环境问题。它的内涵和技术水平与如下三个方面的情况和发展 密切相关:一是测绘科学技术与仪器设备的发展;三是矿业工程和采矿技术的 发展及要求;三是其它学科的发展与影响,例如地质学、岩土力学、环境科学土 地科学、计算机科学、经济学等。长期以来,矿山测量工作者担负着矿山地上和 地下三维空间的测量、定位与制图,矿体三维建模与可视化,矿产储量计算管理 及开采监督,开采沉陷观测及开采损害防护等使命。近 20 多年来,国内外积极 开展了矿区和工矿城市的环境整治、生态环境重建(恢复)工作。矿区生态环境监 测、分析评价、调控、士地复垦(LandReclamation)、环境恢复(Environmental Rehabilitation)或重建、复原(Resmration),采矿对社会和环境的影响(The Impact of Mining in the Social and Environment)及其防控日益受到关注。 根据国际矿山测协会(ISM)的章程以及中国利国际上矿山测量事业比较发达国家 的情况,矿山测量科学技术及其相应机构的职责和业务范畴可归纳如下: (1)相关法规的制定和解释,矿产权属问题,矿山测量教育、培训和历史; (2)运用传统的和数字技术进行矿山地面和地下的各种测量作业、 记录存储、 计算和数据处理,矿山测量图编制,现代仪器设备的应用与开发; (3)矿产资源信息的空间模拟和三维表示,储量计算、标准和管理,矿产开 发经济; (4)开采沉陷观测、模拟、预计及其控制,使其对生态景观的影响最小化; (5)矿区环境监测、评价与保护规划,环境损害修复、整治以及土地可持续 利用和管理。

总之,矿山测量在矿区资源的勘察、开发和生产经营以至于产业转型的过程 中都起着十分重要的不可或缺的作用,具有先行性、基础性、指导性和服务性的 特点。

3 矿山测量的现代发展一矿山空间信息学(工程)
由于空间信息技术与测绘科技的迅速发展和广泛应用,以及矿产、土地等自 然资源综合、绿色开发开采的新要求,矿山测量学科的内涵和科技手段发生的重 大变革,为使学科的内涵与其形式相一致,建议逐步使用“矿山空间信息学(工
[3] 。 程)”这一新学科名称来取代传统的“矿山测量 ”

3.1 寻求替代名称的主要理由
(1)矿山测量学上一层的测绘学科已经或正在取用新的更确切、更科学的名 称“地球空间信息学”(Geomatics)或“空间信息科学与工程” 。近十多年来,加 拿大的卡尔加里大学、 新不伦瑞克大学, 美国的缅因州立大学、 俄亥俄州立大学, 澳大利亚的新南威尔士大学、卡坦宁技术大学等都先后将原来的测量工程 (Surveying Engineering)专业(院系)的名称更改为 Geomatics(Engineering), Spatial Information Science and Engineering,Spatial Science 或 Surveying and Spatial Information Systems 等。 (2)按照科学发展和可持续发展的要求,必须坚决禁止掠夺性采矿、毁灭 性砍伐等掠夺自然、破坏生态环境的做法。国际矿山测量界也强凋,采矿对社会 和环境的影响,矿山测量和空间信息技术在其中的作用。 (3)矿山测量的相关学科,如采矿工程、地质学、土地科学、环境科学与工 程、资源经济学等的内涵也发生了很人变化。

3.2 矿山空间信息学(工程)的内涵与基本任务
纵观科学技术的发展史可知,各门学科的发展都是与时俱进的,都是与其相 邻或相关学科之间相互作用,不断交叉、渗透、整合以及新陈代谢的结果;学科

的内涵、任务、基础理论、技术手段和研究方法不能一成不变,必须不断发展和 革新, 才能富有生命力。 笔者曾在 “空间信息技术的应刚与矿山测量的现代任务” 一文中,提出使用“矿山空间信息学”这一术语来取代“矿山测量”的思想,并 粗略阐明了其含义。基于学科的定位性质和作用要求,我们认为“矿山空间信息 学”的定义和基本仟务可表述为:是在矿山勘察、设计、建设和生产经营的各个 阶段, 研究矿区地面与地下空间、 资源和环境及其变化信息的采集、 存储、 处理、 显示、输出、分析和利用,研究矿产和十地资源的合理开发、利用,区域环境监 测、治理和可持续发展的一门科学技术。

3.3 矿山空间信息学(工程)的主要技术方法
3.3.1 转变观念、不断创新
为了完善和发展矿山空间信息学的科技体系,需要不断创新,揭示和研究学 科的新概念、新范畴、新规律、新理论和新技术,为此应该: (1)加强矿山测量的多元性、系统性和综合性,注意使数据的获取与分析处 理向多元动态及系统、综合发展,尽快使数据、资料的存储和提供方(模)式向数 字化、信息化、标准化和网络化的方向发展。数据源的类型不仅是矿山地面和井 下的几何空间信息,还包括矿产和土地等资源属性信息,矿区环境生态变化的时 空信息等。 (2)高新技术与传统技术相结合。当今,各种地球空间信息技术、计算机技 术发展迅速,智能型测绘仪器实用化、商品化很快,应注意跟踪、使用。但由于 地区、企业发展不平衡,各矿山具体情况不同,传统技术装备、研究方法和技术 规章的更新换代应是一个逐步过程。

3.3.2 主要技术方法
(1)常规测量技术。在矿山地面和井下各种测量工程中,电子经纬仪、电子 速测仪(全站仪)、光电测距仪、水准仪和 GPS 接收机等仪器设备及相应的测量方 法,仍是日常广泛使用的技术手段,相信在相当长的时期内仍然实用。 (2)空间信息技术。目前,空间信息技术主要包括全球定位系统、遥感和地 理信息系统(GIS)和网络通信技术,它足构成当代高技术的一个重要组成部分。 与传统的对地观测手段相比,它的优势在于:能够提供全球或大区域精确定位的

高频度宏观影像,扩人了人类的视野,加深了对地球及其变化的了解:它在资源 与环境问题研究中的作用重大而深刻。 未来几年中,GPS 和 GLONASS 两个卫星导航定位系统的技术水平、精度和抗 干扰能力将会大幅度提高。有中国参与的欧洲 Galileo 卫星导航定位系统 2005 年已进入实质建设阶段,将丁 2011 年前后建成,其精度和性能将人人优于目前 的 GPS 系统,从而打破美国 GPS 在全球的垄断局面。 遥感科技正在走向定量化、自动化与实用化。遥感观测技术向多传感器、多 平台、多角度和三高(高分辨率、高光谱、高时相)的方向发展。1 米及更高空问 分辨率的多光谱遥感数据已商掐化。具有几十、上百个光谱段的高光谱遥感正在 从航空向航天平台迈进,它能够监定矿物岩石的成分及土壤的物化性质。合成孔 径雷达(SAR)图像处理与应用发展喜人。无地面控制遥感影像定位技术己成为国 内外研究的热点之一。 GIS 正在向地理信息科学或空间信息科学(SIS)的方向发展,并与计算机技 术、通信技术相互借鉴、渗透和集成,将会成为一门独特的空间信息科学技术。 (3)矿山地理信息系统与灰色地理信息系统。目前有多种国内外 GIS 软件系 统在矿产资源勘察、开发利生产管理中发挥作用。但由地下矿产资源数据获取的 不易性、不完整性、模糊性和数据的不确定性,矿山采掘空间的动态性,产生上 覆岩层及地表形态、区域环境损害的后效性、复杂性,不同矿山和矿区地质采矿 条什及地形地貌的差异性等特性,使得许多一般 GIS 软件在矿山不完全实用,用 此研发适宜矿山特点和需求的矿山地理信息系统 MGIS(Mine GIS)或称矿区资源 环境信息系统(MREIS)十分必要。近 10 多年来,国内外的矿山测绘和地质采矿科 技人员在 MGIS 的技术体系、基本理论、技术方法及实用软件开发方面做了大量 的上作,取得了可喜的成果。但是在矿山的三维建模、数据处理、动态存储、体 积计算和三维可视化表达的理论、模型和算法等方面仍有许多问题未很好解决。 此外,在更广泛的科学与工程领域,包括问体及油气矿藏的勘探和开采、矿 区土地利用和保护、景观环境变迁等的 GIS 和遥感应用中,末被认知和急待解决 的问题则更多。传统 GIS 对于上述具有灰色特征空间数据的处理、存储和分析显 得过于简单,因而往往力不从心。于是,我国的学者提出了灰色地理信息系统 GGIS(Gray GIS)的概念。即认为 GGIS 是指对客观世界中实际存在的但并不完全

已知的各类空间数据及其特性属性,在计算机软件和硬件的支持下,以一定的格 式输入、存储、检索、显示、动态修正和综合分析应用的技术系统。在这方面己 做了大量的研究,取得了成效。 (4)惯性测量系统。在矿井下接收不到卫星导航定位系统的信号,使它在井 下无用武之地。惯性测量系统(ISS)是一种自主式导航定位设备,利用它可同时 获取多种大地测量数据(经纬度、高程、方位角、重力异常和垂线偏差),因此在 大地测量、矿山测量、资源勘测、海洋开发和军事等领域都有重要作用。目前 ISS 的精度:定位测量为厘米级,垂线偏差为 1” 、重力异常为 5mgal 左右。 GPS/lSS 组合系统可使两种系统的性能得到互补,消除一些不稳定因素的影 响,提高三维定位和大地水准面测量的精度。 由德国 WBK 公司研制的惯性井筒测量系统(ISSM)可用于井筒或罐道变形的 监测,其定位精度为 0.01m/1000m,准直精度为 0.01m/100m,方位角测量精 度可达 10”~30” 。 (5)数字近景摄影测量。进行露天矿坑、开采沉陷区及矸石山等的测量时, 常规的测量方法(如全站仪+GPS)往往不适用, 航空摄影测量或航空遥感在费用和 精度要求上也往往不可取,而数字近景(地面)摄影测量则大有作为。 当今, 高分辨率数字摄影机(可不低于 7000×8000 像素的分辨率)已实用化、 商晶化,并且非量测摄影机比较流行。当使用带有座架的非量测像机获取测量对 象(露天矿边邦、沉陷坑等)的数字影像对时,配合使用 GPS 和全站仪可方便地测 量控制点、摄像机点位及像控点的三维坐标。在内业数据处时,可采用直接线性 变换(DLT)算法,通过像控点的三维坐标来计算摄像机的内、外方位元素,再利 用左右影像对上同名像点的影像平面坐标,计算出任一像点的实际地面三维坐 标,进而生成测区的数字地面模型 DTM 等,解决矿山工程中的有关问题[12]。 (6)激光扫描成像系统(LIDAR)。LIDAR 是“Light Detection and Ranging” 的缩写,称为激光扫描成像系统,或激光雷达系统,又称激光测图系统。它是将 扫描激光测距仪、惯性测量系统(IMU)、GPS 和数码成像仪相整合,集成安装在 小型飞机/直升飞机或车辆上,实现对地表的测距扫描成像和处理,地形测图, 快速生成 DTM。它的基本工作原理是,利用 GPS 测定三维成像仪在空中的精确三 维何置,利用 IMU 测定成像仪在空间的姿态参数,扫描激光测距仪用以测定成像

仪到地面的距离,而数码扫描成像仪则同步获取地面的遥感图像。在数据后处理 时,具有三维位置的激光像元点作为“控制点”来精确纠正遥感图像
[7]

,进而生成地而的正射影像或 DTM 。 此外, 一些用于地面和地下空间断面测量及三维建模的激光扫描仪器也已商 业化,例如德国 Callidus 公司生产的 Gmb H 型和瑞士 Leica Geosystems 公司生 产的 Cyrax 2500 型激光扫描仪等。这类仪器不需要反射器,采川脉冲测距的方 式按极坐标原理对测龉目标进行扫描测量,类似于数字摄影测量法,可获得目标 物的点云(Cloud ofPoints)数据。将点云测量数据输入数据处理系统后,可生成 测量目标的断面图、等值线图及 3 维模型。这种技术设备可在地面建筑物形态测 量、地下硐室测量和巷(隧)道形状变化的监测中发挥独特功用[11]。 (7)矿用特殊仪器设备。由于获取矿山地面、地层及井下空间信息,资源与 环境信息的特殊性、复杂性,除了利用通用的测量仪器设备之外,往往还需要利 用一些特殊的矿用仪器装备,例如:防爆型激光指向仪,陀螺经纬仪,防爆型光 电测距仪和电子经纬仪,光电井巷断面仪,以及用于岩层或构筑物形变、位移量 测量的应变仪、倾斜仪、伸长仪等。还需研发矿削 GIS 专业软件、矿山空间与资
[4] 源数据处理及矿图编绘软件 。

3.4 “矿山空间信息学”与“数字矿山”
自从美国前副总统 A.Gore(戈尔)丁.1998 年 1 月提出“数字地球”的概念 以来,国内外的相关讨论和研究十分广泛,并且不断深入。在中国,有关数字地 球、数字中国、数字城市及其相关技术的研讨十分热烈,各界人员发表和出版了 数以百计的论著。 基此,我国矿业界也提出 “数字矿山”的概念和研建问题,并就“数字矿 山”的定义、内涵、研究目标、相关学科、基础支撑技术和发展战略等进行了研 讨,发表了一些论文,对数字矿山建设起了积极推动作用。综而观之,由于各位 学者的专业背景、切入点和定位目标不尽相同,有的侧重借鉴数字地球、数字城 市的定义,把矿山作为一个特殊的空间地理区域来理解,有的侧重从矿山工程和 生产过程的数字化、信息化来界定,等等,因此目前在“数字矿山”的定义、基 本概念的认识上还不太一致,有广义和窄义、侧重点不同之别,但是在如下几个
[10]

基本点上具有一致的看法



(1)“数字矿山”是一个目标、发展方向,而不是一项具体的工程或研究项 目,它是一个复杂而巨大的系统工程和技术体系,需要较长时期的逐步建设和完 善。 (2)“数字矿山”是一个多学科群体,涉及诸多交叉学科领域,需要矿山企 业内外协同攻关。 矿山空间信息学(科技)在其中起着构筑矿山空间与资源信息基
[9]

础架构的功用 。 (3)“数字矿山”建设应以需求牵引,结合国情和矿山实际。当前,应以矿 山安全生产的监控,实现矿区资源的综合、协凋、绿色开发开采、规划及服务为 重点目标。 综上所述可见: 矿山空间信息学(现代矿山测量科技)是地球空间信息学的一 个分支和重要组成部分;它在现代矿山生产建设和管理,以及“数字矿山”建设 中发挥着重要的不可或缺的作用:随着地球空间信息科学技术的不断进步,矿山 信息化、自动化、智能化生产和管理的发展,其作用将日益增强。

4 现代矿山测量(矿山空间信息学)面临的新形势和新 任务
4.1 矿山安全生产要求矿山测量发挥更大作用

近年来, 诸多国家特别是发展中国家矿难比较突出。 在中国, 煤矿事故频发, 就近几年来说,一次死亡 10 人以上的人事故 2001 年~2004 年共有 188 起,平 均 7.4 天 l 起,2005 年发生 67 起,平均 5.4 天 1 起,2006 年百万吨死亡率为 2.04l,共死亡 4746 人。矿山生产事故多发的原因是多方面、多层次的,包括 矿山基础性工作薄弱、 规章制度不键全、 监管不力、 官商勾结和地方保护主义等。 但是作为矿山生产“眼睛”的矿山测绘工作被忽视,一些地方矿山根本没有专业 的矿山测量和矿井地质人员, 使得反映矿山生产空间动态特征及事故隐患的采掘 工程图件资料等不完整或缺失,也是重要因素。无疑,矿山测量科学技术能够在 矿山的安全生产、防灾减灾中发挥重要作用[5]。

4.2 加强矿产、土地资源监管和环境修复给矿山测量提供了施展 才能的更多空间
建设资源节约型、环境友好型社会己为我们的国策。努力提高矿产资源的采 出率、 提高资源利用率、 保护生态环境都己有法可依。 但因缺乏切实有效的经济、 行政和技术监管措施,我国的资源浪费、环境污染破坏问题仍十分严重。为实现 矿产资源的高效开采、提高回采率,必须强化监督管理。为此可借鉴俄罗斯、德 国和东欧等国家的经验, 授予矿山测量师和矿山地质师对矿山的资源开采进行指 导和监督的职责。同时,矿区土地复垦与环境修复已成为矿山测量的职责之一, 这就要求拥有更多业务与思想素质优良的矿山测量科技人员。

4.3 制订或修订各种矿山测量规程(范)是当务之急
在我国,许多矿山测量范畴的规程、规范,如《(煤)矿山测量规程》《矿山 、 测量图图例》《开采沉陷观测规科》《三量(开拓矿量、准备矿量和回采矿量) 、 、 划分和计算方法规定》等大都是上个世纪 70.80 年代制(修)订的。改革开放近 30 年来我国的社会经济体制发生了重大变革,矿山测量的技术手段和科学水平 己今非昔比,上述规程、规定已严重落后,己不适应我国矿山生产和社会发展的 现实情况,急需修订或重订。同时,为保证安全生产,保护环境,还必须制定一 些新的法规[6]。

4.4 发展矿山测量职业教育,培养专门人才
在我国,信息时代的矿山测量教育是一个薄弱环节。我们认为,在普通大学

本科中可不必单独没置“矿山测最(矿山空间信息学)”专业,但在一些院校的测 绘工程本科教育中仍应保持其矿业特色,更不必说研究生的研究方向了。同时, 在一些高等和中等职业院校和行业培训教育中应加强矿山测量专业人才的培养, 以补充矿山企业严重缺乏专业人员的情况[8]。


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