矿区地表观测站辅助设计与数据处理程序实现

方 齐 郭广礼 朱晓峻

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

矿区地表观测站辅助设计与数据处理程序实现

方 齐1,2,3郭广礼1,2,3朱晓峻1,2,3

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221116；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

为了提高矿区地表移动观测站设计的自动化程度、数据处理速度以及绘制移动变形曲线图的效率，基于Visual Basic(VB)及Visual Basic for Application (VBA)编程语言，并融合Access数据库、AutoCAD、Excel软件技术，实现了地表移动观测站设计中的参数查询、观测线长度计算、观测线布设、数据输出、后期观测数据处理及绘制曲线等一系列功能。首先在AutoCAD软件中快速进行工作面上方地表、线状路线观测站的布设；然后采用Excel软件自动化处理观测数据并绘制变形曲线图，并改进了Excel软件中绘制带平滑线散点图坐标轴的标注功能；最后将上述2个功能模块集成到同一程序中，从而克服以往程序功能单一、自动化程度差、修改不便等缺陷。结果表明，该程序能够适应多样化的布站需求，满足绘制地表移动变形曲线图的特殊要求，有助于提高矿区地表观测站设计的自动化程度，为建立地表移动观测系统提供参考。

地表移动观测站 数据处理 移动变形曲线 VB VBA 地表移动观测系统

目前对于矿区地表移动观测应用程序的开发得到了学者们的关注，如朱群康基于VB.NET开发了地表移动观测站设计系统[1]，张姣姣对矿区地表移动观测成果的自动化求解方法进行了研究[2]。但现有的相当一部分地表移动观测程序仅是针对某一特定功能开发而成的，观测线布设的便利性与曲线图的显示效果欠佳，地表移动曲线图与观测数据无法进行同步修改，程序系统的适用性有待进一步完善。

为此，兼顾程序的实用性及矿区变形监测设计和数据处理的特殊性，采用VB、VBA语言进行程序开发，程序功能包括：①将地表移动观测站设计及数据处理模块作为2个独立的功能插件，提高本程序对其他编程语言的兼容性，并将该2个功能插件集成到同一可执行程序中，解决插件的加载问题，为后续地表移动观测系统建立框架；②建立矿区角值参数数据库，能够进行模糊查询和快速检索，丰富观测站布设的快捷功能，如连续或间断标注点号、不同符号标注控制点及观测点、快速创建不规则观测线和公路、铁路等线状路线观测线、常用绘图属性的二次更改等，提高了设计的便捷性，简化了观测线布设的步骤；③数据处理绘图模块中，观测数据可在Excel软件中进行输入和批量计算，扩展了Excel软件中带平滑线散点图横轴的标注功能，实现了横轴标注为文本类型、非等间隔标注及采空区位置对照等功能，曲线样式调整方便，便于数据添加和图形维护，数据与曲线能够同步调整，从而提高了工作效率。

1 地表移动观测站设计与数据处理方法

1.1 地表移动观测站设计

地表移动观测站按布设形式分为网状和剖面线状2类，本研究采用剖面线状观测站布设形式进行程序设计[3-4]。地表移动观测站设计主要包括观测线位置的确定和观测线长度的计算2部分内容，如图1所示。

1.1.1 走向线位置及长度确定

走向观测线应布置于移动盆地的走向主断面上，走向观测线位置偏移工作面中心点的距离S可通过下式计算：

(1)

式中，H1、H2为分别为采区下边界和上边界的开采深度，m；θ为最大下沉角，(°)。

任意一条走向观测线的长度通过下式计算：

LZ=2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ)+l，

(2)

式中，φ为松散层移动角，(°)；H0为回采工作面平均开采深度，m；h为松散层厚度，m；δ为走向移动角，(°)；Δδ为走向移动角修正值，(°)；l为工作面走向长度，m。

图1 观测站设计示意

1.1.2 倾向观测线位置及长度确定

倾向观测线应布设于充分采动区内，考虑邻近开采的影响，倾向观测线到开切眼的距离D1及到停采线的距离D3应分别满足如下条件：

(3)

式中各变量意义同上。

程序设计中采用式(3)作为倾向观测线位置选择的约束依据，当地表未达到充分采动时，倾向观测线的位置由采区工作面的中心位置确定。任意一条倾向观测线的长度可由下式计算：

LQ=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+

(H2-h)cot(γ-Δγ)+Lcosα，

(4)

式中，β为下山移动角，(°)；Δβ为下山移动角修正值，(°)；γ为上山移动角，(°)；Δγ为上山移动角修正值；L为工作面倾斜长度，m；α为工作面倾角，(°)；其余各变量意义同上。

1.2 观测数据处理方法

观测数据前期预处理采用文献[5]所介绍的坐标规划方法，观测数据后期处理主要包括：①各测点的下沉和水平移动值计算；②相邻两测点间的倾斜和水平变形值计算；③相邻两线段(或相邻三点)的曲率变形值[4]计算。

1.3 地表移动变形曲线图

地表移动变形曲线图包括下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形曲线。绘制移动变形曲线图应满足如下要求：①根据下沉、水平移动数据的正、负号分别将其展在测点的上下两侧；②依据倾斜和水平变形数据的正、负号将其展在两测点间中点的正上方或正下方；③曲率数据应展在相邻两线段之和的中点的正上方或正下方。展点完毕后，将各曲线点分别采用平滑曲线连接，完成曲线图的绘制工作[6-7]。

2 程序实现

2.1 程序简介

作为一种通用的自动化语言，VBA语言开发具有高效性并且语法简单[8-10]，适合地表移动观测站设计及数据处理功能模块的开发。AutoCAD作为专业绘图软件，数据处理便捷性不够，且曲线样式调整不便，数据更改后图形维护欠佳；Excel软件中图形与数据的关联性较强，数据与图形能够同步更新，便于后期数据维护，程序运行速度较快。因此，利用VBA语言开发观测站设计插件及数据处理绘图插件，采用VB语言生成能够自动加载的可执行程序，将上述2个功能模块作为插件调用，自动化加载VBA语言程序，使程序集成一体化，便于利用其他编程语言丰富后续功能，增加程序的可移植性。程序调用Excel软件时则自动加载开发程序菜单，结果如图2所示。

图2 Excel软件菜单自动加载

2.2 功能模块

2.2.1 观测站设计模块

根据地表移动观测站设计原理开发相应功能模块，在AutoCAD软件中输入命令可直接执行程序，并显示功能模块界面，如图3所示。

2.2.1.1 参数查询

程序建立了角值参数数据库，实现数据共享[11]，数据库文件中内置《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[12]内所列的各矿区的角值参数，根据所提供的关键字可模糊查询到包含关键字在内的矿区名称及所涉及的角值参数，便于使用类比法选取角值参数设计观测线，界面如图4所示。

图3 AutoCAD功能模块界面

图4 参数查询界面

程序部分核心代码如下：

Set adoCon=New ADODB.Connection

adoCon.ConnectionString="Provider=Microsoft.jet.OLEDB.4.0;data source=" & pathexe & "parater.mdb;"adoCon.Open

Set daoRs = New ADODB.Recordset

daoRs.Open "gczcs"，adoCon，adOpenForwardOnly，adLockOptimistic

2.2.1.2 参数设置

参数设置界面主要包括基本参数、走向参数、倾向参数及绘图参数等子界面，观测线位置、长度的确定，均按照文中第1节所介绍的方法进行计算。绘图参数界面功能主要用于作图设置，批量修改，快速对字体类型、字体高度、测点尺寸、控制点及监测点图层颜色进行二次修改。在作图之前，除了需要指定上述参数外，还需要输入监测点间断标注间隔、控制点号前缀、监测点号前缀等参数。

2.2.1.3 功能区

功能区主要是软件各项功能按钮，包括加密测点、标注点号、参数查询、创建观测线等。

2.2.1.4 功能特点

观测线设计类型主要有规则观测线和非规则观测线2种形式，本程序兼顾该2种形式实现观测线设计功能，以第1节介绍的设计原理为依据，对Auto CAD软件进行二次开发[13-14]，通过软件定义的顺序选取工作面角点坐标，将工作面近似为矩形工作面，并计算其中心点位置及方位角等参数，依次输入参数进行观测线的设计。对于观测线的位置可以通过计算得到或鼠标选取，相关命令提示显示在AutoCAD软件中的命令行中，并在工作面自动标出倾向观测线位置到开切眼、停采线的设计最小距离，满足倾向线观测位置选择的设计要求。倾向观测线位置选择部分核心代码如下：

getpointstyle = 1

getpointstyle = ThisDrawing.Utility.GetInteger("默认基点(1)或[自定义基点(2)]:")

If getpointstyle = 2 Then

basePick = ThisDrawing.Utility.GetPoint("选取点:")

basePnt1 = basePick(0)

basePnt2 = basePick(1)

对于复杂形状的观测线或在采动区内布设公路、铁路等线状路线观测线时，测点位置受地形影响较大，多为不规则观测线[15-16]，通过对类似程序分析[17-20]，本程序添加了辅助设计功能，利用软件的快捷功能最大限度提高自动化程度，利用建立的规则观测线的影响范围，采用少许点绘制出观测线的大致趋势线，之后通过创建测点命令，建立观测线，并可一键选择监测点、控制点及观测线层，整体移动测点位置及点号。由于某些重要位置需要加密观测点，可以选取“加密观测点”命令进行加密。观测线中的监测点、控制点布设完毕后，点击“创建点号”，即可完成观测线点号标记、间断标注或全部标注，同时提取设计点坐标存入 “.txt”格式文件中。布置多条观测线时，重复上述步骤即可。

2.2.2 数据处理及绘图模块

地表移动观测站周期观测之后，需要计算移动变形值，将每一次观测数据绘制在同一观测线的剖面图上，用以研究地表移动变形规律。Excel软件提供了强大的数据处理及绘图功能，但是带平滑线的散点图不支持对于横坐标轴标注为文本类型以及不等间隔标注等功能，而实际观测站任意2点之间的距离因地形的影响不一定完全相等，如果按等间隔标注会对研究地表移动变形规律产生影响；另外，点号通常是文本型，并非单纯的数字。

通过程序开发实现移动变形值计算以及绘制移动变形曲线图功能，功能特点为：通过相关命令建立格式文件，输入原始数据，进行单期或多期数据批量计算，输出可视化计算结果，并可随时调整数据，其中下沉、倾斜、曲率在同一表中，水平变形和移动在同一表中。变形值计算的部分代码如下：

If Selection.Cells(j，i)= "" Then

ActiveSheet.Cells(j + rownum + 3，i)= 0

Else

ActiveSheet.Cells(j + rownum + 3，i)= Format((Selection.Cells(j，4)- Selection.Cells(j，i))* 1000，"0")

End If

通过以上计算，程序自动将计算结果按规定格式整理，之后选择绘图源数据，点击按钮，程序将横轴标签及标签坐标分别作为横坐标源数据列，自动绘制出横坐标轴，之后将标签及标签坐标展点在横坐标轴上，插入标签标记，即可完成横坐标文本标签及非等间隔标注。另外，选择的观测数据将分别绘制拟合曲线，通过“采空区设置”功能，利用线条填充绘制采空区位置示意图，方便与点位信息对照。横轴绘制的部分核心代码如下：

i = mchtchart.SeriesCollection.Count

For n = 1 To cellnum

PositionY(n)= 0

PositionX(n)= Selection.Cells(n，1).Value

Next n

mchtchart.SeriesCollection.NewSeries

mchtchart.SeriesCollection(i + 1).XValues = PositionX

mchtchart.SeriesCollection(i + 1).Values = PositionY

mchtchart.SeriesCollection(i + 1).ChartType = xlXYScatter

3 应用实例

内蒙古自治区某矿首采充填工作面上方有公路、矿区专用铁路等重要设施，地下开采可能会对其产生影响，故需在首采工作面上方布设地表移动观测站及专用铁路、公路观测线，以便及时维护公路、铁路等设施并积累该地质采矿条件下的观测资料，根据地质采矿条件及设计参数，进行观测线辅助设计，效果如图5所示。

铁路、公路的专用观测线分别沿铁路、公路铺设，并超出沉陷影响范围外一段距离。工作面走向上方地势平坦，观测条件较好，故沿直线布设走向观测线，用于研究工作面走向主断面上地表移动变形规律。

图5 观测站布设效果

安徽省某矿充填工作面长约310 m，宽约110 m。工作面对应上方地表有村庄、学校以及大型工业建筑等，地面情况复杂，为了控制地表沉陷及提高煤炭采出率，采用固体充填采煤技术进行压煤开采，并建立了地表移动观测站及岩层移动观测站。2012年8月—2014年5月经过了29期观测，积累了丰富的观测数据，后期可用观测点共24个。利用本研究所编写的程序将其中6期的岩层移动观测数据进行处理并绘制出下沉曲线图，如图6所示。

图6 下沉曲线

通过与工作面位置对照，图6所示的下沉规律与非充分采动时主断面内的移动变形规律基本符合。

4 结 语

所编写的程序能够完成地表移动观测站的辅助设计及后期观测数据的处理绘图任务，满足规则观测线设计要求，并可辅助设计非规则观测线，增强了地表移动观测数据处理绘图自动化程度，减轻了设计处理的工作量，避免了大量重复性的工作内容，具有简单实用、便于调用的特点，对于构建功能齐全的地表移动观测设计处理系统具有一定的参考价值。

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(责任编辑 王小兵)

Realization of Aided Design of Surface Movement Observation Station and Data Processing in Mining Area

Fang Qi1,2,3Guo Guangli1,2,3Zhu Xiaojun1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116，China;2.NationalAdministrationofSurveying，MappingandGeo-informationKeyLaboratoryforLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221116，China；3.KeyLaboratoryofResourceandEnvironmentInformationEngineeringofJiangsuProvince，Xuzhou221116，China)

In order to improve the automation of the surface movement observation station in design and the efficiency of data processing and mapping of movement and deformation curve，based on the programming language of Visual Basic(VB) and Visual Basic for Application (VBA)，the functions such as query of parameters，computation of observation line，observation station design，output of data，data processing and automatic mapping of surface movement observation station are realized by adopting the technology of Access，AutoCAD and Excel.Firstly，the surface and linear route movement observation stations at working face are arranged quickly by using the AutoCAD software；then the observation data are processed automatically and the deformation and movement graphs are mapped based on the Excel software.In addition，the function of axis label of scatter chart with a smooth line is optimized；Finally，both of the functions are integrated into one program to realize the function module integration so as to overcome the insufficiency of single function，low degree of automation and difficulty in modification.The research results show that，the program written in this paper can satisfy the needs for variable observation station design and the special requirement of mapping the movement and deformation curve.Besides that，this program is conducive to improve the automation degree of mining surface movement observation and it can also provide some reference for establishing the surface movement observation system.

Surface movement observation station，Data processing，Movement deformation curve，VB，VBA，Surface movement observation system

2015-03-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB13B03)，国家自然科学基金青年基金项目(编号：41104011)，江苏高校优势学科建设工程项目(编号：SZBF2011-6-B35)，江苏省资源环境信息工程重点实验室基金项目(编号：JS201309)。

方 齐(1989—)，男，硕士研究生。 通讯作者 郭广礼(1965—)，男，教授，博士，博士研究生导师。

TD173

A

1001-1250(2015)-05-129-06