基于GIS技術(shù)的水文地質(zhì)及突水預(yù)警信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要： 為了提高水文地質(zhì)及突水預(yù)警信息管理系統(tǒng)的可靠性與運(yùn)行速度，應(yīng)對(duì)其數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合煤礦的歷史資料與信息實(shí)時(shí)更新的要求，構(gòu)建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，與水害空間信息以各項(xiàng)參數(shù)建立全面的關(guān)聯(lián)性，并將管理系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)對(duì)突發(fā)狀況有更好的預(yù)防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。

　　關(guān)鍵詞： 水文地質(zhì); 突水預(yù)警; 信息管理; GIS技術(shù); 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　《安徽地質(zhì)》從2003年起改刊，現(xiàn)由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局主管、安徽省地質(zhì)學(xué)會(huì)主辦。該刊定位為安徽省地質(zhì)行業(yè)科技與管理綜合性學(xué)術(shù)刊物(季刊，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行)。

　　0 引言

　　針對(duì)煤礦運(yùn)行過程開展系統(tǒng)研發(fā)可以更加高效、準(zhǔn)確地對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了提高該系統(tǒng)的可靠性與運(yùn)行速度，應(yīng)對(duì)其數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]。由于煤礦產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常多，并且各類數(shù)據(jù)的格式也存在較大差異，因此必須設(shè)計(jì)更加靈活的數(shù)據(jù)采集模式才能構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)庫，以此促進(jìn)煤礦工作效率的提升[47]。考慮到數(shù)據(jù)都是以獨(dú)立方式在數(shù)據(jù)庫內(nèi)運(yùn)行，因此從系統(tǒng)研發(fā)的層面分析，應(yīng)在數(shù)據(jù)庫跟前臺(tái)操作界面之間構(gòu)建有效的連接，通過設(shè)置專門煤礦信息處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的可操作性，同時(shí)也可以通過客戶端瀏覽器B/S架構(gòu)對(duì)信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，以此有效管理礦井的各項(xiàng)信息內(nèi)容，并完成信息的高效分析與共享[810]。

　　構(gòu)建本系統(tǒng)的目標(biāo)是為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加高效的管理與分析，因此需設(shè)置合適的系統(tǒng)平臺(tái)[11]。運(yùn)行系統(tǒng)之前應(yīng)先全面收集并分類整理各項(xiàng)煤礦信息。在長(zhǎng)期的煤礦采掘過程中，大量的水文與地質(zhì)數(shù)據(jù)信息將被不斷積累，這些都可以作為數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源[12]。隨著煤礦數(shù)據(jù)信息量的不斷增長(zhǎng)，如果依然選擇人工管理的方式將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間與人力管理成本，并且實(shí)際數(shù)據(jù)查詢、分類與管理的效率也很低，較易出現(xiàn)錯(cuò)誤。同時(shí)在開采工作中，所有巷道與工作區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)更新過程，即使采取數(shù)據(jù)的日更新處理也無法滿足實(shí)時(shí)共享的要求。一些早期構(gòu)建的煤礦，一些通過紙質(zhì)記錄的水害資料以及特定的防治水方案與工藝都未獲得充分繼承[1315]。

　　根據(jù)以上分析可知，應(yīng)結(jié)合煤礦的歷史資料與信息實(shí)時(shí)更新的要求，構(gòu)建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，并與水害空間信息以各項(xiàng)參數(shù)建立全面的關(guān)聯(lián)性，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)狀況的預(yù)防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。

　　1 設(shè)計(jì)流程

　　可以將系統(tǒng)平臺(tái)的信息內(nèi)容主要分成如下兩種：第一種屬于數(shù)據(jù)信息類型，包含觀測(cè)與預(yù)測(cè)共兩種數(shù)據(jù)，如水害狀況、煤礦地質(zhì)、工作面、礦井涌水量等信息;第二種屬于圖形分布信息，包括巷道的橫截面、煤層結(jié)構(gòu)、電阻率斷面分布等。

　　可以把煤礦資料分成空間、時(shí)態(tài)、屬性與文檔共4種信息類型。按照煤礦信息的具體特征設(shè)計(jì)得到數(shù)據(jù)庫流程，如圖1所示。

　　其中，空間信息包含了點(diǎn)、線、面各維度對(duì)應(yīng)的地理位置;時(shí)態(tài)信息中包含了有采掘過程進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及各項(xiàng)日常更新內(nèi)容;在屬性信息中含有對(duì)不同要素進(jìn)行描述的信息內(nèi)容;在文檔信息中包含了煤礦的所有文件信息。根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)圖先完成原始資料的預(yù)處理，同時(shí)將煤礦設(shè)計(jì)圖的CAD格式轉(zhuǎn)換成mxd格式，再從中提取獲得有用信息，將提取得到的信息存入數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫平臺(tái)可以很方便地調(diào)用上述信息內(nèi)容，之后再對(duì)其開展數(shù)據(jù)分析、管理或查詢的操作，并把得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果反饋至平臺(tái)界面。

　　現(xiàn)階段已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型主要包括層次、關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)與面向?qū)ο蠊菜念悾狙芯恐攸c(diǎn)分析關(guān)系型的數(shù)據(jù)處理過程。煤礦數(shù)據(jù)通常不屬于獨(dú)立數(shù)據(jù)，各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)基本都是由空間數(shù)據(jù)組成，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)既可能與屬性數(shù)據(jù)存在關(guān)聯(lián)也可能與空間數(shù)據(jù)存在聯(lián)系，在文檔信息中則包含了發(fā)布時(shí)間與文檔類型的內(nèi)容，更有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的過程。本文選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的方式來構(gòu)建得到屬性表數(shù)據(jù)庫。處理軟件為SQL Server2010，通過空間數(shù)據(jù)引擎 ArcSDE構(gòu)建得到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，由此設(shè)計(jì)得到本文的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

　　2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時(shí)主要包括二個(gè)模塊，分別是對(duì)水文地質(zhì)的設(shè)計(jì)以及對(duì)避災(zāi)與突水預(yù)警數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的過程包括整理與歸納煤礦的各類資料，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖2所示。

　　2.1 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　(1)數(shù)據(jù)采集

　　通過定義各要素空間位置可以得到空間數(shù)據(jù)。大多數(shù)煤礦設(shè)計(jì)圖紙都是屬于 AutoCAD 格式，無法建立規(guī)范的原始數(shù)據(jù)，因此在采集空間數(shù)據(jù)前，必須先轉(zhuǎn)化 CAD 格式的圖紙，使其變?yōu)镚IS數(shù)據(jù)類型，以此完成對(duì)空間數(shù)據(jù)的提取與存儲(chǔ)過程。在系統(tǒng)中進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)確保 CAD數(shù)據(jù)的各項(xiàng)屬性與標(biāo)注保持完好，使系統(tǒng)平臺(tái)可以高效完成數(shù)據(jù)處理以及對(duì)空間進(jìn)行分析，從而構(gòu)建合理的防治水模型。

　　由于煤礦包含了多種不同的要素信息，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)也存在顯著差異，這就要求各項(xiàng)素信息按照分層模式進(jìn)行保存。將鉆孔的各項(xiàng)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象化處理形成 Point，再把巷道以及等高線等抽象成 Line，對(duì)于工作面則被抽象成 Polygon。上述各類地理信息都按照分層方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　(2)數(shù)據(jù)庫建立

　　對(duì)所有圖形信息進(jìn)行收集并按照不同的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，并根據(jù)實(shí)際建庫標(biāo)準(zhǔn)，把各項(xiàng)信息內(nèi)容導(dǎo)入Geodatabase中。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的具體流程，如圖3所示。

　　2.2 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　根據(jù)空間數(shù)據(jù)得到的空間內(nèi)容與特性都是屬性數(shù)據(jù)，并以關(guān)系表方式進(jìn)行存儲(chǔ)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄與圖元信息一一對(duì)應(yīng)。利用SQL Server 2010對(duì)各項(xiàng)屬性信息進(jìn)行制表后再實(shí)施數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中，屬性數(shù)據(jù)按照如下方式完成存儲(chǔ)過程：在數(shù)據(jù)庫制表中直接進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使不同數(shù)據(jù)間形成相互關(guān)聯(lián);跟空間信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)系，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至柵格與矢量文件里，以FID和空間圖形信息形成關(guān)聯(lián)，并將其存儲(chǔ)至空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)。當(dāng)定量數(shù)據(jù)獲得確定的數(shù)值后，可將其輸入到數(shù)據(jù)庫平臺(tái)中;如果一個(gè)數(shù)據(jù)未獲得確定的數(shù)值，只有定性分析結(jié)果，則可以利用平臺(tái)來尋找得到合適的數(shù)值，之后再將其存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。

　　考慮到數(shù)據(jù)類型存在明顯差異，因此對(duì)空間與屬性數(shù)據(jù)分別采取單獨(dú)存放的模式，在屬性數(shù)據(jù)庫內(nèi)含有包含關(guān)系表內(nèi)容的各項(xiàng)記錄，并與空間圖像形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　2.3 時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　1)采集數(shù)據(jù)

　　按照巷道采掘的具體過程對(duì)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，由此獲得多種不同類型的圖紙與數(shù)據(jù)。采集時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容包括礦井涌水資料數(shù)據(jù)、礦井突水資料數(shù)據(jù)以及歷年降水量資料數(shù)據(jù)，如圖4所示。

　　通過在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)性，使采集獲得的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)x進(jìn)行更全面、明確的表達(dá)，構(gòu)建得到圖4所示的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫流程。按照時(shí)態(tài)信息表構(gòu)建得到GIS 數(shù)據(jù)，同時(shí)把表格類型與采集得到的煤礦數(shù)據(jù)換換成圖層格式，將結(jié)果顯示于系統(tǒng)平臺(tái)界面上以及各類數(shù)字圖形中，從而更加形象直觀的了解空間和屬性之間的關(guān)系。先從Excel表中選出二列數(shù)據(jù)作為構(gòu)建橫向與縱向坐標(biāo)的數(shù)據(jù)來源，再進(jìn)行界面設(shè)置，確定結(jié)果輸出路徑，再把時(shí)態(tài)信息表轉(zhuǎn)換成GIS圖。

　　2.4 突水預(yù)警及避災(zāi)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)突水預(yù)警數(shù)據(jù)庫的過程包括了煤礦歷史信息以及各項(xiàng)實(shí)時(shí)信息的防治水、突水預(yù)測(cè)、最短避災(zāi)路徑等內(nèi)容的分析，含有參數(shù)、模型、仿真結(jié)果、數(shù)據(jù)類型、文本結(jié)構(gòu)等。設(shè)計(jì)得到如下二個(gè)數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。

　　(1)突水預(yù)測(cè)模型庫

　　該數(shù)據(jù)庫中包含了關(guān)于突水的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體包括突水歷史信息、最短避災(zāi)規(guī)劃模型、巷道線狀資料、巷道尺寸、預(yù)測(cè)模型參數(shù)、障礙物分布、礦井位置數(shù)據(jù)等。并且，此數(shù)據(jù)庫可以完成對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘工作面情況的精確、快速反映，極大提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

　　(2)防治水?dāng)?shù)據(jù)庫

　　從防治水?dāng)?shù)據(jù)庫中可以獲得水害影響區(qū)域分布圖、突水預(yù)測(cè)點(diǎn)、回驗(yàn)準(zhǔn)確率、避災(zāi)通道長(zhǎng)度、路線信息等內(nèi)容。

　　3 管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　本文設(shè)計(jì)得到了以 B/S模式為基礎(chǔ)的信息管理系統(tǒng)，如圖6所示。

　　通過ASP.NET建立UI，對(duì)程序進(jìn)行自定義獲得平臺(tái)的特定功能。在控件中可以通過設(shè)置自定義的組件來構(gòu)建Web Form，從而簡(jiǎn)化代碼，極大減小系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。具體步驟為：

　　(1)先按照前文方法在SQL Server2010中構(gòu)建時(shí)態(tài)、屬性、突水預(yù)警數(shù)據(jù)庫。之后，采用web.confi構(gòu)建得到SQLServer2010連接方式，并通過測(cè)試確定連接是否正常。

　　(2)利用ADO.NET來完成數(shù)據(jù)庫信息的交互過程。通過SqlConnection 與 SQL Server建立連接，選擇 Command 來執(zhí)行SQL代碼，完成數(shù)據(jù)的新增、編輯、刪除等操作，構(gòu)建高效的通信。利用ExecuteReader方法快速查詢滿足程序運(yùn)行要求的數(shù)據(jù)，再將其填充到 DataReader中。DataSet可以暫時(shí)存儲(chǔ)DataAdapter通過查詢數(shù)據(jù)庫獲得的結(jié)果，之后關(guān)閉 Connection，因此不必跟數(shù)據(jù)庫之間構(gòu)建實(shí)時(shí)連接。

　　(3)顯示結(jié)果集。通過數(shù)據(jù)表來顯示記錄與查詢數(shù)據(jù)。其中，列對(duì)應(yīng)fields，行對(duì)應(yīng)records。GridView 可以實(shí)現(xiàn)分頁的功能，從而簡(jiǎn)化代碼。

　　(4)以程序自定義操作方式獲得目的結(jié)果集。根據(jù)結(jié)果集來處理記錄信息，同時(shí)完成各類格式資料的歸類、新增、編輯、刪除，可以利用不同方式查詢記錄，達(dá)到靈活管理煤礦水文資料的效果。

　　(5)連接中斷。通過close使數(shù)據(jù)庫斷開，通過自定義程序操作ADO資源，并將其分配至別的平臺(tái)。

　　(6)開發(fā)得到網(wǎng)站后再對(duì)Web 應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，從而提升程序運(yùn)行安全并優(yōu)化效率。待正確編譯后再發(fā)布，便于用戶訪問。

　　4 總結(jié)

　　結(jié)合煤礦的歷史資料與信息實(shí)時(shí)更新的要求，構(gòu)建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，與水害空間信息以各項(xiàng)參數(shù)建立全面的關(guān)聯(lián)性，并展開管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)狀況的預(yù)防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。