基于GIS的矿山边坡数字化安全管理系统研究

　　摘　要：露天矿边坡的地质勘察、加固设计、矿山开采、监控量测等信息的集中、高效管理对于确保采矿安全、提高生产效率具有十分重要的作用。利用GIS（地理信息系统）技术在空间数据存储、管理、表现、分析等方面具有其独特的优势，本文探讨了基于GIS的矿山边坡数字化安全管理系统的整体设计思路和关键技术，包括矿山边坡的地表、地层、钻孔、加固设计、测点分布等空间信息的可视化管理及监测数据分析管理，以充分发挥各种边坡数据的价值，并为矿山边坡安全管理、滑坡灾害防治等提供良好的可视化环境与决策支持。
　　关键词：矿山边坡；GIS,数据管理；地层建模；系统开发

　　1引言
　　在露天矿山开采过程中，露天矿边坡的稳定性直接制约着矿山安全生产的持续进行，是影响矿山经济效益的关键因素，也是采矿及岩土工程都十分关心的问题。由子矿山边坡地质条件的隐蔽性与复杂多变性、矿山边坡失稳模式及加固方案的多样性，进行矿山边坡安全管理要涉及到勘察、开采、加固设计、监测等大量多源、异构的边坡信息。利用地理信息系统(GIS)技术，将这些信息集成在一起，构建矿山边坡数字化安全管理系统，实现矿山边坡多源信息的综合管理、分析与可视化，对矿山边坡的稳定性给出专业的分析预测与评价，对于确保矿山安全生产，提高矿山管理水平具有重要的意义。
　　GIS是20世纪60年代开始发展起来的地理学研究新技术，是一种基于地图的管理信息系统，它可将表格格式的属性信息和地图形式的图形信息结合起来，在计算机内组织成一个既反映数量特征又反映拓扑特征的地理信息数据库。GIS强大的空间分析和空间数据库功能决定了GIS非常适合于解决滑坡研究领域中的许多问题。近年来，GIS技术广泛应用于矿山、公路边坡的三维建模、监测数据集成管理、边坡稳定性评价及边坡支护方案优化设计，为边坡安全管理提供可视化环境与决策支持，具有良好的实际应用价值。本文以某磷矿露采高边坡为例，探讨了利用GIS技术构建矿山边坡数字化安全管理系统的整体框架及关键技术，并以地理信息系统软件ArcGIS为平台实现了边坡安全管理系统的构建。研究表明，利用GIS进行矿山边坡安全管理，可以充分发挥矿山数据的价值，提高矿山边坡管理水平，对于确保矿山安全生产、防治矿山滑坡灾害具有重要的实用价值，可以为类似工程提供参考。
　　2系统整体设计
　　矿山边坡数字化安全管理系统的主要目的是整合管理各类矿山边坡信息，建立矿山边坡地表、地层、钻孔、支护结构（锚杆、地梁）等的三维模型，实现各类矿山边坡信息的可视化，为矿山边坡勘察、设计、开采、监测提供信息展示、查询与分析的平台，服务于矿山生产的全过程，最终为矿山边坡安全管理提供数据基础与决策支持。
　　矿山边坡数字化安全管理系统应能够全面地展示各种边坡信息，为边坡参数设计、边坡加固处埋、边坡稳定性分析与评价提供充足的数据，从而提高边坡管理效率和滑坡灾害预测能力。系统应涵盖的边坡信息为：地质勘察信息，如边坡地形地貌、边坡水文地质和工程地质情况、钻孔信息、边坡岩体结构面信息、边坡岩土体的各种力学参数等；加固设计信息，如边坡加固方案、边坡防排水设计、工程费用等：矿山开采信息，如矿石储量、采剥计划、开采进度等；监控量测信息，如边坡监测内容、监测仪器、监测频率及预警标准等。
　　矿山边坡数字化安全管理系统功能可分为基础数据管理、三维可视化、专业分析与应用三部分，如图1所示。

　　基础数据管理模块实现对各种矿山边坡数据的录入、删除、修改与查询功能，为整个系统提供数据基础；三维可视化模块提供矿山地表、地层模型、钻孔数据、加固设计等信息的可视化展示并可以通过图形来查询属性信息，是可视化管理的图形基础；专业分析与应用模块将矿山数据与可视化模型应用到边坡安全管理中，解决边坡管理的实际问题，例如进行矿山开采模拟、边坡监测数据的管理与分析、边坡稳定性的动态预测分析与评价、边坡加固方案的比选及优化等等。
　　3关键技术
　　3.1数据集成管理
　　矿山边坡数据具有海量、异质、异构、多维、动态的特点，其中既包含图形化的空间数据，又包含非空间的属性数据，有些数据还具有时态性。对这些数据的集成管理是基于GIS构建矿山边坡数字化安全管理系统的基础。选择合适的空间数据模型是有效利用GIS实现矿山边坡数据集成管理的关键。GIS空间数据模型根据发展历程可分为CAD数据模型、拓扑关系数据模型和面向对象的数据模型。面向对象的数据模型是以单独的空间对象作为数据组织和存储的基本单位，每个空间对象都有各自的属性和行为，该模型对地理空间要素的表达比以往的模型更接近于人们对现实事物的认知和表达方式，容易被用户理解和接受，己成为当今流行GIS软件所采用的最新数据模型。ArcGIS的Geodatabase就是一种面向对象的空间数据模型。Geodatabase利用RDBMS管理简单要素集、海量数据集及多用户并发操作的GIS数据集，具有将空间数据和属性数据集中存储，简化了数据的管理和维护，提高了系统集成化水平，使得数据输入和编辑更加准确，支持智能化的行为、规则和关系等优点。利用Geodatabase存储空间数据和属性数据，并通过Join建立联系，可以在ArcGIS的三维平台ArcScene中进行边坡信息展示与查询，如图2所示。 　　3.2三维地质建模
　　矿山边坡三维地质模型对于边坡安全管理工作有直观的辅助作用，也是其他矿山信息可视化的依托。通过三维模型，可以对矿山边坡形态及地质构造有一个直观的认识，分析滑坡灾害可能发生的区域、范围及规模，为边坡安全管理提供可视化环境；还可以在边坡三维地质模型上查询特定位置的地质勘查资料及岩土计算参数，为边坡加固设计及优化提供数据支持。在ArcScene中采用基于TIN（不规则三角网）的面拉伸扩充的方法来构建边坡三维地层模型。这种方法的主要思路是由地质剖面数据得到钻孔地层数据（含虚拟钻孔），然后对钻孔数据进行Kringing插值，得到地层厚度栅格，对地层厚度栅格进行适当地裁剪、计算与转换得到地层底面和顶面的TIN模型，拉伸地层顶底面就可以的到该地层的三维模型。某一地层的建模流程如图3所示。
　　将研究范围内钻孔揭露的每个地层都按上述流程建立起来，合并在一起即可得到矿山边坡的三维地层模型，可以借助ArcScene的3D Intersection工具对地层模型进行剖切分析，如图4所示。
　　3.3专业应用
　　开发在集成管理边坡信息及三维可视化模型的基础上，进行专业应用开发，可以解决矿山边坡管理工作中面临的实际问题，充分发挥边坡数据的价值。GIS常用开发模式主要有独立开发、单纯二次开发、集成二次开发三种。其中集成二次开发模式既可以充分利用GIS软件对空间数据的管理、分析功能，又可以利用可视化开发语言的高效、方便等编程优点，已成为GIS开发的主流方向。在开发实例方面，许冲、侯恩科等以ArcGIS为二次开发平台，建立了具有边坡数据管理、边坡稳定性评价、边坡三维地形建立与分析等功能的公路边坡稳定性评价系统。陶丽娜等针对山区高等级公路边坡稳定性评价和支护设计问题，在组件式GIS上进行了边坡支护方案优化设计系统(SSODS)的设计与开发。本文基于ArcGIS Engine组件与C#.NET，开发了矿山边坡可视化监测系统，实现了测点信息可视化、监测数据管理、监测数据查询分析、预警点显示、监测变量曲线绘制等功能。系统功能结构及界面如图5、图6所示。
　　4结语
　　基于GIS构建矿山边坡数字化安全管理系统，将各种矿山信息整合在一起，实现矿山信息的集成管理、可视化查询与分析，并进行专业应用开发，可以充分发挥矿山数据的价值，为矿山边坡安全管理提供良好的可视化环境与决策支持，对矿山边坡灾害防治具有重要的实用价值。