基于GIS技術的天津市地熱資源實時監測與信息管理系統研究

張像源

(天津市地質調查研究院,天津 300191)

當前,我國正處于工業化和城鎮化快速發展階段,能源問題已經逐漸成為制約經濟和社會發展的重要因素.地熱資源是重要的可再生資源,具有清潔、環保、就地取用等優勢,開發利用地熱對于緩解我國能源緊張的形勢,實現節能減排的工作目標起到積極推動作用.

天津地區地熱資源十分豐富,地熱研究程度較高.從2003年開始,天津市地熱管理部門組織相關單位建立了基于GIS的地熱資源空間數據庫.至2007年底,天津市已有地熱井269眼,年開采量達2564萬m3,地熱利用具有極其廣闊的前景.為了獲取地熱動態數據,技術人員常奔波于各個分散的開采井點以監測地熱動態變化情況.這種工作方式在信息技術發展迅猛的今天,不僅顯得效率低下,而且浪費了大量的人力物力.

因而,整合已經建立的地熱空間數據庫,結合信息技術,建立地熱資源遠程實時監測及信息管理系統,實現地熱資源的信息化管理,供地熱管理人員及時了解地熱資源開采動態的實時信息,加強對地熱資源的勘察、開發、利用并有效地進行宏觀調控是擺在地熱管理部門眼前的一個重要課題.

1 系統設計

1.1 需求分析

為實現遠程地熱資源動態數據的監測,有序完成各項維護地熱監控任務,需要系統具有地熱遠程監測功能.此外,系統應該具有管理已經建立的地理、地質、水文地質、地熱地質、地熱資源等圖類的空間數據庫的功能.為了便于進行地熱資源分析,需要結合地熱實時監測資料,進行地熱資源的統計分析、地熱監測數據歷時曲線生成、等值線繪制等功能;為使用戶了解到天津市最新的地熱資源的特征,在天津市進行地熱的勘查、打井等工程項目提供輔助信息,系統應該具有支持多種條件下的檢索、查詢各類相關圖層地熱信息等功能.

1.2 系統構成

根據上述需求分析,天津市地熱資源實時監測與信息管理系統由放置在監控中心的主控計算機(上位機)和置于地熱井現場的數據采集裝置(下位機)組成(見圖1).

地熱井現場數據采集裝置,由一臺工業控制計算機和數個流量、溫度、壓力、液位傳感器組成.負責對地熱開采井的溫度、壓力、流量、液位等過程量進行實時采集,并在上位主控計算機遠程要求采集地熱井相關數據時,向主控計算機發送地熱井最新動態數據.

監控中心的主控計算機是一臺標準基于Windows NT操作系統的PC機,安裝有基于GPRS Modem、RS232接口的天津市地熱資源實時監測與信息管理系統,通過RS232接口, 系統利用GPRS模塊與下位機進行通訊,包括發送數據采集命令或者接受監測數據.

1.3 數據傳輸

由于天津市地熱站點相對較為分散,地域跨度較大,如果各個地熱井站采用專線與監控中心進行通信的方式,投資費用相對較高.而GPRS是基于中國移動GSM網上的2.5G分組交換數據網,具有很好的信號覆蓋.因此,本系統數據傳輸采用GPRS無線通訊方式,具有投資成本低、運行費用少、數據實時、穩定的特點.

1.4 地熱井遠程監測

(1)多井連續監測

對于地熱動態監測者而言,最關心的是省時省力自動連續多井監測方式.該方式是根據設定的參數,在指定時間內啟動監測系統進行多井連續監測,監測到的數據由系統自動寫入監測數據庫中,同時進行數據自動備份,并將監測情況寫入監測日志中.

(2)單井監測

單井監測是指對單個井實施監測的過程,用戶選擇感興趣的地熱井,實時監測其開采流量、壓力、溫度、回灌量、回灌溫度、累計流量、農業流量等動態內容.

(3)下位機數據采集

由各個地熱站的現場數據采集傳感器采集開采井的溫度、壓力、流量、液位等數據量,將采集的數據存儲在數據庫中,并在液晶顯示屏上實時顯示.

(4)站點管理

通過站點管理功能,可以實現地熱站點基本情況的更新或錄入.

1.5 地熱空間數據庫管理

(1)項目管理

通過建立項目管理文件,實現地熱空間數據庫管理.項目是一套空間數據庫圖類、圖層文件以及外掛數據庫的集合,它記錄了這些文件所在的絕對路徑.一個項目,具有名稱、路徑、是否自定義、投影參數等屬性.用戶通過對項目中的圖層文件、圖類及其相關要素進行重命名、刪除、增加以及圖層的外掛數據庫設置等,操作實現項目管理.

(2)圖形瀏覽

對于一個地熱項目中的圖層文件,可以進行組合顯示,如加載地理底圖和專業圖層.用戶可在地圖視圖區進行窗口放大、縮小、移動等操作,并實現圖元的拾取、選擇以及其它交互式操作.

(3)屬性瀏覽

該功能通過用戶在地圖顯示視圖鼠標點取或者框選實現一個或多個圖元的選擇,并能實現其相應屬性的顯示.

(4)檢索查詢

以天津市地熱空間數據庫為數據源,提供按行政區域查詢、地熱田單元查詢、矩形查詢、多邊形查詢、任意關鍵詞查詢等功能,實現對用戶感興趣的空間對象和相應的屬性檢索查詢.

(5)等值線繪制

等值線是指在一個表面上等值點的連線,是在二維空間上表達三維的數據,第3維(Z)用等值線表示.利用現有的觀測數據,采用一元線性回歸模型計算回歸系數,得到水位變幅,將離散數據網格化后,結合GIS技術的空間分析功能,自動進行地熱水位變幅等值線等圖形的繪制.

(6)歷時曲線繪制

地熱資源動態數據包括水位、水質、開采量、水溫等,隨著時間的推移,這些動態向量隨開采條件發生著變化,繪制其歷時曲線,供用戶直觀地了解這些觀測要素的動態變化特征.

(7)報表生成

將地熱實時數據按照某年月累計流量統計、某月日流量統計、某月日累計流量3種方式統計,統計內容可轉換為XML文件后在Excel中打開,便于統計分析,也可利用XSL技術轉換為Word表格,進行打印輸出.

(8)根據數據庫坐標生成點文件

利用外部地熱數據庫坐標,生成具有各種投影的GIS點文件.

2 系統實現

利用MapGIS平臺二次開發庫,通過面向對象分析(OOA),有效地利用統一建模語言(UML), 應用上述設計,設計并建立了類圖和類.并據此實現了MapView (地圖視圖類)、GSGWGIS(數據庫組織類)、CommPort (數據通訊類)、MapLayerManager(圖層管理類)、GeoDatabase(數據庫連接類)、DrawGraph(繪圖類)、DataDsp(數據屬性類)、GeoSurvOrgCtl(數據庫管理視圖類)等類(見圖2).

基于微軟的.Net frameWork、XML技術,利用VC#.Net、VC++6.0等開發工具,進行系統開發.實現了集地熱數據管理、遠程監測數據采集、地熱數據統計分析為一體的地熱資源實時數據監測與信息管理系統.系統主要由空間數據庫管理視圖、空間圖層列表視圖、地區列表視圖、地圖瀏覽視圖、數據與監測視圖、菜單、工具欄等部分組成(見圖3).

3 結束語

結合GIS技術和最新的計算機開發技術,以地熱空間數據庫為數據源,進行天津市地熱資源實時監測與信息管理系統的研發,確保地熱資源在信息化管理、智能化監測等方面緊跟信息技術發展潮流.通過遠程對地熱井的水溫、流量、井口壓力、水位等動態參數進行實時監測、科學管理,可以隨時掌握地熱資源的開發利用現狀,同時結合地熱空間數據庫,利用系統實現地熱空間數據查詢與分析,為地熱管理部門進行地熱規劃、管理提供輔助決策信息.

略)