基于GIS的煤矿地质测量

第34卷第10期西南大学学报(自然科学版)2012年10月V o l.34 N o.10J o u r n a l o f S o u t h w e s tU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)O c t. 2012

文章编号:16739868(2012)10013707

基于G I S的煤矿地质测量

信息系统的设计与开发①

刘文杰1,3,4,李明建3,4,岳俊3,4,周廷刚1,2,5

1.西南大学地理科学学院,重庆400715;

2.三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715;

3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;

4.中煤科工集团重庆研究院,重庆400037;

5.重庆市地理空间信息工程技术研究中心,重庆401147

摘要:采用C/S架构,以.N E TF r a m e w o r k2.0和A r cE n g i n e9.2为开发平台,构建了煤矿地质测量信息系统.通过对煤矿地质测量数据进行建模,将空间数据与属性数据整合.系统实现了局域网矿图共享,为煤矿生产和管理提供技术支持.

关键词:地质测量;信息管理;煤矿;地理信息系统

中图分类号:P208文献标志码:A

随着煤炭改革的深化及现代信息技术的发展,煤炭管理信息化成为必然趋势.一方面煤炭行业管理呈现信息形式标准化二信息传递规范化以及信息内容系统化二安全生产监测监控自动化的趋势;另一方面煤矿生产管理中产生许多不同类型和格式的数据,将这些海量信息集成并挖掘,为煤矿安全生产决策提供空间信息依据,成为矿山信息数字化的目标之一[1-2].矿山信息数字化的基本技术手段是应用地理信息系统(G I S),建立煤矿专用的地理信息系统是矿山信息数字化的基本内容[3-5].

目前煤矿G I S系统的应用主要集中于地测管理二安全监控二通风管理二矿产资源管理二矿图管理二设备管理等[6].主要的G I S平台产品包括E S R I公司A r c I n f o二M a p i n f o公司M a p X t r e m e,A u t o d e s k公司A u t o-C A D M a p3D二超图公司S u p e r M a p二中地公司M a p G I S;面向煤矿的专业制图软件为北京龙软R G I S二西安集灵C G I S.

目前国内煤炭行业所使用的绘图软件普遍存在以下几方面的不足.①一般只能实现属性信息的共享,不能实现空间信息的共享;即使勉强实现共享,亦不能保证同一空间要素在不同图件中的一致性二完整性.

②主要采用类C A D的图形绘制方式,数字化矿图中仅包含图形符号信息,不包含其他属性信息,因此并未实现完全数字化,无法实现图形与属性互查析功能.③局部要素更新后,相关图件都需要逐一手动更新,不能实现矿图的实时更新,导致重复工作量大[7].

因此,要实现完全的矿山数字化方案,提高地测空间信息的利用率,就必须研发基于G I S平台的专业图形绘制管理系统软件 地质测量管理信息系统,从根本上弥补当前矿用图形绘制系统与信息管理系统上的不足,为煤矿安全生产提供技术支持.

1系统总体设计

1.1技术路线

本系统采用C#程序设计语言,基于.N E T F r a n m e w o r k2.0和A r c G I SE n g i n e开发平台,运用S Q L

①收稿日期:20120409

基金项目:重庆市科委科技资助项目(C S T C,2009C B2015);国家科技支撑计划 十二五 课题资助项目(2012B A K04B01).

作者简介:刘文杰(1985),男,山西交口人,硕士研究生,主要从事G I S应用系统开发研究.

通信作者:周廷刚,教授,博士.

2西南大学学报(自然科学版)h t t p://x b b j b.s w u.c n第34卷S e r v e r2005E x p r e s s数据库进行空间数据与属性数据的管理与分析.系统总体基于C/S模式设计,采用用户应用层二商业逻辑层二数据访问层3层结构形式,总体架构图如图1所示.

图1地质测量系统总体架构图

由于G I S平台数据存储与分析功能较强,但绘图功能相对较弱[8-9],在进行系统架构设计时,用户应用层为满足用户使用习惯应尽量模仿C A D绘图软件.用户应用层主要为用户提供交互式操作界面,包括引导窗口(引导窗口即在不进入主程序的状态下,即可完成地质资料管理二测量资料管理二数据同步和矿图输出等经常性操作)和主窗口(主窗口则集成了系统所有的功能).商业逻辑层主要包括业务基础组件库和A r cE n g i n e组件库,与用户应用层协同配合构成地质测量系统的核心功能环境,并负责用户应用层与数据访问层的连接功能.数据访问层包括部分底层函数和数据处理接口,用于实现与数据库的访问与交互.

1.2数据库设计

目前,数据库技术已被广泛使用,几乎所有信息系统中的数据都被组织成数据库的形式[10],因此,数据设计成为本系统设计中的重要组成部分.设计中必须根据用户的具体要求进行分析和设计,建立合理的数据模式.该模式必须满足以下条件:

(1)符合用户的要求,既能正确地反映用户的工作环境,满足用户处理的所有 数据 ,又能支持用户需要进行的所有 加工 .

(2)数据模式必须与所选D B M S所支持的数据模式相匹配.

(3)数据组织必须合理,易操作二维护二理解.

(4)分析实体关系时,能够将空间数据与关系数据一起分析[11].

煤矿地质测量系统数据库设计包括空间数据库设计和属性数据库设计.空间数据将以采掘工程平面图进行存储,对矿井巷道二测量导线二地质构造等空间信息进行描述.属性数据包括采掘工程属性数据二元数据与系统逻辑数据.

空间数据是在关系数据库基础上,对其进行扩展,使其不仅能够存储关系数据,而且可以以单条关系记录方式存储非结构化的空间数据(点二线二面二属性)[12].矿图则是根据需要,对不同类型空间数据,采用不同方式进行表达,从而传递准确的空间位置信息及相关属性信息.空间数据库存储与矿图对应关系如图2所示.

本系统通过扩展S Q LS e r v e r数据库管理系统,增强空间数据的管理能力,实现空间数据和属性数据的

要素集要统一存储二管理,只使用同一个链接就可以既访问空间数据,又访问属性数据.空间数据按 ?素类 方式进行组织,要素集管理一个煤层的所有要素或与多个煤层共享的要素.这种方案需要对每个图件进行定义,同时加载一个图件时由于要访问多个要素集,因此速度较慢,但这种模式既能保证空间数据

充分共享,又能保持空间数据的一致性.如果用户进行推演需要输入空间信息,组织形成用户矿图,则需

要动态新建一个要素集,并可以引用其它要素集中的要素类.图2 空间数据库与图件的关系

2 系统功能设计

煤矿地质测量系统是矿井生产活动最重要的空间数据提供者,基于煤矿生产实际需要,煤矿地质测量系统需要对煤矿测量资料和图件进行管理,包括对煤矿地勘资料二矿井生产地质测量资料和采掘工程平面图管理,同时能够根据地质测量资料自动或手动填绘矿用图件.因此煤矿地质测量系统主要包括井巷工程绘制二采掘面测量收尺二导线测量资料管理与成图二地质资料管理与自动成图二采掘工作面管理5个核心业务.系统功能结构如图3所示.

6-井巷工程二7-测量数据二9-工作面管理为已开发功能,其余为非末级功能.图3 地质测量系统功能结构图

2.1 井巷工程绘制

井巷工程是采掘工程平面图中一大类基本要素,绘制井巷工程图可全面反映井巷延伸情况,以及井巷

工程的空间位置[13].主要要素包括设计巷道二未纳入掘进面管理的施工巷道及其附属物(

井筒二硐室)二井巷工程注记(包括巷道注记二采煤面注记).井巷工程绘制主要工作流程如图4所示.井巷工程绘制不仅包括绘制巷道及中心线(绘制井巷和井巷工程附属物)

,而且包括修改巷道及中心线3第10期 刘文杰,等:基于G I S 的煤矿地质测量信息系统的设计与开发

4西南大学学报(自然科学版)h t t p://x b b j b.s w u.c n第34卷(修改井巷和井巷工程附属物).根据C A D绘图习惯,不区分设计巷道处理与施工巷道处理,用户可以选择所需绘制二修改的巷道图层,以后的处理自动区分.

图4井巷工程绘制流程

2.2采掘面测量收尺

采掘面测量收尺下的掘进面收尺和采煤面收尺是为地质测量部门按月对掘进面和采煤面收尺提供方便,即将所得的收尺数据通过本系统的采掘面测量收尺功能录入到系统,系统根据收尺数据推进采掘工作面,从而对矿图进行更新.

对于采煤面收尺,输入所选采煤面的最新进尺数据,根据用户输入的机风巷进尺,首先保存采煤面测量收尺记录,然后从切割巷开始,计算并生成当前开采线,更新采空区和未采区域图层.更新相关联的采煤面及采空区,使图上回采进度与实际保持一致.

对于掘进面收尺,用户对每个掘进面录入本月收尺数以及每段长度及坡度,保存测量收尺信息,计算本期平面进尺数,然后沿掘进面的设计巷道方向,延伸掘进面对应的施工巷道并保存,使图上掘进进度与实际保持一致.

采掘面测量收尺主要工作流程如图5所示.

图5采掘面测量收尺上图流程

2.3导线测量资料管理与成图

为保证井巷工程施工质量(方向二标高二断面大小等),巷道每掘进一段以后,需要使用经纬仪二全站仪等测量仪器,对巷道进行严格测量,并及时整理资料,更新采掘工程平面图,其主要工作流程如图6所示.

图6导线测量资料管理与成图流程

2.4 地质资料管理与自动成图地质构造的观测二推断二解释是一个复杂的过程,它直接关系到煤矿采掘作业的安危[

14],因此,地质测量管理系统必须将其作为关键资料进行管理二成图.由于地质构造推断二解释非常复杂,很难将其纳入

软件系统处理,因此,地质构造管理的重点主要放在原始资料管理以及自动成图两个方面.2.5 采掘工作面管理采掘工作面管理包括掘进工作面管理和采煤工作面管理.掘进工作面管理是对井巷掘进过程中的关键巷道掘进进行跟踪二管理二成档,输入掘进工作面基本信息,选择所掘设计巷道以及掘进开始点,掘进方向即可保存掘进面信息.采煤工作面管理要求输入采煤面基本信息,选择组成采煤面的机巷二风巷二切割巷二

输入距离确定计划停采线或选择已有停采线,然后保存采煤面信息并根据所选择的图元,生成掘进面未采区域和一个空的采空区.3 系统功能实现

本系统既实现了地质测量系统的常用功能,也实现了与业务信息的高度集成,其主要功能如下.

3.1 主窗口主窗口界面和普通W i n d o w s 应用程序类似,由标题栏二菜单栏二工具栏二停靠栏二状态栏以及占有最大部分的地图主视图组成.除系统通用功能外,图层管理器采用C A D 风格设计,用户可以根据图层对图形几何对象二文字二标注等进行归类处理;捕捉设置中,组织了多种捕捉类型的功能,用户可以对捕捉的类型和捕捉参数进行相关的设置,提高了制图精度和制图效率;几何编辑栏的左侧列表会按序号显示出图元几何体的结点坐标二与上一结点连接所构成的边的方位角和边长,右侧的选项卡则提供了通过坐标或者输入

数值修改图元的功能;属性编辑栏显示当前编辑图元的图元属性(图7).

图7 程序主界面

3.2 井巷工程绘制

井巷工程绘制实现的功能包括绘制单折线巷道二绘制双折线巷道二绘制单曲线巷道二绘制双曲线巷道二

修改巷道中心线二修改巷道边线二巷道边线交叉处理二巷道边线转角处理等功能(图8).

3.3 采掘工作面管理采掘工作面管理窗体作为一个关系数据与空间数据相结合的数据维护窗体,其界面与单纯的关系数据维护窗体相同,包括工具栏二数据查询区二数据浏览区.其不同点在于:本窗体需要打开矿图后才能使用,并提供了地图定位功能;掘进面管理实现的功能包括新建掘进面二修改掘进面二删除掘进面二停止掘进面(停头)二在地图上定位掘进面位置二生成掘进面台账等(图9);采煤面管理实现的功能包括新增采煤面二修改采煤面二删除采煤面二停采报废二在地图上定位采煤面位置二生成采煤面台账等.

5

第10期 刘文杰,等:基于G I S 的煤矿地质测量信息系统的设计与开发

图8

绘制巷道操作结果

图9 掘进面管理

4 结 语

本研究通过对G I S 系统二地质测量系统和矿井生产技术的研究,建立了煤矿地质测量信息系统,为煤矿测量生产提供有力的技术支持,该系统最终实现了空间数据共享,保证同一空间要素在不同图件中的一致性二完整性;实现了煤矿图形的数字化及可视化,并可以进行图形与属性的相互查询;局部要素更新后,与之相关图件自动更新,实现矿图的自动综合与实时更新.

目前本系统已经投入正式运行,其可用性二可靠性和可维护性都基本达到了设计要求.由于现有技术

力量限制,空间分析功能有待进一步提升.

参考文献:

[1]张国良,朱家钰.矿山测量学[M ].江苏:中国矿业大学出版社,2006.[2] WA G N E R H ,F E T TW E I SGBL .A b o u t S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y i n t h e F i e l d o fM i n i n g i n t h eW e s t e r nW o r l d a t t h e B e -

g i n n i n g o f t h eN e wC e n t u r y [J ].R e s o u r c e sP o l i c y ,2001(27):157-168.[3] 王 军.矿山地理信息系统的构成与运用现状[J ].信息技术,2008(22):24-25.[4] 周 强,许世范,孙继平.矿山数字神经系统研究[J ].煤炭学报,2003,28(3):280-284.[5] WU L i n -x i n ,Y A N G K e -m i n g ,Q IA n -

w e n ,e t a l .I n f o r m a t i o nC l a s s i f i c a t i o n &M a n a g e m e n t f o rMG I S a n dD i g i t a lM i n e [C ]//T o w a r d sD i g i t a l E a r t h :P r o c o f 1s t I n t S y mo nD E .B e i j i n g

:S c i e n c eP r e s s ,1999:999-1004.[6] 李一帆.数字矿山信息系统的研究及应用[D ].北京:中国科学院研究生院,2007.6西南大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b j

b .s w u .

c n 第34卷

[7] 崔俊飞,李向东,李明建.基于G I S 的矿井瓦斯地质数字化技术[J ].煤炭科学技术,2009(2):97-99.[8] 邬 伦,刘 瑜,张 晶,等.地理信息系统 原理二方法和应用[M ].北京:科学出版社,2001.

[9] 龙 毅,沈 婕,周 卫.G I S 空间数据的分析与制图一体化策略[J ].测绘科学技学报,2006,23(4):299-303.

[10]陈林生,高学东.数据库技术的现状及其发展趋势[J ].管理信息,1999(3):6-8.[11]施伯乐,丁宝康,汪 卫.数据库系统教程[M ].2版.北京:高等教育出版社,2003.

[12]侍慧宇,张培松,刘洪斌,等.基于A r c I M S 的农场级胶园信息发布系统的研制[J ].西南大学学报:自然科学版,

2008,30(9):113-117.[13]董方庭,姚玉煌,黄 初,等.井巷设计与施工[M ].江苏:中国矿业大学出版社,1994.[14]车树成,张荣伟.煤矿地质学[M ].江苏:中国矿业大学出版社,1996.

D e s i g na n dD e v e l o p m e n t o f aG I S -B a s e d I n f o r m a t i o nS y s t e mo fC o a lM i n eG e o l o g i c a l S u r v e y

L I U W e n -j i e 1,3,4, L IM i n g -j i a n 3,4,Y U E J u n 3,4, Z HO U T i n g -g a n g 1,2,51.S c h o o l o f G e o g r a p h i c a l S c i e n c e s ,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 4

00715,C h i n a ;2.K e y L a b o r a t o r y o f E c o -e n v i r o n m e n t s i nT h r e eG o r g e sR e s e r v o i r R e g i o n (M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ),C h o n g q i n g 4

00715,C h i n a ;3.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f T h eG a sD i s a s t e r D e t e c t i n g ,P r e v e n t i n g a n dE m e r g e n c y C o n t r o l l i n g ,C h o n g q i n g 4

00037,C h i n a ;4.C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t eo f C h i n aC o a l T e c h n o l o g y &E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p o r a t i o n ,C h o n g q i n g 4

00037,C h i n a ;5.E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c hC e n t e r o f G e o -s p a t i a l I n f o r m a t i o n i nC h o n g q i n g ,C h o n g q i n g 4

01147,C h i n a A b s t r a c t :B e i n g C l i e n t /S e r v e ro r i e n t e d ,am i n i n g s u r v e y a n d g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e mi s i m p l e m e n -

t e d ,b a s e do nN E TF r a m e w o r k2.0a n dA r cE n g i n e 9.2.T h r o u g h m o d e l i n g t h em i n i n g s u r v e y d a t a ,t h e g e o l o g i c a l d a t a a n d t h e a t t r i b u t e d a t a a r e i n t e g r a t e d .A t p r e s e n t ,t h e s y s t e m p r o v i d e s t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t o fm i n i n g b y r e a l i z i n g m i n em a p s h a r i n g o nL A N (l o c a l a r e an e t w o r k ).K e y w o r d s :g e o l o g i c a l s u r v e y ;i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ;c o a lm i n e ;G I S 责任编辑 胡 杨

7第10期 刘文杰,等:基于G I S 的煤矿地质测量信息系统的设计与开发

8西南大学学报(自然科学版)h t t p://x b b j b.s w u.c n第34卷