数字矿山技术：信息采集、处理与传输

数据与信息信息采集与转换音频、图像、视频处理存储与压缩数据结构、组织与管理信息传输、检索与利用,第三讲信息采集、处理与传输,数字矿山矿山的空间数据与属性数据的一种数字化表征，包括技术、方法和应用作为信息系统，具有依赖于矿山特征的系统逻辑结构和服务于矿山目标的决策支持功能,数字矿山及其建设,数字矿山建设数字化、信息化、计算机化的过程将数据转换为计算机能够识别、存储、传输和加工处理的形式以计算机技术为手段，通过数据加工和处理，形成决策支持信息,数字矿山及其建设,数据（Data）是对客观实体或客观事物的属性的描述是反映客观事物的性质、形态、结构和特征等属性的符号形式上可以是数字、文字或图形譬如，矿床/矿体；巷道；LHD,数据与信息,Acollectionofnumbers,characters,imagesorotherformstodescribephysicalquantitiesDataistypicallyfurtherprocessedbyahumanorinputintoacomputer,storedandprocessedthere,ortransmitted(output)toanotherhumanorcomputer,数据与信息,信息（Information）通过记录、分类、组织、连接或诠释等处理后得到的数据内涵或意义；系统状态丰富关于事物属性、变化或规律的知识譬如，矿床/矿体钻孔数据地质统计学、距离幂次反比法、ANN法、SV法空间分布规律及变化趋势,数据与信息,AcollectionoffactsfromwhichconclusionsmaybedrawnInformationisthestateofasystemofinterestResultofprocessing,manipulatingandorganizingdatainawaythataddstotheknowledgeofthepersonreceivingit,数据与信息,知识（knowledge）通过实践、研究、联系或调查获得的关于事物的事实和状态的认识，是人类关于自然和社会的认识和经验的总和经济合作与发展组织（OECD）：What,Why,How,Who(Where),数据与信息,Thereisnosingleagreeddefinitionofknowledgepresently,noranyprospectofone,informationisthenextlevel;knowledgeisthehighestlevelamongallthree,数据与信息,信息与消息（Message）信息是对消息的认识和理解Informationisamessageunderstood消息是信息的载体、符号或物化Messageistheinformationmaterialized消息承载信息的数据，用于通信工程中,数据与信息,信号（Signal）信号是数据、消息或信息的符号化、物理量化信号是数据、消息或信息的载体信号也可以说是一种数据、消息、信息信号分为模拟信号和数字信号,数据与信息,信息性质普遍性、无限性（物质资源有限性）可共享性可存储性、可压缩性可传输性、可扩散性可转换性,数据与信息,信息技术（InformationTechnology）开发、控制和利用信息资源的手段的总和形式：数值、文字、声音、图像、视频来源：实体属性、生产控制、资源计划手段：采集Collection/获取Acquisition、加工Processing/变换Transformation、传输Transmission/交换Exchange、存储Storage/压缩Compression、表示Presentation,数据与信息,信息技术核心基础传感技术：采集/获取技术计算机技术：加工/转换/识别通信技术：传输/交换技术微电子技术：存储/显示/表示；IC-IntegratedCircuit/SoC-SystemonChip,数据与信息,信息源口头信息：语言、录音和文字记录实物信息：由商品或其它物品承载的信息：如人员、设备；甲骨、竹简；互联网环境信息：井下瓦斯、氡气、辐射、微震文献信息：辞典、论著、专利、索引,信息采集与转换,信息采集狭义：企业或机构在DM、MIS建设中，获取和汇总各种信息以供使用的过程譬如，矿床建模：地质钻探与生产勘探广义：信息采集就是知识获取形式之一“知识的一半就是知道到哪里去寻求它”学习如何学习或如何获取知识,信息采集与转换,人工采集方法直接观察：在信息源现场视听和记录普遍调查：在一定范围内调查全部对象，譬如全国人口普查；具有全面性典型调查：在一定范围内调查重点的、代表性的典型对象；具有主观性,信息采集与转换,抽样调查：在一定范围内调查随机抽取的部分样本；具有科学性个别访谈：是建设数字矿山或信息系统过程中常用的信息采集方式之一，效果好，但成本高、效率低查阅资料：文献检索；搜索引擎,信息采集与转换,自动采集方法现实世界中的诸多量都是物理量：声音；湿度、温度、风压、流量、尘毒含量需要应用传感器采集：可见、红外、紫外等光敏元件；声波、超声、次声等声敏元件；嗅敏、味敏、热敏、压敏、磁敏、湿敏以及综合敏感元件；遥感技术（RS）,信息采集与转换,信息转换传感器采集的信号为模拟信号：时间/幅度连续，可以用时间连续的波形来表示将模拟信号离散化、形成数字信号以便计算机处理，称为信号转换模数转换（A/D）或数模转换（D/A）器件：A/D，ADC；D/A，DAC,信息采集与转换,音频（Audio）处理输入：麦克/受声，声波/振动电波/电压输出：音箱/扬声，声波/振动电波/电压处理器：声卡，A/D或ADC和D/A或DAC及电路、DSP、混合信号处理器（MIDI、CD）、音乐合成器、总线接口与控制器,音频、图像和视频处理,色彩（Color）色度：色调和饱和度的统称色调/色相：物体反射不同波长的光而产生的感觉，光谱作用的综合效果，色彩的基本性质；色彩类别，如红、绿、蓝等饱和度：色彩的纯度、深浅度、白光程度亮度：物体发光强度，明亮程度的感觉,音频、图像和视频处理,色彩模式表现色彩的数学算法或模型，决定图像的输出（显示或打印）方式位图、双色、灰度、RGB、CMYK、Lab、HSB、多通道、8位、16位、混合等模式计算机：RGB打印机：CMYK,音频、图像和视频处理,RGB三基色：每种包括0-255共256个亮度或色阶，通过叠加组合可以形成16777216种色彩，所谓的真色彩黑/白/灰：三基色阶为零/255/相同加色模式：合成亮度增加,音频、图像和视频处理,CMYK四颜料：青（Cyan）、洋红（Magenta）、黄、黑吸收光谱形成的颜色减色模式：合成亮度降低Lab：三通道模式，表达色彩范围最广HSB：色相Hue、饱和度Saturation、亮度Brightness,音频、图像和视频处理,图像处理（ImageProcessing）输入：摄像机、数码相机、扫描仪、图像采集卡等输出：显示器、打印机处理器：图形卡、图形工作站等处理过程：与语音处理类似，经过采样、量化和编码等三个步骤,音频、图像和视频处理,图像与图形图像（Image）：光栅图Rastergraphics或位图Bitmap，由有限个像素Pixel构成图形：向量图Vectorgraphics，根据数学公式来决定图元的大小和方向区别：数据量；结构；3D及视图；计算量；自然景物；标准：OpenGL+VRML/JPEG+TIFF；AutoCAD/Photoshop,音频、图像和视频处理,视频（Video）动态图像或者以一定频率显示/播放的离散图像/帧（Frame）；模拟视频和数字视频输入：摄像机、录像机处理器：视频采集卡，捕捉模拟信号、A/D转换、存储、D/A转换输出：VGA、电视机、播放机,音频、图像和视频处理,存储（Storage）存储：介质+信息处理环节按照与处理器的关系分内存储：RAM-RandomAccessMemory联机存储或在线存储：软盘、硬盘、光盘脱机存储或离线存储：磁带机、磁带库,存储与压缩,按照存储介质分内存储：电路，SDRAM（SynchronousDynamic）软磁盘：塑基磁介质FloppyDisk、ZIP等闪存盘：电晶体，CFCompactFlash、MMCMulti-MediaCard、SDSecureDigital、MSMemoryStick硬磁盘：铝基磁介质，移动硬盘光磁盘：CD-ROM、CD-R、CD-RW,存储与压缩,数据压缩（Compression）存储和处理过程中，压缩信息量、消除冗余（Redundancy），仍然能够复原出必要的信息，空间冗余：同一图像/帧中的重复像素时间冗余：不同图像/帧中的重复背景视觉冗余：视听不敏感信息，灰度等级26、帧频10fps,存储与压缩,数据压缩种类无损：解压缩后，数据完整复原、没有失真，用于数字、文本等数据，ZIP-一种存储格式PKZIP（PhilKatz）、WinZip、WinRAR；N算法：Deflate有损：去掉冗余，部分失真，音频和视频评价：压缩比、压缩/解压速度、失真度,存储与压缩,数据压缩方法预测编码：根据离散信号间的相关性预测下一个信号，利用当前值和预测值之差编码，称为差分脉冲调制编码DPCM-DeltaPulseCodeModulation帧内编码：JPEG，用于静态图像帧间编码：MPEG，用于动态图像,存储与压缩,变换编码：运用变换函数将信号由一种表示空间变化为另一种表示空间，产生一组变换系数，然后对变换系数进行编码、传输和解码傅立叶变换、离散余弦变换（DCT）、KL变换（KLT）、小波变换（WT）压缩比大，易于失真,存储与压缩,统计编码：信源冗余度取决于信源相关性和概率分布的不均匀性；通过统计去除相关性和不均匀性，减低冗余度Huffman、算术编码、行程编码（RLE-Run-lengthencoding，一串连续的相同数据转化为特定的格式）效率较低，失真度小,存储与压缩,混合编码：小波（Wavelet）变换：将图像进行多分辨率分解，分成不同空间和频率的子图像，然后对子图像进行小波变换编码分形（Fractals）压缩：将图像进行分块，利用分形原理找出块间相似性，进行仿射变换，再对变换系数进行处理,存储与压缩,数据结构数据结构是数据在计算机内的组织和存储形式，目标是提高数据处理效率数据结构通常与算法相对应线性结构：堆栈LIFO，前进后退、撤销恢复；列队FIFO，打印排队、作业排队,数据结构、组织与管理,树形结构：二叉树，对应的算法是遍历算法（Traversing），先序NLR、后序LRN、中序LNR应用：产品数据管理，分类、存储与检索图状结构：对应的算法是遍历算法，深度优先、广度优先,数据结构、组织与管理,关系模型关系模型是一种以二维表为特征的描述研究对象的数据模型，是一种集合结构研究对象：矿床可以看作是若干空间点的集合；职工队伍是若干职工的集合；班级是若干名同学的集合（集体）应用：数据库处理基本模型,数据结构、组织与管理,研究对象术语实体（Entity）：研究对象的个体，譬如矿床某一空间点、某矿一个职工属性（Attribute）：实体的特征，譬如矿床某点品位、岩性等；职工姓名、性别等标识（ID）：唯一标识实体的属性，譬如点的序号、职工的姓名/编码,数据结构、组织与管理,数据处理术语记录（Record）：对应实体，譬如矿床某一空间点、某矿一个职工字段（Field）：对应属性，譬如矿床某点品位、岩性等；职工姓名、性别等键（Key）：对应标识，譬如点的序号、职工的姓名/编码,数据结构、组织与管理,数据库（Data）及管理系统（DBMS）数据库：若干研究对象集合的记录、字段、键及其间的关系和形成的文件数据库管理系统：对数据库进行添加、删减、修改、检索、查询等一系列操作，以实现决策支持目的软件（硬件）系统数据库及其管理是数字矿山及MIS的基础,数据结构、组织与管理,通信技术传统通信系统：烽火台、驿站现代通信系统：电报、电话、网络等现代通信模式：发送器编码与调制信道/干扰解码与解调接收器,信息传输、检索与利用,调制/解调（modulation/demodulation）Modulationistheprocessofvaryingaperiodicwaveforminordertousethatsignaltoconveyamessage,inasimilarfashionasamusicianmaymodulatethetonefromamusicalinstrumentbyvaryingitsvolume,timingandpitch,信息传输、检索与利用,Normallyahigh-frequencysinusoid正弦曲线waveformisusedascarrier载波signalThethreekeyparametersofasinewaveareitsamplitude,phaseandfrequency,whichcanbemodifiedinaccordancewithalowfrequencyinformationsignaltoobtainthemodulatedsignal,信息传输、检索与利用,AdevicethatperformsmodulationisknownasamodulatorandadevicethatperformstheinverseoperationofmodulationisknownasademodulatorAdevicethatcandobothoperationsisamodem,信息传输、检索与利用,传输介质铜缆及电信号：双绞线