基于B/S架构的抚顺西露天矿WebGIS系统构建

王东明 杨天鸿 薛鹏展 纪玉石 王雪峰 高 源

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.抚顺矿业集团有限责任公司西露天矿，辽宁抚顺113001）

自20世纪60年代全球首个地理信息系统CGIS［1］问世至今，GIS的表现形式实现了由最初的二维、二点五维向三维的转变。随着计算机技术以及相关技术的不断发展与成熟，各种形式的GIS应运而生，尤其是以网络+GIS的方式即WebGIS成为地理信息系统的发展主流［2］。近年来，众多学者将WebGIS应用于智慧城市建设［3-6］、数字校园规划［7-8］、城市交通管理［9-13］等众多行业中。在矿山领域，基于GIS地图实现了卡车调度系统的开发［14-15］；一些学者基于B/S架构，开发了煤矿井下灾害监测与预警GIS系统［16-17］；也有学者［18］构建了模型化的三维GIS。综上分析，前人已经在GIS方面做了大量的研究，在很多领域GIS技术的应用比较成熟，但在矿山领域的应用多为二维GIS可视化技术，建模数据来源单一、平台束缚性较高，很难满足用户的共享需求，同时受精度影响很难满足实时、高效以及流程化地进行空间精细化测量。

本研究以抚顺西露天矿为工程背景，基于B/S架构，对SuperMapWeb端进行二次开发，构建了抚顺西露天矿WebGIS系统，实现了平台随时随地多用户共享；将无人机倾斜摄影测量技术与传统建模技术相结合，建立了“地下—地表—地上”多维度真三维精细化露天矿模型，并融合三维GIS空间分析能力，实现了不同治理方案施工周期以及回填方量的高效计算；同时将矿山岩性分区、滑坡区、地质条件分区、水文地质信息以及InSAR监测数据等信息进行融合，创建了多维度的多元信息集成化平台，实现了对矿山全方位的信息化监测。

1 抚顺西露天矿概况

1.1 地质概况

抚顺西露天矿位于浑河南岸，矿床埋藏在浑河冲积平原之下。矿区北部所处的构造是郯庐大断裂带的北延部分，区域上地质发育情况比较复杂，浑河断裂在抚顺市区以带状形态呈EW向分布，该断裂带由数条近平行的逆断层组成，F1和F1A为两条近平行的主干断裂。煤系地层夹持在花岗片麻岩与火山岩之间的“凹槽”内，沉积岩地层从早白垩世（1.35亿年）到古近纪（老第三系，6 500～2 300万年）期间均有发育，均以软弱岩层为主。西露天矿北帮为绿色泥岩和褐色页岩互层形成的沉积岩，绿色泥岩隔水层单层厚度为1～10 m，30层左右，褐色页岩透水层35～40层，厚度为0.3～2.0 m，互层之间形成泥化夹层，易发生蠕变剪切滑移。南帮整体出露的岩性以老虎台组玄武岩为主，在坑底高陡边坡位置可见栗子沟组凝灰岩覆盖在老虎台组玄武岩之上，玄武岩为相对稳定的岩体，其上的凝灰岩相当于一个软弱层，在构造、地下水等作用下，容易形成滑坡体，为潜在的地质灾害点（图1）。

1.2 抚顺西露天矿GIS系统特点

本研究以抚顺西露天高陡边坡防治、矿山多源信息融合以及三维可视化展示为主线进行系统设计。该系统特点为：①将无人机倾斜摄影技术与传统建模技术相结合，构建多空间、真三维、高精度、高分辨率的矿山模型；②将三维GIS空间分析技术用到高精度数字高程模型DEM上，实现实时、高效以及流程化的地形土方量计算；③应用GIS栅格数据的坡度坡向功能动态浏览整个矿区边坡参数，快速寻找危险区；④将矿山地质资料、滑坡区、力学计算、水文地质信息以及InSAR监测数据等信息进行融合，构建多维度的多元信息集成化平台。

2 抚顺西露天矿精细化模型构建

本研究将无人机倾斜摄影测量技术与传统建模技术相结合构建抚顺西露天矿精细化模型，共包括三部分，即地表三维数字模型、地上三维建筑集群模型、地下三维地质体模型。

2.1 地表精细化模型构建

通过无人机倾斜摄影技术获取多角度影像，进行几何修正、区域网联合平差、倾斜影像匹配后，利用Smart 3D软件处理并获取指定格式的地形和影像数据，精度达到0.1 m，如图2所示。

2.2 地下三维地质模型构建

地面三维激光扫描测量技术可以快速、高效、高精度、高分辨率地获取目标物体表面每个采样点的三维坐标数据，获取的点云数据经过预处理、拼接、去噪后可实现三维物体表面快速建模。利用该技术获取了抚顺西露天矿地表点云数据，并在3D Mine软件中生成数字地形模型DTM表面，再结合26幅地质剖面图、平面图以及101个地质钻孔数据，采用传统建模手段，利用Rhino软件构建的三维地质模型如图3所示。

2.3 周边建筑物模型构建

目前三维设计领域应用较多的软件有3D StudioMax、Maya、Houdini以及Cinema 4D（简称“C4D”）。考虑到C4D软件的技术优势，本研究采用该款软件构建了抚顺西露天矿周边地表模型，如图4所示。

3 系统设计

3.1 系统功能需求

明确系统功能需求是系统开发的起点，根据矿山实际需求，将系统功能共分为6大模块，每个模块又包含多个子功能，如图5所示。

（1）安全访问模块。该模块可为系统用户提供登录和注册功能，在维护系统安全的同时记录用户的相关身份信息。

（2）三维可视化模块。该模块提供了鼠标交互式、指定航线式、场景快速定位式3种漫游方式，能够实现对矿区全局以及地下地质体的浏览，便于施工人员从宏观上掌握矿山地貌特征，减少施工误差。

（3）空间分析模块。该模块是系统的核心部分，包含测量、边坡坡度和坡向分析、复杂地形挖填方量计算以及三维地质体剖切等功能。

（4）多源信息融合模块。该模块将抚顺西露天矿多源信息进行了集成和可视化展示，实现了空间数据和非空间数据的融合。该部分信息类型有地貌信息、水文信息、地质信息、泵站信息、边坡力学计算结果等。

（5）数据监测模块。该模块能够实时传输和展示南帮边坡变形雷达监测数据，是边坡变形预警的基础模块。

（6）环境规划模块。该模块可为植被种植以及基建选址够提供一个虚拟三维场景，在可视化场景中进行模拟实际规划以及绿化过程，有助于减少现场施工出现的不合理问题及由此造成的经济损失。

3.2 系统逻辑架构设计

本研究系统基于B/S架构模式进行开发，在系统逻辑架构上分为3层进行设计，分别是显示逻辑层、系统应用逻辑层以及数据操作逻辑层，如图6所示。

数据是系统的基础，数据操作逻辑层主要用于操作和处理数据库服务器中的数据。根据系统需求可将系统数据划分为人员管理信息数据、多源信息数据以及空间数据。按照数据结构划分，又可分为空间数据以及非空间数据（属性数据）。

应用逻辑层是系统功能实现的关键，主要完成系统业务逻辑，本研究系统主要的业务逻辑可分为4个方面，即多源信息集成、三维可视化、空间分析以及人员管理。

显示逻辑层是与用户直接接触的逻辑层，用于用户界面显示，分为系统登录注册页面以及系统操作主界面。

3.3 GIS桌面平台应用

SuperMap iDesktop是桌面GIS应用与开发平台，用于GIS数据处理、分析、数据缓存等操作。该平台的管理界面如图7所示。通过桌面端可实现对二三维空间数据处理、地图可视化表达、地图专题表达、三维操作、空间分析等多种操作。

4 系统功能开发

4.1 漫游飞行

系统漫游飞行功能包含飞行漫游、特定建筑物块快速定位、三维地质体漫游等3项子功能。该模块操作界面如8图所示，可满足用户对地表三维模型的可视化体验。

4.2 坡度坡向分析

坡度坡向分析功能包含坡度分析以及坡向分析两项子功能。按照分析的表现方式又可以分为局部边坡分析以及全矿边坡分析。分析模式可以分为仅坡度、仅坡向、坡度和坡向3种，如图9所示。基于坡度坡向分析模块，可以对矿山的坡度进行整体分析，从而快速获取矿区坡度危险区。

选取全矿坡度分析模式，通过控制坡度值滑块区间，可动态分析出坡度大于30°的区域主要分布于北帮东区、北帮西区、南帮东区坑底附近。3个区域相比，北帮东区坡度更大，坡度大于30°的区域更广，因而从坡度分析角度来看，北帮东区为潜在危险区。

4.3 多源信息集成

系统集成了丰富的矿山资料信息，如矿山地质资料、滑坡区、勘察信息、剖面信息、力学计算结果、水文地质信息以及InSAR监测数据等，并通过空间数据和属性数据相结合的方式，对属性信息进行空间可视化展示，如图10所示。

4.4 空间数据分析

基于体积分析模块，可以快速实现复杂地形的土方量计算，并预测施工周期。

在抚顺西露天矿综合治理方面，考虑到矿区地质构造复杂、水量较大、矿坑灾害多样以及易发频发等特点，本着安全、经济、宜用的设计原则，提出了初步设计方案，即“回填压脚—蓄水成湖—局部削坡”相结合的综合治理方案。矿坑-148 m标高以下全部回填，在-14～-40 m标高范围内采用3个台阶分段内排。具体设计方案为：内排边坡角16°，单层台阶坡角30°，从标高-148 m开始第1个和第2个台阶段高40 m，第3个台阶段高28 m，平盘宽度90 m。若后期需要削坡，可从-40 m以上进行削坡，削坡范围自E1000线以东区域，削坡角度16°。若后期进行蓄水工作，按照初步方案设定从-148 m标高到+50 m标高进行蓄水，如图11所示。运用GIS系统的体积分析功能计算出了该方案的土方量，并根据施工速度对工程施工周期进行了预测，结果见表1。

4.5 量测分析

系统空间量测模块包含距离测量、面积测量、高度测量3项子功能，如图12所示。

距离测量功能不仅能够测量两点之间的空间距离，还能够测量多个点之间的距离（即连续测量）；面积测量指的是空间的面积测量；高度测量功能不仅能够获取空间两点之间的高差，还能够获取测量点间的水平距离和空间距离。系统以数字化的方式进行工程测量，可有效减少现场人力、物力投入。

4.6 剖切分析

系统三维地质模型的动态剖切功能，通过移动功能面板裁剪盒长度滑块，可实现对三维地质体的连续切割，展现抚顺西露天矿岩性的空间位置，如图13所示。

5 结论

（1）将无人机倾斜摄影测量技术、传统建模技术与GIS可视化平台相结合，基于B/S架构，以Super-Map iServer服务器为开发平台，建立了抚顺西露天矿WebGIS系统。该系统以矿山三维可视化为基础，将矿区多源信息进行集成，同时设计了安全访问、漫游飞行、空间分析等多个功能模块，使得系统的实用性增强，有效解决了矿山构建“地下—地表—地上”真三维可视化场景的技术难题。

（3）基于系统坡度坡向分析模块，得出危险区域分布于北帮东区；基于体积分析模块，实现了复杂地形的大范围体积计算。

（4）充分发挥了GIS对空间的管理、处理、分析优势，解决了复杂地形不同标高土方量计算难题，为精确计算抚顺西露天矿回填充水综合治理方案中的土方量提供了可靠依据。