基于 GPS/GIS的矿区变形监测系统的初步设计

刘 辉,何春桂,刘小阳,邱光举

(1.河北工程大学资源学院,河北邯郸 056038;2.河北工程大学水电学院,河北邯郸 056038; 3.防灾科技学院防灾工程系,河北燕郊 065201;4.开滦 (集团)蔚州矿业有限责任公司,河北蔚县 075700)

基于 GPS/GIS的矿区变形监测系统的初步设计

刘 辉1,何春桂2,刘小阳3,邱光举4

(1.河北工程大学资源学院,河北邯郸 056038;2.河北工程大学水电学院,河北邯郸 056038; 3.防灾科技学院防灾工程系,河北燕郊 065201;4.开滦 (集团)蔚州矿业有限责任公司,河北蔚县 075700)

简要介绍了全球定位系统 (GIS)和地理信息系统 (GPS)的特点,简述了 GPS矿区变形监测网的设计依据、网点和网形的设计原则;GIS技术在数据管理中的作用。给出了基于 GPS/ GIS的矿区变形监测系统开发的技术路线以及系统设计的模块,并介绍了各个系统模块的功能。

全球定位系统 (GPS);地理信息系统 (GIS);矿区变形监测

在矿山开采中,无论是露天开采还是井下开采常常会由于采空区地表的移动引起地表建筑物、构筑物的破坏,给人们的生产生活带来巨大的隐患。因此,矿山企业在矿区设置了一定数量的具有代表性的变形监测点,并进行长期或多期观测,从而获得有关变形的规律并进行预报,来保证人们的生命财产安全。

1 全球定位系统、地理信息系统的特点

全球定位系统 (GPS)技术具有全天候、自动化、选点灵活、可同时测定点的三维位置与速率等优点,因而为矿区变形监测提供了一种新的有效的数据采集手段。在短距离静态相对定位中,采用GPS卫星广播星历,GPS定位精度达毫米级。如果采用精密星历和相应的数据处理软件,定位精度可达亚毫米级;长距离静态相对定位可达 10-8的相对精度。因此,GPS作为一种新方法已广泛用于高精度地表变形的监测。

对于矿区地表变形监测,不仅注重结果,还要分析产生变形的原因。因此,需要了解采空区地表在空间上的移动量、产生位移的原因以及哪些因素起主要作用,这有利于制定相应的决策措施。

要实现这一目标,就需要借助于地理信息系统(GIS)的空间分析功能,即需要建立一种基于GPS/GIS集成的采空区地表变形监测系统。利用GIS技术,不仅可对监测信息进行有效的管理,而且还可从不同的空间和时间尺度上分析变形发生与环境因素之间的关系,揭示出产生变形的内在因素和外部因素。

GPS与 GIS的集成将有助于煤矿安全监测的数据处理自动化和信息管理自动化,有利于制定预防灾难性事件发生的科学、有效的决策措施,有利于建立高效、快速的事故处理反应机制。

2 GPS矿区变形监测网的建立

2.1 GPS矿区变形监测网的技术设计

与常规变形监测网的技术设计相类似,GPS矿区变形监测网在进行基准设计时,最好能联测至少一个测区附近高精度的国家 GPS点 (A,B,C级点等),保证监测网达到D级,确保 GPS网点的位置基准达到毫米级精度,能有效提高 GPS基线解算精度。

2.2 监测网的设计依据

GPS矿区变形监测网的技术设计既要依据 GPS测量规范和规程,又要依据工程测量规范、各部门制定的规程以及矿区变形监测任务书。具体依据为:l992年由国家测绘局编制发布的《全球定位系统 (GPS)测量规范》;1993年由国家技术监督局、建设部联合编制发布的《工程测量规范》; 1979年煤炭工业部编写的《煤矿测量手册》;矿区变形监测任务书或合同书。

2.3 网点及网形的设计

GPS矿区变形监测网点的设计包括基准点的设计和监测点的设计。

GPS矿区变形监测的基准点点位的确定原则:地质条件好,点位稳定;适合 GPS观测条件,并无显著多路径效应;远离工作面,点位不受开采影响;可选用经实践证明,点位稳定的原矿区内的基准网点。因原基准点都经地质勘探,且建有稳固的观测墩,便于稳定性分析。

GPS变形监测的监测点点位的选定原则:能有效的反映监测区域的变形特征;适合 GPS观测条件;一般应选在工作面的正上方,沿工作面的走向、倾向布设;要有足够的密度,保证能覆盖变形影响的所有区域。

3 GIS技术在矿区变形监测数据管理中的作用

GIS是为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。GIS系统经过几十年的发展,许多系统中都增加了模型应用功能,从而增强了 GIS分析功能,使 GIS应用范围得到扩大,应用水平也有了很大提高。

GIS技术用于管理矿区变形监测的数据,要充分考虑矿区地表变形监测数据的特殊性,充分体现地表变形数据与工作面布置、开采进度、深度的关系,要能反应出各种不同地质条件下进行开采所造成的地表破坏情况,不仅要给出各监测点的空间变形量,还要从时间上得出变形规律,为合理开发利用煤矿资源提供技术依据。

4 基于 GPS/GIS的矿区变形监测系统的设计

4.1 系统开发的技术路线

在理论研究与系统开发的初始阶段,利用三维移动平台模拟进行 GPS变形监测,根据实测数据验证解算被监测对象变形量的数学模型的正确性和精度,并对模型进行完善;利用实验数据按系统软件的总体设计进行编码,实现软件的主体功能。研究的技术路线见图 1。

图 1 基于 GPS/GIS的矿区变形监测系统技术路线

4.2 系统的初步设计

矿区变形监测系统采用可视化编程语言Visual Basic作为平台,使系统有一个友好的界面,方便与操作系统的信息交换,读取野外采集的 GPS监测数据;以 ESR I公司的地理信息系统软件MapObjects组件将 GIS功能嵌入其中,以充分发挥其对地图显示、编辑、查询、存取等优势,使图形操作功能更加灵活。本系统主要由用户界面及操作子系统、数据采集和预处理系统、监测数据库管理子系统、数据输出子系统以及辅助系统 5个模块组成(如图 2所示)。

图2 系统的结构框架

(1)用户界面及操作子系统 主要功能包括:权限管理、工程概况、各子系统之间的数据通讯。

(2)数据采集和预处理系统 收集各种原始数据并对其完成数字化处理,在经过编辑、格式转换等预处理后,还需要经过复杂、细致的图形编辑和信息的自动拓扑工作,才可以初步完成对地图所做的矢量化信息处理,并存入数据库,实现数据的长期存储。主要功能包括:GPS监测数据的自动采集、基线解算、GPS数据平差、坐标转换,GPS/GIS数据格式转换等。

(3)数据库管理子系统 可以被其他子系统调用的空间数据库是 GIS的基础,该数据库包含经过预先处理的地理数据集,分为空间数据和非空间数据 (属性数据)。

空间数据表示在某一坐标系下标识地理空间位置的数据,即以点、线、面表示物体的空间特性,例如矿区范围、工作面布置图、点位分布图、变形量显示等。

非空间数据表示物体性质特征,例如矿区信息、工作面信息、工程概况、点位统计等信息。

空间数据库通过本系统可以调用数据库中的各种有用信息,是应用程序和数据库进行数据交换的界面。管理程序主要完成的任务是图形刷新、信息检索、属性数据库的编辑修改等。

(4)数据分析子系统 作为本系统的重要组成部分,其作用在于对 GPS监测数据的变形分析,以便于准确、可靠的提供监测工作基准的稳定性和监测点的变形状况。主要内容包括对基准点稳定性分析、监测点的变形分析、精度评定、缓冲区分析、变形预报等。

(5)成果输出子系统 是完成对数据的整理,用图表的形式输出 GPS监测网的网形、各期监测数据统计表、某一监测点的变形曲线、下沉曲线的数值模拟等,以便于对变形规律进行分析,并以适当的格式在屏幕、打印机、绘图仪等设备上进行数据输出,达到人机交流的目的。

(6)辅助系统 完成一些需要特殊处理的工作。如建立图幅、建立图廓、统计汇总、信息分析等工作。

5 结论

(1)由于 GPS技术具有速度快、精度高、自动化程度高以及选点灵活等方面的优点,GIS技术在获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据等方面具有独特的优势,将两者集成应用于煤矿安全监测中,将大大提高监测工作的自动化。

(2)该系统的核心功能包括监测数据的变形分析、数据管理以及监测成果的可视化与成果输出。在数据管理上该软件采用 GIS技术管理 GPS监测数据的方法,有效地解决了矿区变形监测数据量大、数据类型多、数据结构复杂等难题。

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[责任编辑:施红霞]

Prelim inary Design for Deformation M on itoring System of M in ing Area Based on Integrated GPS/GIS

L IU Hui1,HE Chun-gui2,L IU Xiao-yang3,Q IU Guang-ju4

(1.Resources School,Hebei EngineeringUniversity,Handan 056038,China; 2.School ofWater Conservancy&Hydroelectric Power,Hebei EngineeringUniversity,Handan 056038,China; 3.Disaster Prevention Department,Institute ofDisaster Prevention,yanjiao 065201,China; 4.WeizhouMining Co.,Ltd,Kailuan Group,Yuxian 075700,China)

This paper introduced characteristics of global position system (GPS)and geological information system (GIS)and resumed design basis and principles of GPS deformation monitoring of mining area and the role of GIS in data management.It also put forward a technical routine of developing GPS/GIS deformation monitoring system ofmining area and introduced everymodule function of the system.

global position system(GPS);geological information system(GIS);deformation monitoring ofmining area

TD325.4

A

1006-6225(2010)03-0106-03

2009-12-24

河北工程大学青年基金 (2009Z27)

刘 辉 (1982-),男,山东肥城人,工学硕士,讲师,从事矿山测量、GPS数据处理、3S集成等方面的教学与科研工作。