鄭 輝

兗礦集團(tuán)有限公司 山東 鄒城 273500

0 引言

我國(guó)長(zhǎng)期煤炭資源開(kāi)采造成了礦區(qū)地表的一系列地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，如滑坡、沉降、地裂縫等，這成為了制約煤炭綠色開(kāi)采的困擾因素。如何快速的監(jiān)測(cè)和獲取地表的這些地質(zhì)形變和災(zāi)害信息，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了相應(yīng)野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)，如澳大利亞的FieldPAD、加拿大的FieldLog、美國(guó)的PenMap、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的RGMap等系統(tǒng)[1]。這些早期的系統(tǒng)限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算性能不足、存儲(chǔ)能力有限等問(wèn)題，多以地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)的矢量圖形與屬性表單數(shù)據(jù)采集為主。隨著嵌入式操作系統(tǒng)、移動(dòng)GIS、物聯(lián)網(wǎng)、寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、多媒體壓縮等新技術(shù)的快速發(fā)展，諸如ESRI和百度等大公司也推出的適用于iOS、Android等多種移動(dòng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)，借助這些相關(guān)的工具和服務(wù)，孫勇[1]、魯學(xué)軍[2]、吳晨曦[3]、李越[4]、歐文浩[5]、張靜文[6]等人均進(jìn)行了基于移動(dòng)終端的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)巡查系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；另外，吳揚(yáng)安[7]、李金雷[8]、曹?chē)?guó)平[9]、張晟[10]、劉美靜[11]等人也運(yùn)用這些技術(shù)面向城市管網(wǎng)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、公路養(yǎng)護(hù)等進(jìn)行了野外數(shù)據(jù)采集與一體化管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

由于煤炭開(kāi)采的特殊性，以長(zhǎng)壁式開(kāi)采為特征的開(kāi)采工藝，造成礦區(qū)開(kāi)采地表始終處于一種動(dòng)態(tài)性變化過(guò)程，從而造成了礦區(qū)地表的各種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此及時(shí)的監(jiān)測(cè)和獲取這種礦區(qū)地表的變化信息，對(duì)于礦區(qū)地表各種建（構(gòu)）筑物的保護(hù)，對(duì)于煤礦井下開(kāi)采進(jìn)展規(guī)劃等都具有非常重要的意義。為此，本文在借鑒諸多學(xué)者進(jìn)行移動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害外業(yè)巡查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)滑坡、地裂縫、沉降等多種地質(zhì)災(zāi)害信息的快速采集，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供了重要參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)框架體系設(shè)計(jì)

系統(tǒng)綜合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航與定位（GNSS）、網(wǎng)絡(luò)RTK、移動(dòng)GIS、互聯(lián)網(wǎng)等最新技術(shù)，針對(duì)礦區(qū)開(kāi)采所造成的多種地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型和環(huán)境變化信息，進(jìn)行了野外巡查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，主要包括：移動(dòng)端數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、服務(wù)端野外巡查數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)管理與分發(fā)模塊的開(kāi)發(fā)等。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

（1）技術(shù)支撐層

該層主要是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所采用的主要核心開(kāi)發(fā)工具及軟件平臺(tái)。其中，空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)與管理采用ArcSDE，空間數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布采用ArcGIS Server，屬性數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用ADO.NET，移動(dòng)端開(kāi)發(fā)采用ArcGIS SDK for Android等。

（2）數(shù)據(jù)層

該層主要為數(shù)據(jù)管理層，主要的數(shù)據(jù)包括：礦區(qū)地理數(shù)據(jù)、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)題數(shù)據(jù)和礦區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。礦區(qū)地理數(shù)據(jù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行分層組織和管理，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)按照不同地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型分別進(jìn)行空間和屬性數(shù)據(jù)的規(guī)范化存儲(chǔ)，礦區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括了礦山地質(zhì)測(cè)量相關(guān)的專(zhuān)題圖件資料。

（3）服務(wù)層

該層主要主要是借助Web Services技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)、災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)服務(wù)或地圖服務(wù)發(fā)布，以滿(mǎn)足移動(dòng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和更新的需求。

（4）應(yīng)用層

該層主要面向移動(dòng)端用戶(hù)的需求，提供礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的巡查和數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程更新等功能，如：地圖數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與操作、數(shù)據(jù)更新與管理、災(zāi)害數(shù)據(jù)的獲取、項(xiàng)目管理等等。

2 系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 GPS數(shù)據(jù)解析與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)移動(dòng)硬件平臺(tái)選用內(nèi)置GPS和支持Android操作系統(tǒng)的平板電腦，GPS的輸出語(yǔ)句遵循NMEA-0183輸出格式，該格式是由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的一套通訊協(xié)議。該格式數(shù)據(jù)中包括了：定位信息、衛(wèi)星信息和地面速度信息等。通過(guò)對(duì)其解析可獲得：可用衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星方位角、衛(wèi)星編號(hào)、信噪比等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星分布圖的繪制及衛(wèi)星質(zhì)量狀況判定。通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)格式中GPS操作語(yǔ)句的解析和處理，進(jìn)一步結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，通過(guò)與基站服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)連接和差分?jǐn)?shù)據(jù)獲取等，實(shí)現(xiàn)了GPS連接、GPS控制、位置信息提取與結(jié)算、衛(wèi)星信息提取、衛(wèi)星分布圖繪制等功能。

2.2 外業(yè)巡查數(shù)據(jù)的組織與管理

鑒于礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型較多，每一類(lèi)災(zāi)害的屬性信息也不盡相同，為此，需要依據(jù)不同的災(zāi)害類(lèi)型進(jìn)行不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。在服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)，外業(yè)巡查的災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)以大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，外業(yè)采集的災(zāi)害空間數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎存放在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。在移動(dòng)端，屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)的整體組織管理體系包括以下幾方面內(nèi)容。

（1）基于緩存文件的移動(dòng)地圖服務(wù)

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端礦區(qū)地圖的可視化表達(dá)，通過(guò)制作并發(fā)布成移動(dòng)地圖服務(wù)，可通過(guò)移動(dòng)端下載成離線(xiàn)緩存地圖，在巡查數(shù)據(jù)采集時(shí)，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的空間位置及分布等信息直接存儲(chǔ)在地圖緩存文件中。

（2）礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)與多維屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)

不同地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，其屬性信息也差異較大，如滑坡就包括了環(huán)境、影響因素、外業(yè)調(diào)查基本信息、特征參數(shù)、評(píng)價(jià)結(jié)果、外業(yè)照片等多種類(lèi)別的屬性信息，為了實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的空間信息與屬性信息的關(guān)聯(lián)查詢(xún)與分析，我們以地質(zhì)災(zāi)害的空間圖層表為主表，按照星型結(jié)構(gòu)以?xún)?nèi)外鍵為關(guān)聯(lián)，建立起了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)與多維屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。具體星型關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2星型結(jié)構(gòu)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)

（3）基于項(xiàng)目的巡查數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織

外業(yè)巡查系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較多，包括了基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的圖層數(shù)據(jù)及巡查數(shù)據(jù)等，為了便于這些數(shù)據(jù)在移動(dòng)端的統(tǒng)一組織和管理，系統(tǒng)構(gòu)建了以項(xiàng)目為核心的管理體系，具體項(xiàng)目的組織結(jié)構(gòu)如圖3所示，新建項(xiàng)目時(shí)，可通過(guò)指定要進(jìn)行使用的地圖、存放屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和使用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換文件等進(jìn)行項(xiàng)目初始化；野外巡查結(jié)束后，通過(guò)自動(dòng)抽取項(xiàng)目中的巡查數(shù)據(jù)，結(jié)合移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、照片文件等數(shù)據(jù)向服務(wù)端的自動(dòng)回傳。

圖3野外巡查數(shù)據(jù)組織

2.3 基于Web服務(wù)的巡查數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程更新

野外巡查數(shù)據(jù)的更新主要包括地質(zhì)災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)更新和空間位置數(shù)據(jù)更新。屬性數(shù)據(jù)更新主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新到大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，位置數(shù)據(jù)更新主要是通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎更新到空間數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)的更新是通過(guò)使用Web Service技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)操作的中間層。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)建立礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害外業(yè)巡查綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了滑坡、沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，基于服務(wù)端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)更新管理子系統(tǒng)，基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了移動(dòng)端礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害外業(yè)巡查子系統(tǒng)，具體系統(tǒng)整體功能框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體功能框架圖

其中的外業(yè)巡查子系統(tǒng)是在嵌入式移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害屬性信息及位置信息的動(dòng)態(tài)采集，其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：項(xiàng)目組織與管理、GPS控制與操作、災(zāi)害位置數(shù)據(jù)采集、災(zāi)害屬性信息采集、地圖瀏覽與查詢(xún)、數(shù)據(jù)管理與遠(yuǎn)程傳輸?shù)?。具體實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)端功能界面如圖5所示。

圖5 移動(dòng)端野外巡查子系統(tǒng)

4 結(jié)論

煤炭開(kāi)采給人類(lèi)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也不可避免的帶來(lái)了各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，給礦區(qū)的安全生產(chǎn)和人們的生活帶來(lái)了嚴(yán)重干擾，為了能夠及時(shí)掌握礦區(qū)地表的這種形變變化，本文借助GNSS、GIS、移動(dòng)通訊等多種技術(shù)手段進(jìn)行了礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害外業(yè)巡查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)多種地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)更新，可為礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害第一手形變資料的快速獲取及礦山生產(chǎn)輔助決策支持提供了有力支撐。