基于GIS的矿山开采沉陷信息可视化应用.pdf

第 19 卷第 3 期 测 绘 工 程 Vol. 19 . 3 2010 年 6 月 ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPING Jun. , 2010 基于 GIS 的矿山开采沉陷信息可视化应用 曹化平1, 张 程1, 杨可明2, 江娜娜2 1. 淮北矿业集团公司朔里煤矿, 安徽 淮北 235054; 2. 中国矿业大学 测绘与土地科学系, 北京 100083 摘 要 矿山地下煤层开采引发地表沉陷变形, 可造成土地破坏、 房屋倒塌等一系列灾难性后果。基于概率积分法 开采沉陷预计结果, 利用 ArcGIS 的 ArcScene 模块实现地表变形预计数据的三维可视化表达, 并以预计的下沉量为 例进行可视化结果的等值线绘制、 任意剖面图制作、 任意点位形变信息提取应用分析。 关键词 开采沉陷; 变形预计; ArcGIS; 三维可视化; 应用分析 中图分类号 P208 文献标志码 A 文章编号 100679492010 030051 04 GISbased visual application of mining subsidence ination CAO Huaping1, ZHANG Cheng1, YANG Keming2, JIANG Nana2 1. Shuoli Coalmine, Huaibei Mining Group Limited Company, Huaibei 235054, China; 2. Dept. of Survey and Land Sci ence, China U niversity of M ining transation prediction; ArcGIS; 3D visualization; application analysis 收稿日期 200907 07 作者简介 曹化平 1967- , 男, 工程师. 早期研究矿山地质体可视化显示时, 常用三 维地学建模或 Surfer 等软件进行三维可视化表 达[ 15], 运用 Surfer 软件等建立的三维图形只能 进行三维可视化表达, 不能进行三维可视化随机 应用分析。矿山地下煤层开采引发地表沉陷变 形, 可造成地表的土地破坏、 平地积水、 山体滑 坡、 地裂缝、 房屋倒塌等一系列灾难性后果。利 用 ArcGIS 中的 ArcScene 对地面沉降预测数据进 行模拟与三维显示, 能够得出更加直观的三维可 视化图形[ 67], 也能进行等值线绘制、 任意剖面图 制作、 任意点位形变信息提取和最大形变方向等 多种应用分析。本文以淮北矿业集团公司朔里 煤矿开采沉陷为例, 在基于 N331 工作面岩移观 测站的观测数据, 进行概率积分法地表变形预计 参数求解的基础上, 进行地表变形预计, 然后依 据地表变形预计结果进行三维可视化表达和应 用分析。 1 开采沉陷概率积分法预计模型 1. 1 开采沉陷预测方法和预计参数 概率积分法是一种以随机介质理论为基础的预 计方法。目前, 它已成为我国较为成熟的、 应用最为 广泛的地表移动变形预计方法之一 [ 8] 。若已知采区 的地质采矿条件, 即 采深 H, 工作面尺寸, 煤层倾 角 a, 采厚 m, 预计参数 q下沉系数 、 b 水平移动系 数 、 tan 主要影响角正切、 S拐点偏移距、 开 采影响传播角和待预计点的坐标值等, 就可根据相 应变形预计公式求算出地表移动和变形值。 概率积分法开采沉陷预测模型参数一般根据岩 移观测站的观测数据来求解。朔里煤矿 N331 工作 面的岩移观测站为非正规观测站, 如图 1所示, 求取 朔里煤矿 N331 工作面的概率积分法预计参数时, 在尊重岩移观测站实测数据的前提下, 针对非正规 观测站的情况, 利用了实测数据解求、 数值模拟 FLAC 3D计算、 拟合验证分析和相邻采区已有研究成 果比对等的综合求解方法, 求解的岩移预计参数值 和工作面数据如表 1 所示。 图 1 N331 工作面岩移观测站和变形预计格网点 表 1 概率积分法预计参数值 参数名称参数值工作面参数实测值 下沉系数 q1. 14煤层倾角 / 19 水平移动系数 b0. 35煤层厚度 m/ m2. 2 主要影响角正切 tan 1. 8平均采深 H0/ m132. 230 拐点偏移距S走/ m- 10上山采深 H1/ m102. 250 拐点偏移距S上/ m- 14下山采深 H2/ m162. 200 拐点偏移距S下/ m- 10倾向长采 D1/ m174. 657 开采影响传播角 / 90- 0. 1a 88 走向长采 D3/ m 691. 056 1. 2 概率积分法预测模型 朔里煤矿N331 工作面的开采沉陷变形预计采 用概率积分法预测模型。 1. 2. 1 移动盆地走向主断面上的变形预测 移动盆地走向主断面上的移动与变形最大值可 根据下面公式求出 Wmax q m cos , 1 imax Wmax r , 2 Kmax 1. 52 Wmax r 2, 3 Umax b Wmax, 4 max 1. 52b Wmax r . 5 式中 Wmax为最大地表下沉值 m, imax为最大地表 倾斜 值 mm/ m , Kmax为 最 大 地 表 曲 率 值 10 - 3/ m , max为最大水平变形值 mm/ m, Umax为 最大水平移动值mm , m 为煤层法线采厚m, q 为下沉系数, a 为煤层倾角 DEG, b 为水平移动系 数, r 为主要影响半径 m。 1. 2. 2 地表移动盆地内任意点的变形预测 以过采空区倾斜主断面内下山计算边界, 且与 走向平行的方向为计算的横坐标, 以过采空区走向 主断面左计算边界且与倾斜方向平行的方向为计算 的纵坐标, 任意剖面与煤层走向成 ∀角上任意点 x, y的移动和变形计算公式如下 1地表下沉 W x, y Wmax D 1 r 2e - ∃ - x 2 - y2 r2 d∃ d . 6 2地表倾斜 iX x, y Wmax D 2∃- x r 2 e - ∃ - x 2 - y2 r2 d∃ d . 7 3地表曲率 KX x, y Wmax D 2 r2 2∃- x 2 r 2- 1 e - ∃ - x 2 - y2 r2 d∃ d .8 4地表水平移动 UXx , y Umax D 2 ∃- X r 2 e - y- x 2 - y2 r2 d∃ d .9 5地表水平变形 Xx , y Umax D 2 r 2 2 ∃- x 2 r2 - 1 e - ∃ - x 2 - y2 r2 d∃ d .10 式中 D 为开采煤层区域, 其他符号意义同前。 2 开采沉陷预计与数据整理 2. 1 概率积分法参数验证和预计数据整理 依据表 1 中的概率积分法预计参数, 对 N331 工作面开采沉陷进行了倾向与走向方向的地表下 沉、 水平移动、 水平变形、 曲率、 倾斜的地表变形预 计。N331 工作面移动盆地的变形预计格网点位置 如图 1所示, 预计格网点在倾向方向的预计变形值 如表 2所示。 运用 EXCEL 等软件对预计结果数据的字段和 类型等进行编辑, 然后把预计结果数据导出成 DBF 文件, 如此, 就可在 ArcGIS 中对预计数据进行三维 可视化表达和应用分析。 52测 绘 工 程 第 19卷 为了验证概率积分法预计参数的正确性, 对 N331 工作面非正规观测站的各观测点变形值也进 行了预计, 并对观测站上各测点的观测值和预计值 进行了曲线拟合验证分析, 如图 2、 图 3 所示, 拟合 结果验证了预测参数的正确性。 表 2 倾向方向的 N331 工作面预计格网点的变形值 点 号 X 坐标 / m Y 坐标 / m 下沉 W / mm 水平移动 U / mm/ m 倾斜 i / mm/ m 曲率 K / 10- 3/ m 水平变形 / mm/ m 1490 0373 772 388000. 00. 000. 00 2490 0653 772 429000. 00. 000. 01 3490 0923 772 4710- 10. 00. 000. 05 4490 1203 772 5131- 20. 00. 000. 12 5490 1483 772 5541- 3- 0. 10. 000. 19 6490 1763 772 5961- 4- 0. 10. 010. 24 ∀∀∀∀∀∀∀∀ 169490 0993 772 8272 017- 533- 13. 1- 0. 47- 13. 20 170490 1263 772 8692 054- 495- 11. 8- 0. 46- 12. 80 171490 1543 772 9102 088- 459- 10. 5- 0. 43- 12. 25 ∀∀∀∀∀∀∀∀ 400490 1843 773 431000. 00. 000. 00 2. 2 开采沉陷的二维数据表达 在 ArcMap 中加载 DBF 数据库, 生成 Events 文件, 然后, 利用 ArcGIS 的 3D Analyst 空间分析模 块创建 T IN。也可采用 ArcGIS 提供的 3 种内插方 法 反距离权重差值、 样条函数差值和克里格差值 对创建的 TIN 数据进行再内插, 从而对离散的高程 点进行差值处理得到连续的表面, 并最终生成 DEM 和等高线等数据。 3 开采沉陷的三维可视化与应用分析 ArcGIS 中的 ArcScene 模块能够高效地管理三 维 GIS 数据, 进行三维分析、 创建三维要素以及建立 具有三维场景属性的图层[ 9]。在三维场景中显示要 素的先决条件是要素必须本身具有高程信息或被以 某种方式赋予高程值。地面沉降预测数据为三维数 据, 它具有地理坐标和高程。根据朔里煤矿 N331 工 作面的相关实探数据, 通过预计可获得 N331 工作面 开采沉陷三维可视化数据, 从而可以进行三维可视化 和应用分析, 这里高程值可能是每个预计格网点的地 表下沉、 水平移动、 水平变形、 曲率、 倾斜等变形数据。 运用 ArcScene 建立的三维图形既可进行三维 可视化表达, 又能进行三维可视化应用分析。在矿 山开采沉陷方面, 可进行地表下沉、 平地积水、 山体 滑坡、 房屋倒塌等一系列灾难性后果分析。 3. 1 工作面开采后地表变形三维可视化 根据表 2 中的概率积分法预计结果, 也可利用 ArcGIS 的 ArcScene 模块来建立 N331 工作面下沉 盆地的下沉量、 水平移动、 倾斜、 曲率和水平变形的 三维立体可视化图, 如图 4 所示。 3. 2 开采沉陷形变信息可视化应用分析 3. 2. 1 变形等值线绘制 基于 ArcGIS 平台, 利用 3D 扩展模块, 可在 ArcScene 中构建煤矿区开采沉陷后下沉盆地的下 沉量、 水平移动、 倾斜、 曲率和水平变形等数字高程 模型 DEM 和等值线图。例如, 根据 N331 工作面 预计格网点的下沉值, 利用 ArcGIS 可绘制出 N331 工作面开采后地表下沉等值线图 见图 5 。 3. 2. 2 任意点位形变信息提取 矿山采区内有建筑物等公共设施时, 可参照文 献[ 8] 中的构筑物破坏等级, 利用三维可视化结果, 能直观和定性地进行下沉、 水平移动、 倾斜、 曲率和 水平变形等灾害信息分析与提取, 方便快捷地进行 不同地点不同构建物形状的任一点破坏等级评定。 以下沉信息可视化分析为例, 如图 6所示, 在三维可 视化图形中, 可任意提取重要建 构 筑物某一点的 53第 3 期 曹化平, 等 基于 GIS 的矿山开采沉陷信息可视化应用 下量值和下沉等值线, 从而确定建 构 筑物的下沉 等级并进行该点破坏等级评定。 图 6 采区内重要构建物上任一点下沉量信息提取 同时也可根据下沉量的三维可视化结果, 提取任一 点的最大滑坡方向迹线等。也可根据煤层开采阶段 地表下沉量的变化, 使用 ArcScene 实现煤矿开采各 个时刻下沉盆地的平地积水淹没演进过程和周边场 景的动态模拟。 3. 2. 3 任意位置剖面图制作 根据概率积分法预计结果和地表变形信息的三 维可视化图形, 在 ArcGIS 中可获取任意位置线的 变形信息剖面图。以图 6 中的开采沉陷下沉量为 例, 在三维可视化图形中, 可任意绘制某一剖面线上 的剖面图, 如图 7 所示。 图 7 可视化图上某一位置的下沉剖面图制作 3. 2. 4 三维场景动态演示应用 另外可基于 ArcGIS 的 3D 扩展模块, 在 ArcS cene 中生成矿山开采引发的各种地表变形三维场 景和三维动态实时可视化。ArcScene 中的 Anima tion 功能可以储存运动方式和路径使得静态的 3D 场景按照预先设计好的动态效果进行动态演示。可 将设计好的三维动态模拟保存为 AVI 格式, 以方便 演示[ 6], 本文就不再阐述。 4 结束语 作为一个时空过程的矿山开采沉陷必然会造成 地表的移动和破坏, 也就涉及到地面建筑物、 水利设 施、 土地耕作、 农林业、 交通等多种地面灾害信息。 这些灾害必须会发生, 但通过地表变形预测程序进 行开采前变形预计, 应用 GIS 三维可视化功能进行 地表形变可视化和空间分析, 就可直观地明晰灾情 的程度和范围, 实现对地表移动、 地表破坏的更直观 和更深入的评价, 从而为地下煤层开采前的地面土 地征迁范围、 相关构筑物加固和搬迁方案, 土地复垦 下转第 58 页 54测 绘 工 程 第 19卷 得到, Boost 图库的 算法是高效和易用的, 利用 Boost 图库完全可以满足 GIS 中地理网络分析的应 用。可提高系统开发效率, 而且最新的 BGL 还提供 了基于图结构的并行算法, 可以满足未来地理网络 分析中海量数据分析的需要。 图 1 最短路径分析的运行效果 4 结束语 目前, 随着开放源代码软件运动的兴起和发展, 利用一些优秀的开源代码, 可以使 GIS 开发人员更 好地关注 GIS 设计过程, 将一些 GIS 的底层模块 例如网络分析、 数学运算、 异常处理等 分离开来并 独立开发, 可以提高系统的开发效率和模块化程度。 作为一种优秀的编程范式, 功能强大的 C Boost BGL 类库为基于地理网络的空间分析提供了 一个新的解决框架, 可以帮助用户模拟现实世界中 的网络条件与情景。这使得程序设计代码更加简 洁, 改进程序性能, 同时使程序员花费更少的时间重 写相同的代码, 为不同过程提供更好的可复用性、 封 装性和互操作性, 便于程序维护和扩展。 参考文献 [1] JEREMY SIEK, LIE QUAN LEE. T he Boost Graph Li brary User Guider and Reference Manual[ M] . Pearson Education Inc. , USA, 2002. [2] ROBERT SEDGEWICK. Algorithms in C , Part 5 Graph Algorithms [ M] . USA Pearson Education, Inc. , 2002. [3]Boost 1. 39 docment. http / /www. boost. org. [4] BJ RN KARLSSON. Beyond the C Standard Li brary An Introduction to Boost [ M ] . USA Addison Wesley Professional, 2005. [5]王家耀. 空间信息系统原理 [ M] . 北京 科学出版社, 2001. [6]赵亦林, 谭国真. 车辆定位与导航系统[ M]. 北京 电子工 业出版杜, 1999. [7]陆锋. 最短路径算法 分类体系与研究进展[ J]. 测绘学 报, 2001, 30 3 269275. [8]张其善, 吴今培, 杨东凯. 智能车辆定位导航系统及应用 [ M] . 北京 科学出版社, 2002. [9]吴立新, 史文中. 地理信息系统原理与算法[ M] . 北京 科 学出版社, 2003. [ 责任编辑 张德福] 上接第 54 页 措施等工作提供决策支持和科学依据。 参考文献 [ 1] 吴观茂, 黄明, 李刚, 等. 三维地质模型与可视化研究的现 状分析[ J] . 测绘工程, 2008, 172 1 5. [ 2] 马天勤. Surfer 软件在开采沉陷可视化中的应用[ J] . 矿 业工程, 2008, 6 3 4850. [ 3] 王京卫, 丁宁, 赵同龙. 场地平整中土石方量计算的三维 可视化方法[ J] . 测绘工程, 2006, 156 1519. [ 4] 王俊虎, 杨锋杰. 3D Surfer 在地质体属性建模及可视化 中的应用[ J] . 金属矿山, 2008 5 117119, 124. [ 5] 郝延锦, 胡东宏, 杨可明. 矿山可视化技术关键问题探讨 [ J] . 东北测绘, 2000, 23 2 1920. [6]李天文, 陈靖, 胡斌, 等. 基于 ArcGIS 地面沉降三维可视 化显示与分析 以陕西省关中地区为例[ J] . 山地学 报, 2008, 264 467 472. [7]连健, 李小娟, 赵文吉, 等. 基于 ArcScene 的三维可视化 系统设计与实现[ J]. 地理空间信息, 2008, 61 8386. [8]国家煤炭工业局. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程[ M] . 北京 煤炭工业出版社, 2000. [9]张成才, 刘丹丹, 余欣, 等. 基于 ArcGIS 的东平湖洪水淹 没场景三维可视化[ J] . 郑州大学学报 工学版, 2008, 29 1 88 90. [ 责任编辑 刘文霞] 58测 绘 工 程 第 19卷