基于GIS实现开采沉陷数据的可视化.pdf

第1 期 2 0 0 3年3月 矿山测量 MI NE S URVE YI NG №． 1 Ma r ． O 0 l3 基于 GI S实现开采沉陷数据的可视化 韩李涛范玉红康传利 山东科技大学 山东 泰安2 7 1 0 1 9 麓要文中讨论 了基于地理信息系统实现开采沉陷有关数据的可视化表示一是通过基于编程 自动实现一是利用 地 理信 息系统 自 身的空间表 示和分析功能．作者基if - Ma p l n f o 利用V BM A P B A S I C开发 了MS S F S系统。取得 了良好 的效果． 关键词 地理信息系统开采沉陷可视化 l 引 言 地 理信 息系统 GI S 是2 O世纪6 O年代开始 迅速发展起来的地理学研究技术 ，是多种学科交叉 的产物 ，是一种特 定而又十 分重要 的空间信息系 统。随着计算机的普及和社会生产的信息化进程的 发展，G I S以其独特的空间信息管理、空问分析功 能以及强大的可视化手段正在社会和生活中发挥越 来越重要的作用。 开采沉陷作为一个时空过程，地表的移动和 破坏与开采深度、开采厚度、顶板管理方法、煤层 产状 、采区几何形状等多种地质采矿条件和地面建 筑物分布 、水利设施分布、土地耕作情况 、农业布 局情况、交通状况等多种地面信息有关。因此，考 虑 基 于GI S对 于 开 采 沉 陷进 行 可 视 化和 空问 分 析，实现对地表移动 、地表破坏的更直观和更深入 的理解。 2 系统设计与实现 本 系 统 是 基 于 通 用 地 理 信 息 桌 面 平 台 Ma p l n f o 6 ． 0来 实现 的 。但 山于 Ma p l n f o 6 ． 0作 为通 用基础地理信息平台，它不可能考虑各种应用领域 的具体专业情况而建立适合各个应用领域的应用模 型 。所 以，要实现 Ma p l n f o与开采沉 陷 的完美 结 合 ，必须通过其相 应的二次开 发语言Ma p B a s i c ， 以及通用的面 向埘象 的可视化编程 语言 如VB、 V C或P B联合进行 二 次开发 。在充 分发挥两种 开发语言各自优势的基础上实现数据采集、存储、 可视化分析及数据输出的一体化。数据流程图如下 图 l 所示。 2 ． 1 数据准备 观测数据地表移动观测站数据、岩体内部观测 数据、地表地形观测数据等 。 图 l 系统数据流程 图 图件资料可分为三类。第一类为矿山建筑物 类包括采掘工程平面图、井上下对照图、井筒端 面图、巷道端面图等第二类为地质类包括钻孔 综合柱状图、地质断面图等第三类为开采沉陷专 题类包括保护煤柱范围图、矿区地表地形图、矿 区建筑物规划图及其他专题 图如水利、交通 、农业 布局等 。 在该系统中，图件资料的输入可根据不同的情 况采用不同的数据输入方式。若图件中资料为数字 化形式 如．D X F或． S H P格式 ，可用U n iv e r s a l T r a n s l a t o r工 具 进 行 格 式 转 换 并 导 入 到 Ma p l n f o 中。缺陷是有时可能发生部分信息丢失，并且有时 属性数据还需手工编辑。另一种情况就是将以纸质 为载体的地图资料基于数字化板进行数字化。 2 ． 2 应用模型 开采沉陷预计模型开采沉陷有多种预计模 型。如基于概率积分法、影响函数法、剖面函数 法、有限元法等，但每种模型都有其自身的适用条 件和局限性。本系统采用目前使用范围较广和有效 的基于随机介质理论的概率积分法及有限元法。 开采沉陷影响评价包括对建筑物影响评价、对 水体影响评价、对线路影响评价、对环境影响评价 等。而矿区综合治理模型包括土地资源利用规划模 3l 维普资讯 蔓 塑 型、综合治理效益预测模型、治理方案优化模型、 土地适宜性评价模型等。 由于在各种模型的算法实现过程中，涉及到 复杂的数学计算 ，而Ma p B a s i c语言功能有 限 如 不支持 二维数 组等 ，所 以， 采用 功能 强大 的VB 作为系统的辅助开发工具。用V B实现应用模型的 建立和计算 。VB与Ma p B a s i c程序集 成开发 时有 两种连接方式 a 用VB建立． d I I 库文件 ，在Ma p B a s i c中用 从 ” c a l l ” 语句实现程序问的动态连接 b 用 Ma p B a s i c中 的 ” R u n A p p l i c a t i o n ”命 令，调用外部．e x e 程序，即把应用模型用V B编译 成． e x e文件 。其 问的数据通 讯通过数据文件 实现 二进制形式 。 2 ．3 可视化实现及可视化分析 开采沉 陷相 关的空问数据 可视化包括 各种平 面图和三维立体 图。平面图有实现各种计算结果可 型 量垫 主 旦 视化的曲线 图、等值线图以及各种其他专题图件 三维 图有矿区地面D T M、DE M 等。对应 的可视化 表现方法有等高线法、分层设色法、晕渲法 、建立 集合相似模型以及三维线框透视图等 。 而基于这些可视化 的数据如何获取有用的信息 主要有两种途径 一是结合用户的专业知识来 目视 获取信息，如一些定性的量 大概的下沉程度、影 响范围等 ；二是通过特定的空间分析方法和计算 模型来定量定性地获取信息 如下沉面积 、塌陷体 积、对建筑物地损坏程度等 。在空间分析中，多 边形叠加分析、拓扑分析 、缓冲区分析、剖面分 析 、网络分析等是一些常用的空间分析方法。 2 ． 3 曲线图的实现 在系统的开发过程中，各种曲线图的实现主 要通过Ma p l n f o的制 作专题 地 图 的功 能 ，并通 过 Ma p B a s i c编程实现 曲线 图的 自动 生成。其 对应的 部分代码如下 Op e n Ta b l e” D ＼ ms s f s ＼ d a t a ＼ ” g n ” 0 ” i l i n e ” h o u t c o me ” As h o u t c o me e i ” e ” i p e r i o d e e i ” e e ” i p e r i o d u i ” U ” i pe r i o d G r a p h点名 ， e i ， e e i 1 0 0 ， u i F r o m h o u t c o me t n a me ”图形分析 一第 ” i p e r i o d ”期 C d a t e ． 观测 日期 ” ” S e t Wi n d o w F r o n t wi n d o w0 T i t l e T n a me S e t Gr a p h S e t Gr a p h L e g e n d T i t l e ” 单期多因素列表” F o n t CH e l v t t , O ， 1 0 ， O S u b t i t l e” 按因素” F o n t CH e l v “ , 0 ， 8 ，O R a n g e f o n t ” H e l v ” ， 2 ， s , o S e t Gr a p h L e g e n d Op e n W i n d o w L e g e n d S e t W i n d o w L e g e n d P o s i t i o n 1 7 ， 9 U n i t s ” c m”Wi d t h 4 U n i t s ” c m”H e i g h t 5 U n i t s ” c m” T i t l e” 图例 2 ．3 ． 2 等值线的实现 在绘 制等值 线时 ， 山于Ma p l n f o没有 提供 该 项功能，所以可以通过两种途径来实现一是利用 Ma p B a s i c 和V B联合开发等值线绘制模块，作为 系统的一个有机部分；二是应用其他的绘图软件 如wi n s u r f e r 、G r i d C o n t o u t 等 来绘制 ，然后 通 过图形接口转入的Ma p l n f o中。前者的优点是其属 性数据与空 间数据都是基于． t a b表的，是一体的 ， 其缺点是必须自己开发程序。后者虽然说等高线绘 制较方便，但转,Ma p in f o中后一般只能保留了其 空间信息 ，而属性信息 如高程 、坐标必须手工 3 2 修改和添加 。由于开采沉陷预计数据的规则形，所 以采用前者，编制基于格网生成等值线的模块简单 又实用 ，并为以后的空间分析打下基础 。 2 ．3 ．3 三维模型创建 三维立体模型可以使人们以更加自然的方式来 观察事物 ，增加对事物认识的直观性。Ma p l n f o 6 ． 0 中提供有创建3 D地图的功能，并且可以在地图上 查询属性数据。虽然其基于二维图形的空间分析功 能强大，但其三维空间分析功能与A r c V ie w相比 却十分有 限 。基 于Ma p l n f o创建3 D地 图的步骤如 下 维普资讯 第1 期 2 0 0 3-U h 3月 矿山测量 MI NE S URVEYI NG №． 1 Ma r 20 o 3 1 打开要创建 3 D地图的表 2 对打 开的表 ，创建GR I D专题 图 如 图 2 3 创建3 D 地 图。通 过选定 ” w i r e f r a mc ”选 项可在线框和网格之问切换。 一 0 一 a ． G r i d专题图 b ． 格 网化立体图 C ． 晕渲后的立体图 图 2 创建 3 D模型 3应用实例及结论 该系统在某煤矿两个相邻的工作面进行了预计 和损害评价，取得了良好的效果。 部分图件如上 所列 通过对开采沉陷相关数据的可视化分析， 不仅使我们对地表移动和损害状况有 了更直观的 了 解 ，而且加深 了对该问题的认识，从而为地表移动 规律的研究和开采损害的评价和预防提供可视化手 段和决策支持。当然， 随着真三维G I S 、多媒体技 术 、以及虚拟现实技术等先进可视化手段的发展 ， 可视化在开采沉陷中的应用会越来越深入。 { 一 | 考文献 【 l 】罗云启，罗教．数字化地理信息系统Ma p I n f 0 应用大全 【 M 】 ．北京北京希望电子出版社，2 0 0 1 【 2 】李志林，朱庆． 数字高程模型【 M1 ．武汉 武汉大学出 版社 ，2 0 0 1 【 3 】刘立民．基- Y - G I S的开采损害评价 系统 【 A 】 ．泰安山 东科技大学，2 0 0 0 第作者简介韩李涛．男．1 9 7 8 生．山东菏泽人．山东 科技大学2 0 0 0 级硕士研究生。主要研究方向为城市与矿山 空间信息系垄 亳 o 收稿 日期2 0 0 2年 I 1 月 1 5日 上接第 3 7页 基础。其二，计算机行业标准，如编码体系和数据格式的 标准。是系统升级和数据共享、数据转换的基础。其三， G I S的标准，如空问数据规范和质量标准。它是进行空问分 析和数据建模的基础。从标准的级别来讲，要遵循国际有 关标准，如I S 0 ／ T C 2 1 1 ；l I l 国国家标准，如 ‘ 城市基础地理 信息系统技术规范 ；地方标准，如 ‘ 深圳市基础数据标准 和分层编码规范 。 2 基础地质数据的去伪存真 基础地质数据的质量和代表性，很大程度上影响到数 据应用的水平，如一个不完整的或施工质量差的勘察工程 钻孔 没有穿透特定岩 L 层的钻孔 ，其地基信息是不能作 为标准依据来统计的。数据空问的不均匀分 ，也是影响 基础地质数据质量的要素之一。基础地质数据选择，通常 的作法首先是对采集的数据质量进行评价，把不合要求 的数据去除另外一种作法是按某种空问格劂对数据进 行选择和统计。 3 基础地质数据的共享 基础地质数据的重要作用是为其它城市规划和建设部 门提供基础数据，数据的标准化程度和共享是数据可重复 使用，体现附加值的关键。各行业的基础地质数据一定要 做到建库标准统一．以充分达到能共字。 6 结论 城市基础地质数据同基础地理数据一样，是 “ 数字城 市”的重要基础数据之一，它在城市规划和建设中具有重 要的作用，系统的建立有巨大的经济效益和社会效益 ，本 文通过对城市基础地质信息系统数据 内容的分析．对系统 总体结构设计、数据库结构和系统功能设计等进行了探 讨，以期对城市基础地质信息系统的开发建立提供参考。 ◆考文簟 [ 1 ]阎正，蒋景睦．何建邦等．城市地理 系统标准化指 南．北 京科学出版社．1 9 9 8 [ 2 】陈述彭，鲁学军，用成虎． 地理信息系统导论．北京科学 出版社 ．2 0 0 0 作者简介 王泽昌．男．1 9 6 9年生．工程地质专业工程师。1 9 9 1 年7 月毕业于桂林冶金地质学院．1 9 9 1 年7月至1 9 9 7年3月在有 色长沙勘察院海南分院从事工程地质C A D研究工作．1 9 9 7年 至今在长沙市土地信患中心从事城市地理信患系统工作。 傅朝义．男．1 9 6 4 年生．中南大学博士．矿产普查及勘探 专业．地质高级工程师．云金地 集团科技有限公司到总经 理。现从事城市地理信患系统开发与研究。主要从事 3 G I S 工 程有“ 福州市城市基础地理信患系统 ，“ 长沙市城市基础地理 信患系统 ， “ 昆明城市规划地理信患系统 收稿 日期2 o 0 3年 1 月 8日 3 3 维普资讯