简论矿山测量内涵和技术的演进

简论矿山测量内涵和技术的演进郭达志(中国矿业大学(北京),北京100083)[摘　要]　讨论了矿山测量学科的特性及服务领域的拓展、学科技术装备与研究方法的演进、矿山测量学科应用基础理论的发展等问题;论述了近30多年来,中国矿山测量学科发展、演变的特点,即从传统的主要围绕矿产资源的勘探和开釆进行矿山(区)的各种测量、计算、制图和监管工作,发展到同时考虑矿区的矿产和土地等自然资源的综合开发与生态环境保护,开展相关的测绘和监管工作。[关键词]　矿山测量;学科内涵;技术演进;发展展望[中图分类号]TD17　[文献标识码]B　[文章编号]1006-6225(2016)02-0004-03TechnologyEvolutionandMineSurveyingConnotation[收稿日期]2015-08-19[DOI]10．13532/j．cnki．cn11-3677/td．2016．02．002[作者简介]郭达志(1938-),男,福建龙岩人,教授,博士生导师,享受国务院特殊津贴,长期从事矿山测量、遥感与地理信息系统的教学科研工作。[引用格式]郭达志．简论矿山测量内涵和技术的演进[J]．煤矿开采,2016,21(2):4-6,3．　　矿山测量作为一门独立的学科已有百年历史,它首先是在德国、俄国和东欧等一些国家开始诞生的,特别是在俄国和前苏联时期取得过历史性的重大发展。而在中国,矿山测量学科和事业主要是从1949年以后逐步繁荣发展起来的。然而,矿山测量学科的服务领域、运用的技术方法和仪器装备以及相关的基础理论,随着世界科学技术和社会经济的发展与需求的不断进步而呈现出不同的时代特征。1　矿山测量学科的特性及服务领域的拓展1．1　学科的综合性、包容性和社会性矿山测量学科从创建之日起就呈现出其交叉性、综合性和社会服务性的特点。早期,主要体现在测绘学、地质学和采矿工程等学科相关理论和技术方法的综合,以解决矿区地上地下的各种空间几何、资源开采和环境保护的问题。与采矿学的交叉、融合主要体现在“开采沉陷与防治”课程的设置及其生产实践中(早期一般称谓“矿山岩层与地表移动”)。与地质学的交叉融合则主要体现在“矿体几何学与矿产资源保护”课程及其矿山实践工作中。近20年来,由于社会经济的发展和人们对生存环境认识的提高,本专业又分别吸收经济学和生态环境学的一些知识,创建了“矿产经济学”和“矿区土地复垦与生态重建”等课程,并且应用于生产实践,体现出本学科具有多学科相互借鉴、相互交融、兼收并蓄,不断适应时代变化和需求的特征和优势。1．2　学科的服务领域传统上,矿山测量学科的基本任务是:矿山地面和井下的测量与矿图编制;岩层与地表移动的观测、计算和预计评价;矿藏储量调查、计算和制图;矿山权益调查及矿山规划设计资料的提供;矿山测量科技与教育等。近30年来,随着以“3S”(RS,GNSS,GIS)为核心的空间信息科技、计算机和通讯网络等科技的迅猛发展和普及,以及人们对生存环境质量认识的提高,本学科在矿区自然资源开发和保护、矿区生态环境信息的采集和环境保护中的作用日益显现,学科的内涵和服务领域得到显著拓展。例如,“3S”和空间信息技术的应用和研发;矿山与地下工程(管线)测量技术和数据处理;矿区生态环境监测、土地复垦与生态修复;矿产资源信息采集、3D可视化与分析评价;矿产经济等。可见,本学科近期发展、演变的特点是,从传统的只是针对矿产资源的勘探、开发和开采而开展矿山(区)的各种测量、计算、制图和监管工作,发展到同时考虑矿区的矿产和土地资源以及生态环境的勘测、开发、开采和保护而开展相关的测绘和监管工作。2　学科技术装备与研究方法的演进2．1　应用技术和仪器设备的发展(1)光学—机械式仪器设备时代　在20世纪4第21卷第2期(总第129期)2016年4月煤　矿　开　采COALMININGTECHNOLOGYVol．21No．2(SeriesNo．129)April　201650年代以前,本学科测量的对象(目标)主要是空间点的位置及其相互关系,测量的内容则主要是两个点之间的距离、角度、高差及方位。所使用的仪器工具大体上是:皮尺或钢尺、游标经纬仪、普通水准仪、测斜仪、罗盘以及通过天文观测(观测太阳或北极星)来确定方位,等等。(2)光学—电子式仪器设备时代　20世纪60年代以后,随着光学与精密仪器科技的发展,各种型式的光学经纬仪取代游标经纬仪而被广泛使用。同时,随着集成电路和微电子等技术的迅速发展,各种型式的光电测距仪、电子经纬仪、电子速测仪、数字水准仪(配合条形码水准尺)等仪器设备得到快速发展与普遍应用,从而作业的技术手段进入光学—电子方式时期。特别是上世纪90年代以来,随着GPS卫星导航与定位系统性能和价格比的不断提高,很快在测绘界得到广泛应用,并促使测量技术和理念发生重大变革,即可以直接测定地面上和空中某一点位的三维坐标,并且定位和导航精度不断提高。目前,俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统和欧盟的加里略系统已逐步加入全球卫星导航定位系统的系列,从而进入GNSS时期,使我们从平面测量进入空间测绘的新时代。此外,GNSS与TPS(电子经纬仪系统)协同作业的技术方法在工程测量和矿区测量领域受到青睐。(3)数字—电子式仪器设备时代　20世纪80年代以后,各种型式的数字读数、电子手簿(电子数据记录存储器)在光电测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、GNSS接收机等测绘仪器中得到广泛使用。目前,许多电子手簿还具有一般的测量计算功能,如平距换算、计算高差、计算经纬仪导线点的三维坐标等。此外,通过接口和通信传输线还可以将外业测量的数据,传输到电子计算机中进一步存储和运算。如果计算机再与绘图仪连接后还可按所需的比例尺绘图。目前,这种数字—电子式的测绘技术和方法还在不断创新、优化,向着更高水平、更广泛应用的方向发展。(4)数字—影像信息时代　众所周知,传统的测绘科技基本上都是为了获取目标的位置信息,然后编制各种图件,如地形图、矿图和专题图。期间,尽管航空摄影测量或地面摄影测量技术被广泛应用,但并未摆脱点位信息获取的传统思路。随着空间信息获取技术、遥感技术和地理信息系统,以及计算机数字图像信息存储、处理、表达和因特网信息传输科技的不断发展,如今,不但能够利用数字信息来表达地学目标乃至社会经济状况的空间位置、形态及其变化,还能够应用数字和图像信息来表征一些物理量(如重力、磁力、温度、物质结构、电磁波谱等)特征的空间分布及其变化。上述地球资源、环境及社会经济数据的信息都可用数字或图形图像形式表达,经数字化后可利用计算机或GIS进行处理、计算和存取,且通过有线光缆和无线卫星通讯等方式传输,还可进行远程互操作、数据或知识挖掘、多源数据融合与立体表达、虚拟仿真等,为矿区资源勘测、开发、环境监测与保护、社会经济的协调发展服务。当然,上述几个时期的划分并不是绝对的,前后会有重叠,且不同囯家或者同一国家的不同地区和行业之间的发展往往是不平衡的、会有先后。2．2　研究理念和方法的进展近30年来,受世界科学技术发展进步的影响,在研究理念和方法上,测绘学界和矿山测量学科也在不断发展和创新。举例如下:(1)从过去的点、线、二维平面表达发展到三维及多维空间的数据获取、处理、存储和动态表达。(2)从传统的静态、孤立研究发展到动态、多方位的研究。(3)从只是获取与处理空间几何数据信息发展到多源、多元信息的空间几何+属性(物理量、社会经济数据)的获取与综合分析评价。(4)在研究目标的数据质量研究方面,从只考虑其位置误差发展到地学空间位置信息与属性信息及其关联的不确定性、模糊性数据质量,以及空间数据挖掘和知识发现的研究。(5)从孤立的、分散尺度(比例尺)的测量数据处理研究发展到多尺度(比例尺)的数据获取、储存、检索、表达、应用、变换(推绎)与传输的研究。(6)注重矿区及区域多种自然资源(矿产、土地、水等)的综合勘测与开发,以及区域生态环境的监测和保护。3　矿山测量学科应用基础理论的发展众所周知,在工学和地学中测绘是应用数学知识最多的学科之一。在矿山测量学科的传统课程中,除需要基础数学知识外,还必须具备球面三角学、解析几何、微分、积分(含多重积分)、(偏)微分方程、矩阵、行列式、概率论、数理统计、级数(特别是傅氏级数)、复变函数、矢量计算、场5郭达志:简论矿山测量内涵和技术的演进2016年第2期论、误差理论、最小二乘理论等高等数学知识。近20年来,随着专业课程门数以及内容的扩展和深化,特别是GNSS空间定位与导航技术、遥感技术及其应用、数字图像处理、计算机地图制图、地理信息系统与应用、矿区土地复垦与生态重建等新课程的增设,以及开采沉陷与防治等传统课程内容的拓展和深化,需要具备更多现代数学知识。例如:信息论、稳健(抗差)估计、滤波与推估、模式识别、图像编码、拓扑学、小波理论、空间统计学、分形几何、模糊学、混沌理论、图论、(信息)熵理论、突变论、灰色系统、自组织系统论、非线性理论、等级结构理论等等。在理学特别是力学方面,岩石力学、土力学、弹性力学、塑性力学、应力(场)、应变、有限(单)元法、黑箱理论等理论和方法,也已在本学科广泛应用。4　矿山测量科技的当代发展当今,矿山测量与矿区空间信息科技的发展呈现出如下态势:(1)矿山(区)或矿业城市是一个复杂的“自然资源—生态环境—社会经济”巨系统,该巨系统又包括诸多子系统,子系统又涉及许多方面或内容。在进行矿产资源开发时,必须同时兼顾土地、水文等其他自然资源的保护和综合开发利用,进行区域整体综合规划、协调开发,使社会经济得以可持续良性发展。(2)各种国内外通用光电测量仪器装备,如光电测距仪、全站仪、陀螺经纬仪、GNSS接收机等都已数字化读数、记录和数据传输网络化,有的部分功能智能化,如自动寻找瞄准目标、自动读数记录等。测量机器人LeicaTM30加配套的软件,具有自动监测和分析的功能。矿山陀螺仪经纬仪和惯性测量系统(IMS)进一步完善和实用。随着我国北斗系统、俄罗斯GLONASS系统和欧盟Galileo系统的逐步构建运营,已经从单一GPS系统应用服务的局面过渡到多系统并存兼容的GNSS时代,使三频GNSS定位技术实用化,能够显著提高定位精度和效率。目前,四大系统在轨卫星数已接近80颗,这对于遮挡严重的城市或山区的应用格外有利。特别是,我国北斗系统加速向全球全覆盖发展,目前在轨卫星已达22颗,在定位测量中,短基线解算精度平面方向可达1mm,高程方向可达2mm的水平。各种型号的GNSS接收机与RTK技术已广泛应用于各种测量作业中。除了导航定位应用之外,GNSS的应用领域还在不断拓展,例如气象信息的提取,利用北斗GED卫星反射信号反演土壤的湿度等。(3)“3S”与计算机技术进入稳步发展和广泛深入应用时期。多传感器多平台多姿态多分辨率的卫星遥感技术,无人机遥感技术及其应用蓬勃发展。目前,国内外各种实用的高中低分辨率的遥感影像数据资料丰富,方便按需购置。例如,Land-sat5TM,SPOT5,CBERS-2,IKONOS,QuickBird、中国的高分卫星、SAR,LIDAR等影像或点云数据。它们在矿山(区)开发规划、土地利用状况调查、沉陷(形变)区监测、区域生态环境整治、土地复垦及土壤湿度或污染物信息提取等方面都已得到应用。近年来,基于多尺度分割与融合的面向对象遥感影像变化检测技术已取得突破,总体精度优于像素级变化检测。GB-InSAR(Ground-BasedInterferometrySAR)能够克服星载SAR数据的一些局限,具有较高的空间分辨率,可获取任意视线方向的形变数据,实现零基线观测,为矿区等局部区域的沉陷(形变)监测提供了一种新技术方法。当今,各具特色的国内外通用GIS软件和矿山专用GIS软件及计算机系统众多,已应用于矿区开发、矿产资源的空间模拟、3D可视化、数字制图及数据处理等。基于GIS的,采煤机定位定姿装置已在我国山西一煤矿工作面试验成功。同时,GPS与GIS结合、RS与GIS结合及“3S”结合的矿山应用事例十分普遍,并产生良好的社会经济环境效益。(4)在矿