基于GIS技術的水文地質(zhì)及突水預警信息管理系統(tǒng)設計

　　摘 要： 為了提高水文地質(zhì)及突水預警信息管理系統(tǒng)的可靠性與運行速度，應對其數(shù)據(jù)庫進行全面的優(yōu)化設計。結合煤礦的歷史資料與信息實時更新的要求，構建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，與水害空間信息以各項參數(shù)建立全面的關聯(lián)性，并將管理系統(tǒng)投入實際應用。該系統(tǒng)對突發(fā)狀況有更好的預防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。

　　關鍵詞： 水文地質(zhì); 突水預警; 信息管理; GIS技術; 數(shù)據(jù)庫設計; 系統(tǒng)設計

　　《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)學會主辦。該刊定位為安徽省地質(zhì)行業(yè)科技與管理綜合性學術刊物(季刊，國內(nèi)外公開發(fā)行)。

　　0 引言

　　針對煤礦運行過程開展系統(tǒng)研發(fā)可以更加高效、準確地對其數(shù)據(jù)進行分析，為了提高該系統(tǒng)的可靠性與運行速度，應對其數(shù)據(jù)庫進行全面的優(yōu)化設計[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，因此必須設計更加靈活的數(shù)據(jù)采集模式才能構建合理的數(shù)據(jù)庫，以此促進煤礦工作效率的提升[47]。考慮到數(shù)據(jù)都是以獨立方式在數(shù)據(jù)庫內(nèi)運行，因此從系統(tǒng)研發(fā)的層面分析，應在數(shù)據(jù)庫跟前臺操作界面之間構建有效的連接，通過設置專門煤礦信息處理系統(tǒng)來實現(xiàn)各項信息數(shù)據(jù)的可操作性，同時也可以通過客戶端瀏覽器B/S架構對信息實現(xiàn)遠程傳輸，以此有效管理礦井的各項信息內(nèi)容，并完成信息的高效分析與共享[810]。

　　構建本系統(tǒng)的目標是為了對數(shù)據(jù)進行更加高效的管理與分析，因此需設置合適的系統(tǒng)平臺[11]。運行系統(tǒng)之前應先全面收集并分類整理各項煤礦信息。在長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，如果依然選擇人工管理的方式將會耗費大量的時間與人力管理成本，并且實際數(shù)據(jù)查詢、分類與管理的效率也很低，較易出現(xiàn)錯誤。同時在開采工作中，所有巷道與工作區(qū)域無法實現(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時共享的要求。一些早期構建的煤礦，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，應結合煤礦的歷史資料與信息實時更新的要求，構建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，并與水害空間信息以各項參數(shù)建立全面的關聯(lián)性，更好地實現(xiàn)對突發(fā)狀況的預防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。

　　1 設計流程

　　可以將系統(tǒng)平臺的信息內(nèi)容主要分成如下兩種：第一種屬于數(shù)據(jù)信息類型，包含觀測與預測共兩種數(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、煤層結構、電阻率斷面分布等。

　　可以把煤礦資料分成空間、時態(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計得到數(shù)據(jù)庫流程，如圖1所示。

　　其中，空間信息包含了點、線、面各維度對應的地理位置;時態(tài)信息中包含了有采掘過程進行實時反饋的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及各項日常更新內(nèi)容;在屬性信息中含有對不同要素進行描述的信息內(nèi)容;在文檔信息中包含了煤礦的所有文件信息。根據(jù)煤礦設計圖先完成原始資料的預處理，同時將煤礦設計圖的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)庫平臺可以很方便地調(diào)用上述信息內(nèi)容，之后再對其開展數(shù)據(jù)分析、管理或查詢的操作，并把得到的數(shù)據(jù)處理結果反饋至平臺界面。

　　現(xiàn)階段已經(jīng)獲得廣泛應用的數(shù)據(jù)模型主要包括層次、關系、網(wǎng)絡與面向?qū)ο蠊菜念悾狙芯恐攸c分析關系型的數(shù)據(jù)處理過程。煤礦數(shù)據(jù)通常不屬于獨立數(shù)據(jù)，各項屬性數(shù)據(jù)基本都是由空間數(shù)據(jù)組成，時態(tài)數(shù)據(jù)既可能與屬性數(shù)據(jù)存在關聯(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)布時間與文檔類型的內(nèi)容，更有助于實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的過程。本文選擇關系型數(shù)據(jù)庫的方式來構建得到屬性表數(shù)據(jù)庫。處理軟件為SQL Server2010，通過空間數(shù)據(jù)引擎 ArcSDE構建得到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關系，由此設計得到本文的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

　　2 數(shù)據(jù)庫設計

　　設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時主要包括二個模塊，分別是對水文地質(zhì)的設計以及對避災與突水預警數(shù)據(jù)庫的設計。 設計水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的過程包括整理與歸納煤礦的各類資料，具體設計內(nèi)容如圖2所示。

　　2.1 空間數(shù)據(jù)庫設計

　　(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)煤礦設計圖紙都是屬于 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，以此完成對空間數(shù)據(jù)的提取與存儲過程。在系統(tǒng)中進行空間數(shù)據(jù)存儲時，應確保 CAD數(shù)據(jù)的各項屬性與標注保持完好，使系統(tǒng)平臺可以高效完成數(shù)據(jù)處理以及對空間進行分析，從而構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)的存儲結構也存在顯著差異，這就要求各項素信息按照分層模式進行保存。將鉆孔的各項地理信息數(shù)據(jù)進行抽象化處理形成 Point，再把巷道以及等高線等抽象成 Line，對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行存儲。

　　(2)數(shù)據(jù)庫建立

　　對所有圖形信息進行收集并按照不同的分層結構進行檢查，并根據(jù)實際建庫標準，把各項信息內(nèi)容導入Geodatabase中。構建數(shù)據(jù)庫的具體流程，如圖3所示。

　　2.2 屬性數(shù)據(jù)庫設計

　　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)，并以關系表方式進行存儲，各項數(shù)據(jù)記錄與圖元信息一一對應。利用SQL Server 2010對各項屬性信息進行制表后再實施數(shù)據(jù)存儲。其中，屬性數(shù)據(jù)按照如下方式完成存儲過程：在數(shù)據(jù)庫制表中直接進行數(shù)據(jù)存儲，使不同數(shù)據(jù)間形成相互關聯(lián);跟空間信息進行對應關系，將數(shù)據(jù)存儲至柵格與矢量文件里，以FID和空間圖形信息形成關聯(lián)，并將其存儲至空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)。當定量數(shù)據(jù)獲得確定的數(shù)值后，可將其輸入到數(shù)據(jù)庫平臺中;如果一個數(shù)據(jù)未獲得確定的數(shù)值，只有定性分析結果，則可以利用平臺來尋找得到合適的數(shù)值，之后再將其存儲至數(shù)據(jù)庫。

　　考慮到數(shù)據(jù)類型存在明顯差異，因此對空間與屬性數(shù)據(jù)分別采取單獨存放的模式，在屬性數(shù)據(jù)庫內(nèi)含有包含關系表內(nèi)容的各項記錄，并與空間圖像形成對應關系。

　　2.3 時態(tài)數(shù)據(jù)庫設計

　　1)采集數(shù)據(jù)

　　按照巷道采掘的具體過程對時態(tài)數(shù)據(jù)進行實時更新，由此獲得多種不同類型的圖紙與數(shù)據(jù)。采集時態(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。

　　通過在時態(tài)數(shù)據(jù)和關聯(lián)空間數(shù)據(jù)之間建立關聯(lián)性，使采集獲得的時態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)x進行更全面、明確的表達，構建得到圖4所示的時態(tài)數(shù)據(jù)庫流程。按照時態(tài)信息表構建得到GIS 數(shù)據(jù)，同時把表格類型與采集得到的煤礦數(shù)據(jù)換換成圖層格式，將結果顯示于系統(tǒng)平臺界面上以及各類數(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系。先從Excel表中選出二列數(shù)據(jù)作為構建橫向與縱向坐標的數(shù)據(jù)來源，再進行界面設置，確定結果輸出路徑，再把時態(tài)信息表轉(zhuǎn)換成GIS圖。

　　2.4 突水預警及避災數(shù)據(jù)庫設計

　　設計突水預警數(shù)據(jù)庫的過程包括了煤礦歷史信息以及各項實時信息的防治水、突水預測、最短避災路徑等內(nèi)容的分析，含有參數(shù)、模型、仿真結果、數(shù)據(jù)類型、文本結構等。設計得到如下二個數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。

　　(1)突水預測模型庫

　　該數(shù)據(jù)庫中包含了關于突水的各項數(shù)據(jù)，具體包括突水歷史信息、最短避災規(guī)劃模型、巷道線狀資料、巷道尺寸、預測模型參數(shù)、障礙物分布、礦井位置數(shù)據(jù)等。并且，此數(shù)據(jù)庫可以完成對各項數(shù)據(jù)的實時更新，從而實現(xiàn)對采掘工作面情況的精確、快速反映，極大提升預測準確性。

　　(2)防治水數(shù)據(jù)庫

　　從防治水數(shù)據(jù)庫中可以獲得水害影響區(qū)域分布圖、突水預測點、回驗準確率、避災通道長度、路線信息等內(nèi)容。

　　3 管理系統(tǒng)實現(xiàn)

　　本文設計得到了以 B/S模式為基礎的信息管理系統(tǒng)，如圖6所示。

　　通過ASP.NET建立UI，對程序進行自定義獲得平臺的特定功能。在控件中可以通過設置自定義的組件來構建Web Form，從而簡化代碼，極大減小系統(tǒng)的開發(fā)時間。具體步驟為：

　　(1)先按照前文方法在SQL Server2010中構建時態(tài)、屬性、突水預警數(shù)據(jù)庫。之后，采用web.confi構建得到SQLServer2010連接方式，并通過測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，構建高效的通信。利用ExecuteReader方法快速查詢滿足程序運行要求的數(shù)據(jù)，再將其填充到 DataReader中。DataSet可以暫時存儲DataAdapter通過查詢數(shù)據(jù)庫獲得的結果，之后關閉 Connection，因此不必跟數(shù)據(jù)庫之間構建實時連接。

　　(3)顯示結果集。通過數(shù)據(jù)表來顯示記錄與查詢數(shù)據(jù)。其中，列對應fields，行對應records。GridView 可以實現(xiàn)分頁的功能，從而簡化代碼。

　　(4)以程序自定義操作方式獲得目的結果集。根據(jù)結果集來處理記錄信息，同時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。

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

　　4 總結

　　結合煤礦的歷史資料與信息實時更新的要求，構建煤礦的水文、地質(zhì)、屬性方面的數(shù)據(jù)庫，與水害空間信息以各項參數(shù)建立全面的關聯(lián)性，并展開管理系統(tǒng)實現(xiàn)實際應用。該系統(tǒng)更好地實現(xiàn)對突發(fā)狀況的預防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。