现代测绘技术与矿山可持续发展.pdf

第5 7 卷第1 期 2 0 05 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ，N o ．1 F e b r u a r y 2005 现代测绘技术与矿山可持续发展 吕 华1 ，一，邱鲁军2 1 ．中国矿业大学 北京校区 资源与安全工程学院，北京10 0 0 8 3 ； 2 ．济南大学城市发展学院，济南2 5 0 0 0 2 摘要分析由矿山资源开采引发的环境问题，介绍现代测绘技术的特点和在矿山方面的应用，分析其在有效开发资源和保 护环境、实现矿山的可持续发展中已经发挥和将会发挥的作用。 关键词环境工程；数字矿山；综述；可持续发展；现代测绘技术 中图分类号X 2 2 ；T D l 7 8 ；P 2 0 8 ；文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 8 4 0 4 1 9 8 7 年世界环境与发展委员会 W C E D 的著 名报告我们共同的未来发表后，可持续发展的概 念已为国际社会所公认⋯1 。1 9 9 2 年里约“环境与发 展”大会 U N C E D 通过了关于环境的里约热内卢 宣言，协调好社会、经济、资源和环境的关系，走可 持续发展的道路，已成为全球所追求的目标。可持 续发展是指既满足当代人的需求，同时又不损害后 代人满足需求的能力，既要达到发展经济的目的，又 要保存人类赖以生存的自然资源和环境，使子孙后 代能够安居乐业，持续发展。 然而，随着人口急剧增长，资源紧缺、环境恶化 和不均衡发展等尖锐问题日益突出，严重的现实促 使人们清醒地认识到不仅要关注发展的数量和速 度，更要重视发展的可持续性。因此在进行矿山资 源开发时，需要将区域的资源、环境、人口与发展作 为一个整体，制定矿山资源优化开发和区域社会经 济可持续发展模式。同时现代空间信息科技、测绘 技术以及矿业工程科技的发展，给矿山测绘提出了 新的任务，也提供了新的、强有利的科技手段，使之 能在矿山的可持续发展中发挥更大的作用。 1矿业发展与矿山环境L 2 3 J 新中国成立以来，我国采矿业得到了极大发展， 特别是近3 0 年来发展尤为迅猛。矿产资源的开发 满足生产生活需要，促进地区和全国经济发展，同时 也造成E l 益严重的地质灾害和矿山环境问题。 1 地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等地 质灾害。根据初步调查统计，全国有2 万多个煤矿 收稿日期2 0 0 4 ～1 0 2 5 作者简介吕华 1 9 7 0 一 ，女，山东淄博市人，讲师，博士生，主要 从事环境工程等方面的研究。 和1 0 0 0 多个其他类矿山因采矿发生了地面塌陷及 其他地质灾害，不仅危害居民生命健康和正常生活、 破坏矿山设备和房屋等工程设施，而且恶化国土资 源和生态环境，因而成为不少矿业城市或地区发展 的严重障碍。 2 土地、水、生物资源破坏，生态环境恶化。全 国矿山开采占用土地总面积5 8 7 万h a ，矿山周围遭 受破坏的土地面积达1 5 7 万h a 。除矿区塌陷破坏 土地外，不断增多的各种固体废弃物也占用大量土 地。粗略统计，全国每年产生的尾矿和固体废弃物 超过5 亿t ，约占全国各类工业固体废弃物的6 5 ％， 目前累计存放量约7 0 亿t ，直接占用和破坏土地约 2 万k m 2 ，且以2 0 0 ～3 0 0 k m 2 ／a 的速度增加。 矿产开采过程中因强烈疏排水和大量选矿用水 严重破坏矿区及周边的水资源和水环境，导致地下 水位持续下降和水质污染，甚至引发水资源枯竭，不 少矿区和城市发生水资源危机。据初步测评，每年 仅煤矿排放的矿井废水就达2 0 多亿m 3 。 矿山开采除直接破坏森林、草地、农作物外，因 土地干枯和水质恶化，导致植被稀疏，甚至使一些矿 区成为草木绝迹的荒野。 3 污染环境。矿产开采除堆弃大量废渣外，还 产生大量粉尘、废气，因此造成大气污染，甚至导致酸 雨。据资料，全国煤炭采选业的工业废气排放量约占 全国工业废气排放量的6 ％，其中二氧化硫、一氧化 碳、氮氧化合物和烟尘等有害物排放量每年达7 3 万 t 。因严重污染空气，使许多矿山密集区成为酸雨中 心区。此外，矿山废水、废渣还污染水源和土壤。 科学技术严重滞后是造成矿山环境恶化的不可 忽视的因素。迄今，有关矿山环境的理论与技术方 法研究特别薄弱。从这些方法可以看出，现代矿山 万方数据 第1 期吕华等现代测绘技术与矿山可持续发展8 5 测绘学科利用其具备的基础理论和支撑的技术在矿 山可持续发展中能够发挥重要作用。 2现代测绘技术及其在矿业中的应用 2 ．1“3 S ”技术 现代测绘技术是指在2 0 世纪后期发展起来的， 与传统测绘技术有质的区别的测绘技术，是随着空 间技术、计算机技术、信息科学等科技领域的发展而 逐步形成的。一般是指遥感 R e m o t eS e n s i n g ，简称 R S 、全球定位系统 G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ，简称 G P S 和地理信息系统 G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e r n ，简称G I S 三门既相互独立又密切联系的科学 技术，现在又统称为“3 S ”技术。 遥感 R S 主要是指利用光学、电子学和电子光 学的传感器、不与被测物体 如大气、陆地和海洋 直 接接触，在高空或远距离，接收物体辐射或反射的电 磁波信息，应用计算机结合相应的信息处理技术，加 工处理成为能识别图像，记录在相应的介质上，经分 析判读揭示出被测物体的性质、形态和变化动态。 遥感 R S 是2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一门 综合性探测技术，能迅速、及时提供大量多时相、多 波段的对地观测及测量数据和信息。根据传感器工 作波长的不同分为微波遥感、红外遥感和可见光遥 感。按传感器特点分为主动式遥感和被动式遥感。 依照运载工具的不同又分为航空遥感和航天遥感。 遥感的应用领域非常广泛，在地表移动、土地利用、 环境监测、农林、气象等多方面都是非常重要的信息 源获取方式。 全球定位系统 G P S 是美国军方研制的新一代 卫星导航定位系统，具有全天候、高精度和全球覆盖 的能力，而且其能力已从地球表面系统扩展到航空 测量和航天遥感。G P S 被认为是2 1 世纪影响人类 社会的1 2 大技术之一。G P S 与现代通信技术相结 合使测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动 态，从数据后处理发展到实时定位与导航。从2 0 世 纪8 0 年代起，随着G P S 试验卫星和工作卫星先后 不断升空，经过各国科学家的刻意开发研究以及各 厂家的竞相研制，G P S 硬件和应用软件都在迅速发 展，精益求精，使得G P S 定位技术在导航、测绘等领 域迅速获得推广应用。G P S 定位技术减少了野外 作业的时间和强度，还可以实行无人值守的数据采 集，通过数据通讯方式，将所采集的G P S 定位数据 传递到数据处理中心，实现全自动化的G P S 测量与 计算。G P S 定位技术与常规的测量手段相比较具 有明显的优势，在建立大地控制网方面可比常规方 法节省7 0 ％～8 0 ％的外业费用，同时提高工效2 ～5 倍，而且它是一种被动系统。可为无限多个用户使 用，信用度和抗干扰强。G P S 定位的精度已完全满 足了实施各种等级的控制测量，已广泛应用于各种 工程测量，在精度、效率、成本和作业强度等方面都 显示出了巨大的优越性。 地理信息系统 G I S ，也称为资源与环境信息 系统，是一种采集、存储、管理、分析和评价全球或区 域与空间地理分布有关数据的空间信息系统，是随 着计算机科学、空间科学、测绘遥感学、地球科学、环 境科学、信息科学和管理科学的发展而新兴的一门 边缘交叉学科。地理信息系统具有强大的分析功 能。可广泛应用于石油工程信息的采集、处理、分析 管理、输出及决策支持等。G I S 研究的主要对象是 有空间性的地理信息及其属性，研究方式主要是图 形图像处理和空间模型的建立。 地理信息系统 G I S 按照信息处理能力、服务 对象可分为项目型G I S 、部门型G I S 、企业型G I S 、社 会型G I S 。R S 与G P S 是G I S 的主要组成部份，作 为G I S 的一种重要信息源。G I S 的应用与发展又提 高了R S 与G P S 的数据提取和分析能力。随着高精 度R S 的发展和R S 动态网络的出现，随着G P S 技 术的拓展，G I S 与R S 和G P S 的结合会更加密切。 我国G I S 的应用已经扩展到各个领域，正在进入到 一个需求旺盛期。 2 ．2 现代测绘技术在采矿生产中的应用 遥感技术在矿山测量中的应用已经历了较长的 时间，并积累了一定经验。通过像片校正、目视判 读、野外调绘等工作，航空遥感资料可作为进行矿区 地形图测绘的资料源。较之传统的测图方法，利用 遥感资料进行测图速度快、成本低、精度高，是一种 应用极为广泛的测图方法。航天遥感在矿山测量中 应用的关键理论与技术也在处于深入研究之中。应 用遥感资料，可获取矿区实时、动态、综合的信息源。 对矿区环境进行监测，为矿区环境保护提供决策支 持。遥感资料用于找矿、矿区地质条件研究、煤层顶 底板研究等方面都已得到应用。 G P S 技术在矿山测量中的应用，主要是取代传 统的地面测绘工作。目前G P S 技术在矿区的应用， 如利用G P S 技术对矿区地表移动进行监测，利用 G P S 技术对水文观测孔高程进行监测，G P S 技术用 于矿区控制网建立或复测、改造，用于矿区地面各项 测量工作的开展。随着G P S 接收机性能价格比不 万方数据 8 6有色金属第5 7 卷 断上升，其应用于矿山测量工作的地面部分已成为 现代矿山测量的一项重要支撑技术。 地理信息系统在矿区应用为矿区地理信息系 统，或称为矿区资源环境信息系统 M R I E S ，已成 为矿山测量的重要发展方向。以矿区资源环境信息 系统为平台，以各种测量技术为数据获取的途径，可 以建立集数据采集、处理、管理、分析、输出于一体的 自动化、智能化的技术系统，作为矿山可持续发展的 决策支持系统。矿山测量工作是建立M R E I S 的前 题性工作，而建立M R E I S 则是矿山测量发展的必 然趋势。因此，G I S 在矿区应用首先是应用于矿山 测量，建立矿山测量信息系统，然后以此为基础建立 矿区资源环境信息系统。 矿山数据许多属于地理信息数据，这些数据的 应用也大部分没有超出地理信息系统的应用范围。 目前矿山上的数据管理和应用现代化水平远远低于 地理信息发展的水平，因此，地理信息系统的应用必 将促进矿山数据管理和应用的进步。发展矿山地理 信息系统 M G I S 已成为一种趋势。 1 矿山设计。建立的M G I S 存储有大量的矿 山地理信息数据，并建立了其中的拓扑关系，利用 G I S 强大的编辑功能进行矿山设计，可以极大地提 高工作效率，减少设计失误，优化设计成果。 2 编制生产计划。生产计划的制定也离不开 对矿山地理信息数据的依赖，通过对其空间关系的 实时分析，可以使生产计划的制定建立在客观、合 理、有效的基础之上，通过模拟，还可以进一步检验 生产计划的科学合理性和可操作性。 3 日常生产管理。矿山日常生产过程中会遇 到各种各样的问题，会揭露出许多新的地质现象，这 些新资料要及时输入到M G I S 中，通过其强大的分 析功能，可及时有效地调整生产计划，提高生产计划 实施效率。同时，各种生产数据也可以及时准确地 统计出来，供领导实施决策时参考。 4 矿山生产安全。矿山生产中有许多因素会 影响生产安全，如瓦斯局部富集、老窑积水、断层裂 隙带等等。这些因素与矿山生产部位的空间关系如 何是矿山生产安全所要考虑的首要问题。G I S 所具 有的空间分析功能和空间模拟功能，能使这种关系 可视化，提高管理者的判断能力，从而保证矿山生产 的安全。 5 生产监督检查。矿山生产要接受上级部门 和地矿管里部门的监督检查，如矿山生产安全方面 和资源回收方面的检查等。这些部门通过M G I S 对 矿山生产的检查，会更及时、更客观、更有效。 地理信息系统作为目前发展最迅速的高新技术 之一，其重要性和有效性越来越受到的重视。目前 矿山地理信息系统发展大大落后于地理信息系统在 其他领域的应用，应该积极开展这方面的研究，充分 利用已有的研究成果，扩大地理信息系统在矿山的 应用范围，提高应用水平，推动矿山生产经营管理的 现代化。 2 ．3 现代测绘技术在矿山环境保护中应用 1 矿区环境监测、评价中应用现代空间信息技 术。现代空间信息技术在矿山资源开发、环境保护 与整治、灾害监测及防灾等方面应用，优越性明显。 在数据快速获取、运算，高精度目标定位，空间瞬时 模拟，区域发展规划决策等领域起关键作用。 通过遥感可获得关于大气、地面、全球、区域不 同层次、不同范围、不同因素的信息，遥感信息经相 应处理后，可按照实际需要对信息进行管理。将信 息通过G I S 的输入端口进入地理信息系统，然后地 理信息系统利用其强大的数据处理和信息管理功能 对有关信息进行处理和分析，进行横向的区域环境 比较、评价乃至纵向的环境动态监测。并可按照实 际需要输出各种文字、图形资料。利用G P S 技术可 将环境信息、状况与其空间位置实现实时速接，实现 矿山环境信息的采集、存储、管理、分析、处理、输出 一体化的全自动系统，快速、高效、准确地提供各种 各样的信息和资料以及分析结果供决策参考。 2 矿山环境演变模拟与预测中应用地理信息 系统。地理信息系统是进行矿山环境演变模拟和预 测的有力工具，可将矿山环境演变的动态过程进行 数值模拟，进而根据资料分析对未来一段时间内的矿 山环境演变状况进行预测。实践中，将地理信息系统 与空间分析和预测模型结合，在充分利用G I S 功能模 块的基础上，进行必要开发和完善，实现模拟。 3 矿山开采沉陷监测及机理的研究。对于地 表沉陷，可利用测绘技术实现开采沉陷及地表移动 的监测，及时地采集有关地表沉陷的信息，通过处理 后以图形、数据等形式提供原始资料，从而进行开采 沉陷研究，找出其中的规律，以便更好地服务于生 产。特别是“3 S ”技术集成后，能实现各种条件下的 实时监测。 4 矿山生态环境重建与土地复垦理论与技术。 在矿山，针对由于矿山资源的开采引起的矿区地表 的破坏、环境的污染进而引起的生态环境破坏，大批 良田被毁而进行的矿区土地复垦与生态重建的研 万方数据 第1 期吕华等现代测绘技术与矿山可持续发展8 7 究，也取得了积极的效果。 3现代测绘技术与数字矿山 3 ．1 数字矿山概念【5 。6 ] 1 9 9 8 年1 月3 1 日美国副总统A 1G o r e 在C a l i f o r n i aS c i e n c eC e n t e r 的O G C O p e nG I SC o n s o r t i u m 会议上作的一个题为“数字地球对2 1 世纪人 类星球的认识”的讲演中指出“我们需要一个‘数字 地球’，即一种可以嵌入海量地理数据、多分辩率和 三维的地球表示，可以在其上添加许多与我们所处 的星球有关的数据”。“数字地球”概念的提出标志 着人类认识地球的第三次飞跃。 数字矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺 度和范围上不同。1 9 9 9 年首届国际数字地球大会 上，吴立新教授首先提出了“数字矿山” D i g i t a l M i n e ，D M 概念。所谓D M ，是“对真实矿山整体及 其相关现象的统一认识与数字化再现，是一个“硅 质”矿山，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部 分”。数字矿山的核心是在统一的空间框架与时间 参照下，科学有序地组织、管理、维护和真三维可视 化表达，通过不同手段获取得海量、异质、异构、多 维、动态的矿山信息，并建立矿山信息的分布式共 享、协同与利用机制，形成多种灵活便捷的数字方法 与模拟工具，最大限度地挖掘矿山数据的内在价值 参考文献 和发挥矿山信息的作用，贯穿于矿山规划、生产、经 营与管理的全过程，保障矿山的科学决策与现代管 理。可见，“数字矿山”是支持矿产资源开发与利用 可持续发展战略不可缺少的现代化工具，“数字矿山” 的研究将为矿产资源的合理开发利用石宏观调控提 供一个面向2 1 世纪数字环境下全新决策模式。 3 ．2 现代测绘技术与数字矿山的关系 现代测绘技术在数字矿山建设中具有重要作 用。测绘的成果矿山数据本身就是数字矿山信 息的重要组成部分，可供用户访问、获取、收集和应 用。数字矿山建设离不开现代测绘技术，同时，数字 矿山战略也恰到好处地为现代测绘技术实现跨越式 发展提供了不可多得的良好契机，使测绘技术得到 升华。 4结语 人类已进入一个全新的世纪，充满智慧的跨世 纪新人必然会从人类可持续发展的高度出发，谋求 解决困惑人类的资源、环境和人口三大科学问题的 有效方法，使地球永葆青春。现代测绘技术必然为 矿山的总体优化设计、矿区环境保护、矿产资源的有 效开发和利用、矿区安全保障体系等诸多方面奠定 坚实的基础，为矿业可持续发展带来积极而深远的 影响。 [ 1 ] 刘坚，吉兆宁．矿业可持续发展问题之探讨[ J ] ．矿冶，2 0 0 2 ， 4 1 6 1 8 ． [ 2 ] 张业成，张春山，贾永．加强矿山环境管理促进矿业可持续发展[ J ] ．国土资源科技管理，2 0 0 2 ， 1 6 7 6 9 [ 3 ] 王瑞海．矿山可持续发展中的测绘技术保障[ J ] ．邯郸职业技术学院学报，2 0 0 2 ， 2 5 9 6 0 ． [ 4 ] 周立．面向2 1 世纪矿山测量与矿业可持续发展[ J ] ．矿山测量，1 9 9 8 ， 4 1 7 1 8 ． [ 5 ] 吴立新，殷作如，邓智毅，等．论2 1 世纪的矿山数字矿山[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 0 ， 4 3 3 7 3 4 1 ． [ 6 ] 吴立新，殷作如，钟亚平．再论数字矿山特征、框架与关键技术[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 ， 1 2 6 ． M o d e r nS u r v e y i n gT e c h n o l o g ya n dM i n eS u s t a i n a b l eD e v e l o p m e n t L OH u a l 一，Q I UL u - j u n 2 1 ．B e i j i n gC a m p u s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，B e O i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； ， 2 ．D e p a r t m e n to fG e o g r a p h y ，J i n a nU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef e a t u r e so fm o d e r ns u r v e y i n gt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nm i n ei sd e s c r i b e db ya n a l y s i so ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sr e s u l t e df r o me x p l o i t a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e s ．T h ea c h i e v e m e n ta n df u t u r eo fm o d e r ns u r v e y i n gt e c h n o l o g yi ne f f e c t i v ee x p l o i t a t i o no fr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m i n i n gi n d u s t r ya r ed i s c u s s e d ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；d i g i t a lm i n e ；r e v i e w ；s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ；n x d e ms u r v e y i n gt e c h n o l o g y 万方数据