基于WebGIS的瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)
郝富昌,郝天軒,劉明舉,張振華
(河南理工大學(xué)資源與材料工程系,河南焦作454003)
摘 要:針對(duì)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)等信息資源共享中存在的問題,提出了采用WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息
系統(tǒng))技術(shù),以ArcView為平臺(tái),以ArcIMS 4.0為發(fā)布工具的解決方案。介紹了瓦斯預(yù)測(cè)信息
管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),闡述了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)環(huán)境、技術(shù)流程,并對(duì)系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。
關(guān)鍵詞:瓦斯預(yù)測(cè);WebGIS;管理信息系統(tǒng);ArcIMS
中圖分類號(hào):TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-496X(2006)
基金項(xiàng)目:國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目(2001BA803B0402)
煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)中最大的自然災(zāi)害之一,準(zhǔn)確科學(xué)地預(yù)測(cè)礦井瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)是確保煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。對(duì)瓦斯突出區(qū)域的預(yù)測(cè),涉及數(shù)據(jù)多,信息量大,且反映突出條件的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)隨煤礦生產(chǎn)而不斷變化,如何有效地將這些數(shù)據(jù)管理起來,是體現(xiàn)礦井安全管理水平和先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。目前,煤礦企業(yè)各個(gè)部門積累了大量的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù),但存在著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致,兼容性與可比性差,利用率低,造成了瓦斯區(qū)域預(yù)測(cè)資源的極大浪費(fèi)現(xiàn)象。而在信息時(shí)代,如何獲取大量數(shù)據(jù)并從中提取需要的信息是十分重要的。資源共享就是一條重要且極其有效的途徑。
WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))是指基于Internet平臺(tái)、客戶端應(yīng)用軟件、采用WWW協(xié)議、運(yùn)行在萬維網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)〔1-2〕。與傳統(tǒng)GIS軟件相比,最大特點(diǎn)是在空間框架下實(shí)現(xiàn)圖形、圖像數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)鏈接,提供網(wǎng)上可視化查詢和空間分析功能,使原來基于單機(jī)的GIS擴(kuò)展到整個(gè)因特網(wǎng),使得地學(xué)數(shù)據(jù)和地學(xué)模型有可能在全球范圍內(nèi)共享〔3〕。
本軟件系統(tǒng)以一個(gè)瓦斯涌出量大,煤與瓦斯突出頻繁的礦井———淮南煤業(yè)集團(tuán)潘三煤礦的瓦斯地質(zhì)資料和突出信息為例,在ArcView的基礎(chǔ)上,利用WebGIS軟件ArcIMS,開發(fā)出了功能較強(qiáng)、數(shù)據(jù)可普遍共享的瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)目標(biāo)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)是基于瓦斯地質(zhì)理論預(yù)測(cè)瓦斯的成果,著眼于運(yùn)用現(xiàn)代化手段提高工作效率和管理水平,對(duì)瓦斯預(yù)測(cè)進(jìn)行信息化管理,設(shè)定如下目標(biāo):
(1)用戶不僅可以把自己所獲得的各種瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上,還可以根據(jù)權(quán)限從站點(diǎn)中瀏覽或下載礦用圖形數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
(2)提供礦用矢量圖形系統(tǒng),可生成采掘工程平面圖,瓦斯含量等值線圖,瓦斯壓力等值線圖,瓦斯地質(zhì)圖等重要圖件,并能實(shí)現(xiàn)這些圖形的快速更新、查詢、打印等功能。
(3)等值線生成、標(biāo)注、查詢、顯示模塊。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在分析綜合的基礎(chǔ)上完成構(gòu)造軟煤等厚線圖、瓦斯含量等值線圖、瓦斯壓力等值線圖的生成。
(4)視圖主題的平移、放大、縮小、漫游等功能。
(5)查詢功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由圖形查詢屬性以及屬性查詢圖形的功能。
(6)空間分析功能。通過各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入,比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。
依照系統(tǒng)目標(biāo),設(shè)計(jì)出的瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)分為三個(gè)層次,數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展示層〔4〕。
數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理;業(yè)務(wù)邏輯層主要是響應(yīng)用戶的各種請(qǐng)求和查詢操作,通過ArcIMS和ASP程序交互作用來實(shí)現(xiàn);展示層是系統(tǒng)將用戶所需的信息或請(qǐng)求處理結(jié)果以文本數(shù)據(jù)、HTML文件以及GIF/JPEG影像數(shù)據(jù)返回給用戶。建立這種體系結(jié)構(gòu)可將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的應(yīng)用分割來,大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 基于WebGIS的瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是基于nternet/Intranet標(biāo)準(zhǔn),將地圖3.空間信息和屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來的網(wǎng)絡(luò)化地理信息系統(tǒng)。
圖1 瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式
突出區(qū)域預(yù)測(cè)可視化系統(tǒng)以煤礦企業(yè)局域網(wǎng)作為運(yùn)行環(huán)境,系統(tǒng)的用戶主要為煤礦領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)科室(如地質(zhì)科、通風(fēng)科、網(wǎng)絡(luò)信息中心等)的工程技術(shù)人員,用戶數(shù)量不多。用戶的主要業(yè)務(wù)包括數(shù)據(jù)查詢、輸入、更新、分析、系統(tǒng)維護(hù)、圖件打印輸出等業(yè)務(wù)。
考慮到系統(tǒng)的構(gòu)建、維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用等諸多因素,在綜合分析CGI模式、服務(wù)器端應(yīng)用程序接口(ServerAPI)模式、Plug-in模式、GIS ActiveX控件模式、GIS Java Applet模式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)采用基于CGI模式的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)模式。
它的最大優(yōu)勢(shì)是:①具有大型GIS的分析功能,并且可利用已有的GIS資源;②在客戶端使用支持標(biāo)準(zhǔn)HTML格式的Web瀏覽器,操作結(jié)果以靜態(tài)GIF或JPEG格式的圖像顯示,客戶端與平臺(tái)無關(guān)。
2.2 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及技術(shù)流程
系統(tǒng)的服務(wù)器端運(yùn)行在Windows 2000 Server上;GIS平臺(tái)選用ArcView GIS 3.3;屬性數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000建立,通過ArcView和SQLServer的無縫連接來完成空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,雙向查詢及數(shù)據(jù)的更新維護(hù);Web服務(wù)器采用Microsoft IIS 5.0,通過Asp程序與ArcIMS進(jìn)行交互;系統(tǒng)客戶端的運(yùn)行界面采用HTML語言和腳本語言編寫,用戶不必在本地計(jì)算機(jī)上安裝GIS軟件就可以在Internet上訪問遠(yuǎn)程的GIS數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序,進(jìn)行GIS分析,在Internet上提供交互的地圖和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)流程如圖2所示。
圖2 瓦斯區(qū)域預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)的技術(shù)路線圖
在本系統(tǒng)中,用到的數(shù)據(jù)表比較多。鉆孔基本信息表主要存儲(chǔ)施工鉆孔的編號(hào)、所屬剖面號(hào)、鉆孔類別、開孔坐標(biāo)、終孔坐標(biāo)、鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)、施工質(zhì)量、鉆探等基本信息。鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)鉆孔揭露的地層、巖層、煤層等地質(zhì)數(shù)據(jù)。鉆孔彎曲測(cè)量表和鉆孔標(biāo)志層表分別存儲(chǔ)鉆孔測(cè)斜和鉆孔所揭露的標(biāo)志層的相應(yīng)數(shù)據(jù)。構(gòu)造軟煤數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)構(gòu)造煤數(shù)據(jù)點(diǎn)位置、厚度、構(gòu)造煤厚度百分比等數(shù)據(jù)。斷層數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)斷層的名稱、性質(zhì)、產(chǎn)狀及標(biāo)注等信息。瓦斯突出點(diǎn)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)歷年突出卡片記錄的相關(guān)信息。瓦斯含量(壓力)、構(gòu)造復(fù)雜系數(shù)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)瓦斯含量(壓力)、構(gòu)造復(fù)雜系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)及相關(guān)信息值。煤層段數(shù)據(jù)表則存儲(chǔ)煤層段分層厚度、位置等數(shù)據(jù)。
2.4 系統(tǒng)的視圖設(shè)計(jì)
視圖是一種交互式地圖,具備對(duì)地理數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、管理、顯示、查詢和分析等功能[5-6]。ArcView通過視圖這一形式,可以有效的表達(dá)空間數(shù)據(jù)。Ar-cView通過主題來組織視圖,主題又分為點(diǎn)、線、面三種類型。為此,在視圖設(shè)計(jì)中,將突出區(qū)域預(yù)測(cè)中涉及的空間實(shí)體抽象為點(diǎn)、線、面對(duì)象。
(1)將開拓工程(主井、副井、矸石井、風(fēng)井)位置、鉆孔孔口位置、鉆孔見煤點(diǎn)位置、瓦斯突出點(diǎn)位置、煤層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)、構(gòu)造煤層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)、構(gòu)造煤層厚度百分比數(shù)據(jù)點(diǎn)、構(gòu)造復(fù)雜系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)、巖層段厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)等作為點(diǎn)對(duì)象。
(2)線對(duì)象包括勘探線、斷層斷煤交線、煤層底板等高線、構(gòu)造軟煤厚度和瓦斯含量(壓力)等值線等各種等值線、井田邊界線、坐標(biāo)格網(wǎng)線、煤層露頭線、巷道工程等。
(3)多邊形對(duì)象包括煤層風(fēng)化帶、工作面區(qū)域、井田范圍、礦井突出區(qū)、工作面突出帶和斷層區(qū)域等。
3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
3.1 應(yīng)用ArcIMS實(shí)現(xiàn)WebGIS的功能ArcIMS運(yùn)行在一個(gè)分布式的環(huán)境下,由客戶端和服務(wù)器端的部件組成。用ArcIMS設(shè)計(jì)并制作的瓦斯預(yù)測(cè)GIS站點(diǎn)是高度可調(diào)整的,允許大量用戶并發(fā)的訪問站點(diǎn),許多請(qǐng)求能夠被同時(shí)處理,應(yīng)用ArcIMS能夠隨著時(shí)間的推移擴(kuò)展服務(wù)器功能以滿足日益增長(zhǎng)的請(qǐng)求。
ArcIMS能夠?qū)崿F(xiàn)地圖服務(wù),把矢量要素以流的方式發(fā)送到客戶端,實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)提取等功能〔7-10〕。下面就以基于We-bGIS的瓦斯區(qū)域預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)為例,具體說明應(yīng)用ArcIMS實(shí)現(xiàn)地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)查詢提取功能。
ArcIMS能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對(duì)相關(guān)瓦斯地質(zhì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的方便調(diào)用。例如:當(dāng)客戶端通過Inter-net/Intranet向Web服務(wù)器提交一個(gè)瀏覽礦井瓦斯地質(zhì)圖的請(qǐng)求時(shí),Web服務(wù)器接到請(qǐng)求后,立即作出響應(yīng)并進(jìn)行請(qǐng)求處理,如遇到地圖服務(wù)請(qǐng)求,就將請(qǐng)求進(jìn)一步提交給ArcIMS服務(wù)器,ArcIMS服務(wù)器接到請(qǐng)求后,進(jìn)行相關(guān)的GIS運(yùn)算處理,通過Ar-cView從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出瓦斯地質(zhì)圖,同時(shí)將調(diào)出的圖提交給Web服務(wù)器,最后將圖提交給客戶端,在瀏覽器上顯示。
3.2 瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)
綜合分析潘三礦的瓦斯含量分布特征、瓦斯壓力特征、構(gòu)造煤厚度特征、構(gòu)造系數(shù)特征、煤層埋藏深度、瓦斯突出點(diǎn)分布特征等因素后得出結(jié)論,影響潘三礦煤與瓦斯突出的主要因素是瓦斯壓力和構(gòu)造軟煤厚度,所以突出危險(xiǎn)區(qū)和突出威脅區(qū)主要依靠構(gòu)造軟煤厚度、瓦斯壓力分布兩個(gè)參數(shù)來確定。判別規(guī)則是:①瓦斯壓力<0.74 MPa的區(qū)域?yàn)榉峭怀鰠^(qū);瓦斯壓力>0.74 MPa,但構(gòu)造煤厚度<
本系統(tǒng)利用ArcView多邊形疊加分析功能實(shí)現(xiàn)瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)。首先由各個(gè)鉆孔的測(cè)井曲線判別獲得各鉆孔構(gòu)造軟煤厚度,繼而由各個(gè)鉆孔點(diǎn)的構(gòu)造軟煤厚度值生成點(diǎn)狀主題,利用ArcView的Contours工具生成構(gòu)造軟煤等值線圖。再由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)點(diǎn)的瓦斯壓力值生成瓦斯壓力等值線圖。接著由等值線的線狀主題轉(zhuǎn)化為多邊形主體,然后利用多邊形疊加實(shí)現(xiàn)不同主題的求交運(yùn)算,進(jìn)而得到重疊區(qū),即突出危險(xiǎn)區(qū)。
4 結(jié) 論
瓦斯預(yù)測(cè)信息管理系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)提出了瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和共享的解決方案,解決了瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)難以得到共享的技術(shù)難題。在GIS屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了瓦斯預(yù)測(cè)信息資源的瀏覽、交互式操作、礦井信息的查詢以及圖形與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合的功能。
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作者簡(jiǎn)介:郝富昌,男,河南社旗人,河南理工大學(xué)在讀研究生,主要從事瓦斯突出區(qū)域預(yù)測(cè)可視化的研究。
