试论煤矿地质地理信息系统设计与实现

谢晓波

摘要：为响应推进地质资料信息服务集群化产业化的要求，进行矿区数据、地质灾害数据与地质资料的收集与整理，以保证数据资料的统一，构建地质地理信息系统，以有利于以推动地质资料信息服务集群化产业化的发展，实现数据资料的共享性，提高精确度。

关键词：煤矿地质；地理信息系统；设计；实现

随着我国国民经济的不断发展，计算机技术在我国普及开来，在我国多个领域得到广泛的应用，有效降低工作人员的工作量，提高安全系数。为积极响应“推进地质资料信息服务集群化产业化”[1]发展的工作要求，根据资源部门的方案，积极收集与整理本区域1：20万的地质资料、矿区数据以及地质灾害数据库等，以保证地质资料数据的一致性，积极进行信息系统的建设，以推动地质资料信息服务集群化产业化工作的发展，打好数据基础。但是现阶段我国煤矿地质部门还沿用传统的数据管理形式，不仅管理效果不明显，反而会对煤矿数据的存储、使用与检索等造成阻碍，因此需提高信息系统建设的力度，以满足信息系统现代化发展的需要。

一、煤矿地质地理信息系统发展的现状

现阶段，国外的煤矿地质地理信息系统是在ArcGIS桌面的基础上发展而来的一种二次开发，对现存的地理信息进行充分利用，例如：钻探资料、TIN、DEM等，能够根据相关数据资料构建二维地质画面[2]，但对地质空间模型的探究力度相对不足。受到数据空间模型支持、制图规范化等因素的影响，阻碍信息共享与存储管理的发展。现阶段，人们对于煤矿地质信息系统的还未有明确的定义，但实际上，它涉及到多个学科，例如地质学、计算机、采矿学等，且在制图过程中又需使用制图软件CAD，但是在信息共享与复杂空间分析中存在严重不足。随着科学技术的不断发展，GIS技术被应用到煤矿地质地理信息系统的建设中，推动煤矿地质地理信息系统的发展。GIS具有以下优势：①界面统一：操作功能均在用户界面有所体现，不仅操作简单，而且极为灵活，例如：输入输出、三维可视化、地质信息管理等；②权限统一：根据煤矿生产的流程，制定针对性的管理权限，推动信息管理向着无纸化、网络化的方向发展；③三维化：凡是煤矿区域中的对象，均能够三维建模，并进行储量计算与剖切分析；④数据统一：通过一体化数据库统一管理煤矿信息系统，确保数据信息的一致性，实现数据共享。[3]

二、煤矿地质地理信息系统设计中的关键技术

1、面向对象设计

建模语言统一主要是利用文档化、构造、可视化的语言对存在于软件密集型系统中的制品进行描述。早在1997年，对象管理组织就针对统一建模语言进行了规范，主要是为设计人员提供统一的设计与软件开发用语。统一建模语言的使用，为开发设计人员的系统架构与设计进行了规划。随着时间的不断推移，统一建模语言[4]已得到普遍的认可，不仅提高了工作人员间的沟通与交流，而且能够及时发现疏漏与错误，以提高设计成果的准确性与精确性。例如：在本次煤矿区域地质图设计整理过程中，工作人员根据实际的地层对其进行合理、适当的街边与合并处理，以有效解决现有地质图中存在的数据库建设问题以及投影信息等，以完善我国地理底图中的数据资料，严格按照国家标准使用同一的花纹库、色库、线型库、符号库等。

2、空间数据库模型

在煤矿基础数据的收集过程中，工作人员需对通风线路图、运输线路图、排水线路图、机电设备配置图等数据资料进行收集，并以此为依据，构建标准化、规范化的符号库，以整合多元数据结构[5]，提高数据资料的利用率。煤矿井下地理坐标的获取是利用地面控制点使用一定的方式进行导入，例如斜井定向、竖井定向等。在本次数据收集中使用北京54坐标，以提高获取数据资料的精确性。煤矿在日常生产过程中，存在规模较大的空间数据，可利用空间数据进行建模。

3、多元数据处理

（1）编制地质图件与录入数据

在煤矿正常生产过程中，会产生大量的纸质文档与图件，且有的纸质文档与图件的历史较为久远，煤矿地质地理信息系统需要日常管理这些数据资料，同时，还需整合GIS系统所需的数据信息。纸质文件、图件进行扫描，表格数据进行重新录入。数据资料中存在的地形图与钻孔柱状图的完成需以下3个步骤：①手工绘制，并扫描底图，然后再利用计算机进行编辑；②通过图系统软件自动转化为图；③利用人际交互式方式实现转换。不仅大大降低工作人员的工作量，而且还大大提高工作效率[6]。

（2）格式不同数据的转换

现阶段，我国煤矿多使用CAD进行绘制，因此大部分格式是dwg，有时为了GIS系统的信息分析与管理，需要在CAD的基础上提取信息，例如：地形等高线、控制点、钻孔点等，利用ArcGIS[7]转换工具进行数据转换，也可通过FME转换煤矿数据。受到数据组织方式的影响，需在重组的过程中进行分层，也可使用人工对数据资料中的错误进行处理。

（3）文件版本的控制

为了能够有效管理煤矿相关的地质图件，在系统的设计过程中特意增加文件版本控制，能够把煤矿制图中存在的GIS图件或是CAD图件进行压缩后，传送至FTP服务器或是Oracle服务器中，利用Hash算法对文件对应的Hash值进行计算，同时确定其是否需要更新，同时该模块还具备下载、上传以及查询等功能。

三、在GIS煤矿信息可视化的基础上分析空间

在煤矿地质工作过程中，必不可少的基础资料是地质剖面数据与地质钻孔数据，近年来一直在GIS煤矿信息可视化的基础上进行。现阶段，我国地质领域中很少使用ArcGIS，主要是因为发展还未完善，受到煤矿地质较为复杂的影响，可视化与空间分析存在很高难度。例如煤层不完整、地质不连续等均会大大增加建模的难度。现阶段，我国普遍使用分块与严格限定边界等方法进行处理，分块的实质也是对边界进行限定，但是需保证限定区域之间的连通性。限定边界看似简单，但是对数据算法与预处理提出更高的要求，需要进行后期处理。煤矿地质建模流程图见图一：endprint

图一 煤矿地质建模流程图

1、钻探信息的可视化

对钻探数据进行细化：测斜数据、钻探、基础钻孔数据，以真实有效的显示煤层与钻孔的三维空间分布情况，表格之间是利用钻孔编号进行构建与联系的，但实际上，各表内容具有独立性[8]，只是在逻辑方面存在关联性，能够有效消除数据资料的冗余性。三维钻孔准状突需利用钻探分层厚度进行偏移量的设置，以测斜数据为例，详细情况见图二：

字段名称 类型 空 备注

Partld（分段编号） Int 否 随着测斜分段工作进程的推进，顺序变大

Dip（倾角） Doublc 否 该点与下点之间的夹角

Holcld（钻孔编号） String 否 钻孔编号

Dcpth（测斜深度） Doublc 否

Azimuth（方位角） Doublc 否 该点与下点之间的方位角

图二 测斜数据图

2、表面建模法

（1）空间插值方法

煤矿区域中煤床储量与空间分布遵循矿产资源具备的规律[9]，严重影响我国矿山的资金投入情况。在探究煤矿经济性与可行性评价过程中，需要优化煤矿矿山设计规划，否在会对煤矿决策产生不良影响，影响煤矿正常的开采计划。在实际操作过程中，煤矿地质数据的获取过程中受到监测技术的影响，因此只能得到采样点位置的地质数据，需要工作人员根据已有的数据资料对整个煤矿区域中的抵制进行推算。空间插值主要是根据已知数据治疗对整个煤矿地区中的地质特点进行推断，以提高数据资料的密度与质量，要求工作人员需要熟练掌握地质空间规律，对煤层底板与品位计算进行等高线生成。工作人员可依据钻杆与钻孔获取煤层底板中通过标高的空间插值，从而计算出煤层厚度与煤层底板的等值线。

（2）等值线法

与煤矿地质有关的等值线类型包括多种，例如：煤矿底板等高线、煤层厚度等值线、地形表面等高线、岩层底板等值线等。其中地形等高线主要是对煤矿表面的表示，等高线是指具备同等高程值的线。而等值线[10]在煤矿中的使用，大大降低获取数据信息的难度，因此我国的地形图中普遍使用此种方法。例如，首曲线也可称为等高线，是指根据地质等高的要求进行等高线的绘制，一般使用0.1mm的细实线表示；计曲线主要是为了方便阅读，每间隔四根等高线，就需进行一根等高线的加粗，加粗的等高线就属于计曲线，一般粗度为0.2mm，以便于两点之间高差以高程的计算。

四、煤矿地质地理信息系统的实现

在实际操作中，涉及到本区域的有关于1：20万的地质图总共存在53幅，因此工作人员对其进行查阅，并使用1956年黄海高程系进行煤矿地质地理信息的绘制。本区域位于东经105—111°，北纬31—40°的区域中，存在六度分带2个，利用北京54坐标系进行，使用高斯—克吕格横切椭圆柱作为角投影使用。

以对本区域中各个县市的地质灾害进行调查完毕，并构建了区划空间数据库，其中包括地质灾害点属性数据与地质灾害分布、易发区等，相关图形数据通过MAPGI6.7的格式进行储存。

在完成本区域中的煤矿核查工作后，也对矿区范围的界限进行明确，原数据以地理坐标系文本文件进行保存，而在本次操作中，工作人员统一整理了煤矿范围界限，并对其进行投影转换，录入、套合、数据转换、数据整理等操作。

现阶段，我国地质图数据是通过MapGIS平台格式进行储存，但是在集群化产业项目中确是以ARCGIS平台存在，因此在数据入库前，需对数据格式进行转换，统一转换前后的命名与储存。

结语：

综上所述，煤矿地质地理信息的获取难度较大，因此需要统一的数据库对数据图形等进行管理，这就促使其向着信息服务集群化、产业化的方向发展，满足煤矿地质信息操作中的需求，提高了煤矿信息的可视化，并将所检测到的地质数据信息通过二维、三维图形提供给用户，实现数据信息的共享。

参考文献：

[1]纪晓东，王双龙，张峰.深圳市地质地理信息系统设计模型的设计与实现[J].测绘通报，2010，01：59-63.

[2]曾立斌，黄牧，戎晓力.地下工程施工监控地质地理信息系统研究[J].岩土力学，2010，S1：342-348.

[3]王玉刚.煤矿通风地理信息系统设计与实现[D].西安科技大学，2013.

[4]葛琳，李肖枫，姚文涛.基于WebGIS的城市学校地理信息系统设计与实现[J].科技致富向导，2009，08：94+92.

[5]张龙起.石家庄市工程地质地理信息系统建设与实现[J].工程勘察，2008，S2：212-215.

[6]晏晓红.基于ArcIMS的深圳市测绘公众服务地理信息系统设计与实现[J].城市勘测，2012，02：20-23.

[7]廖声熙，姜磊，李昆，赵一鹤.鹤庆县天然林保护工程地理信息系统设计与实现[J].云南地理环境研究，2005，04：6-10+24.

[8]周平根，毛继国，侯圣山，李昂，刘树东.基于WebGIS的地质灾害预警预报信息系统的设计与实现[J].地学前缘，2007，06：38-42.

[9]潘传姣.城市地理信息系统架构设计与实现研究[J].城市地理，2014，10：33-34.

[10]杨乃，李悦康，陈玉成.室内地理信息系统的设计与实现方法[J].测绘通报，2014，07：109-112.endprint