鄭 輝

兗礦集團有限公司 山東 鄒城 273500

0 引言

我國長期煤炭資源開采造成了礦區(qū)地表的一系列地質災害問題，如滑坡、沉降、地裂縫等，這成為了制約煤炭綠色開采的困擾因素。如何快速的監(jiān)測和獲取地表的這些地質形變和災害信息，國內(nèi)外學者及相關機構都進行了相應野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)，如澳大利亞的FieldPAD、加拿大的FieldLog、美國的PenMap、中國地質調(diào)查局的RGMap等系統(tǒng)[1]。這些早期的系統(tǒng)限于當時的計算性能不足、存儲能力有限等問題，多以地質調(diào)查點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GIS、物聯(lián)網(wǎng)、寬帶無線網(wǎng)、多媒體壓縮等新技術的快速發(fā)展，諸如ESRI和百度等大公司也推出的適用于iOS、Android等多種移動平臺的開發(fā)工具和服務，借助這些相關的工具和服務，孫勇[1]、魯學軍[2]、吳晨曦[3]、李越[4]、歐文浩[5]、張靜文[6]等人均進行了基于移動終端的地質災害監(jiān)測巡查系統(tǒng)的開發(fā)；另外，吳揚安[7]、李金雷[8]、曹國平[9]、張晟[10]、劉美靜[11]等人也運用這些技術面向城市管網(wǎng)、設施農(nóng)業(yè)、公路養(yǎng)護等進行了野外數(shù)據(jù)采集與一體化管理系統(tǒng)的開發(fā)。

由于煤炭開采的特殊性，以長壁式開采為特征的開采工藝，造成礦區(qū)開采地表始終處于一種動態(tài)性變化過程，從而造成了礦區(qū)地表的各種地質災害現(xiàn)象時有發(fā)生，因此及時的監(jiān)測和獲取這種礦區(qū)地表的變化信息，對于礦區(qū)地表各種建（構）筑物的保護，對于煤礦井下開采進展規(guī)劃等都具有非常重要的意義。為此，本文在借鑒諸多學者進行移動采集系統(tǒng)設計的基礎上，進行了礦區(qū)地質災害外業(yè)巡查系統(tǒng)的設計與開發(fā)，可實現(xiàn)滑坡、地裂縫、沉降等多種地質災害信息的快速采集，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供了重要參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)框架體系設計

系統(tǒng)綜合應用衛(wèi)星導航與定位（GNSS）、網(wǎng)絡RTK、移動GIS、互聯(lián)網(wǎng)等最新技術，針對礦區(qū)開采所造成的多種地質災害類型和環(huán)境變化信息，進行了野外巡查系統(tǒng)的設計與開發(fā)，主要包括：移動端數(shù)據(jù)模塊的設計與開發(fā)、服務端野外巡查數(shù)據(jù)庫設計及數(shù)據(jù)管理與分發(fā)模塊的開發(fā)等。系統(tǒng)總體架構設計如圖1所示。

（1）技術支撐層

該層主要是系統(tǒng)開發(fā)所采用的主要核心開發(fā)工具及軟件平臺。其中，空間數(shù)據(jù)訪問與管理采用ArcSDE，空間數(shù)據(jù)服務發(fā)布采用ArcGIS Server，屬性數(shù)據(jù)訪問采用ADO.NET，移動端開發(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)地質災害專題數(shù)據(jù)和礦區(qū)業(yè)務數(shù)據(jù)等。礦區(qū)地理數(shù)據(jù)按照國家標準和規(guī)范進行分層組織和管理，礦區(qū)地質災害數(shù)據(jù)按照不同地質災害類型分別進行空間和屬性數(shù)據(jù)的規(guī)范化存儲，礦區(qū)業(yè)務數(shù)據(jù)包括了礦山地質測量相關的專題圖件資料。

（3）服務層

該層主要主要是借助Web Services技術，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、災害屬性數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)服務或地圖服務發(fā)布，以滿足移動數(shù)據(jù)訪問和更新的需求。

（4）應用層

該層主要面向移動端用戶的需求，提供礦區(qū)地質災害的巡查和數(shù)據(jù)采集與遠程更新等功能，如：地圖數(shù)據(jù)的訪問與操作、數(shù)據(jù)更新與管理、災害數(shù)據(jù)的獲取、項目管理等等。

2 系統(tǒng)研發(fā)的關鍵技術

2.1 GPS數(shù)據(jù)解析與網(wǎng)絡RTK技術應用

系統(tǒng)移動硬件平臺選用內(nèi)置GPS和支持Android操作系統(tǒng)的平板電腦，GPS的輸出語句遵循NMEA-0183輸出格式，該格式是由美國國家海洋電子協(xié)會制定的一套通訊協(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。通過對其解析可獲得：可用衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星方位角、衛(wèi)星編號、信噪比等，可實現(xiàn)對衛(wèi)星分布圖的繪制及衛(wèi)星質量狀況判定。通過對該數(shù)據(jù)格式中GPS操作語句的解析和處理，進一步結合網(wǎng)絡RTK技術，通過與基站服務端的網(wǎng)絡連接和差分數(shù)據(jù)獲取等，實現(xiàn)了GPS連接、GPS控制、位置信息提取與結算、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)地質災害類型較多，每一類災害的屬性信息也不盡相同，為此，需要依據(jù)不同的災害類型進行不同數(shù)據(jù)結構體系設計。在服務端進行數(shù)據(jù)結構體系設計時，外業(yè)巡查的災害屬性數(shù)據(jù)以大型關系型數(shù)據(jù)庫進行存儲與管理，外業(yè)采集的災害空間數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎存放在空間數(shù)據(jù)庫中。在移動端，屬性數(shù)據(jù)存儲在嵌入式數(shù)據(jù)庫中。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地圖服務

為了實現(xiàn)移動端礦區(qū)地圖的可視化表達，通過制作并發(fā)布成移動地圖服務，可通過移動端下載成離線緩存地圖，在巡查數(shù)據(jù)采集時，礦區(qū)地質災害的空間位置及分布等信息直接存儲在地圖緩存文件中。

（2）礦區(qū)地質災害空間數(shù)據(jù)與多維屬性數(shù)據(jù)的關聯(lián)存儲

不同地質災害類型，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)、評價結果、外業(yè)照片等多種類別的屬性信息，為了實現(xiàn)地質災害的空間信息與屬性信息的關聯(lián)查詢與分析，我們以地質災害的空間圖層表為主表，按照星型結構以內(nèi)外鍵為關聯(lián)，建立起了礦區(qū)地質災害空間數(shù)據(jù)與多維屬性數(shù)據(jù)的關聯(lián)存儲。具體星型關聯(lián)結構如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

圖2星型結構的地質災害數(shù)據(jù)存儲組織結構

（3）基于項目的巡查數(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，包括了基礎地圖數(shù)據(jù)、各類地質災害的圖層數(shù)據(jù)及巡查數(shù)據(jù)等，為了便于這些數(shù)據(jù)在移動端的統(tǒng)一組織和管理，系統(tǒng)構建了以項目為核心的管理體系，具體項目的組織結構如圖3所示，新建項目時，可通過指定要進行使用的地圖、存放屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和使用的坐標轉換文件等進行項目初始化；野外巡查結束后，通過自動抽取項目中的巡查數(shù)據(jù)，結合移動無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、照片文件等數(shù)據(jù)向服務端的自動回傳。

圖3野外巡查數(shù)據(jù)組織

2.3 基于Web服務的巡查數(shù)據(jù)的遠程更新

野外巡查數(shù)據(jù)的更新主要包括地質災害屬性數(shù)據(jù)更新和空間位置數(shù)據(jù)更新。屬性數(shù)據(jù)更新主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新到大型關系型數(shù)據(jù)庫，位置數(shù)據(jù)更新主要是通過空間數(shù)據(jù)引擎更新到空間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的更新是通過使用Web Service技術開發(fā)實現(xiàn)了服務端數(shù)據(jù)庫操作的中間層。

3 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

基于上述關鍵技術，通過建立礦區(qū)地質災害外業(yè)巡查綜合數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了滑坡、沉降、塌陷等地質災害數(shù)據(jù)的存儲與管理，基于服務端實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫更新管理子系統(tǒng)，基于Android系統(tǒng)開發(fā)了移動端礦區(qū)地質災害外業(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)是在嵌入式移動設備上，實現(xiàn)礦區(qū)地質災害屬性信息及位置信息的動態(tài)采集，其實現(xiàn)的主要功能包括：項目組織與管理、GPS控制與操作、災害位置數(shù)據(jù)采集、災害屬性信息采集、地圖瀏覽與查詢、數(shù)據(jù)管理與遠程傳輸?shù)?。具體實現(xiàn)的移動端功能界面如圖5所示。

圖5 移動端野外巡查子系統(tǒng)

4 結論

煤炭開采給人類帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也不可避免的帶來了各類地質災害現(xiàn)象，給礦區(qū)的安全生產(chǎn)和人們的生活帶來了嚴重干擾，為了能夠及時掌握礦區(qū)地表的這種形變變化，本文借助GNSS、GIS、移動通訊等多種技術手段進行了礦區(qū)地質災害外業(yè)巡查系統(tǒng)的設計與開發(fā)，實現(xiàn)了礦區(qū)多種地質災害空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和遠程數(shù)據(jù)更新，可為礦區(qū)地質災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。