礦區地質災害外業巡查系統設計與開發

鄭 輝

兗礦集團有限公司 山東 鄒城 273500

0 引言

我國長期煤炭資源開采造成了礦區地表的一系列地質災害問題，如滑坡、沉降、地裂縫等，這成為了制約煤炭綠色開采的困擾因素。如何快速的監測和獲取地表的這些地質形變和災害信息，國內外學者及相關機構都進行了相應野外數據采集系統的研發，如澳大利亞的FieldPAD、加拿大的FieldLog、美國的PenMap、中國地質調查局的RGMap等系統[1]。這些早期的系統限于當時的計算性能不足、存儲能力有限等問題，多以地質調查點的矢量圖形與屬性表單數據采集為主。隨著嵌入式操作系統、移動GIS、物聯網、寬帶無線網、多媒體壓縮等新技術的快速發展，諸如ESRI和百度等大公司也推出的適用于iOS、Android等多種移動平臺的開發工具和服務，借助這些相關的工具和服務，孫勇[1]、魯學軍[2]、吳晨曦[3]、李越[4]、歐文浩[5]、張靜文[6]等人均進行了基于移動終端的地質災害監測巡查系統的開發；另外，吳揚安[7]、李金雷[8]、曹國平[9]、張晟[10]、劉美靜[11]等人也運用這些技術面向城市管網、設施農業、公路養護等進行了野外數據采集與一體化管理系統的開發。

由于煤炭開采的特殊性，以長壁式開采為特征的開采工藝，造成礦區開采地表始終處于一種動態性變化過程，從而造成了礦區地表的各種地質災害現象時有發生，因此及時的監測和獲取這種礦區地表的變化信息，對于礦區地表各種建（構）筑物的保護，對于煤礦井下開采進展規劃等都具有非常重要的意義。為此，本文在借鑒諸多學者進行移動采集系統設計的基礎上，進行了礦區地質災害外業巡查系統的設計與開發，可實現滑坡、地裂縫、沉降等多種地質災害信息的快速采集，為礦區安全生產提供了重要參考依據。

1 系統框架體系設計

系統綜合應用衛星導航與定位（GNSS）、網絡RTK、移動GIS、互聯網等最新技術，針對礦區開采所造成的多種地質災害類型和環境變化信息，進行了野外巡查系統的設計與開發，主要包括：移動端數據模塊的設計與開發、服務端野外巡查數據庫設計及數據管理與分發模塊的開發等。系統總體架構設計如圖1所示。

（1）技術支撐層

該層主要是系統開發所采用的主要核心開發工具及軟件平臺。其中，空間數據訪問與管理采用ArcSDE，空間數據服務發布采用ArcGIS Server，屬性數據訪問采用ADO.NET，移動端開發采用ArcGIS SDK for Android等。

（2）數據層

該層主要為數據管理層，主要的數據包括：礦區地理數據、礦區地質災害專題數據和礦區業務數據等。礦區地理數據按照國家標準和規范進行分層組織和管理，礦區地質災害數據按照不同地質災害類型分別進行空間和屬性數據的規范化存儲，礦區業務數據包括了礦山地質測量相關的專題圖件資料。

（3）服務層

該層主要主要是借助Web Services技術，實現地圖數據、專題數據、災害屬性數據等的數據服務或地圖服務發布，以滿足移動數據訪問和更新的需求。

（4）應用層

該層主要面向移動端用戶的需求，提供礦區地質災害的巡查和數據采集與遠程更新等功能，如：地圖數據的訪問與操作、數據更新與管理、災害數據的獲取、項目管理等等。

2 系統研發的關鍵技術

2.1 GPS數據解析與網絡RTK技術應用

系統移動硬件平臺選用內置GPS和支持Android操作系統的平板電腦，GPS的輸出語句遵循NMEA-0183輸出格式，該格式是由美國國家海洋電子協會制定的一套通訊協議。該格式數據中包括了：定位信息、衛星信息和地面速度信息等。通過對其解析可獲得：可用衛星數、衛星仰角、衛星方位角、衛星編號、信噪比等，可實現對衛星分布圖的繪制及衛星質量狀況判定。通過對該數據格式中GPS操作語句的解析和處理，進一步結合網絡RTK技術，通過與基站服務端的網絡連接和差分數據獲取等，實現了GPS連接、GPS控制、位置信息提取與結算、衛星信息提取、衛星分布圖繪制等功能。

2.2 外業巡查數據的組織與管理

鑒于礦區地質災害類型較多，每一類災害的屬性信息也不盡相同，為此，需要依據不同的災害類型進行不同數據結構體系設計。在服務端進行數據結構體系設計時，外業巡查的災害屬性數據以大型關系型數據庫進行存儲與管理，外業采集的災害空間數據通過空間數據引擎存放在空間數據庫中。在移動端，屬性數據存儲在嵌入式數據庫中。數據的整體組織管理體系包括以下幾方面內容。

（1）基于緩存文件的移動地圖服務

為了實現移動端礦區地圖的可視化表達，通過制作并發布成移動地圖服務，可通過移動端下載成離線緩存地圖，在巡查數據采集時，礦區地質災害的空間位置及分布等信息直接存儲在地圖緩存文件中。

（2）礦區地質災害空間數據與多維屬性數據的關聯存儲

不同地質災害類型，其屬性信息也差異較大，如滑坡就包括了環境、影響因素、外業調查基本信息、特征參數、評價結果、外業照片等多種類別的屬性信息，為了實現地質災害的空間信息與屬性信息的關聯查詢與分析，我們以地質災害的空間圖層表為主表，按照星型結構以內外鍵為關聯，建立起了礦區地質災害空間數據與多維屬性數據的關聯存儲。具體星型關聯結構如圖2所示。

圖1 系統總體架構

圖2星型結構的地質災害數據存儲組織結構

（3）基于項目的巡查數據的統一組織

外業巡查系統需要管理的數據內容比較多，包括了基礎地圖數據、各類地質災害的圖層數據及巡查數據等，為了便于這些數據在移動端的統一組織和管理，系統構建了以項目為核心的管理體系，具體項目的組織結構如圖3所示，新建項目時，可通過指定要進行使用的地圖、存放屬性數據的數據庫和使用的坐標轉換文件等進行項目初始化；野外巡查結束后，通過自動抽取項目中的巡查數據，結合移動無線網絡，實現屬性數據、空間數據、照片文件等數據向服務端的自動回傳。

圖3野外巡查數據組織

2.3 基于Web服務的巡查數據的遠程更新

野外巡查數據的更新主要包括地質災害屬性數據更新和空間位置數據更新。屬性數據更新主要是實現數據更新到大型關系型數據庫，位置數據更新主要是通過空間數據引擎更新到空間數據庫。數據的更新是通過使用Web Service技術開發實現了服務端數據庫操作的中間層。

3 系統的設計與實現

基于上述關鍵技術，通過建立礦區地質災害外業巡查綜合數據庫，實現了滑坡、沉降、塌陷等地質災害數據的存儲與管理，基于服務端實現了數據庫更新管理子系統，基于Android系統開發了移動端礦區地質災害外業巡查子系統，具體系統整體功能框架如圖4所示。

圖4 系統整體功能框架圖

其中的外業巡查子系統是在嵌入式移動設備上，實現礦區地質災害屬性信息及位置信息的動態采集，其實現的主要功能包括：項目組織與管理、GPS控制與操作、災害位置數據采集、災害屬性信息采集、地圖瀏覽與查詢、數據管理與遠程傳輸等。具體實現的移動端功能界面如圖5所示。

圖5 移動端野外巡查子系統

4 結論

煤炭開采給人類帶來巨大經濟效益的同時，也不可避免的帶來了各類地質災害現象，給礦區的安全生產和人們的生活帶來了嚴重干擾，為了能夠及時掌握礦區地表的這種形變變化，本文借助GNSS、GIS、移動通訊等多種技術手段進行了礦區地質災害外業巡查系統的設計與開發，實現了礦區多種地質災害空間數據及屬性數據的動態采集和遠程數據更新，可為礦區地質災害第一手形變資料的快速獲取及礦山生產輔助決策支持提供了有力支撐。