趙 琛，唐 凝，曹其嘉

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

我國(guó)絕大部分煤礦都處在地底下，在進(jìn)行煤礦開(kāi)采過(guò)程中，需要對(duì)綜采工作面和巷道進(jìn)行掘進(jìn)[1]。為了更好地完成巷道掘進(jìn)工作，在開(kāi)展相關(guān)工作時(shí)，礦井測(cè)量人員需要對(duì)井下相關(guān)參數(shù)進(jìn)行不間斷的觀測(cè)測(cè)量，整個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，包括測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)信息以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的各種成果等[2]?；跍y(cè)量結(jié)果還需要對(duì)采掘工作面的平面圖、井上井下對(duì)照?qǐng)D等礦區(qū)的二維圖進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。這些工作如果完全依賴人工進(jìn)行操作，不僅效率低，而且工作量非常大，容易出現(xiàn)人為失誤[3]?；诖?，有必要設(shè)計(jì)研究煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)，以便對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行規(guī)范化的管理和存儲(chǔ)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析與處理，得到想要的結(jié)果[4]。測(cè)量地理信息系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，能顯著降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量和效率[5]。

本文主要結(jié)合煤礦測(cè)量中的基本需求，對(duì)測(cè)量地理信息系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與介紹，將其成功應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 整體框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計(jì)

在充分結(jié)合煤礦實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)劃分為6個(gè)模塊。煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)的整體框架方案如圖1所示。其中6個(gè)模塊分別為測(cè)量工具管理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)處理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化模塊、基礎(chǔ)GIS功能模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊。

圖1 煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)的整體框架方案Fig.1 Overall framework scheme of coal mine surveying geographic information system

①系統(tǒng)設(shè)置的主要作用是對(duì)信息系統(tǒng)進(jìn)行配置，對(duì)系統(tǒng)中的用戶進(jìn)行管理，設(shè)置用戶的權(quán)限等；②數(shù)據(jù)管理模塊的主要是對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行入庫(kù)處理；③數(shù)據(jù)處理模塊是對(duì)相關(guān)的測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢驗(yàn)核算，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的平差進(jìn)行計(jì)算，生成相關(guān)的測(cè)量路線；④數(shù)據(jù)可視化模塊主要是對(duì)數(shù)據(jù)處理成果進(jìn)行入庫(kù)處理，同時(shí)生成報(bào)表進(jìn)行輸出；⑤基于基礎(chǔ)GIS功能模塊可以在系統(tǒng)中自動(dòng)生成煤礦巷道，并且以可視化的方式顯示預(yù)測(cè)的貫通誤差，將礦山和礦井中相關(guān)的空間信息以可視化的形式展現(xiàn)；⑥測(cè)量工具管理模塊的作用主要是對(duì)相關(guān)的坐標(biāo)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

1.2 系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)搭建過(guò)程中，需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息管理技術(shù)等[6]。礦山在運(yùn)行過(guò)程中所有的測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)都需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)。本研究中通過(guò).Net Framework 4.0平臺(tái)，基于C/S架構(gòu)來(lái)搭建信息系統(tǒng)，使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#。煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖2所示。信息系統(tǒng)通過(guò)MVC和插件式框架，基于ADO.Net實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，通過(guò)ArcGIS Engine10.0引擎對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的二維圖形進(jìn)行操作與編輯，利用DevExpress實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖2 煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)的技術(shù)框架Fig.2 Technical frame diagram of coal mine surveying geographic information system

2 測(cè)量地理信息系統(tǒng)主要功能算法研究

2.1 導(dǎo)線平差計(jì)算

礦井的空間比較小，條件比較特殊，在井下布置控制網(wǎng)時(shí)無(wú)法像地面那樣方便，具體操作時(shí)只能沿著巷道布置相關(guān)導(dǎo)線。井下導(dǎo)線網(wǎng)布置工作是實(shí)現(xiàn)巷道和工作面標(biāo)定等測(cè)量工作的重要基礎(chǔ)和前提。由于地面和井下采用的是不同的布線方式，所以使用的坐標(biāo)體系也會(huì)存在一定的差異，為了實(shí)現(xiàn)地面與井下坐標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，在對(duì)井下導(dǎo)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)，需要利用系統(tǒng)中的程序?qū)ζ溥M(jìn)行統(tǒng)一的處理，實(shí)現(xiàn)與地面坐標(biāo)系的統(tǒng)一化。

所有導(dǎo)線數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)的類型劃分和存儲(chǔ)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和格式進(jìn)行平差計(jì)算。具體而言，需要計(jì)算的內(nèi)容包括角度閉合差、角度平差值、方位角以及坐標(biāo)增量等。信息系統(tǒng)中導(dǎo)線平差計(jì)算的主要流程如圖3所示。需要說(shuō)明的是，由于礦井中的測(cè)量條件非常有限，礦井中使用的導(dǎo)線，一般都是以支導(dǎo)線的模式進(jìn)行延伸。為了保障煤礦開(kāi)采過(guò)程的安全性，需要在導(dǎo)線的其實(shí)端和終點(diǎn)端分別增加設(shè)置測(cè)陀螺邊。這樣可以直接測(cè)量得到起始端和終點(diǎn)端的坐標(biāo)方位角，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建方向附合導(dǎo)線。

圖3 導(dǎo)線平差計(jì)算的流程Fig.3 Flow chart of traverse adjustment calculation

2.2 高程平差計(jì)算

本研究中通過(guò)間接平差模型對(duì)高程平差進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合最小二乘法來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算程序。為了計(jì)算過(guò)程的便捷性，把組成法方程中的未知數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為高程的改正數(shù)?；谧钚《朔ǖ母叱唐讲钣?jì)算流程如圖4所示。

圖4 基于最小二乘法的高程平差計(jì)算流程Fig.4 Flow chart of elevation adjustment calculation based on least square method

2.3 陀螺定向數(shù)據(jù)分析

開(kāi)展陀螺定向操作時(shí)，具體的流程可以分為4步：①在地面上某個(gè)已知點(diǎn)上對(duì)陀螺全站儀設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、修正；②在井下需要測(cè)量點(diǎn)的邊上對(duì)陀螺方位角進(jìn)行測(cè)量；③完成測(cè)量工作，設(shè)備回到地面后再次對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)；④對(duì)測(cè)量得到的陀螺定向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，又可以劃分成為2個(gè)步驟，分別為儀器常數(shù)計(jì)算和待定邊坐標(biāo)方位角計(jì)算。

在計(jì)算儀器常數(shù)時(shí)，基于地面已知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)反算，可以計(jì)算得到陀螺方位角和子午線收斂角，再配合使用陀螺全站儀觀測(cè)得到的信息，可以計(jì)算得到坐標(biāo)方位角、地理方位角、儀器常數(shù)等信息?；谇懊嬗?jì)算得到的地面儀器常數(shù)，再結(jié)合陀螺全站儀在井下待定邊上觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，可以對(duì)井下儀器常數(shù)和陀螺方位角進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)待測(cè)邊相關(guān)的資料可以近似的計(jì)算出子午線收斂角，在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到待定邊坐標(biāo)方位角。完成以上計(jì)算工作以后，就可以將陀螺全站儀測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)信息以及計(jì)算得到的成果全部傳入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存，系統(tǒng)可以提供Excel格式的報(bào)表。

2.4 貫通誤差預(yù)測(cè)計(jì)算

在對(duì)煤礦進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，必然涉及到煤礦巷道的貫通工程。貫通效果會(huì)直接影響煤礦的建設(shè)質(zhì)量，必須對(duì)貫通誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制，需要提前對(duì)可能存在的貫通誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，采取措施將貫通誤差控制在最低水平，確保煤礦生產(chǎn)的順利推進(jìn)，降低煤礦建設(shè)的成本。對(duì)煤礦巷道貫通誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可以分為3種情況[7]：①井內(nèi)巷道貫通誤差的預(yù)測(cè)計(jì)算；②立井巷道貫通誤差預(yù)測(cè)計(jì)算；③不同礦井之間巷道貫通誤差的預(yù)測(cè)計(jì)算。對(duì)煤礦巷道進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，很多時(shí)候需要從不同方向上同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)，不同方向最終匯集于一點(diǎn)，相遇點(diǎn)的誤差就是貫通誤差。具體而言，貫通誤差包含3個(gè)方面的內(nèi)容：①在水平面內(nèi)沿著巷道方向的縱向誤差，稱之為量邊誤差；②在水平面垂直方向上的橫向誤差，稱之為測(cè)角誤差；③在水平面豎直方向上的誤差，稱之為高程誤差。以上3種形式的貫通誤差中，第1種貫通誤差對(duì)巷道的掘進(jìn)過(guò)程中的誤差影響最為顯著，而后2種貫通誤差的影響相對(duì)較小。所以本系統(tǒng)中重點(diǎn)針對(duì)第1種貫通誤差形式進(jìn)行計(jì)算分析。

圖5 近井點(diǎn)對(duì)不同礦井貫通誤差的影響Fig.5 Influence of near-well point on penetration error of different mines

2.5 施工放線的計(jì)算

在對(duì)煤礦巷道進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，為了確保掘進(jìn)過(guò)程的準(zhǔn)確性，需要對(duì)巷道的中線和腰線進(jìn)行標(biāo)定，所得到的數(shù)據(jù)稱之為施工放線數(shù)據(jù)[8]。施工放線時(shí)，根據(jù)測(cè)量地理信息系統(tǒng)中內(nèi)置的程序在巷道設(shè)計(jì)地圖上自動(dòng)完成導(dǎo)線點(diǎn)的選擇工作，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算。以圖6為例，對(duì)貫通2號(hào)石門相關(guān)的施工過(guò)程進(jìn)行施工放線數(shù)據(jù)分析，位于主巷道中的A點(diǎn)和C點(diǎn)以及副巷道中的B點(diǎn)和D點(diǎn)，其高程數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)均已知，其中A點(diǎn)和B點(diǎn)正好處在貫通線的中軸線上。對(duì)2號(hào)石門巷道進(jìn)行施工時(shí)，需要標(biāo)定的數(shù)據(jù)主要就是巷道中軸線AB的水平長(zhǎng)度和斜向長(zhǎng)度、坐標(biāo)方位角、2個(gè)端點(diǎn)的指向角、坡度等。以上放線數(shù)據(jù)基于巷道中已知點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合幾何原理可以快速求解。

圖6 施工放線計(jì)算方法示意Fig.6 Schematic diagram of calculation method for construction laying-out

3 空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

測(cè)量地理信息系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含很多方面的內(nèi)容。其中，最主要的包括信息系統(tǒng)本身的配置數(shù)據(jù)、導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)等，另外還包括基于測(cè)量觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到的成果數(shù)據(jù)[9]。以上這些數(shù)據(jù)信息都需要通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類管理和存儲(chǔ)，以便系統(tǒng)用戶隨時(shí)調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。以下主要以導(dǎo)線觀測(cè)E-R信息圖和水準(zhǔn)觀測(cè)信息E-R圖為例進(jìn)行詳細(xì)介紹分析，如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，不管是導(dǎo)線觀測(cè)信息還是水準(zhǔn)觀測(cè)信息，都涉及很多方面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且這些數(shù)據(jù)內(nèi)容會(huì)牽涉到多種不同數(shù)據(jù)格式。本系統(tǒng)中就是充分結(jié)合這種實(shí)際情況，對(duì)不同類型和格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖7 導(dǎo)線觀測(cè)信息的E-R圖Fig.7 E-R diagram of traverse observation information

圖8 水準(zhǔn)觀測(cè)信息的E-R圖Fig.8 E-R diagram of leveling observation information

3.2 系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本文主要基于GIS技術(shù)完成相關(guān)測(cè)量工作，GIS技術(shù)在使用過(guò)程中會(huì)涉及到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[10]。其中，前者反映空間的形狀和位置，后者反映空間的基本屬性，與形狀、位置等無(wú)關(guān)。在對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)使用人員的基本需求，也要考慮數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系問(wèn)題，這樣才能開(kāi)發(fā)出切合實(shí)際的地理信息系統(tǒng)。在本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，空間實(shí)體主要包括點(diǎn)、線和面等。如某些導(dǎo)線點(diǎn)用點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行描述，巷道直接用線進(jìn)行描述，采區(qū)用面進(jìn)行描述。除了對(duì)點(diǎn)、線、面的位置和形狀進(jìn)行定義外，還需要明確不同空間實(shí)體間的相互關(guān)系。在數(shù)據(jù)庫(kù)中需要對(duì)以上數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)并明確其聯(lián)系，基于內(nèi)置的軟件程序可以調(diào)用這些數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立虛擬的空間，實(shí)現(xiàn)礦井地理位置的可視化表達(dá)。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)的實(shí)際效果，基于以上設(shè)計(jì)方案，將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的調(diào)試與測(cè)試。完成調(diào)試工作以后，目前信息系統(tǒng)整體運(yùn)行良好穩(wěn)定。煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)登錄完成以后的界面如圖9所示?？梢钥闯觯缑嬷芯哂卸喾N模塊功能，選擇點(diǎn)擊不同的模塊，可以進(jìn)入不同的界面完成對(duì)應(yīng)的工作。

目前，該煤礦已經(jīng)將前期積累的數(shù)據(jù)信息全部錄入到了信息系統(tǒng)中，使用信息系統(tǒng)以后，采掘以及地質(zhì)勘查過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，全部會(huì)錄入到該系統(tǒng)中進(jìn)行分析與處理。對(duì)于錄入的數(shù)據(jù)，信息系統(tǒng)可以給出對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析圖、繪制二維平面圖，完全取代了原有的通過(guò)手工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的模式，使相關(guān)工作的效率得到了顯著提升，為煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率的提升奠定了良好的基礎(chǔ)。另一方面，在系統(tǒng)調(diào)試階段也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如在數(shù)據(jù)處理方法方面有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，數(shù)據(jù)處理可視化方面也有提升的空間。針對(duì)這些存在問(wèn)題，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析和研究，在實(shí)踐中不斷完善其功能。

圖9 煤礦地理信息系統(tǒng)登陸后的界面Fig.9 Interface of coal mine geographic information system after landing

5 結(jié)論

煤礦在建設(shè)和施工過(guò)程中會(huì)牽涉到大量的測(cè)量和觀測(cè)工作，期間會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)信息。本文主要針對(duì)煤礦測(cè)量地理信息系統(tǒng)進(jìn)行了研究，基于該系統(tǒng)可以對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理。所得結(jié)論主要如下。

(1)設(shè)計(jì)測(cè)量地理信息系統(tǒng)可以分為6大模塊，分別為測(cè)量工具管理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)處理模塊、測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化模塊、基礎(chǔ)GIS功能模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊，不同模塊負(fù)責(zé)完成不同內(nèi)容。

(2)在對(duì)測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，會(huì)用到理論知識(shí)和算法。本系統(tǒng)中已經(jīng)針對(duì)這些理論算法編寫了程序，只需將測(cè)量觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)便可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化的分析處理，并將結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)。

(3)將設(shè)計(jì)的測(cè)量地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試，目前系統(tǒng)整體運(yùn)行良好穩(wěn)定，基本上達(dá)到了預(yù)期效果。系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，顯著提升了煤礦的建設(shè)和生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。