空间信息技术在矿区可持续开发与管理中的应用研究
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摘要
随着我国经济的持续稳定高速发展，对矿产资源的消费总量和质量将持续增长和不断提高。但伴随着资源的开发，我国许多矿区在资源开发过程中，存在着一系列日趋严峻的问题，如资源浪费严重、生态环境破坏加剧、安全事故频繁；社会经济发展对矿产资源的需求增加,引起资源的短缺加大,从而影响社会经济的发展；而资源消耗、环境污染后,又使得环境容量降低,从而使资源、环境承载能力降低,导致矿区缓慢发展。因此，矿区可持续开发管理的研究当然就成为地球科学、资源环境科学、管理科学、信息科学等领域研究的前沿和焦点问题。虽然，关于矿区可持续发展和信息系统开发建设的研究成果不少，但目前应用空间信息技术、系统科学、管理科学、经济学等多学科融合来研究矿区可持续开发管理信息服务的成果并不多，且缺乏系统性和实用性。所以，对矿区可持续开发管理信息服务的研究还有待深入和拓展。
论文是在《四川省矿产资源信息化服务模式与机制研究》、《西南地区暗色岩套矿产数据库构建及技术经济评价》、《四川省矿产储量利用调查数据库建设项目》等项目研究成果的基础上，以系统科学、可持续发展理论、系统动力学、管理科学为理论方法，以攀西矿区、山东省龙口矿区等为研究对象，以3S技术为主的空间信息技术为手段，研究矿区可持续开发和管理过程中空间信息服务的技术和方法。研究成果对提高矿区可持续开发管理信息服务水平和能力具有重要的理论和实践意义。同时，为国家、地方政府、矿区企业制定可持续发展规划和产业发展战略提供重要的科学依据。论文的主要研究内容和取得的主要成果如下：
（1）分析了矿区可持续开发管理的层次结构，针对矿区可持续开发和管理过程和内容等特点，运用管理信息系统的思想设计了矿区开发管理信息服务的立体概念模型，能够更深入地了解矿区可持续开发管理空间信息服务的内容与对象，能从不同的广度和深度理解矿区可持续发展对空间信息服务的需求，明确信息服务的目标。并对矿区可持续发展的空间特征和空间关系进行了分析，以达到利用空间信息处理与分析功能来提高决策分析能力的目的。
（2）在地理空间信息服务理论的框架下,应用SOA架构和Web Services技术，构建了矿区可持续发展空间信息服务系统的框架，按数据管理、图形管理、矿区可持续开发管理、应用模型设计了系统的功能结构，并较详细地阐述了系统实现的关键技术、方式，以及具体的应用技术方案。为矿区开发多层次、多功能、多用途的可持续发展空间信息服务系统提供帮助。
（3）在讨论了矿区可持续开发管理信息内容、类型与特征的基础上，分析目前的数据整合技术，重点研究了面向服务的矿区数据整合架构。其次，阐述了数据库建设的工作流程、依据标准，通过需求分析，设计了矿区可持续开发管理数据库系统的结构，说明了数据库系统建设的具体内容。最后，介绍了基于UML和Geodatabase数据库模型构建的方法。研究成果为探索科学、合理地组织矿区海量、异质地理信息数据资源和整合方案提供思路。
（4）以系统科学和产业经济学为理论基础，以信息反馈控制为特点的系统动力学为方法，构建了矿区可持续发展规划决策模型。分别对矿区选择的依赖采掘业与粗加工业、实行产业创新战略两种产业发展模式进行了计算机模拟仿真，对矿区的五种产业园区演变产生的经济成效GDP进行了横向和纵向的比较，对其发展趋势进行了定性和定量分析，并将GIS用于模型的空间数据前处理和模拟结果的空间可视化表达。从而为矿区产业规划和产业结构调控提供依据，为实施可持续发展战略提供决策支持。将系统动力学和GIS整合应用于矿区可持续发展战略规划，丰富和拓展了矿区模拟的研究思路，在矿区规划的空间动态模拟方面建立了一套新的模式和方法。
研究表明：以矿产资源开发和加工为依托，带动相关产业发展的策略是不可持续的，还会导致矿区的经济体系在今后30-35年内突然衰退以至崩溃；通过采矿技术创新来优选矿藏、科学探矿的策略也是不可持续的，只能或多或少延缓该地区经济体系崩溃的时间；通过采矿副产品作为其他产业资源投入的循环经济体系，也不能保证该地区长期可持续发展，因为完全依赖采掘业产出的其他制造加工业不但会随着采掘业的萧条而逐渐丧失资源渠道。即矿区的资源开发是有限的，要尽早做长期发展规划。矿区要可持续发展必须要引入―资源深度加工业‖、―矿业技术咨询与技术服务业‖、―矿区生活服务业和相关制造业‖、―生态业‖等产业，并大力扶持。同时，要推进循环经济建设，重点是进行产业转移、产业结构调整和投资结构调整，使产业链向矿区外延拓。
（5）针对矿区可持续发展的特点和现状，研究了矿区可持续发展水平评价指标体系，介绍了可持续发展水平和发展能力的评价方法，并进行了实证分析。为指导矿区经济发展、生态环境保护、矿产资源开发管理、社会发展提供依据，为矿区的可持续发展和投资提供决策支持。
With the sustained and stable high-speed development of China's economy, thetotal consumption of mineral resources and quality will continue to grow and increase.But along with the development of resources, in many of our mining areas,there are aseries of increasingly serious problems, such as serious waste of resources,ecological destruction intensified, frequent security incidents; With the developmentof social-economic, the demands of mineral resources are increasing which havecaused the increasing shortage of resources, and thus affect the social-economicdevelopment; Moreover, resource consumption and environmental pollution causedlower environmental capacity as well as the lower resource and environmentalcarrying capacity, which resulted in slow development of mining areas. Therefore, thestudies about the mining area of sustainable development management definitelybecome the forefront and focus research in the field of earth science, resources andenvironmental science, management science, information science. There are a lot ofresearches about the mining area of sustainable and mining area managementinformation system development and construction, but the outcome of mining area ofsustainable development and management information services which use the currentapplication of multi-disciplinary integration about spatial information technology,systems science, management science and economics are few, and lack of systematicand practical. Therefore, the methods and techniques of the research about the miningsustainable development of management information services remain to be deeper andexpand.
The thesis is on the basis of―the research on mineral resources informationservices model and mechanism in Sichuan province‖,―Dark rock mineral database construction and technical economic evaluation in southwest region‖,―Mineralreserves survey database construction projects in Sichuan province‖and other projectsof research results, which uses system science, sustainable development theory,system dynamics and scientific management for theoretical approaches as well as thePanxi mining area and the Longkou mining area in Shandong Province for the objectof study, and also uses3S technology-based spatial information technology for ameans to study the techniques and methods of spatial information services in miningarea sustainable development and management process. The research is of greattheoretical and practical significance which can improve the level and capacity of themining area sustainable development management information services, as well asprovide an important scientific basis for the state, the local governments and themining companies who draw up sustainable development planning and industrialdevelopment strategy. The main research contents and results are as follows:
（1）The paper analyzed the hierarchical structure of the mining area sustainabledevelopment and management, and aimed at the characteristics of the process andcontents of the mining area sustainable development and management, and utilizemanagement information systems to design a three-dimensional conceptual model ofthe mine development and management information services. The model can helpmore in-depth understanding of the content and object of the mining area ofsustainable development and management of spatial information services, and fromthe breadth and depth of understanding of sustainable development to the needs ofspatial information services, so as to clear the goal of information services.Meanwhile, the article analyzed the spatial characteristics and the spatial relationshipsof the mining area sustainable development, in order to achieve the purpose of the useof spatial information processing and analysis capabilities to improvedecision-making analysis capabilities.
(2) Under the framework of Geospatial information services theory and theapplication of SOA architecture and Web Services technology, the paper hasestablished a framework of sustainable development for the spatial informationservice system of mining area, and designed function of the system structureaccording to data management, graphics management, sustainable development ofmining area and application model. Moreover, the paper gives more detaileddescription of the key technologies, methods, systems as well as specific technicalsolutions. All that has provide help for mining area to develop multi-level,multi-function, multi-purpose sustainable development of spatial information service system.
(3)On the basis of discussing the mining area of sustainable developmentmanagement’s information content, type and characteristics，it analyzes the currentdata integration techniques and then focuses on service-oriented mine data integrationarchitecture. Secondly, it describes the process of database construction andfoundation standard. And by analyzing the demand, this paper designs the structure ofsustainable development management database systems of the mining area andexplains the specific content of the database system. Finally, it introduces the methodof building database model which is based on UML and Geodatabase. The researchhas provided an idea to explore the scientific, rational organization of massive andheterogeneous geographic information data resources and integrated solutions of themining area.
(4) By systems science, industrial economics as the theoretical basis and systemdynamics whose characteristics is feedback control as the method, there is constructedthe models which is about the mining area sustainable development planningdecision-making in this article. It makes a computer simulation separately from twoindustrial development modes which are depending extractive industries and roughindustry and implementing industrial innovation strategy as the method of choosemining area. And it compares the economic performance (GDP) from horizontaland vertical which is caused by the mining area of the five industrial parks evolutionand then qualitatively and quantitatively analyses its development trend. It uses GIS inthe model’s prior processing of spatial data and the simulation result’s expression ofspatial visualization. So it provides the basis for the mining industry planning andregulation of industrial structure and provides the decision supports for theimplementation of the sustainable development strategy. It enriches and expands themining area simulation research ideas and also establishes a new set of models andmethods in the spatial dynamics simulation of the mine planning by using systemdynamics and the method of GIS integration for the mining’s sustainable developmentplanning strategy.
The studies have shown that, the strategy which relies on the development andprocessing of mineral resources and then promotes the development of relatedindustries is not sustainable, and will lead to mining area economies recession as wellas debacle in the next30-35years. The strategy using mining technologicalinnovation to prefer minerals and prospect scientifically is also not sustainable andonly can, more or less, delay the time of the economies collapse of this region. It is also not to guarantee long-term sustainable development of the region by miningby-products as circular economy of other industry resources investment, because othermanufacturing and processing industries completely depending on the output of theextractive industries will gradually loss resource channels with the depression of theextractive industry. So the resource development of the mining area is limited, weneed make a development plan as soon as possible. In order to promote thesustainable development of the mining area, we must be to introduce―the depth ofresources processing industry‖,―mining technical advisory and technical services‖,―mine domestic services and related manufacturing‖,―the eco-industry‖and so on,and then provide vigorously supports. At the same time, to promote the recyclingeconomy construction, the focus is to formulate some measures which promote thetransfer of industries, industrial restructuring and investment restructuring and broadthe industrial chain to the mining area epitaxial.
(5) In the light of the characteristics and the current situations of mining area’ssustainable development, this article studies the level of evaluation index system ofthe mining area' sustainable development and describes the evaluation method ofsustainable development level and development capacity and then makes empiricalanalysis. This article provides the basis for guiding mining area of economicdevelopment, eco-environmental protection and managements of mineral resourcesexploitation, social development and provides the decision support for the sustainabledevelopment and investment of the mining area.
论文是在《四川省矿产资源信息化服务模式与机制研究》、《西南地区暗色岩套矿产数据库构建及技术经济评价》、《四川省矿产储量利用调查数据库建设项目》等项目研究成果的基础上，以系统科学、可持续发展理论、系统动力学、管理科学为理论方法，以攀西矿区、山东省龙口矿区等为研究对象，以3S技术为主的空间信息技术为手段，研究矿区可持续开发和管理过程中空间信息服务的技术和方法。研究成果对提高矿区可持续开发管理信息服务水平和能力具有重要的理论和实践意义。同时，为国家、地方政府、矿区企业制定可持续发展规划和产业发展战略提供重要的科学依据。论文的主要研究内容和取得的主要成果如下：
（1）分析了矿区可持续开发管理的层次结构，针对矿区可持续开发和管理过程和内容等特点，运用管理信息系统的思想设计了矿区开发管理信息服务的立体概念模型，能够更深入地了解矿区可持续开发管理空间信息服务的内容与对象，能从不同的广度和深度理解矿区可持续发展对空间信息服务的需求，明确信息服务的目标。并对矿区可持续发展的空间特征和空间关系进行了分析，以达到利用空间信息处理与分析功能来提高决策分析能力的目的。
（2）在地理空间信息服务理论的框架下,应用SOA架构和Web Services技术，构建了矿区可持续发展空间信息服务系统的框架，按数据管理、图形管理、矿区可持续开发管理、应用模型设计了系统的功能结构，并较详细地阐述了系统实现的关键技术、方式，以及具体的应用技术方案。为矿区开发多层次、多功能、多用途的可持续发展空间信息服务系统提供帮助。
（3）在讨论了矿区可持续开发管理信息内容、类型与特征的基础上，分析目前的数据整合技术，重点研究了面向服务的矿区数据整合架构。其次，阐述了数据库建设的工作流程、依据标准，通过需求分析，设计了矿区可持续开发管理数据库系统的结构，说明了数据库系统建设的具体内容。最后，介绍了基于UML和Geodatabase数据库模型构建的方法。研究成果为探索科学、合理地组织矿区海量、异质地理信息数据资源和整合方案提供思路。
（4）以系统科学和产业经济学为理论基础，以信息反馈控制为特点的系统动力学为方法，构建了矿区可持续发展规划决策模型。分别对矿区选择的依赖采掘业与粗加工业、实行产业创新战略两种产业发展模式进行了计算机模拟仿真，对矿区的五种产业园区演变产生的经济成效GDP进行了横向和纵向的比较，对其发展趋势进行了定性和定量分析，并将GIS用于模型的空间数据前处理和模拟结果的空间可视化表达。从而为矿区产业规划和产业结构调控提供依据，为实施可持续发展战略提供决策支持。将系统动力学和GIS整合应用于矿区可持续发展战略规划，丰富和拓展了矿区模拟的研究思路，在矿区规划的空间动态模拟方面建立了一套新的模式和方法。
研究表明：以矿产资源开发和加工为依托，带动相关产业发展的策略是不可持续的，还会导致矿区的经济体系在今后30-35年内突然衰退以至崩溃；通过采矿技术创新来优选矿藏、科学探矿的策略也是不可持续的，只能或多或少延缓该地区经济体系崩溃的时间；通过采矿副产品作为其他产业资源投入的循环经济体系，也不能保证该地区长期可持续发展，因为完全依赖采掘业产出的其他制造加工业不但会随着采掘业的萧条而逐渐丧失资源渠道。即矿区的资源开发是有限的，要尽早做长期发展规划。矿区要可持续发展必须要引入―资源深度加工业‖、―矿业技术咨询与技术服务业‖、―矿区生活服务业和相关制造业‖、―生态业‖等产业，并大力扶持。同时，要推进循环经济建设，重点是进行产业转移、产业结构调整和投资结构调整，使产业链向矿区外延拓。
（5）针对矿区可持续发展的特点和现状，研究了矿区可持续发展水平评价指标体系，介绍了可持续发展水平和发展能力的评价方法，并进行了实证分析。为指导矿区经济发展、生态环境保护、矿产资源开发管理、社会发展提供依据，为矿区的可持续发展和投资提供决策支持。
With the sustained and stable high-speed development of China's economy, thetotal consumption of mineral resources and quality will continue to grow and increase.But along with the development of resources, in many of our mining areas,there are aseries of increasingly serious problems, such as serious waste of resources,ecological destruction intensified, frequent security incidents; With the developmentof social-economic, the demands of mineral resources are increasing which havecaused the increasing shortage of resources, and thus affect the social-economicdevelopment; Moreover, resource consumption and environmental pollution causedlower environmental capacity as well as the lower resource and environmentalcarrying capacity, which resulted in slow development of mining areas. Therefore, thestudies about the mining area of sustainable development management definitelybecome the forefront and focus research in the field of earth science, resources andenvironmental science, management science, information science. There are a lot ofresearches about the mining area of sustainable and mining area managementinformation system development and construction, but the outcome of mining area ofsustainable development and management information services which use the currentapplication of multi-disciplinary integration about spatial information technology,systems science, management science and economics are few, and lack of systematicand practical. Therefore, the methods and techniques of the research about the miningsustainable development of management information services remain to be deeper andexpand.
The thesis is on the basis of―the research on mineral resources informationservices model and mechanism in Sichuan province‖,―Dark rock mineral database construction and technical economic evaluation in southwest region‖,―Mineralreserves survey database construction projects in Sichuan province‖and other projectsof research results, which uses system science, sustainable development theory,system dynamics and scientific management for theoretical approaches as well as thePanxi mining area and the Longkou mining area in Shandong Province for the objectof study, and also uses3S technology-based spatial information technology for ameans to study the techniques and methods of spatial information services in miningarea sustainable development and management process. The research is of greattheoretical and practical significance which can improve the level and capacity of themining area sustainable development management information services, as well asprovide an important scientific basis for the state, the local governments and themining companies who draw up sustainable development planning and industrialdevelopment strategy. The main research contents and results are as follows:
（1）The paper analyzed the hierarchical structure of the mining area sustainabledevelopment and management, and aimed at the characteristics of the process andcontents of the mining area sustainable development and management, and utilizemanagement information systems to design a three-dimensional conceptual model ofthe mine development and management information services. The model can helpmore in-depth understanding of the content and object of the mining area ofsustainable development and management of spatial information services, and fromthe breadth and depth of understanding of sustainable development to the needs ofspatial information services, so as to clear the goal of information services.Meanwhile, the article analyzed the spatial characteristics and the spatial relationshipsof the mining area sustainable development, in order to achieve the purpose of the useof spatial information processing and analysis capabilities to improvedecision-making analysis capabilities.
(2) Under the framework of Geospatial information services theory and theapplication of SOA architecture and Web Services technology, the paper hasestablished a framework of sustainable development for the spatial informationservice system of mining area, and designed function of the system structureaccording to data management, graphics management, sustainable development ofmining area and application model. Moreover, the paper gives more detaileddescription of the key technologies, methods, systems as well as specific technicalsolutions. All that has provide help for mining area to develop multi-level,multi-function, multi-purpose sustainable development of spatial information service system.
(3)On the basis of discussing the mining area of sustainable developmentmanagement’s information content, type and characteristics，it analyzes the currentdata integration techniques and then focuses on service-oriented mine data integrationarchitecture. Secondly, it describes the process of database construction andfoundation standard. And by analyzing the demand, this paper designs the structure ofsustainable development management database systems of the mining area andexplains the specific content of the database system. Finally, it introduces the methodof building database model which is based on UML and Geodatabase. The researchhas provided an idea to explore the scientific, rational organization of massive andheterogeneous geographic information data resources and integrated solutions of themining area.
(4) By systems science, industrial economics as the theoretical basis and systemdynamics whose characteristics is feedback control as the method, there is constructedthe models which is about the mining area sustainable development planningdecision-making in this article. It makes a computer simulation separately from twoindustrial development modes which are depending extractive industries and roughindustry and implementing industrial innovation strategy as the method of choosemining area. And it compares the economic performance (GDP) from horizontaland vertical which is caused by the mining area of the five industrial parks evolutionand then qualitatively and quantitatively analyses its development trend. It uses GIS inthe model’s prior processing of spatial data and the simulation result’s expression ofspatial visualization. So it provides the basis for the mining industry planning andregulation of industrial structure and provides the decision supports for theimplementation of the sustainable development strategy. It enriches and expands themining area simulation research ideas and also establishes a new set of models andmethods in the spatial dynamics simulation of the mine planning by using systemdynamics and the method of GIS integration for the mining’s sustainable developmentplanning strategy.
The studies have shown that, the strategy which relies on the development andprocessing of mineral resources and then promotes the development of relatedindustries is not sustainable, and will lead to mining area economies recession as wellas debacle in the next30-35years. The strategy using mining technologicalinnovation to prefer minerals and prospect scientifically is also not sustainable andonly can, more or less, delay the time of the economies collapse of this region. It is also not to guarantee long-term sustainable development of the region by miningby-products as circular economy of other industry resources investment, because othermanufacturing and processing industries completely depending on the output of theextractive industries will gradually loss resource channels with the depression of theextractive industry. So the resource development of the mining area is limited, weneed make a development plan as soon as possible. In order to promote thesustainable development of the mining area, we must be to introduce―the depth ofresources processing industry‖,―mining technical advisory and technical services‖,―mine domestic services and related manufacturing‖,―the eco-industry‖and so on,and then provide vigorously supports. At the same time, to promote the recyclingeconomy construction, the focus is to formulate some measures which promote thetransfer of industries, industrial restructuring and investment restructuring and broadthe industrial chain to the mining area epitaxial.
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引文
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