GIS在矿山开采中的应用

Gis在矿区开采沉陷中的应用研究

摘要:随着科学技术的不断发展,gis技术作为当代地球科学发展的新技术已经显示出了广阔的应用前景。尤其是近些年来随着人们对gis技术认识的加深,发展矿区地理信息系统的技术路线已经深入人心。矿区作为一个复杂的地理系统,由于其地貌、矿体、围岩、构造及地压等的变化加上矿山开采活动的影响,为了最大程度的减少开采造成的损失,对破坏影响进行预测、评估,本文将从一些技术方面阐述gis在开采沉陷中的应用。

关键词:gis 开采沉陷应用研究

1. gis概述

地理信息系统(gis)是20世纪60年代发展起来的一门集科学、信息学、地理学等多门学科为一体的新兴科学。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学的管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，GIS是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，它是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，并以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。地理信息系统主要由四部分构成，包括：硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统开发。自上世纪80年代末以来gis技术已经广泛应用于城市管理、交通管理、城市规划、抗震防灾、灾害损失监测等各个领域。我国地理信息系统方面的工作自80年代开始也日渐成熟，逐渐走向产业化。

gis技术的优势：

1. 所获得的数据通过gis的空间分析功能，能够及时发现环境的变化，分析矿区开

采对其周边地区环境的影响程度和损坏程度。

2. 利用gis技术能够解决传统环境分析方法难以完成的空间模拟问题，例如开采沉陷

规律及扩散、开采破坏分析等。

3. gis的数据库功能，能够建立和管理有关的环境数据库并有效地对评价地区的环境

评价数据进行属性数据和空间数据的查询、更新和提取。

4. gis可以实现研究结果显示和输出的可视化、图形图像化、专题化和立体化。例如

在矿山地区地表沉陷监测方面的应用等。

gis的基本特性：

1.能对所摄取的有关信息进行严格的坐标定位并对数据进行统一管理。

2.对多信息源的空间和统计数据能够进行逐级分类并进行标准化和规范化。

3.能够向用户提供空间数据分析、复合评价、预测预报和模拟优化等技术手段。

4.gis具有强大的空间数据采集、管理和可视化功能。

5.gis具有集成技术，通过gis集成技术，能够大幅度增强gis的空间数据处理能力。

2 . gis在矿山开采沉陷中的应用

随着gis技术向矿业领域的渗透发展及其与矿区综合问题的结合，将gis技术应用到矿区开采沉陷中主要是以信息的数字化、可视化为出发点，将研究勘测的大量开采沉陷的数据和各种变形曲线图形象的表示出来，为全方位、快速、精确的分析和研究开采区的情况，避免矿区开采对周边地区和环境造成的影响和损坏。利用gis技术可以对矿区的开采地进行互式的可视化设计，通过在gis的软件系统中建立专业的分析模型对开采地的设计进行研究和分析。设计者可以利用建立起来的设计模型进行设计和规划，对矿区开采过程中有可能出现的沉陷进行全面的掌控，从而采取一些相应的措施来避免或减少损失。

2.1 gis应用于矿区开采的数据库建立

gis是空间数据库发展的主体它所管理的数据主要是二维或三维的空间型地理数据，主要包括地理实体的具体空间位置、拓扑关系和属性。对于这些数据的管理gis是按照图层的方式来进行的，这样的管理方式对地理数据的修改和提取非常方便。

地理信息系统采用野外数字测图、手工和扫描数字化、遥感与摄影测量等多种方式采集空间数据。对于矿区开采沉陷的监测必须要用到矿区的测量数据、矿区的开采方法、地质采矿条件、地质构造等各方面的资料，这些基本上都是外业的数字测图和手工绘制，对这些采集过来的数据进行有效地数据库管理、更新、维护、进行快速的查询和检索，并且使用多种方式输出所需的地理空间信息，以便于对矿区的沉陷情况作进一步的预测。gis与面向特定领域的专业应用模型相结合，进行有关数据处理、信息管理、空间分析、反演预测、决策支持等已经成为一种需要。综合多方面的因素考虑地理信息系统对于矿区开采沉陷数据库的建立是非常合适的。

利用gis技术解决矿区开采沉陷中出现的问题具有很大的优越性：首先gis理论和技术方法是矿区多层空间以及资源环境等动态时空信息的存储、处理、复合、分析与评价的最好方法。开采沉陷所涉及到的数据都是具有空间内涵的数据，gis的最大特点就是管理处理具有空间内涵的数据，并且gis的数据库管理功能可以对大量的开采沉陷数据进行统一的管理；其次二维矿图管理是目前gis技术非常成熟的应用，利用gis的制图功能可以绘制出矿区开采沉陷监测所需的各种可视化图形。而且gis的空间查询和分析功能还可以对开采所引起的一些损害进行全方位动态监测并可以确定损害的程度，在采动过程中随时根据监测所显示的资料对开采方案作出适当的调整。

矿区开采沉陷数据库的建立。

矿区开采数据可以分为图形数据和表格数据两大类，其主要内容有矿区的地形、开采工作面、矿区的地理环境、地表建筑物现状、地质开采条件、矿区分布、观测站的位置分布等相关数据。

数据库的建立一般包括以下几个大的模块：

1.数据采集模块：主要由外业采集的反映矿区的资料构成，包括对这些数据所做

各种分析和处理。

2.数据库模块（包括数据的存储与管理）：主要是将分析和计算好的各种数据和绘制出

的各类图形存入计算机中进行统一的管理。

3.变形分析与预计模块：包括半无限开采时的下沉、倾斜、曲率、水平变形、水平移动；

有限开采时的走向主断面移动变形、倾斜主断面的移动变形、双向均为有限开采时的预计、预计参数（下沉系数、主要影响角正切值、拐点偏移距、水平移动系数）。

4．绘制图形模块：绘制矿区开采沉陷所需的各种图形。

5. 输出模块：将各种观测所得数据和分析结果与图形存入gis数据库或者直接输出，也

可将分析所得的结果用数字地面模型显示出来。

2.2 gis应用于矿区开采沉陷预测的可视化系统

可视化(Visualization)是对人脑印象构造一种方针,目的是便于人们理解现象、发现规律和传播知识。

由于可视化能迅速、形象的表示空间地理信息。传统开采沉陷的预测的可视化方法工作量大并且复杂、预测的速度慢、绘制出来的图形直观效果较差而且精度低，但是利用gis 进行开采沉陷的预测的可视化在传统方法的基础上大大提高了预测的精度和预测的速度。

矿区开采引发的地表变形，可导致地表的土层破坏、平地积水、地面裂缝、周边的山体滑坡和房屋倒塌等现象。利用ArcGis中的ArcScene对地面沉降预测数据进行模拟和三维动态显示，能够很直观的得出三维可视化图形，也可以进行等值线绘制、任意的剖面图制作、任意的点位变形数据提取和最大变形方向等多种三维可视化随即应用分析，可进行矿区开采沉陷方面的一系列灾害性的后果预测分析。另外可基于ArcGis的3D扩展模块生成各种地表变形的的三维动态场景和三维动态实时可视化，并且可以进行动态演示。

Gis的可视化系统和空间分析功能在矿区开采沉陷的分析中具有着重大的意义。主要有开采沉陷数据的输入与输出、已开采地区的沉陷预测可视化、未开采地区的沉陷预测可视化、开采沉陷数据的管理和开采沉陷数据的可视化输出等。

Gis在开采沉陷三维可视化中的应用主要包括：

1.工作面开采后地表变形的三维可视化：利用概率积分法或建模法来建立工作

面的下沉量、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等三维立体可视化图。

2. 开采沉陷变形信息可视化：

①变形等值线绘制：可以在ArcGis的ArcScene中建立矿区开采沉陷后的下沉量、

倾斜、曲率、水平移动、水平变形、等数字高程模型（DEM）和等值线图。

②任意点位变形信息提取：利用三维可视化结果能直观和定性的进行下沉、倾斜、

曲率、水平变形等的灾害信息的提取与分析，快捷方便的对不同地区任意一点的

破坏进行预测、分析与评价，也可任意提取某一点的下沉等值线对该点进行破坏

评定，同时也可根据下沉量的三维可视化结果，提取任一点最大滑坡方向的迹线

等。

③任意位置剖面图制作：利用概率积分法所获得的预计结果以及地表信息的三维

可视化图形可以获取任意位置线的变形信息剖面图。

④三维场景动态演示：可以对矿区开采所引发的各种地表变形的三维场景按照预

先设计好的动态效果进行动态演示。

目前gis在矿业领域的应用还包括有：矿区不同比例尺的遥感测图、地质勘测、资源管理应用、矿山规划与设计、工程地质应用、环境污染监测、矿区测量控制网建立、建筑物