關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)的構(gòu)建研究

鄒劍波，張 華，王蘇健，劉 峰，董霽紅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；4.中國煤炭學(xué)會，北京 100013)

關(guān)閉煤礦是指因礦產(chǎn)資源枯竭、不符合安全開采條件以及其他政策原因而被關(guān)閉報廢的礦井[1]。隨著我國對煤炭資源的長期、高強(qiáng)度開采，煤礦可采儲量急劇下降，導(dǎo)致許多煤礦成為資源衰竭煤礦，同時，我國對礦山開采活動進(jìn)行了嚴(yán)格的管控，全國礦山數(shù)量大幅減少，越來越多的煤礦進(jìn)入關(guān)閉行列。煤礦關(guān)閉之后，仍賦存煤、煤層氣(瓦斯)、礦井水、地?zé)?、地下空間以及土地等資源。隨著人們對關(guān)閉煤礦剩余資源的進(jìn)一步認(rèn)識，如何高效管理和再次利用關(guān)閉煤礦剩余資源成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

地理信息系統(tǒng)(GIS)支持地理空間數(shù)據(jù)的采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述[2]，其空間數(shù)據(jù)庫、地圖可視化以及空間分析功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦的各領(lǐng)域。武俊紅等[3]基于組件式GIS，集成GIS與MIS系統(tǒng)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了鉆孔信息管理系統(tǒng)，為建立地下資源管理空間輔助決策支持系統(tǒng)提供支持和依據(jù)。陳龍泉等[4]利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間分析和統(tǒng)計分析，對開采土地的損害進(jìn)行評估。馬雷等[5]利用GIS技術(shù)開發(fā)了礦井水害防治輔助決策支持系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了圖件管理、信息提取與分析以及模型計算。陳漢章等[6]將煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)以及應(yīng)急廣播系統(tǒng)等與GIS技術(shù)有機(jī)融合，有效地解決了井上下聯(lián)動艱難的問題，提高了煤礦的應(yīng)急響應(yīng)效率，為煤礦井下應(yīng)急救援提供了有力保障。

我國的關(guān)閉煤礦有許多研究成果和開采資料數(shù)據(jù)，這些資料數(shù)據(jù)大多是紙質(zhì)資料，容易損毀和丟失，并且使用起來不方便[7]。隨著礦井的關(guān)閉、相關(guān)人員的變動，這些資料數(shù)據(jù)往往得不到很好的保存，難以發(fā)揮對關(guān)閉礦井進(jìn)行資源管理和利用的指導(dǎo)作用。因此，建立關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)，對關(guān)閉煤礦地上空間的廠房、機(jī)器設(shè)備以及大量的土地，地下空間的剩余煤炭、水以及井巷空間等資源進(jìn)行管理，為關(guān)閉煤礦的再次開發(fā)利用提供輔助決策支持具有重要意義。

1 GIS綜合管理系統(tǒng)概述

關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)是基于關(guān)閉煤礦的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地上實(shí)景三維數(shù)據(jù)、地下三維模型數(shù)據(jù)等，利用GIS和網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地上地下空間資源可視化管理。本系統(tǒng)主要包含礦區(qū)實(shí)景三維一體化、地上地下空間資源管理、煤礦相關(guān)信息管理以及工具管理。

1) 礦區(qū)實(shí)景三維一體化：具體表現(xiàn)為礦區(qū)地表實(shí)景三維數(shù)據(jù)的采集、部分井巷模型的建立，然后將礦區(qū)地表實(shí)景三維模型與井巷模型進(jìn)行地理配準(zhǔn)，使得兩者具有相同的空間參考，將地表的實(shí)景三維與井巷三維模型結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)實(shí)景三維的一體化。

2) 地上地下空間資源管理：地上空間資源包括工業(yè)廣場的各類建筑、機(jī)器設(shè)備以及土地資源等，地下空間資源包括煤炭、水資源以及井巷空間等。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)的地上地下資源進(jìn)行可視化統(tǒng)一管理、便捷查詢。

3) 煤礦相關(guān)信息管理：數(shù)字化煤礦的各類開采數(shù)據(jù)、人員信息數(shù)據(jù)以及各類生產(chǎn)報告等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化，實(shí)現(xiàn)煤礦相關(guān)信息的Web端查詢與管理。

4) 工具管理：由量算工具和繪制工具組成，實(shí)現(xiàn)了距離、高度和面積的量算，各種要素的繪制，較好地實(shí)現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)之間的交互。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)主體采用B/S架構(gòu)模式，礦井基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，客戶端通過瀏覽器在Web端進(jìn)行場景的瀏覽以及系統(tǒng)功能的操作。本系統(tǒng)的服務(wù)器通過C/S模式實(shí)時訪問各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖Fig.1 System architecture design diagram

2.2 系統(tǒng)場景設(shè)計

礦區(qū)實(shí)景三維場景由兩部分組成：工業(yè)廣場實(shí)景三維和井巷三維模型。其中，工業(yè)廣場實(shí)景三維數(shù)據(jù)利用無人機(jī)進(jìn)行低空傾斜攝影測量采集。井巷三維模型利用3ds Max建模軟件建成，通過地理配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)實(shí)景三維一體化，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)實(shí)景三維場景結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Real 3D scene structure diagram of mining area

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)功能主要包括三維場景操作、地上地下空間資源管理、關(guān)閉礦井相關(guān)信息管理以及工具管理四個模塊，系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示，各個模塊設(shè)計如下所述。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagram of system function design

1) 三維場景操作：該模塊包括三維場景瀏覽和顯示。三維場景瀏覽主要包括場景漫游、旋轉(zhuǎn)縮放以及多種圖層的切換、管理；顯示包括煤礦及周邊的地形數(shù)據(jù)和地理位置。

2) 地上地下空間資源管理：該模塊由地上空間資源管理和地下空間資源管理兩部分構(gòu)成。其中，地上空間資源管理包含建筑信息管理、機(jī)器設(shè)備管理、交通信息管理以及其他管理。 建筑信息管理主要是對工業(yè)廣場內(nèi)辦公大樓、實(shí)驗(yàn)室、車間等建筑的屬性信息進(jìn)行統(tǒng)一管理；機(jī)器設(shè)備管理包括對儲煤、洗煤和運(yùn)煤設(shè)備的管理；交通信息管理是對煤礦及周邊地區(qū)的公路、鐵路信息進(jìn)行管理；其他信息管理包括礦區(qū)綠化、水資源等的管理。地下空間資源管理主要是對井巷空間的管理，包括巷道空間、井底車場等。

3) 煤礦相關(guān)信息管理：該模塊主要包括煤礦的基本情況、生產(chǎn)情況、工業(yè)廣場概況、剩余資源概況以及相關(guān)報告，上述五項(xiàng)又可細(xì)分為建設(shè)概況、關(guān)閉概況、生產(chǎn)概況、廣場平面圖、建筑概況、煤炭剩余儲量、土地資源概況以及開采報告、關(guān)閉報告等。

4) 工具管理：該模塊主要由量算工具和繪制工具組成。量算工具包含距離量算、高度量算和面積量算；繪制工具包括點(diǎn)線面等要素繪制和矩形、圓形等圖形繪制。

3 系統(tǒng)實(shí)踐案例

基于本文的研究內(nèi)容，以朱家河煤礦為例構(gòu)建了關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程分為三個部分：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理；②數(shù)據(jù)環(huán)境部署；③系統(tǒng)功能開發(fā)。系統(tǒng)采用GIS二次開發(fā)的方式，使用ArcSDE作為系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)引擎，并使用GeoServer和Cesium ion發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，系統(tǒng)B/S部分基于Cesium開源地圖引擎完成了系統(tǒng)功能的開發(fā)。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括地圖數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)主要包括朱家河煤礦的地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。 通過地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)下載朱家河煤礦區(qū)域的GDEMV2 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2以及地形切片工具進(jìn)行處理，得到朱家河煤礦及周邊的地形數(shù)據(jù)；對于影像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選擇調(diào)用天地圖的在線影像地圖數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)主要包括礦區(qū)實(shí)景三維和井巷三維模型。利用無人機(jī)傾斜攝影測量采集朱家河煤礦的實(shí)景三維，并進(jìn)行三維重建，獲得礦區(qū)的實(shí)景三維模型。通過3ds Max軟件對井巷進(jìn)行三維建模，將所建的井巷三維模型與礦區(qū)實(shí)景三維模型進(jìn)行地理配準(zhǔn)，使兩者具有相同的空間參考。屬性數(shù)據(jù)包括朱家河煤礦相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文檔資料數(shù)據(jù)和圖片等，使用之前需要對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理以及優(yōu)化。

3.2 數(shù)據(jù)環(huán)境部署

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境搭建主要使用Tomcat、GeoServer以及Cesium ion發(fā)布和調(diào)用相關(guān)的地圖數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)。Tomcat服務(wù)器是一個開源的輕量級Web應(yīng)用服務(wù)器，在中小型系統(tǒng)和并發(fā)量小的場合下被普遍使用。GeoServer是OpenGIS Web服務(wù)器規(guī)范的J2EE實(shí)現(xiàn)，利用GeoServer可以便于發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入操作等。Cesium ion是一個提供瓦片圖和3D地理空間數(shù)據(jù)的平臺，并且支持把數(shù)據(jù)添加到用戶自己的Cesium JS應(yīng)用中。本系統(tǒng)將部分地圖數(shù)據(jù)在Tomcat服務(wù)器下發(fā)布，通過IP地址鏈接訪問。對于一些二維地圖和模型數(shù)據(jù)，則使用GeoServer進(jìn)行發(fā)布，同樣通過IP地址完成調(diào)用。Cesium開源地圖引擎提供的地圖數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)則通過Cesium ion直接訪問。

3.3 系統(tǒng)功能開發(fā)

本系統(tǒng)開發(fā)的主要方式為網(wǎng)頁開發(fā)，核心部分是基于Cesium開源地圖引擎所開發(fā)的三維平臺的展現(xiàn)與交互。利用Cesium API實(shí)現(xiàn)了三維場景下瀏覽、顯示實(shí)景三維景觀，對煤礦及周邊地區(qū)的地上地下空間資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，并且實(shí)現(xiàn)了煤礦相關(guān)信息的管理，最后完成了工具管理的開發(fā)。

3.3.1 三維場景操作

本系統(tǒng)通過調(diào)用Tomcat服務(wù)器發(fā)布的礦區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，利用Cesium API實(shí)現(xiàn)三維場景的加載、漫游功能，同時實(shí)現(xiàn)場景的旋轉(zhuǎn)縮放等功能。另外，根據(jù)Cesium ion中提供的地形及影像數(shù)據(jù)，結(jié)合天地圖等其他影像數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地形、 地理位置的顯示以及多種影像及地形圖層之間的切換、管理。

3.3.2 地上地下空間資源管理

地上空間資源主要包括建筑、機(jī)器設(shè)備、土地等，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對建筑的單體化以及分層單體化查詢，單體化查詢可以查詢每棟建筑的名稱、樓層和面積等屬性信息，分層單體化查詢可以詳細(xì)查詢建筑每層的房間信息，包括房間號、房間名稱等。系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了機(jī)器設(shè)備的屬性信息管理，通過系統(tǒng)可以查詢儲煤、洗煤和運(yùn)煤設(shè)備的各種參數(shù)信息。另外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)周邊土地資源的查詢與管理，按土地利用類型分為綠地、耕地以及工業(yè)用地等，在系統(tǒng)中可以查詢土地的面積、種植以及灌溉信息等。最后，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)及其周邊地區(qū)的交通信息管理，基于天地圖的矢量地圖，對礦區(qū)及周邊的鐵路、公路等交通信息進(jìn)行管理。地下空間資源主要是井巷空間，對建立的井巷三維模型進(jìn)行地理配準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)井巷長度、面積信息的查詢與管理，如圖4所示。

圖4 地上地下空間資源管理示意圖Fig.4 Schematic diagram of space resource managementabove and below ground

3.3.3 煤礦相關(guān)信息管理

煤礦相關(guān)信息主要包括煤礦的建設(shè)概況、關(guān)閉概況、生產(chǎn)概況、廣場概況、資源概況以及開采報告、關(guān)閉報告等。本系統(tǒng)將煤礦建設(shè)的歷程以網(wǎng)頁的形式展現(xiàn)，自煤礦建設(shè)至關(guān)閉，向用戶展示煤礦的建設(shè)和關(guān)閉概況。對于煤礦的生產(chǎn)概況，則利用Echarts.js插件以圖表的形式在客戶端展示，主要包括煤礦歷年的產(chǎn)量、可采煤層以及涌水量等。廣場概況包括廣場平面圖以及廣場所有建筑的名稱、長寬和面積屬性信息。資源概況主要是剩余煤炭儲量、土地資源以及井巷空間資源的基本情況，通過統(tǒng)計圖表的樣式展現(xiàn)。開采、關(guān)閉報告則以PDF文件的形式提供在線瀏覽、下載以及打印。圖5為朱家河煤礦剩余資源估算信息管理示意圖。

圖5 煤礦相關(guān)信息管理實(shí)現(xiàn)Fig.5 Implementation of coal mine relatedinformation management

3.3.4 工具管理

工具管理包含量算工具和繪制工具的管理。量算工具實(shí)現(xiàn)了距離量算、高度量算和面積量算。其中，距離量算又分為直線距離和貼地距離的量算，高度量算包含垂直高度測量和三角高度測量。繪制工具中包括點(diǎn)線面要素的繪制以及矩形、圓等幾何圖形的繪制。

4 結(jié) 語

關(guān)閉煤礦資源GIS綜合管理系統(tǒng)基于當(dāng)前先進(jìn)的開源三維GIS技術(shù)，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量以及Web數(shù)據(jù)庫等高新技術(shù)，采用B/S架構(gòu)開發(fā)完成。本系統(tǒng)具備完善的三維場景操作、資源管理、煤礦信息查詢管理以及量算、繪制功能，實(shí)現(xiàn)了朱家河煤礦資源的可視化管理，提高了朱家河煤礦資料數(shù)據(jù)的可用性及查找使用的便捷性，并為朱家河煤礦的再次開發(fā)利用提供了良好的輔助決策支持，具有推廣使用價值和應(yīng)用前景。