ArcGIS环境支持下的钻孔缺陷分析方法研究

岳 俊

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

ArcGIS环境支持下的钻孔缺陷分析方法研究

岳 俊1,2

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

钻孔抽放是煤矿瓦斯防治的主要措施，科学合理地布置钻孔是保证瓦斯抽放效果的关键。在ArcGIS环境下，借助其提供的空间分析计算工具，提出了核密度分析法、线密度分析法和缓冲区分析法3种分析思路，并对其原理和实现方法进行了阐述，最后通过软件编程实现了3种方法的集成应用程序，对钻孔布置实例进行了缺陷评价分析并生成了效果图，论证了密度分析方法对于钻孔缺陷分析的可行性。

钻孔；缺陷分析；核密度；线密度；缓冲区；ArcGIS

随着煤矿开采深度和强度的不断加大，煤矿瓦斯灾害的防治是煤矿安全工作的重点。对于突出煤层，为保证采掘工作安全高效进行，矿井都要采取煤层采前预抽、边采边抽等瓦斯防治措施[1]。科学合理地布置钻孔能有效控制钻孔工程量，提高瓦斯抽采效率，消除煤矿瓦斯危险源，因而对钻孔布置的缺陷分析是必要的。煤矿施工钻孔类型复杂多样，尤其是定向钻孔分支众多，钻孔间距不固定，缺乏可靠的缺陷分析方法和技术手段，仅靠技术人员的经验进行评判，存在随意性，影响防治措施的设计成效[2]。

钻孔布置缺陷的实质是对钻孔的空间分布密度进行分析[3]。长期以来，对事物的空间属性及空间关系进行研究是地学家工作的主要内容。地学家们常使用密度估计法来评价某一事物的空间分布密度，如一片区域内学校、医院的设置是否合理，这与评价钻孔布置密度有相似性，因而可以将其应用于钻孔布置缺陷的分析。

GIS（地理信息系统）软件是地学分析的重要工具。在GIS软件帮助下，将钻孔填绘到钻孔施工图上，再根据钻孔的抽采影响范围对其空间分布密度作出分析，可制作出可视化表现钻孔空间密度状态的评价效果图。美国环境系统研究所公司（ESRI）开发的ArcGIS软件是GIS业内领先的软件系统，有功能强大的空间分析功能，且易于开发定制。ArcGIS软件工具箱中提供的空间分析工具为钻孔布置缺陷分析及评价提供了可靠的技术手段。本文将对ArcGIS环境下的几种分析方法进行探索研究。

1 ArcGIS空间分析模块

ArcGIS的空间分析模块Spatial Analyst提供了一整套用于执行基于栅格数据的空间分析工具和功能。通过此扩展模块，可以使用多种数据格式来组合数据集、解释新数据和执行复杂的栅格操作。ArcGIS 10．0的Spatial Analyst模块有22个工具集、170项工具，可执行的分析功能包括地表建模、表面插值、适宜性建模、水文分析、统计分析和影像分类等。钻孔布置缺陷分析使用了空间分析模块中的密度分析工具。进入密度分析工具的路径是ArcToolbox→Spatial Analyst 工具→密度分析。

为了与密度分析方法进行对比，特设计了一种缓冲区分析法。缓冲区分析法按抽放半径作钻孔线缓冲区，用于评价钻孔的抽放影响范围。缓冲区分析可通过ArcGIS的邻域分析功能中的多环缓冲区工具实现。进入缓冲区工具的路径是ArcToolbox→分析工具→邻域分析。

2 三种分析方法的工作原理

ArcGIS提供的密度分析工具将分析范围划分为栅格单元，并计算每个单元周围领域内输入要素的密度。密度分析工具有3种，包括核密度分析、线密度分析和点密度分析。核密度分析和线密度分析工具支持线要素，点密度分析工具仅支持点要素。钻孔是线型要素，点密度分析对钻孔缺陷分析并不适用，因而选取前两种分析工具进行研究。

2.1 核密度分析法

线要素的核密度分析是在概念上假设每条线上方被一个平滑的曲面所覆盖，曲面与下方的平面所围合出的空间体积等于线长与Population（线的权重）的乘积。如果某类钻孔的抽放效果更好，将被赋予比其他类型钻孔更大的权重。每个输出栅格单元的密度值均为叠加在栅格单元中心的所有核表面的值之和。密度值在线所处的位置最大，随着与线距离的增大逐渐减小，在与线的距离等于指定的搜索半径的位置处为零。密度分析法的曲面表征了瓦斯抽放效果由钻孔孔径向外依次递减的规律。核密度分析工具的语法为：

KernelDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中，in_features是要计算密度的输入线要素集；population_filed是线的权重大小；cell_size是栅格单元的大小；seach_radius是搜索半径；area_unit_scal_factor是输出密度值的面积单位；{ }内的参数为可选参数。核密度分析法图示如图1。

图1 核密度分析法图示

2.2 线密度分析法

线密度分析用于计算每个输出栅格单元领域内线状要素的密度。其原理是按搜索半径以每个栅格单元的中心为圆心作圆，并计算每条线落入该圆内部的长度与Population（线的权重）的乘积之和，然后除以圆面积，即为该栅格单元的密度值。

线密度分析法之所以可以应用在钻孔布置缺陷分析评价是因为它统计了影响半径内可对点位置产生有效抽放效果的钻孔数量。线密度计算公式可写为：

式中，D为密度值；n为圆周内的线数量；L为线长；V为线的权重；A为圆面积。线密度分析工具的语法为：

LineDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中输入参数的含义与核密度基本一致。由此可见，线密度分析工具和核密度分析工具的调用方法基本相同，只是函数名不同，内部的计算方式不同。线密度分析法图示见图2。

图2 线密度分析法图示

2.3 缓冲区分析法

缓冲区分析有单缓冲区和多环缓冲区两种。多环缓冲区是在输入线要素周围指定距离内创建多个缓冲区。使用缓冲距离值可随意合并和融合这些缓冲区，以便创建非重叠缓冲区。

针对钻孔缺陷分析可定义一组距离值，按照距离值集合对钻孔线要素生成多环缓冲区。由内环到外环的抽放效果依次降低，可将缓冲区域填充为不同的颜色。构建多环缓冲区的语法是：

MultipleRingBuffer_analysis (Input_Features, Output_ Feature_class, Distances, {Buffer_Unit}, {Field_Name}, {Dissolve_Option}, {Outside_Polygons_Only})

其中，Input_Features是要进行缓冲区分析的线要素集；Output_Feature_class是输出的要素类；Distances是构建多环缓冲区的距离值；Buffer_Unit是缓冲距离值的单位；Field_name是输出要素类中的字段名称，存储用于创建每个缓冲区要素的缓冲距离。记录缓冲区距离值是为不同抽放半径缓冲区着不同颜色的依据。Dissolve_Option参数为是否要像围绕输入要素的环一样融合缓冲区，设置成“All” 生成的缓冲区将是输入要素周围不重叠的圆环。Outside_Polygons_Only参数仅对面缓冲区有效，因为钻孔是线要素，因此可不考虑。缓冲区分析法图示见图3。

图3 缓冲区分析法图示

3 程序编写

ArcGIS虽然提供了包含以上分析方法的工具包，但对于煤矿技术人员来说，直接使用这些工具完成钻孔缺陷分析有一定困难，因此有必要在ArcGIS平台上进行定制程序编写。定制程序的优点是功能针对性强、操作简单、使用方便[4]。界面只需设置很少的参数即可完成分析操作[5]。ArcEngine是ArcGIS平台提供的二次开发组件包。基于ArcEngine组件包，在．Net Framework 4．0框架下使用C#语言编写程序，可快速开发出集成上述3种分析方法的软件[6]。

在程序中导入一张CAD格式的钻孔施工图作为分析数据源。CAD文件中按照钻孔类型组织图层，钻孔数据保存在对应类型的钻孔图层中。程序可根据钻孔类型设置不同的抽放半径。开始分析操作前需要设置分析范围的栅格单元大小、缓冲区生成个数等参数。最后执行分析功能，程序将按上述3种分析方法对钻孔控制效果进行核密度分析、线密度分析和缓冲区分析，最后将分析结果按用户设置的颜色着色后显示在计算机屏幕上，并支持打印输出。

4 应用实例

为测试3种方法的分析效果，研究中准备了一份CAD格式的钻孔施工图作为测试用例。钻孔施工图中既有千米定向钻孔，也有普通顺层钻孔，按类型保存在CAD文件的图层中。相比普通顺层钻孔，千米定向钻孔具有多分支、线型复杂的特点，各钻孔之间的间距也疏密不等，凭人工难以分辨出钻孔布置的缺陷区域[7]。

将千米钻孔的抽放半径设为10 m，普通顺层孔的抽放半径设为8 m，网格大小设置为0．5 m，缓冲区个数设置为10。经核密度、线密度和缓冲区分析法操作并着色以后，最终得到分析结果。3种分析结果的着色系统均采用由蓝到红的渐变色，蓝色代表钻孔布置较密，抽放效果较好，红色代表钻孔布置稀疏，抽放效果较差。

图4 核密度分析效果

图5 线密度分析效果

从分析结果可以看出，图4的核密度分析和图5的线密度分析法与图6的缓冲区分析法结果有显著区别。两种密度分析法得出的抽放效果评价图中，离钻孔线由近及远是渐变递减，而缓冲区分析法呈梯级带状递减。密度分析法的颜色对比更为鲜明，可清晰显示出钻孔抽放效果较差的区域。核密度与线密度分析也有一些细微差别，但并不显著，两者的差异体现在千米定向钻孔内部抽放效果不好的区域，核密度分析法显示具有更为强烈的颜色对比特征。综合分析并结合实际情况可知，密度分析法优于缓冲区分析法，两种密度分析法中的核密度分析法优于线密度分析法。

图6 缓冲区分析效果

5 结 语

本文在ArcGIS环境下，通过对核密度分析法、线密度分析法和缓冲区分析法工作原理的比较，编写定制程序，使用钻孔施工图进行实例验证，得到了3种钻孔缺陷分析方法的运算结果。通过结果图对比可以看出，密度分析法最能清晰地表征钻孔抽放效果，能较好地帮助技术人员辨识钻孔布孔中存在的缺陷，可成为煤矿抽采效果评判的一种有效技术手段。如果将此钻孔缺陷分析方法应用到工作面、采区甚至全矿井范围，在分析范围扩大，钻孔数量急剧增加，各种钻孔之间相互交错叠加，人工无法判断出钻孔布置缺陷区域的情况下，通过对钻孔的空间密度分析，可更加清晰、精确地识别出钻孔抽放措施存在的隐患区域。

[1] 高贯金,张文闯．本煤层瓦斯抽放钻孔优化布置[J]．现代矿业,2012,9(521)：39-41

[2] 许艳霞,王广权．CAD在煤矿绘图中的应用及评价[J]．煤炭技术,2014,33(1)：192-193

[3] 孔凡德,康全玉,习桂娟,等．参数化设计方法在煤矿辅助绘图中的应用研究[J]．煤矿现代化,2006(3)：37-38

[4] 熊君．关于ArcGIS调用AutoCAD中的地图[J]．湖北大学学报（自然科学版）,2005,27(1)：24-28

[5] 吴建华．基于ArcGIS Engine的GIS软件开发方法[J]．测绘通报,2010(11)：54-57

[6] 刘文杰,李明建,岳俊,等．基于GIS的煤矿地质测量信息系统的设计与开发[J]．西南大学学报(自然科学版),2012, 34(10)：137-143

[7] 李泉新．煤矿井下定向钻孔轨迹设计与计算方法[J]．煤矿安全,2014(2)：141-144

P208

B文章编号：1672-4623（2017）06-0058-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.017

2016-11-18。

项目来源：国家安全监管总局破解安全生产难题科技攻关项目（2015PJNT01）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金资助项目（2013ZD002）；重庆市“科技创新领军人才支持计划”（CSTCKJCXLJRC14）；2017年安全生产重特大事故防治关键技术科技项目（yangqi-0005-2017AQ）。

岳俊，助理研究员，主要从事瓦斯灾害预警相关软件研究工作。