任 濤，丁鴻弼，蔣 凡

(水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051)

0 引言

面對日益惡化的全球環(huán)境和地質(zhì)災害頻發(fā)的情況，針對我國礦山的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警工作也面臨更加復雜多樣的挑戰(zhàn)。國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局為了應對礦山地質(zhì)環(huán)境環(huán)境問題，展開了各種專業(yè)領(lǐng)域的地質(zhì)災害環(huán)境監(jiān)測工作。而在監(jiān)測過程中產(chǎn)生的基礎(chǔ)信息資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)需要通過相應的信息管理系統(tǒng)平臺來進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和分析。在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測類信息平臺的開發(fā)過程中，監(jiān)測關(guān)注物本身的特性、監(jiān)測手段和監(jiān)測技術(shù)、信息平臺功能的要求等都是平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計和建設(shè)階段必須要考慮和重視的。

1 數(shù)據(jù)庫整體設(shè)計與功能分析

典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警管理信息平臺數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作需要考慮到典型礦山的基本特征及地質(zhì)特性、專業(yè)監(jiān)測儀器本身參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)的特性、系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能等關(guān)鍵問題，只有在充分分析和研究的基礎(chǔ)上才能做好數(shù)據(jù)庫的整體分析與設(shè)計工作。

1.1 礦山基本信息與資料分析

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作本身關(guān)注點在地質(zhì)環(huán)境要素，諸如典型礦山類型的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，在分析整理礦山信息和基本資料時，可以對經(jīng)濟條件等基本要素予以取舍。在本項目中，針對項目組關(guān)注的典型礦山進行了基本信息和資料的分析整理，結(jié)合相關(guān)的礦山監(jiān)測國家標準和礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計標準確定了礦山基本信息表所關(guān)注的信息要素。包括礦山ID、礦山名稱、礦山類型、地址、地質(zhì)災害類型、地下水類型、礦山空間地理信息要素(坐標、面積、高程)、開采方式、日期及開采狀態(tài)等［1］。

確定數(shù)據(jù)庫設(shè)計所關(guān)注的信息要素，就可以有針對性的收集信息和資料。項目組對湖南冷水江市和重慶南桐市的兩個主要監(jiān)測示范點的礦山資料進行了收集整理，包括地質(zhì)圖件和基本地質(zhì)特征等信息資料。這樣，平臺在展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時，也便于地質(zhì)專家結(jié)合礦山區(qū)本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性進行數(shù)據(jù)成果的綜合分析對比。

1.2 監(jiān)測工作及監(jiān)測儀器分析

專業(yè)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作考慮到為了保護監(jiān)測區(qū)域的鉆孔、便于監(jiān)測人員長期監(jiān)測、數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)燃夹g(shù)問題，常常需要在監(jiān)測區(qū)域進行示范站的建設(shè)。因此結(jié)合項目的工作，針對監(jiān)測工作的本身特性，進行了礦區(qū)-示范站-監(jiān)測點三級的數(shù)據(jù)表設(shè)計，三級數(shù)據(jù)表呈樹狀結(jié)構(gòu)，所關(guān)注的信息也不相同。示范站本身承擔了保護監(jiān)測儀器和實時傳輸數(shù)據(jù)儀器等任務(wù)，在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，應考慮以下基本要素:示范站ID、示范站名稱、示范站的空間地理信息要素、示范站建設(shè)情況(完工日期、施工方、運行狀況等)。

監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)表的設(shè)計以項目組在示范區(qū)針對典型礦山進行的重金屬動態(tài)監(jiān)測和地形變監(jiān)測兩大類監(jiān)測手段，8種監(jiān)測儀器的儀器參數(shù)作為數(shù)據(jù)表分析和建庫的基礎(chǔ)。每個監(jiān)測儀器均有字段與示范站進行關(guān)聯(lián)。結(jié)合前期對儀器監(jiān)測人員和開發(fā)人員的需求調(diào)研，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的完整性和可擴展性。

1.3 平臺功能分析

典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警管理信息平臺包括以下功能模塊:

(1)GIS功能:用戶可以通過WebGIS的常用功能，完成地圖瀏覽、操作，圖層管理，基本查詢。通過這些功能可以更好地實現(xiàn)對系統(tǒng)平臺的信息管理和查詢操作。結(jié)合數(shù)據(jù)庫設(shè)計，在這一部分功能中最重要的是災害體的坐標信息。

(2)項目概況及基本信息查詢:這一部分的功能更新量少，涉及到的數(shù)據(jù)表包括災害體基本信息、示范站基本信息表，圖件等資料。

(3)使用的技術(shù)方法信息和儀器信息瀏覽:包括靜態(tài)的技術(shù)方法介紹網(wǎng)頁，儀器信息部分通過監(jiān)測儀器信息表實現(xiàn)。

(4)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢:這一部分的功能需要監(jiān)測數(shù)據(jù)表的調(diào)用，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測儀器、監(jiān)測示范站、災害體進行關(guān)聯(lián)查詢。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)表中的時間字段進行sql語句查詢，結(jié)合前端flax展示技術(shù)進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和展示。

(5)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計:通過組合查詢生成歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，并具備導出excel格式的功能。

(6)信息及數(shù)據(jù)管理:負責維護各類基本信息表及監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)表。

(7)系統(tǒng)用戶及權(quán)限管理:通過對用戶表的管理實現(xiàn)系統(tǒng)用戶及權(quán)限的管理。

2 數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警管理信息平臺數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計與建模工作采用了PowerDesigner作為工具軟件。

2.1 PowerDesigner功能簡介

PowerDesigner作為計算機輔助軟件工程中比較常用的建模開發(fā)工具，結(jié)合了Sybase的數(shù)據(jù)庫設(shè)計產(chǎn)品的功能和強大的基于對象模型的UML。具有以下眾多優(yōu)點。

(1)將對象設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和關(guān)系數(shù)據(jù)庫無縫集成，在一個集成的工作環(huán)境中能夠完成面向?qū)ο蟮姆治鲈O(shè)計和數(shù)據(jù)庫建模工作。

(2)提供了三級建模功能，即概念數(shù)據(jù)建模、物理數(shù)據(jù)建模、面向?qū)ο蠼＃瑫r還可生成模型報告。

(3)集 UML和 ER精華與一身，同時更容易學習。

(4)可以快捷、方便地開發(fā)復雜的分布式應用系統(tǒng)［2］。

2.2 基于PowerDesigner的平臺數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

經(jīng)過數(shù)據(jù)的整體分析之后，獲取了平臺的建庫需求，接下來就可以利用PowerDesigner對平臺數(shù)據(jù)庫進行建模了。實際工作中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計從概念結(jié)構(gòu)開始，通過概念模型完成數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計;之后通過PDM完成數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計;最后OOM利用UML的圖形來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型［3］。具體操作中需遵循以下方法和步驟，①建立概念數(shù)據(jù)模型(Conceptual Data Model，CDM)，CDM 的設(shè)計是建模過程的關(guān)鍵階段，此階段把礦山屬性數(shù)據(jù)和地理信息抽象成為信息世界中的實體和聯(lián)系，產(chǎn)生實體聯(lián)系圖。通過DataArchitect對CDM進行完善、固化和提取，為向物理數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。②從概念模型文件生成物理數(shù)據(jù)模型文件，可以同時指定主鍵索引名、外鍵索引名、索引臨界值、表前綴與表的參照完整性，通過Generating physical data model模塊完成。進一步應對數(shù)據(jù)完整性和一致性、數(shù)據(jù)庫的可用性、性能和安全性進行調(diào)整。③檢查物理數(shù)據(jù)模型，包括檢查所有PDM中的表、列、參照完整性，根據(jù)檢查結(jié)果改正PDM，直至檢查通過，通過Generate Database模塊，選擇目標數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫生成腳本，或生成ODBC 數(shù)據(jù)庫［4］。

2.3 數(shù)據(jù)表間的邏輯關(guān)系

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)主要涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，表類型主要有礦山信息表、示范站信息表、監(jiān)測點信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)表、鉆孔信息表、文件表和類型表幾大類。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)表又可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型的不同分為礦山重金屬動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表和礦山地形變數(shù)據(jù)表兩大類。每個大類下根據(jù)監(jiān)測儀器的類型分為不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)表。

編碼說明:省市縣均為國標，礦山編號為3位，示范站編號2位，監(jiān)測點編號2位，儀器及鉆孔類型兩位，編號兩位。

數(shù)據(jù)字段主要縮寫說明:KS代表礦山，KC代表開采，SFZ代表示范站，JCD代表監(jiān)測點，JC代表監(jiān)測。

礦山信息表是系統(tǒng)的主體表，以礦山ID作為礦山信息表的主鍵，代碼的編碼方式采用統(tǒng)一設(shè)定的標準進行編碼:礦山所在的地區(qū)編碼+礦山編碼構(gòu)成。其他字段均為礦山的基本信息。

示范站信息表是監(jiān)測工作開展的基礎(chǔ)。因此每一個示范站的信息都是系統(tǒng)必須錄入的。由于示范站是以礦山為基礎(chǔ)進行監(jiān)測示范的，因此存在一對一的對應關(guān)系，示范站的編碼方式也采用統(tǒng)一設(shè)定的標準進行編碼:地區(qū)編碼+礦山編碼+示范站編碼。其他字段為示范站的基本信息。

監(jiān)測點有以示范站為基礎(chǔ)的監(jiān)測點，即監(jiān)測儀器均安裝在監(jiān)測示范站上的，也有獨立運行在礦山上的監(jiān)測點，因此監(jiān)測點的ID編碼設(shè)計需要考慮示范站的對應與否的關(guān)系。編碼方式如下:地區(qū)編碼+礦山編碼+示范站編碼(如果不對應示范站即為0)+監(jiān)測點編碼。其他字段為監(jiān)測點的基本信息。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表是以監(jiān)測儀器為主體進行設(shè)計的。由于監(jiān)測儀器和監(jiān)測點存在一對多的對應關(guān)系，所以監(jiān)測數(shù)據(jù)表的ID編碼設(shè)計如下:地區(qū)編碼+礦山編碼+示范站編碼(如果不對應示范站即為0)+監(jiān)測點編碼+儀器類型+儀器編碼。其他字段為監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)值。

鉆孔信息表和監(jiān)測數(shù)據(jù)表一樣與監(jiān)測點是一對多的關(guān)系，所以在編碼的設(shè)計上采用如下編碼方式:地區(qū)編碼+礦山編碼+示范站編碼(如果不對應示范站即為0)+監(jiān)測點編碼+鉆孔類型+鉆孔編碼。其他字段為鉆孔的基本信息。

3 數(shù)據(jù)庫搭建及應用

典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警管理信息平臺數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。SQL Server 2005是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，針對于平臺的開發(fā)工作，SQL Server 2005具有易用性、可管理性、支持.net框架等特性，因此在數(shù)據(jù)庫的選擇上最終使用了SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理工具。［5］

經(jīng)過數(shù)據(jù)和建庫資料的分析整理，通過數(shù)據(jù)庫建模工具PowerDesigner的數(shù)據(jù)庫建模流程將平臺數(shù)據(jù)庫各表搭建完畢，并建立各表之間的對應關(guān)系。之后就可以利用PowerDesigner自帶的導出功能完成數(shù)據(jù)庫的搭建。

系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)圖如表1:

表1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Table 1 Database structure

以其中的礦山信息表為例，根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計階段的分析，在數(shù)據(jù)表設(shè)計過程中應充分考慮各種影響因素。設(shè)計數(shù)據(jù)庫字段時參考了“礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標遙感調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)標準”，由于系統(tǒng)的關(guān)注研究對象不同，所以在設(shè)計時采用了標準中通用的諸如礦種類型、經(jīng)濟類型、礦山地址等信息作為屬性字段，同時加入了災害體類型，地下水類型等項目組監(jiān)測所需要關(guān)注的字段，最終礦山信息表的結(jié)構(gòu)如表2:

表2 礦山信息表Table 2 Mine information table

項目組在野外安裝了多種類型的監(jiān)測儀器，分別對礦區(qū)的重金屬值和地形變等要素信息進行整體監(jiān)控。其中，以在重慶市南桐礦區(qū)的固定式鉆孔傾斜儀的監(jiān)測為例。在南桐礦區(qū)我們沿礦區(qū)布設(shè)了6個監(jiān)測點，通過地圖查詢模式可以查詢到6個鉆孔監(jiān)測點的地理分布如圖1所示。

圖1 鉆孔分布圖Fig.1 Hole distribution table

鉆孔傾斜儀作為一種縱向的數(shù)據(jù)監(jiān)測儀器對鉆孔內(nèi)一定時期的變化量進行監(jiān)控，以判斷固定區(qū)域內(nèi)的地形變量，主要針對變形比較明顯且需要重點監(jiān)控的區(qū)域。由于縱向監(jiān)控的需求，項目組在設(shè)計之初考慮了鉆孔傾斜儀監(jiān)控數(shù)據(jù)在展示時的易于觀察，將一種橫向的用于數(shù)據(jù)展示的開源組件進行了二次開發(fā)，使之可以生成縱向的監(jiān)測曲線(圖2)。

圖2 鉆孔傾斜儀數(shù)據(jù)Fig.2 Hole clinometer data

儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)計需要參考儀器的屬性參數(shù)，根據(jù)儀器開發(fā)人員提供的詳細參數(shù)和范圍進行數(shù)據(jù)庫字段的設(shè)計，每種監(jiān)測儀器通過儀器ID對應監(jiān)測點ID。圖3是其中一種監(jiān)測儀器FBG在重慶的一處監(jiān)測點cq1的監(jiān)測數(shù)據(jù)列表。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)列表Fig.3 Monitoring data table

系統(tǒng)前端采用了B/S開發(fā)模式，使用WebGIS組件作為平臺的地圖展示方式，建立基于GIS的典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺。以地理信息系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，綜合影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、監(jiān)測點位置數(shù)據(jù)、各儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料，開發(fā)典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息管理平臺，為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供服務(wù)。經(jīng)過系統(tǒng)平臺的前端展示功能，可以更好的將儀器動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)曲線展示出來。圖4是平臺儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢功能模塊的展示效果。

圖4 平臺界面截圖Fig.4 Platform screen shots

4 結(jié)語

典型礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警管理信息平臺是針對礦山和監(jiān)測兩大關(guān)注要素進行系統(tǒng)平臺的搭建與開發(fā)的，另外數(shù)據(jù)信息的動態(tài)展示和空間地理信息的Web展示也是平臺研究的要點?？紤]到這些，在平臺數(shù)據(jù)庫建設(shè)時應該注意以下關(guān)鍵問題:

(1)平臺數(shù)據(jù)庫的礦山數(shù)據(jù)部分應充分考慮空間地理信息，以便于WebGIS平臺前端展示的監(jiān)測點的定位和顯示。

(2)因為針對礦山的地質(zhì)環(huán)境問題監(jiān)測，在礦山數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中應充分考慮地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測人員關(guān)注的地理要素，不重要的如礦山經(jīng)濟及生產(chǎn)等信息可以不在數(shù)據(jù)庫中體現(xiàn)。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)計應滿足各種監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)類型，統(tǒng)一相同類型數(shù)據(jù)的格式，通過多種手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢查，保證數(shù)據(jù)正確性和安全性。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的復雜多樣和礦山地理情況的復雜性，需要保證數(shù)據(jù)錄入的正確性和完整性。

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究工作面對平臺主體，由于礦山環(huán)境的復雜性，地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測手段的專業(yè)性和平臺開發(fā)技術(shù)的多樣性，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中，應充分考慮各種影響因素。隨著信息科學的快速發(fā)展，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息化建設(shè)的技術(shù)要求也隨之提高。做好礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的分析和設(shè)計研究工作，才能為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警信息化工作做好鋪墊。

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