高潜水位矿区耕地生产力损害评价GIS系统实现

2012-01-09王旭春管晓明李东发

中国矿业 2012年10期

袁越，王旭春，张鹏，管晓明，李东发，张凯

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；4.国网能源和丰煤电有限公司，新疆和布克赛尔 834411)

煤炭开采沉陷对矿区土地资源造成严重损害。科学有效地评价和控制煤炭的开采损害，是煤炭资源开采过程中的重要研究课题[1]。GIS技术已成为开采损害评价的重要工具，国内外学者针对不同区域、不同开采损害特征，基于不同的开发平台和评价方法，建立了相应的损害评价系统，取得了大量有益的研究成果。文献[2]针对丘陵和低平山地的地形变化情况，改进了概率法，在GIS(MapInfo)平台下，建立了塌陷损害评价系统。文献[3]利用空间数据库技术和决策系统理论，基于Arcview平台，实现了塌陷地土地复垦辅助决策支持系统。文献[4]以概率积分法为沉陷预计应用核心模型，采用ArcIMS开发平台，构建了开采损害评价WebGIS系统。文献[5]借助于动态数据交换(DDE)实现了MATLAB与Arcview平台之间的数据传输和塌陷区三维可视化，并对张北井田作了环境影响评价。我国东部高潜水位矿区耕地损害严重[6-8]，人地矛盾尤为突出，补偿纠纷难免发生。目前的研究成果,未针对东部高潜水位的特点进行损害评价系统的研发，亦未将评价、二维及三维可视化和补偿计算有机的结合，形成一体化评价系统。为此，本文针对东部高潜水位矿区开采沉陷耕地损害特征，着重从评价补偿一体化系统构建的角度，分析系统功能的总体设计、集成方式和数据库的建立，并探讨系统功能实现的方法。本系统的构建,将为矿区耕地生产力的恢复、土地复垦方式与补偿工作,提供必要的科学依据和有力的技术支持，使得开采损害评价补偿更加快捷和有效。

1 系统需求分析和总体设计

1.1 系统需求分析

系统需求分析是本评价系统构建的一个关键环节，为整个系统的实现奠定了基础。依据目前东部高潜水位采煤沉陷区耕地破坏的现状以及影响因子，需求分析主要包括数据需求分析和功能需求分析。

本系统数据库数据包括了多种数据类型、多样的数据获取渠道和多种的数据处理方式，主要有：①基础数据库：储存研究区内地形地貌、采矿工程地质、自然区划等。②变形预计值数据库：数据内容有地表下沉值(W)、地表曲率变形(K)、地表倾斜值(I)、水平移动变形(U)、水平拉伸变形(ε)等。③计算结果数据库：存储损害评价过程中生成的过渡图层数据、shp文件数据及计算结果、统计数据等。

本系统的目的是实现对评价区耕地生产力损害程度的分级标定和补偿计算，要求实现的基本功能有：①评价因子及其它数据信息的获取：在GIS平台软件支持下,获取属性数据库中所需变形预计值数据,以及与损害评价相关的耕地资源属性信息，作为评价参数及相关专门计算分析源数据。②耕地生产力损害评价与分析：该功能是本评价系统的关键功能，通过评价计算模型，调用相关数据库，求出各评价单元的综合指标，结合损害评价标准,实现破坏程度的分等定级。③空间信息结果查询：根据综合评价计算结果图，可以查询任意形状目标区域耕地生产力损害情况的统计数据，为决策、管理提供科学依据。④评价信息可视化：整个评价计算过程、评价结果和查询结果,采用直观、生动的二维图形图像、三维视图和数据表的方式显示。⑤绘制沉陷剖面：可对采煤沉陷区的三维视图中任意两点之间提取沉陷断面，进而弄清评价单元沉陷损害的空间分布变异性随平距的变化规律及其与地下潜水位线的上下位置关系。

1.2 系统总体设计

根据东部高潜水位矿区的实际情况以及系统的使用对象和评价对象，确定系统的目标和任务是:以ArcGIS为平台基础，合理选择编程工具，建立空间数据库，综合应用ActiveX技术和三维可视化技术，对ArcGIS平台进行扩展，开发出与功能相适应的各评价分析模块，进而集成为专业应用型的GIS可视化评价系统，为矿区规划管理部门进行土地复垦治理和补偿工作提供一定的科学依据和空间信息管理平台。通过选取典型开采沉陷耕地损害区域进行损害评价计算和分析，检验系统的有效性和精确性，并进行进一步的修改和完善。

依据系统的开发目标和系统的功能需求分析，系统的总体设计如图1所示。系统结构主要包括图形、属性数据的维护和处理、空间信息查询和评价结果分析、损害评价计算、三维分析和信息输出等五大部分。图形、属性数据的维护和处理的主要功能,是对属性数据进行内部排序和图形图像数据分层提取，生成耕地损害评价系统所需的各类数据格式。损害评价计算是依据各评价单元的综合指标，结合损害评价标准实现损害分级标定，并自动计算出各目标区的各级损坏面积和补偿金额。空间信息查询和评价结果分析,可实现任意子目标区耕地损坏信息的分类查询和评价结果的统计分析。三维可视化提供采煤沉陷耕地损害评价区三维场景的生成及查询空间属性、绘制任意两点间剖面的功能。

2 软件平台的选择及系统实现方法

2.1 软件平台的选择

鉴于需满足开放的开发环境(ODE)、数据统一及共享、组件(COM)技术、空间分析和数据处理能力强等要求，特选取美国ESRI公司研制的桌面GIS软件ArcGIS 9.2作为系统的软件开发平台。选择具有简单、通用性强、支持多种数据格式文件等特点的微软公司著名的桌面数据库软件Microsoft Access 2003作为后台属性数据库。采用Visual Basic 6.0面向对象可视化程序设计语言，实现系统的数据库管理、各评价功能模块开发，完成评价系统的集成等功能。

图1 系统总体设计示意图

2.2 系统实现方法

开采沉陷预计是进行开采损害评价的基础性工作，所得的地表变形预计值是评价系统的主要数据源，在此通过“开采沉陷可视化工程分析设计系统”[9]预计生成并转入空间数据库。本评价系统两个核心功能实现的技术方法,是开采沉陷区耕地生产力损害评价的二维可视化和采煤沉陷区的三维可视化。

开采损害评价的二维可视化,是通过区域地形图、耕地利用类型图和井上下对照图的叠置分析，调用所需的评价基础数据，结合评价标准，逐个识别评价单元进行渲染损害分级和补偿计算，并利用ArcObjects的控件MapControl来实现。空间查询和分析,可以通过ArcGIS相应的组件进行定制和扩展。

采煤沉陷区的三维可视化,是根据开采沉陷地表移动变形预计值生成TIN表面，并进行纹理叠加。沉陷区三维场景的生成和任意剖面图的提取,可利用ArcObjects的三维可视化控件ArcScene来实现，通过调用控件的对象、属性和方法生成可视化图形、图像。

考虑煤炭开采沉陷对耕地生产力影响的本质因素，并针对我国东部高潜水位采煤沉陷区耕地损害的典型特征，本文引入文献[10]中所构建的综合定量评价模型。评价模型与GIS的集成有不同的方式，包括文件传输方式、系统调用方式、动态数据交换方式(DDE)、动态联接库方式(DLL)以及组件方式(ActiveX)等。考虑到模型对基础数据及GIS功能的要求、用户界面的统一性、模型与GIS连接的紧密性,以及程序设计工作的难易程度，本系统的集成方式采用DLL及其扩展方式。

3 数据库的建立

构建空间数据库是进行沉陷区耕地生产力损害评价的重要环节。本系统的空间数据库由图形数据库和属性数据库两部分构成，数据库结构见图2。

图形数据的获取,是通过对评价区的地形地貌图、采矿地质条件图及各类专题图的数字化及解析测图。图形数据内容主要由地理底图数据、shp文件、Coverage文件、CAD图件组成。本系统的属性数据获取,采用手动录入的方式，同时通过开采沉陷可视化工程分析设计系统(MSVEADS2001)[9]预计生成并转存到属性数据库中。属性数据内容主要包括土地属性数据表、移动变形预计值数据表、分级标准及评价参数数据表、耕地损害补偿标准数据表等,并通过Microsoft Access 2003数据库软件进行管理。

虽然图形数据库和属性数据库各自独立存储，但是在进行开采沉陷损害评价访问数据库的时候,要求它们实时链接。为此，本系统空间数据库通过编写动态链接码(FID),把图形库与属性库进行链接。

4 系统主界面与各主要功能模块

本系统操作主界面嵌于GIS软件ArcGIS 9.2内，依托ArcGIS功能强大的优势，丰富了本评价系统的各项功能，从而能高效完成一些过程复杂、计算量大的任务。系统主界面主要包括煤炭开采地表沉陷预计点层、损坏程度标定、评价计算、沉陷三维图和绘制剖面图等功能模块。

耕地损害评价是本系统的核心功能，可实现沉陷区耕地生产力损害的自动计算及损坏程度的分级标定，主要包括损害分级、评价计算和空间查询三个功能模块。

图2 系统数据库示意图

三维可视化主要包括沉陷三维图与提取任意剖面模块，完成沉陷区耕地的三维效果图的制作、任意剖面图的绘制及三维空间属性信息查询。用户能够立体地观察、分析，从而进一步认识目标区域的地表沉陷、耕地损害情况、破坏域大小等，也为规划管理者科学决策提供了一定参考依据。

5 实例分析

为了验证本评价系统的科学性、有效性，特以兖州矿区为例进行实证分析研究。兖州矿区位于山东省西南部，属于湖东山前冲积平原，耕地面积大，主要农作物为小麦、玉米等，是我国东部平原典型的高潜水位矿区。现选取鲍店矿典型采煤沉陷区为评价对象。评价区处于兖州煤田的中部，西部与二煤区搭界，东邻东滩煤矿，北部以工业广场保护煤柱为界，南部是煤层露头，地下潜水位平均值为3.5m，采煤沉陷基本稳定后，地面最大下沉深度约为5.5m，部分地段形成水深约2m的常年积水区，严重破坏了耕地的生产力。

收集评价区工程图形、图像、土地属性数据等相关基础资料，并借助微软的Microsoft Access2003数据库系统软件，建立评价区空间数据库。应用本评价系统对评价区进行耕地生产力损害GIS可视化分析与评价，主要结果如图3～7。

图3 耕地生产力损害分级图

图4 耕地生产力损害评价计算结果

图5 沉陷区耕地三维可视化

图6 AB间剖面图

图7 CD间剖面图

由图3可见，研究区内红色所示完全损害部分面积较大，仅次于轻度损害面积。结合评价计算结果表(图4)可知，完全损害耕地的面积达到780亩，并且地处盆地中心区域。究其原因，主要是因为红色区域完全位于采煤工作面103上01、103上02、103上03、103上04和103上05上方地表，煤层开采上覆岩层移动变形波及地表，致使此部分损毁最厉害。由图4可见，研究评价区范围内,完全损坏总面积达779.4亩，赔偿总额可达2.775×107元，其中耕地块“蔡厂2003新增-2”的完全损坏面积最大229亩，赔偿金额达到690万元。

从评价研究区三维场景图(图5)可以立体的看出各耕地的沉陷情况。由图6可见，地表最大下沉深度达到3.7m，部分已处于地下水位以下，形成积水坑，造成作物减产。由图5、7可知，由于地表移动变形，“前西渠2003新增”耕地块位于沉陷坡地，容易引起养料、水分的流失，并且底部低于地下潜水位线0.4m之多，加速了地块的盐碱化，降低了耕地生产力，导致农作物的减产甚至绝产。