摘要：目前，煤礦使用的工程專題地圖基本都是CAD 制圖，高效提取CAD 圖件中的數(shù)據(jù)并快速組織成地理信息系統(tǒng)（GIS）服務(wù)，進(jìn)而支持礦井空間對象創(chuàng)建和業(yè)務(wù)屬性擴(kuò)展，集成安全生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，是構(gòu)建煤礦GIS 一張圖的關(guān)鍵?；贏rcGIS 平臺將CAD 圖件轉(zhuǎn)為GIS 服務(wù)的方法實(shí)現(xiàn)過程較為繁瑣，且ArcGIS 平臺成本較高，無法較好地跨平臺運(yùn)行。針對該問題，設(shè)計(jì)了一種煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺。該平臺包括CAD 圖件管理、地圖服務(wù)發(fā)布、專題地圖管理3 大功能模塊：CAD 圖件管理模塊用于圖件基礎(chǔ)信息管理和狀態(tài)跟蹤，地圖服務(wù)發(fā)布模塊用于地圖打包發(fā)布和在線預(yù)覽，專題地圖管理模塊用于地圖服務(wù)管理、礦井對象創(chuàng)建及屬性擴(kuò)展。基于開放設(shè)計(jì)聯(lián)盟（ODA）的Teigha for Java SDK 實(shí)現(xiàn)CAD 圖件全要素精確識別與快速準(zhǔn)確提取；通過構(gòu)建基于GIS 數(shù)據(jù)特征的煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型，實(shí)現(xiàn)了CAD 圖件全要素?cái)?shù)據(jù)快速存儲；按照面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思路，開發(fā)了Spring Cloud 框架下的Web 端煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)集存儲接口及專題地圖服務(wù)發(fā)布平臺，實(shí)現(xiàn)了煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建。以某煤礦采掘工程平面圖為例，分別采用傳統(tǒng)方法和快速構(gòu)建平臺進(jìn)行煤礦GIS 一張圖的構(gòu)建，對比結(jié)果表明，快速構(gòu)建平臺可大幅提高煤礦GIS 一張圖的構(gòu)建效率，為煤礦智能化建設(shè)提供時空數(shù)字底座。

關(guān)鍵詞：煤礦智能化；煤礦GIS 一張圖；地理信息系統(tǒng)；CAD 圖件全要素提?。籆AD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型；專題地圖服務(wù)發(fā)布

中圖分類號：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，建設(shè)智能化煤礦是煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路[1-2]。《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》指出，基于微服務(wù)架構(gòu)研發(fā)煤礦信息化平臺，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)體系，基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的理念將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，是煤礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容[3-5]?！睹旱V智能化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2024 年版）》指出，地理信息平臺標(biāo)準(zhǔn)包括地理信息軟件系統(tǒng)、礦井電子地圖服務(wù)、地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)，是煤礦智能化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的重要組成部分。地理信息系統(tǒng)（GeographicInformation System，GIS）平臺是煤礦智能化的支撐平臺之一[6]。建設(shè)完善的GIS 可為煤礦智能型應(yīng)用提供必需的時空數(shù)字底座[7]。智能化煤礦將綜合管控?cái)?shù)據(jù)和GIS 平臺進(jìn)行融合，形成基于真實(shí)地理信息的綜合自動化管控平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和分析，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)[8]。煤礦GIS 一張圖是掌握全集團(tuán)、全礦井安全生產(chǎn)狀況的“電子沙盤”，是制度、機(jī)制、數(shù)據(jù)及其管理、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用和服務(wù)的總和[9-10]。目前，煤礦使用的工程專題地圖基本都是CAD 制圖，但從CAD 圖件中提取的數(shù)據(jù)不具備拓?fù)涿枋鲂畔11]，缺少各專業(yè)屬性，集成度低[12]，無空間分析和決策支持能力[13]。GIS 在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用通常是把空間數(shù)據(jù)與表格化的屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來[14]，但由于CAD 圖件的特點(diǎn)，很難直接集成這些數(shù)據(jù)[15]。高效提取CAD 圖件中的數(shù)據(jù)并快速組織成GIS 服務(wù)，進(jìn)而支持礦井空間對象創(chuàng)建和業(yè)務(wù)屬性擴(kuò)展，集成安全生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，是構(gòu)建煤礦GIS 一張圖的關(guān)鍵。

有學(xué)者采用ArcGIS 平臺軟件將CAD 圖件轉(zhuǎn)為GIS 服務(wù)[16-18]，該方法可較為穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)將CAD 圖件發(fā)布為WebGIS 服務(wù)的流程[19]， 從而支持煤礦GIS 一張圖的構(gòu)建，但其涉及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)投影變換、圖層樣式保存、在線地圖服務(wù)發(fā)布與顯示等，實(shí)現(xiàn)過程較為繁瑣，且ArcGIS 平臺成本較高，無法較好地跨平臺運(yùn)行。針對上述問題，本文提出一種煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建思路，將煤礦生產(chǎn)過程中使用的采掘工程平面圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，構(gòu)建基于GIS 數(shù)據(jù)特征的煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型，實(shí)現(xiàn)CAD 圖件內(nèi)容快速存儲。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于Spring Cloud 框架地圖發(fā)布、預(yù)覽、管理的服務(wù)接口，搭建了基于消息機(jī)制的Web 端煤礦GIS服務(wù)快速更新平臺，實(shí)現(xiàn)了煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建。

1 煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺設(shè)計(jì)

1.1 平臺總體方案

以某煤礦智能綜合管控平臺的建設(shè)為研究背景，設(shè)計(jì)了煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺總體方案（圖1）。煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺包括CAD 圖件管理模塊、地圖服務(wù)發(fā)布模塊、專題地圖管理模塊3 大功能模塊，如圖2 所示。

1） CAD 圖件管理模塊用于圖件基礎(chǔ)信息管理和狀態(tài)跟蹤。通過上傳CAD 圖件實(shí)現(xiàn)圖件的云端存儲及基礎(chǔ)信息錄入，可對上傳的圖件進(jìn)行基礎(chǔ)信息維護(hù)。通過圖件狀態(tài)跟蹤可查看圖件當(dāng)前的狀態(tài)，如是否上傳成功、是否已發(fā)布為地圖服務(wù)、是否支持在線預(yù)覽。若要在線查看不同圖件的進(jìn)度情況，可將圖件發(fā)布為在線地圖服務(wù)，選擇疊加多個圖層。

2） 地圖服務(wù)發(fā)布模塊用于地圖打包發(fā)布和在線預(yù)覽。將CAD 圖件中的全部內(nèi)容進(jìn)行打包，并發(fā)布為基于開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）標(biāo)準(zhǔn)的在線地圖服務(wù)。通過地圖預(yù)覽功能可直接在線瀏覽專題地圖，對地圖進(jìn)行量測、縮放，支持查詢地圖上的要素屬性信息。

3） 專題地圖管理模塊用于地圖服務(wù)管理、礦井對象創(chuàng)建及屬性擴(kuò)展。通過地圖服務(wù)管理可刪除不需要的在線地圖服務(wù)，支持地圖內(nèi)要素的刪除與更新，以及專題地圖中圖層的顯示與隱藏?；谙锏乐芯€服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)礦井對象的創(chuàng)建與屬性擴(kuò)展，同時將創(chuàng)建的礦井對象與巷道中線進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)礦井對象之間的空間關(guān)系映射。

1.2 平臺架構(gòu)

煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺為B/S 架構(gòu)，采用前后端分離的開發(fā)模式，通過表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)移（Representational State Transfer，REST）風(fēng)格的Web端接口實(shí)現(xiàn)通信，用戶通過瀏覽器即可完成所有操作。前端基于Vue，OpenLayers 實(shí)現(xiàn)，后端基于SpringCloud 開發(fā)，由多個可獨(dú)立部署的服務(wù)組成，可減少各模塊間的耦合。按照模型?視圖?控制器（Model-View-Controller，MVC）分層開發(fā)的設(shè)計(jì)理念[20]，平臺可分為展示層、邏輯服務(wù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層，如圖3 所示。

1） 展示層。用戶通過瀏覽器客戶端可直接訪問平臺，所有操作均通過瀏覽器完成，上層應(yīng)用可通過瀏覽器頁面直接集成，體現(xiàn)平臺易用、易拓展的特點(diǎn)。

2） 邏輯服務(wù)層。該層是整個平臺的業(yè)務(wù)邏輯處理中心，通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)間的統(tǒng)一調(diào)度，基于Spring Cloud 框架開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯與中間件集成。后端REST 風(fēng)格的接口服務(wù)基于Java 語言開發(fā)，解決了只能依靠本地客戶端軟件瀏覽CAD 圖件的問題，實(shí)現(xiàn)了程序的跨平臺運(yùn)行。

3） 數(shù)據(jù)服務(wù)層。該層可直接連接平臺底層所需的時空數(shù)據(jù)庫，對空間數(shù)據(jù)及基本信息進(jìn)行管理，同時為在線地圖提供數(shù)據(jù)源。平臺中的數(shù)據(jù)存儲分為2 個部分，一部分基于PostGIS 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲，另一部分基于MinIO 的文件型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行CAD 圖件上傳、下載和管理。數(shù)據(jù)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲和圖紙文件的快速存儲。

2 煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺關(guān)鍵技術(shù)

2.1 煤礦CAD 圖件全要素快速提取

煤礦采掘工程平面圖為DWG 文件， 需安裝AutoCAD 軟件后才能打開。將DWG 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SHP 格式的空間數(shù)據(jù)需借助第三方軟件平臺（如ArcGIS） ，且需大量人工操作，處理速度慢，效率較低[21]。若采用DXF 文件格式，由于DXF 文件復(fù)雜冗長，需借助中間庫實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化且過程復(fù)雜，DXF 文件中不同類型的要素可以共層，但仍無法克服DWG 數(shù)據(jù)無拓?fù)湫畔ⅰ傩怨芾砣醯娜秉c(diǎn)。開放設(shè)計(jì)聯(lián)盟（Open Design Alliance，ODA）提供了讀寫DWG 文件的接口，基于Teigha for Java SDK 可實(shí)現(xiàn)Java 語言環(huán)境下DWG 文件的全量快速提取。根據(jù)DWG 文件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，獲得DWG 文件的頭部、實(shí)體部、表部、塊實(shí)體部和應(yīng)急頭部的內(nèi)容。依次提取DWG 圖件中的基礎(chǔ)信息，包括圖層名稱、圖層樣式信息（如線寬、顏色等）及圖件的空間參考、要素類型等。

2.2 煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型構(gòu)建

根據(jù)GIS 數(shù)據(jù)分層表達(dá)的特點(diǎn)，結(jié)合后端服務(wù)自動構(gòu)建數(shù)據(jù)庫表的流程，利用Teigha for Java 提取CAD 圖件的全要素信息并進(jìn)行重構(gòu)， 構(gòu)建煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型，如圖4 所示。該模型用于描述解析后的圖件全要素信息，并通過調(diào)用WebAPI 的方式將圖件中的圖形數(shù)據(jù)存儲在空間數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)分層描述模型由圖層集合（Layers）、文件名稱、空間參考標(biāo)志符（Spatial Reference SystemIdentifier）構(gòu)成。圖層集合由多個圖層（Layer）構(gòu)成，每個圖層由圖層名稱（Layer Name）、圖層描述（LayerDetail） 構(gòu)成。一個圖層描述由多個要素層（FeatureTypeLayer）構(gòu)成，但每個要素層只能由一種Geometry（點(diǎn)、線、面）類型構(gòu)成，即同一要素層的幾何類型相同，每個要素層對應(yīng)一張空間數(shù)據(jù)表。要素層保存了該層所有要素（Feature）的樣式信息。每個要素層由多個要素構(gòu)成，要素信息包含圖形的幾何信息和屬性信息。不同類型的幾何信息以WKT（Well-known text）格式存儲。

按類型獲取圖件中圖元的幾何信息，步驟如下：

1） 獲取類型為OdDbPoint 的點(diǎn)對象并存放在ArrayList 集合中。遍歷這些點(diǎn)對象，獲得OdDbPoint對象中的position 屬性，進(jìn)一步獲取position 中的X，Y，Z 信息，最終按照WKT 格式輸出點(diǎn)類型的幾何信息POINT（X Y Z）。

2） 依次獲取類型為OdDbPolyline，OdDb2dPolyline，OdDb3dPolyline 的線對象并存放在ArrayList 集合中。遍歷集合中的線段，分別獲取線段的起點(diǎn)對象和終點(diǎn)對象，假設(shè)起點(diǎn)由坐標(biāo)（X1， Y1， Z1）組成，終點(diǎn)由坐標(biāo)（X2， Y2， Z2）組成，則可按照WKT 格式輸出線段類型的幾何信息LINESTRING（X1 Y1 Z1， X2 Y2 Z2）。線段對象還包括線段類型、線寬、顏色、是否閉合等樣式信息，依次獲取并存放在線段的屬性列表中。

3） 依次獲取類型為OdDbText，OdDbMText 的注記對象并存放在ArrayList 集合中，遍歷集合中的注記對象，分別獲取注記的坐標(biāo)位置（X， Y， Z） ，輸出WKT 格式的幾何信息POINT（X Y Z）和文字、字號、顏色、旋轉(zhuǎn)角度等樣式信息，存放在注記的屬性列表中。

4） 獲取類型為OdDbArc 的弧線段對象并存放在ArrayList 集合中，弧線段對象包括弧線段圓心點(diǎn)坐標(biāo)、弧線段半徑、弧線段起始角度、弧線段終止角度。通過圓心點(diǎn)坐標(biāo)和半徑計(jì)算出弧線段起始點(diǎn)坐標(biāo)（X1， Y1， Z1）和終止點(diǎn)坐標(biāo)（X2， Y2， Z2），然后對弧線段起始角度、終止角度取平均值，計(jì)算得到弧線段中點(diǎn)坐標(biāo)（X0， Y0， Z0），最終將弧線段以WKT 格式輸出為CIRCULARSTRING（X1 Y1 Z1， X0 Y0 Z0， X2 Y2 Z2）。

煤礦CAD 圖件數(shù)據(jù)分層描述模型構(gòu)建完成后，通過WebAPI 調(diào)用方式將模型數(shù)據(jù)傳輸給后端服務(wù)進(jìn)行存儲，待所有數(shù)據(jù)均成功寫入后，平臺發(fā)送消息到Kafka 消息隊(duì)列中，監(jiān)聽該主題下的消息動態(tài)。

2.3 地圖服務(wù)自動發(fā)布流程

當(dāng)監(jiān)聽到空間數(shù)據(jù)入庫成功的消息后，地圖發(fā)布服務(wù)發(fā)送REST 請求到GeoServer 服務(wù)中，將數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，發(fā)布為地圖服務(wù)。圖4中的1 個FeatureTypeLayer 對應(yīng)1 張數(shù)據(jù)表，同時對應(yīng)地圖服務(wù)中的1 個圖層。每個圖層的樣式描述（Styled Layer Descriptor， SLD）文件則根據(jù)表名同步創(chuàng)建，讀取并設(shè)置圖層顏色、線寬、字體、字號后，將SLD 文件與待發(fā)布為地圖服務(wù)的圖層關(guān)聯(lián)，為圖層提供相應(yīng)的樣式。地圖發(fā)布服務(wù)依次將所有FeatureTypeLayer 打包，通過 GeoServer 發(fā)布為基于OGC 標(biāo)準(zhǔn)的Web 地圖服務(wù)（Web Map Service，WMS）。待所有FeatureTypeLayer 打包發(fā)布完成后，程序構(gòu)建1 個圖層組（Layer Group），用于組織所有圖層的服務(wù)地址，并自動推送給前端頁面以便預(yù)覽。WMS 可實(shí)現(xiàn)FeatureTypeLayer 圖層級別的顯示與隱藏控制，為后續(xù)上層應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)字底圖。煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建流程如圖5 所示。

2.4 基于巷道中線的礦井對象屬性擴(kuò)展

礦井對象創(chuàng)建及屬性擴(kuò)展如圖6 所示。具體步驟如下：① 服務(wù)自動提取DWG 格式的巷道中線數(shù)據(jù)，將巷道中線數(shù)據(jù)按照GIS 數(shù)據(jù)LineString 類型進(jìn)行表述。② 對中心線兩兩進(jìn)行相交判斷，看其是否有交點(diǎn)，對有交點(diǎn)的巷道中線執(zhí)行斷開操作，并按原巷道命名規(guī)則對斷開的巷道中線重新分配名稱。③ 將斷開的巷道中線數(shù)據(jù)以WKT 格式存入空間數(shù)據(jù)庫中。在專題地圖管理模塊中，加載該中線數(shù)據(jù)并作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于巷道中線的礦井對象創(chuàng)建。創(chuàng)建礦井對象后，除礦井對象的基礎(chǔ)屬性外（名稱、所屬巷道編號、樣式），用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需要對所創(chuàng)建的礦井對象進(jìn)行屬性信息的分組擴(kuò)展。完成創(chuàng)建的礦井對象存儲在空間數(shù)據(jù)庫中， 通過OpenLayers 以實(shí)時渲染的方式顯示在地圖管理模塊中，單擊對象可查看對象的屬性信息，空間統(tǒng)計(jì)、空間分析功能可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行開發(fā)。

3 圖件解析便捷性對比及案例應(yīng)用

3.1 CAD 圖件解析便捷性對比

CAD 圖件中圖元要素解析的便捷性決定了煤礦GIS 一張圖的構(gòu)建效率。與借助傳統(tǒng)商業(yè)軟件對CAD 圖件數(shù)據(jù)進(jìn)行手動提取相比，本平臺不僅可以識別更多要素類型，一張圖構(gòu)建效率也高于某商業(yè)GIS 軟件。通過某采掘工程平面圖中復(fù)雜位置的預(yù)覽結(jié)果顯示，某商業(yè)軟件對圖件中弧線段類型的要素存在無法識別與顯示的現(xiàn)象，如圖7（a）所示；而本平臺構(gòu)建的一張圖服務(wù)在保證便捷性的基礎(chǔ)上仍能完整顯示該區(qū)域結(jié)構(gòu)，如圖7（b）所示。

3.2 平臺應(yīng)用案例

以某煤礦使用的采掘工程平面圖數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，巷道中線數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、等高線數(shù)據(jù)等為輔助數(shù)據(jù)，通過煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺構(gòu)建煤礦GIS 一張圖，結(jié)果如圖8 所示。

應(yīng)用結(jié)果表明，該平臺可快速完成CAD 圖件識別與提取、空間數(shù)據(jù)模型構(gòu)建與入庫、地圖服務(wù)發(fā)布等流程，為煤礦智能管控平臺的建設(shè)提供時空數(shù)字底座。

4 結(jié)論

1） 實(shí)現(xiàn)了基于GIS 數(shù)據(jù)特征的煤礦CAD 圖件全要素提取與數(shù)據(jù)分層描述模型構(gòu)建，突破了傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)換CAD 圖件數(shù)據(jù)時過度依賴桌面端軟件及普適性和表現(xiàn)力難以兼得的局限。

2） 實(shí)現(xiàn)了煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建。與傳統(tǒng)方法相比，煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺具有操作簡單、處理速度快和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，大幅提升了數(shù)據(jù)管理效率，可為煤礦智能化建設(shè)提供時空數(shù)字底座。

3） 實(shí)現(xiàn)了礦井對象間的空間關(guān)聯(lián)及業(yè)務(wù)屬性擴(kuò)展功能，可有效解決CAD 軟件無法將圖形與屬性信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)的問題。煤礦GIS 一張圖快速構(gòu)建平臺向下可實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的接入、集成和融合，向上可為各種煤礦智能化應(yīng)用提供空間數(shù)據(jù)服務(wù)，打通了感知數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)之間的屏障，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

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