李青青，徐良驥，翟應(yīng)峰

（1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南232001）

基于ArcGIS Engine的開采沉陷數(shù)據(jù)處理和可視化

李青青1，徐良驥1，翟應(yīng)峰1

（1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南232001）

調(diào)用工作面內(nèi)的參數(shù)，利用ArcGIS Engine通過概率積分法計(jì)算得出工作面內(nèi)任意點(diǎn)的下沉值，并根據(jù)得出的沉陷值生成圖像。這樣就可以比較直觀地將地表的變形情況展現(xiàn)出來，既能輸出具體變形數(shù)值，又能夠以圖像的形式表達(dá)。

Arc Objects;沉陷;參數(shù);概率積分法;圖像

GIS的發(fā)展與普及為礦山開采沉陷控制提供了一種數(shù)據(jù)處理與可視化的方法與途徑[1]。對(duì)于采區(qū)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)主要影響參數(shù)計(jì)算出沉陷值，包括數(shù)據(jù)處理和可視化2個(gè)主要部分。此文基于ArcObjects進(jìn)行開采沉陷數(shù)據(jù)處理與可視化的表達(dá)。因?yàn)榈乇硐鲁帘容^抽象，地下開采后對(duì)地表的影響需要三維圖像對(duì)其進(jìn)行逼真的描繪和定量化的表達(dá)，利用已知的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行三維可視化表達(dá)，給地下開采后地表沉陷比較直觀形象的圖像[2,3]，便于直觀的觀察和研究。

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

1.1 ArcGIS Engine技術(shù)

ArcGIS Engine（AE）是用于構(gòu)建定制應(yīng)用的一個(gè)完整的嵌入式GIS組件庫，它可以為用戶提供針對(duì)GIS解決方案的定制應(yīng)用[4]。利用 ArcGIS Engine ，開發(fā)者可以將 ArcGIS 功能集成到一些應(yīng)用軟件中，但它并不是一個(gè)最終產(chǎn)品，而是一組ArcObjects 軟件開發(fā)包[5]。

ArcGIS Engine可以在Windows、UNIX和Linux桌面上運(yùn)行并支持一系列的應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，包括Visual Basic 6，Microsoft Visual Studio NET和各種Java開發(fā)環(huán)境如表1[6]。

表1 ArcGIS Engine支持一系列操作系統(tǒng)平臺(tái)和編程語言

此文主要是利用了ArcGIS Engine提供的幾種控件——MapControl、ToolbarControl、PageLayOutControl，以及用于三維場景顯示的SceneControl等進(jìn)行開發(fā)，并且對(duì)于開發(fā)出的應(yīng)用程序賦予了一定的license，可以單獨(dú)運(yùn)行于沒有任何ArcGIS程序的微機(jī)上。

1.2 Visual C#.NET簡介

Visual C#．NET是一套綜合工具集，用于為Microsoft Windows和Web創(chuàng)建XML Web服務(wù)和基于Microsoft．NET的應(yīng)用程序。Visual C#．NET是基于強(qiáng)大的C++傳統(tǒng)語言創(chuàng)建的。C#是一種現(xiàn)代化的面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)語言，它使程序員能夠在微軟．NET平臺(tái)上快捷開發(fā)種類豐富的應(yīng)用程序。．NET平臺(tái)提供了大量的工具盒服務(wù)，能夠最大限度地挖掘和使用計(jì)算及通信能力[7]。

系統(tǒng)以微軟的Visual Studio．NET為開發(fā)環(huán)境，它是一個(gè)功能強(qiáng)大、高效并且可擴(kuò)展的編程環(huán)境[8]。在語言上主要基于C#編程為主體程序并且調(diào)用其他功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2 概率積分法簡介

概率積分法是因其所用的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分（或其導(dǎo)數(shù)）而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論[9]。在二維情況下，若開采單元的橫坐標(biāo)為s,地表任意點(diǎn)A的坐標(biāo)為x,則此單元開采引起的A點(diǎn)的下沉為：

若煤層是水平的，煤層坐標(biāo)系（t，s）和地面坐標(biāo)（x，y）的水平投影重合，則單元B（坐標(biāo)為（s，t））的開采引起地表任意點(diǎn)a（坐標(biāo)為（x，y））的下沉W0（x，y）為[10]：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

程序是根據(jù)概率積分法思想來實(shí)現(xiàn)的。從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看，概率積分法認(rèn)為任意開采條件下都可以把整個(gè)開采分解為許多或無線多個(gè)微小單元的開采，整個(gè)開采對(duì)地表的影響等于所有單元影響的總和，而可以從單元開采入手，研究下沉盆地的方程式。主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程圖

4 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

此文基于AE編程，調(diào)用工作面參數(shù)，根據(jù)概率積分法原理，計(jì)算得出工作面內(nèi)任意點(diǎn)的下沉值，并根據(jù)沉陷值生成圖像[11]。計(jì)算中主要用到MapControl、TOCControl、ToolbarControl、SceneControl4個(gè)控件。需要說明的是，每個(gè)AE程序都要加一個(gè)LicenseControl控件。

操作基本上按圖1主程序流程圖進(jìn)行，主要分為以下幾個(gè)步驟：

第1步，數(shù)據(jù)處理。點(diǎn)擊“生成下沉值”按鈕，輸入工作面參數(shù)，確定后輸入保存路徑，保存處理后的數(shù)據(jù)。

第2步，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將txt文本轉(zhuǎn)換為Shapefile格式的文件。

第3步，加載數(shù)據(jù)，生成點(diǎn)狀圖像。

第4步，生成TIN，并在MapControl與SceneControl中同步顯示。

4.1 數(shù)據(jù)處理

首先，需要收集采區(qū)的部分參數(shù)。本設(shè)計(jì)用到的采區(qū)參數(shù)主要包括：平均開采厚度、下沉系數(shù)、煤層傾角弧度、走向巖層厚度、上山覆巖厚度、下山覆巖厚度、走向長度、傾向長度、左邊界拐點(diǎn)偏移距、右邊界拐點(diǎn)偏移距、上邊界拐點(diǎn)偏移距、下邊界拐點(diǎn)偏移距、最大影響角正切值，這些數(shù)值收集和整理后可以在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候輸入到沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)界面里面。

最大影響半徑、工作面的長度和寬度、最大下沉值都可以根據(jù)以上這些參數(shù)通過概率積分法計(jì)算得出，然后計(jì)算工作面內(nèi)任意點(diǎn)的下沉值并輸出最終的下沉數(shù)據(jù)。下面給出計(jì)算任意點(diǎn)下沉值的方法。

在開采水平煤層時(shí)，設(shè)煤層采出厚度為m，開采面積為F，如圖2所示，則開采單元積dF引起地表點(diǎn)的下沉將為DW0=q·mf（S）dF，當(dāng)面積F全部采出后，地表點(diǎn)A的總下沉值為WA[12]。

式中，q為下沉系數(shù)，主要決定于頂板管理方法；f（S）為單位面積dF至A點(diǎn)距離S的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)一般稱為影響函數(shù)。

將f（S）、dF分成沿x、y 兩個(gè)方向來考慮：

圖 2 水平煤層

根據(jù)《幾何理論》研究地表變形的規(guī)律，認(rèn)為地下開采對(duì)地表點(diǎn)下沉的影響服從于正態(tài)分布，因此影響曲線函數(shù)為一高斯曲線，即

所以，

系統(tǒng)運(yùn)行后，第一步操作是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)擊“生成下沉值”，輸入工作面參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，在彈出的對(duì)話框中輸入保存路徑，點(diǎn)擊“確定”后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“完成”對(duì)話框，點(diǎn)擊并完成第一步操作。數(shù)據(jù)處理后將以txt文本格式輸出。

4.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

第一步處理完數(shù)據(jù)生成下沉值后，以txt文本格式輸出。此時(shí)，需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式才能進(jìn)行下一步操作，類似于ArcGIS中數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中主要是將txt文本格式轉(zhuǎn)換成Shapefile格式，然后再將其加載進(jìn)程序中。

從txt到Shapefile轉(zhuǎn)換主要有2種方式。其一主要是在ArcView中進(jìn)行。具體步驟是file--extentions--Generate to shape，可以加載相應(yīng)的模塊，然后點(diǎn)擊view--add Generate Theme對(duì)話框中加載，完成轉(zhuǎn)換。此文采用另一種方式，利用ArcToolbox/Samples/Data Management/Features中 的2個(gè)工具Create Features From Text File（導(dǎo)入）和Write Features To Text File（導(dǎo)出）完成txt文件格式的要素導(dǎo)入導(dǎo)出。程序流程如圖3所示。

圖3 txt轉(zhuǎn)Shapefile流程圖

格式轉(zhuǎn)換的部分代碼如下：

OpenFileDialog pOpenFileDialog = new OpenFileDialog();

pOpenFileDialog.Filter = "文本文件|*.txt";

pOpenFileDialog.InitialDirectory = Application. ExecutablePath;

if (pOpenFileDialog.ShowDialog() != DialogResult. OK) return;

m_txtFilePath = pOpenFileDialog.FileName.ToString();

SaveFileDialog pSaveFileDialog = new SaveFileDialog();

pSaveFileDialog.Filter = "shp文件|*.shp";

pSaveFileDialog.InitialDirectory = Application. ExecutablePath;

if (pSaveFileDialog.ShowDialog() == DialogResult. OK)

……

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊“txt轉(zhuǎn)換為shp”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇第一步生成下沉值后輸出的txt文本，選中并確定后，選擇保存路徑將轉(zhuǎn)換格式后的數(shù)據(jù)命名、保存起來。格式轉(zhuǎn)換完成以后，需要檢查其最終的數(shù)據(jù)是否正確，如果發(fā)現(xiàn)空文本或空數(shù)據(jù)集，說明轉(zhuǎn)換不正確。還可以通過加載格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件到系統(tǒng)中，進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.3 圖像顯示

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Shapefile格式后，就可以將其加載進(jìn)來。

添加shp文件的代碼如下:

//添加shp文件到Map

private void AddData_Click(object sender, EventArgs e)

{

arclss.Addshp();

this.axMapControl1.Map.AddLayer(arclss.PLayer as ILayer);

this.axMapControl1.Refresh();

點(diǎn)擊“加載數(shù)據(jù)”，選中格式轉(zhuǎn)換后的文件，點(diǎn)擊“確定”，成功添加shp文件后，圖層樹控件——TOCControl中會(huì)有一個(gè)shp文件的圖層，它可以顯示出文件的要素為點(diǎn)狀要素，而右邊地圖控件——MapControl中顯示的圖像則為本次設(shè)計(jì)選取的所有采樣點(diǎn)。

加載數(shù)據(jù)成功之后，就可以在工具欄控件——ToolbarControl上面進(jìn)行操作，如中心放大、中心縮小、漫游、全圖、選中位置縮小和放大等。

通過這些點(diǎn)狀圖像，并不能直觀地獲取其他信息，因此，接下來需要通過其生成TIN，然后加載TIN進(jìn)來，在MapControl與SceneControl中分別顯示二維和三維的圖像。從散點(diǎn)到連續(xù)表面，需要引進(jìn)數(shù)字高程模型的概念。

4.4 數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬。最為常見的表示方法主要是規(guī)則格網(wǎng)——GRID和不規(guī)則三角網(wǎng)——TIN，如圖4所示。規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織類似于圖像柵格數(shù)據(jù)，而它的每個(gè)像元的值是高程值，即格網(wǎng)DEM是一種高程矩陣。不規(guī)則三角網(wǎng)直接利用原始的采樣點(diǎn)進(jìn)行地表重建，由連續(xù)的相互連接的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測點(diǎn)的密度和位置。

圖4 GRID和TIN

本設(shè)計(jì)主要通過TIN來建立地形模型。在格式轉(zhuǎn)換后，運(yùn)行系統(tǒng)，點(diǎn)擊“三維顯示”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選中轉(zhuǎn)換格式后的shp文件并確定，生成并加載TIN,如圖5所示。

圖5 生成TIN圖像

生成TIN的部分代碼如下：

pOpenFileDialog.Filter = "shp文件|*.shp";

if (pOpenFileDialog.ShowDialog() == DialogResult. OK)

{

string tempPath = pOpenFileDialog.FileName. ToString();

stringtemp1=System.IO.Path.GetDirectoryName (tempPath);

string tempname =System.IO.Path.GetFileName (tempPath);

IWorkspaceFactoryp WorkspaceFact = newShapefile WorkspaceFactoryClass();

IWorkspacepWorkspace=pWorkspaceFact. OpenFromFile(temp1, 0);

IFeatureWorkspacepFeatureWorkspace=(IFeatureWor kspace)pWorkspace; IFeatureClasspFeatClass=pFeature Workspace.OpenFeatureClass(tempname);

IFeatureLayer pFLayer = new FeatureLayer();

pFLayer.FeatureClass = pFeatClass;

IFields pFields = pFeatClass.Fields;

IFieldpHeighField=pFields.get_Field(pFields. FindField("S"));

IGeoDataset pGDS = pFeatClass as IGeoDataset;

IEnvelope pEnv = pGDS.Extent;

pEnv.SpatialReference = pGDS.SpatialReference;

ITinEdit pTinEdit = new TinClass();

pTinEdit.InitNew(pEnv);

object obj = Type.Missing;

pTinEdit.AddFromFeatureClass(pFeatClass, null, pHeighField, null, esriTinSurfaceType.esriTinMassPoint, ref obj);

pTinEdit.SaveAs("D:\daaa", ref obj);

pTinEdit.StopEditing(false);

在生成TIN并加載進(jìn)來后，于MapControl與SceneControl中分別顯示二維和三維圖像。需要考慮二者的同步顯示和更新問題，即同步縮小和放大等。以中心放大為例，部分代碼如下：

IEnvelope penv = this.axMapControl1.Extent; penv.Expand(0.8, 0.8, true);

this.axMapControl1.Extent = penv;

IActiveView pActiveView = this.axMapControl1.Map as IActiveView;//得到接口

IEnvelope pEnvelope = (IEnvelope)pActiveView. Extent;//獲得顯示范圍

pEnvelope.Expand(0.8, 0.8, true);

pActiveView.Extent = pEnvelope;

pActiveView.Refresh(); //刷新

……

ISceneViewer pSceneViewer = this.axSceneControl1. SceneGraph.ActiveViewer as ISceneViewer;

pSceneViewer.Redraw(false);//重繪現(xiàn)場

4.5 三維場景

生成TIN圖像后，在MapControl中的二維顯示如圖5，還可以進(jìn)一步通過分層設(shè)色來使圖像中地貌高程分布及其相互對(duì)照鮮明，如圖6所示。但是，通過2 個(gè)圖我們?nèi)匀徊荒軌蚝苤庇^地看出地表的變形，需要通過場景控件——SceneControl來顯示三維場景，比較直觀地表達(dá)地表的變形情況，顯示出來的圖像也是整個(gè)設(shè)計(jì)最終的可視化結(jié)果，如圖7所示。

圖6 分層設(shè)色

圖7 地表變形三維場景

我們可以通過ToolbarControl上的工具來調(diào)整圖像，如點(diǎn)擊“漫游”，按鈕在圖中可以觀察任一方向的地表變形。

5 結(jié) 語

1）本文以概率積分法為基礎(chǔ)，利用C#語言開發(fā)出開采沉陷預(yù)計(jì)程序核心程序，通過調(diào)用工作面參數(shù)預(yù)計(jì)地表下沉盆地內(nèi)任一點(diǎn)的下沉值，并輸出數(shù)據(jù)。

2）在設(shè)計(jì)中完成了數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將輸出數(shù)據(jù)的txt文本格式轉(zhuǎn)換為Shapefile格式，并利用AE將轉(zhuǎn)換格式后的數(shù)據(jù)以圖形輸出，這樣就可以比較直觀地觀察工作面內(nèi)的點(diǎn)分布。

3）完成了TIN的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)了開采沉陷可視化，可以直觀地觀察到工作面內(nèi)的地表變形情況。

4）實(shí)現(xiàn)了MapControl與SceneControl的同步顯示和更新，并初步實(shí)現(xiàn)分層設(shè)色，使圖像中地貌高程分布及其相互對(duì)照更加鮮明。

[1] 趙林林,佟光成,申靈玲,等． 基于ArcObjects的地表沉陷信息可視化技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J]．中國礦業(yè),2007(11):33-35

[2] 王飛．基于MapGIS的開采沉陷預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)[D]．焦作：河南理工大學(xué)，2010

[3] 路兵．基于C#的礦山開采沉陷預(yù)計(jì)可視化系統(tǒng)[D]．青島：山東科技大學(xué)，2011

[4] 李青元，林宗堅(jiān)，李成名．真三維 GIS 技術(shù)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．測繪科學(xué)，2000,25(2)：47-51

[5] 周新耿，劉芬．二維三維空間信息系統(tǒng)的結(jié)合和應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005,33(3):101-103

[6] 劉仁義，劉南．ArcGIS開發(fā)寶典——從入門到精通[M]．北京：科學(xué)出版社，2006

[7] 劉貴明,張衛(wèi)國,蘭小機(jī)． 基于ArcGIS Engine的礦山3D-GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]． 金屬礦山,2009(5):92-95

[8] 王玲，吳侃，奚新麗． 基于ArcGIS Engine的開采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)[J]． 測繪科學(xué),2008,33(4):153-154

[9] 吳侃． 開采沉陷預(yù)計(jì)一體化方法[M]． 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

[10] 張應(yīng)昌,孫亞峰,何堯． 基于概率積分法的開采沉陷預(yù)計(jì)分析[J]．山西建筑,2009(20):119-120

[11] 白力改，譚志祥，柳聰亮，等．基于ArcGIS的開采沉陷預(yù)計(jì)分析可視化方法[J]．金屬礦山,2010(5):140-142

[12] 翟厥成,洪加明．地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)下沉值的預(yù)計(jì)[J]．礦山測量,1978(2):35-43

[13] Demers M N． 地理信息系統(tǒng)基本原理 [M]．北京:電子工業(yè)出版社，1999

[14] 張新宇,陳殿友,楊天行． Arc/View中Shapefile數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)剖析及格式轉(zhuǎn)換[J]． 吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003(4):399-402

P208

B

1672-4623（2015）02-0126-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.045

李青青，碩士，研究方向?yàn)榈貓D制圖與地理信息工程。

2014-03-12。

項(xiàng)目來源：安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1208085QE91）；安徽省國土資源科技資助項(xiàng)目（2012-k-24）。