高潛水位礦區(qū)耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

袁 越，王旭春，張 鵬，管曉明，李東發(fā)，張 凱

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；4.國(guó)網(wǎng)能源和豐煤電有限公司，新疆 和布克賽爾 834411)

煤炭開采沉陷對(duì)礦區(qū)土地資源造成嚴(yán)重?fù)p害。科學(xué)有效地評(píng)價(jià)和控制煤炭的開采損害，是煤炭資源開采過程中的重要研究課題[1]。GIS技術(shù)已成為開采損害評(píng)價(jià)的重要工具，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域、不同開采損害特征，基于不同的開發(fā)平臺(tái)和評(píng)價(jià)方法，建立了相應(yīng)的損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，取得了大量有益的研究成果。文獻(xiàn)[2]針對(duì)丘陵和低平山地的地形變化情況，改進(jìn)了概率法，在GIS(MapInfo)平臺(tái)下，建立了塌陷損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]利用空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)和決策系統(tǒng)理論，基于Arcview平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了塌陷地土地復(fù)墾輔助決策支持系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]以概率積分法為沉陷預(yù)計(jì)應(yīng)用核心模型，采用ArcIMS開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了開采損害評(píng)價(jià)WebGIS系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]借助于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)實(shí)現(xiàn)了MATLAB與Arcview平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸和塌陷區(qū)三維可視化，并對(duì)張北井田作了環(huán)境影響評(píng)價(jià)。我國(guó)東部高潛水位礦區(qū)耕地?fù)p害嚴(yán)重[6-8]，人地矛盾尤為突出，補(bǔ)償糾紛難免發(fā)生。目前的研究成果,未針對(duì)東部高潛水位的特點(diǎn)進(jìn)行損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)，亦未將評(píng)價(jià)、二維及三維可視化和補(bǔ)償計(jì)算有機(jī)的結(jié)合，形成一體化評(píng)價(jià)系統(tǒng)。為此，本文針對(duì)東部高潛水位礦區(qū)開采沉陷耕地?fù)p害特征，著重從評(píng)價(jià)補(bǔ)償一體化系統(tǒng)構(gòu)建的角度，分析系統(tǒng)功能的總體設(shè)計(jì)、集成方式和數(shù)據(jù)庫的建立，并探討系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的方法。本系統(tǒng)的構(gòu)建,將為礦區(qū)耕地生產(chǎn)力的恢復(fù)、土地復(fù)墾方式與補(bǔ)償工作,提供必要的科學(xué)依據(jù)和有力的技術(shù)支持，使得開采損害評(píng)價(jià)補(bǔ)償更加快捷和有效。

1 系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析是本評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。依據(jù)目前東部高潛水位采煤沉陷區(qū)耕地破壞的現(xiàn)狀以及影響因子，需求分析主要包括數(shù)據(jù)需求分析和功能需求分析。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)包括了多種數(shù)據(jù)類型、多樣的數(shù)據(jù)獲取渠道和多種的數(shù)據(jù)處理方式，主要有：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：儲(chǔ)存研究區(qū)內(nèi)地形地貌、采礦工程地質(zhì)、自然區(qū)劃等。②變形預(yù)計(jì)值數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)內(nèi)容有地表下沉值(W)、地表曲率變形(K)、地表傾斜值(I)、水平移動(dòng)變形(U)、水平拉伸變形(ε)等。③計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫：存儲(chǔ)損害評(píng)價(jià)過程中生成的過渡圖層數(shù)據(jù)、shp文件數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

本系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)耕地生產(chǎn)力損害程度的分級(jí)標(biāo)定和補(bǔ)償計(jì)算，要求實(shí)現(xiàn)的基本功能有：①評(píng)價(jià)因子及其它數(shù)據(jù)信息的獲取：在GIS平臺(tái)軟件支持下,獲取屬性數(shù)據(jù)庫中所需變形預(yù)計(jì)值數(shù)據(jù),以及與損害評(píng)價(jià)相關(guān)的耕地資源屬性信息，作為評(píng)價(jià)參數(shù)及相關(guān)專門計(jì)算分析源數(shù)據(jù)。②耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)與分析：該功能是本評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，通過評(píng)價(jià)計(jì)算模型，調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫，求出各評(píng)價(jià)單元的綜合指標(biāo)，結(jié)合損害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)破壞程度的分等定級(jí)。③空間信息結(jié)果查詢：根據(jù)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果圖，可以查詢?nèi)我庑螤钅繕?biāo)區(qū)域耕地生產(chǎn)力損害情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為決策、管理提供科學(xué)依據(jù)。④評(píng)價(jià)信息可視化：整個(gè)評(píng)價(jià)計(jì)算過程、評(píng)價(jià)結(jié)果和查詢結(jié)果,采用直觀、生動(dòng)的二維圖形圖像、三維視圖和數(shù)據(jù)表的方式顯示。⑤繪制沉陷剖面：可對(duì)采煤沉陷區(qū)的三維視圖中任意兩點(diǎn)之間提取沉陷斷面，進(jìn)而弄清評(píng)價(jià)單元沉陷損害的空間分布變異性隨平距的變化規(guī)律及其與地下潛水位線的上下位置關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)東部高潛水位礦區(qū)的實(shí)際情況以及系統(tǒng)的使用對(duì)象和評(píng)價(jià)對(duì)象，確定系統(tǒng)的目標(biāo)和任務(wù)是:以ArcGIS為平臺(tái)基礎(chǔ)，合理選擇編程工具，建立空間數(shù)據(jù)庫，綜合應(yīng)用ActiveX技術(shù)和三維可視化技術(shù)，對(duì)ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，開發(fā)出與功能相適應(yīng)的各評(píng)價(jià)分析模塊，進(jìn)而集成為專業(yè)應(yīng)用型的GIS可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為礦區(qū)規(guī)劃管理部門進(jìn)行土地復(fù)墾治理和補(bǔ)償工作提供一定的科學(xué)依據(jù)和空間信息管理平臺(tái)。通過選取典型開采沉陷耕地?fù)p害區(qū)域進(jìn)行損害評(píng)價(jià)計(jì)算和分析，檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性和精確性，并進(jìn)行進(jìn)一步的修改和完善。

依據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)和系統(tǒng)的功能需求分析，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括圖形、屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)和處理、空間信息查詢和評(píng)價(jià)結(jié)果分析、損害評(píng)價(jià)計(jì)算、三維分析和信息輸出等五大部分。圖形、屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)和處理的主要功能,是對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部排序和圖形圖像數(shù)據(jù)分層提取，生成耕地?fù)p害評(píng)價(jià)系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)格式。損害評(píng)價(jià)計(jì)算是依據(jù)各評(píng)價(jià)單元的綜合指標(biāo)，結(jié)合損害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)損害分級(jí)標(biāo)定，并自動(dòng)計(jì)算出各目標(biāo)區(qū)的各級(jí)損壞面積和補(bǔ)償金額。空間信息查詢和評(píng)價(jià)結(jié)果分析,可實(shí)現(xiàn)任意子目標(biāo)區(qū)耕地?fù)p壞信息的分類查詢和評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析。三維可視化提供采煤沉陷耕地?fù)p害評(píng)價(jià)區(qū)三維場(chǎng)景的生成及查詢空間屬性、繪制任意兩點(diǎn)間剖面的功能。

2 軟件平臺(tái)的選擇及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

2.1 軟件平臺(tái)的選擇

鑒于需滿足開放的開發(fā)環(huán)境(ODE)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一及共享、組件(COM)技術(shù)、空間分析和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等要求，特選取美國(guó)ESRI公司研制的桌面GIS軟件ArcGIS 9.2作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)。選擇具有簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、支持多種數(shù)據(jù)格式文件等特點(diǎn)的微軟公司著名的桌面數(shù)據(jù)庫軟件Microsoft Access 2003作為后臺(tái)屬性數(shù)據(jù)庫。采用Visual Basic 6.0面向?qū)ο罂梢暬绦蛟O(shè)計(jì)語言，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、各評(píng)價(jià)功能模塊開發(fā)，完成評(píng)價(jià)系統(tǒng)的集成等功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

開采沉陷預(yù)計(jì)是進(jìn)行開采損害評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)性工作，所得的地表變形預(yù)計(jì)值是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源，在此通過“開采沉陷可視化工程分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)”[9]預(yù)計(jì)生成并轉(zhuǎn)入空間數(shù)據(jù)庫。本評(píng)價(jià)系統(tǒng)兩個(gè)核心功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法,是開采沉陷區(qū)耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)的二維可視化和采煤沉陷區(qū)的三維可視化。

開采損害評(píng)價(jià)的二維可視化,是通過區(qū)域地形圖、耕地利用類型圖和井上下對(duì)照?qǐng)D的疊置分析，調(diào)用所需的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，逐個(gè)識(shí)別評(píng)價(jià)單元進(jìn)行渲染損害分級(jí)和補(bǔ)償計(jì)算，并利用ArcObjects的控件MapControl來實(shí)現(xiàn)。空間查詢和分析,可以通過ArcGIS相應(yīng)的組件進(jìn)行定制和擴(kuò)展。

采煤沉陷區(qū)的三維可視化,是根據(jù)開采沉陷地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值生成TIN表面，并進(jìn)行紋理疊加。沉陷區(qū)三維場(chǎng)景的生成和任意剖面圖的提取,可利用ArcObjects的三維可視化控件ArcScene來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用控件的對(duì)象、屬性和方法生成可視化圖形、圖像。

考慮煤炭開采沉陷對(duì)耕地生產(chǎn)力影響的本質(zhì)因素，并針對(duì)我國(guó)東部高潛水位采煤沉陷區(qū)耕地?fù)p害的典型特征，本文引入文獻(xiàn)[10]中所構(gòu)建的綜合定量評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)模型與GIS的集成有不同的方式，包括文件傳輸方式、系統(tǒng)調(diào)用方式、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換方式(DDE)、動(dòng)態(tài)聯(lián)接庫方式(DLL)以及組件方式(ActiveX)等。考慮到模型對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及GIS功能的要求、用戶界面的統(tǒng)一性、模型與GIS連接的緊密性,以及程序設(shè)計(jì)工作的難易程度，本系統(tǒng)的集成方式采用DLL及其擴(kuò)展方式。

3 數(shù)據(jù)庫的建立

構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行沉陷區(qū)耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫由圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)見圖2。

圖形數(shù)據(jù)的獲取,是通過對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)的地形地貌圖、采礦地質(zhì)條件圖及各類專題圖的數(shù)字化及解析測(cè)圖。圖形數(shù)據(jù)內(nèi)容主要由地理底圖數(shù)據(jù)、shp文件、Coverage文件、CAD圖件組成。本系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)獲取,采用手動(dòng)錄入的方式，同時(shí)通過開采沉陷可視化工程分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)(MSVEADS2001)[9]預(yù)計(jì)生成并轉(zhuǎn)存到屬性數(shù)據(jù)庫中。屬性數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括土地屬性數(shù)據(jù)表、移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值數(shù)據(jù)表、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)表、耕地?fù)p害補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表等,并通過Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行管理。

雖然圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫各自獨(dú)立存儲(chǔ)，但是在進(jìn)行開采沉陷損害評(píng)價(jià)訪問數(shù)據(jù)庫的時(shí)候,要求它們實(shí)時(shí)鏈接。為此，本系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫通過編寫動(dòng)態(tài)鏈接碼(FID),把圖形庫與屬性庫進(jìn)行鏈接。

4 系統(tǒng)主界面與各主要功能模塊

本系統(tǒng)操作主界面嵌于GIS軟件ArcGIS 9.2內(nèi)， 依托ArcGIS功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，豐富了本評(píng)價(jià)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，從而能高效完成一些過程復(fù)雜、計(jì)算量大的任務(wù)。系統(tǒng)主界面主要包括煤炭開采地表沉陷預(yù)計(jì)點(diǎn)層、損壞程度標(biāo)定、評(píng)價(jià)計(jì)算、沉陷三維圖和繪制剖面圖等功能模塊。

耕地?fù)p害評(píng)價(jià)是本系統(tǒng)的核心功能，可實(shí)現(xiàn)沉陷區(qū)耕地生產(chǎn)力損害的自動(dòng)計(jì)算及損壞程度的分級(jí)標(biāo)定，主要包括損害分級(jí)、評(píng)價(jià)計(jì)算和空間查詢?nèi)齻€(gè)功能模塊。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫示意圖

三維可視化主要包括沉陷三維圖與提取任意剖面模塊，完成沉陷區(qū)耕地的三維效果圖的制作、任意剖面圖的繪制及三維空間屬性信息查詢。用戶能夠立體地觀察、分析，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)目標(biāo)區(qū)域的地表沉陷、耕地?fù)p害情況、破壞域大小等，也為規(guī)劃管理者科學(xué)決策提供了一定參考依據(jù)。

5 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本評(píng)價(jià)系統(tǒng)的科學(xué)性、有效性，特以兗州礦區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證分析研究。兗州礦區(qū)位于山東省西南部，屬于湖東山前沖積平原，耕地面積大，主要農(nóng)作物為小麥、玉米等，是我國(guó)東部平原典型的高潛水位礦區(qū)。現(xiàn)選取鮑店礦典型采煤沉陷區(qū)為評(píng)價(jià)對(duì)象。評(píng)價(jià)區(qū)處于兗州煤田的中部，西部與二煤區(qū)搭界，東鄰東灘煤礦，北部以工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱為界，南部是煤層露頭，地下潛水位平均值為3.5m，采煤沉陷基本穩(wěn)定后，地面最大下沉深度約為5.5m，部分地段形成水深約2m的常年積水區(qū)，嚴(yán)重破壞了耕地的生產(chǎn)力。

收集評(píng)價(jià)區(qū)工程圖形、圖像、土地屬性數(shù)據(jù)等相關(guān)基礎(chǔ)資料，并借助微軟的Microsoft Access2003數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，建立評(píng)價(jià)區(qū)空間數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用本評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行耕地生產(chǎn)力損害GIS可視化分析與評(píng)價(jià)，主要結(jié)果如圖3～7。

圖3 耕地生產(chǎn)力損害分級(jí)圖

圖4 耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

圖5 沉陷區(qū)耕地三維可視化

圖6 AB間剖面圖

圖7 CD間剖面圖

由圖3可見，研究區(qū)內(nèi)紅色所示完全損害部分面積較大，僅次于輕度損害面積。結(jié)合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果表(圖4)可知，完全損害耕地的面積達(dá)到780畝，并且地處盆地中心區(qū)域。究其原因，主要是因?yàn)榧t色區(qū)域完全位于采煤工作面103上01、103上02、103上03、103上04和103上05上方地表，煤層開采上覆巖層移動(dòng)變形波及地表，致使此部分損毀最厲害。由圖4可見，研究評(píng)價(jià)區(qū)范圍內(nèi),完全損壞總面積達(dá)779.4畝，賠償總額可達(dá)2.775×107元，其中耕地塊“蔡廠2003新增-2”的完全損壞面積最大229畝，賠償金額達(dá)到690萬元。

從評(píng)價(jià)研究區(qū)三維場(chǎng)景圖(圖5)可以立體的看出各耕地的沉陷情況。由圖6可見，地表最大下沉深度達(dá)到3.7m，部分已處于地下水位以下，形成積水坑，造成作物減產(chǎn)。由圖5、7可知，由于地表移動(dòng)變形，“前西渠2003新增”耕地塊位于沉陷坡地，容易引起養(yǎng)料、水分的流失，并且底部低于地下潛水位線0.4m之多，加速了地塊的鹽堿化，降低了耕地生產(chǎn)力，導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。

6 結(jié)論

1) 應(yīng)用本評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)鮑店礦典型采煤沉陷區(qū)進(jìn)行了耕地生產(chǎn)力損害評(píng)價(jià)，其結(jié)果基本符合實(shí)況，可為耕地復(fù)墾規(guī)劃及損害補(bǔ)償提供一定的科學(xué)依據(jù)，表明了該系統(tǒng)的科學(xué)性、有效性和合理性。

2) 利用組件式GIS具有系統(tǒng)集成效率高、開放的開發(fā)平臺(tái)、開發(fā)語言不唯一等眾多優(yōu)勢(shì)，提高了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效率,降低了開發(fā)的難度，使得系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性和可操作性。

3) 隨著采煤沉陷區(qū)耕地復(fù)墾規(guī)劃與治理工作的開展，GIS技術(shù)作為一個(gè)快捷而又有效的評(píng)價(jià)計(jì)算手段，其優(yōu)越性愈加凸顯出來，三維耕地?fù)p害評(píng)價(jià)將會(huì)是一個(gè)發(fā)展方向。本系統(tǒng)在模型優(yōu)化、功能擴(kuò)展方面，尚需進(jìn)一步的研究。

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