采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)設計與實現

楊坤朋

（1.山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質大隊），山東 兗州 272100；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術創(chuàng)新中心，山東 兗州 272100；3.山東省大數據產業(yè)創(chuàng)新中心，山東 兗州 272100）

采煤塌陷地是由煤炭礦物的井工開采引起巖層和地面下沉而導致的土地塌陷區(qū)域[1]。采煤塌陷地的產生直接影響著人民群眾生活和生產的發(fā)展，嚴重地制約國民經濟和社會事業(yè)長遠規(guī)劃的實現[2]，因此需要通過采煤塌陷地治理，實現對生態(tài)環(huán)境和經濟發(fā)展的恢復或改善。從全國來看，各省份對采煤塌陷地的管理和治理要求雖然存在一定的操作和指標層面的差異，但從總體要求上均將采煤塌陷地治理作為生態(tài)文明建設的重要組成內容之一。

在采煤塌陷地產生和治理認定統(tǒng)計上，由于采煤塌陷地長期歷史形成、煤礦企業(yè)改制主體責任轉移、企業(yè)采煤塌陷地委托地方政府治理等原因，導致地方政府與煤礦企業(yè)之間存在一定的信息統(tǒng)計口徑差別，統(tǒng)計出的采煤塌陷地和治理面積數值不一致，不利于采煤塌陷地治理主體責任的落實和考核。煤礦企業(yè)在日常采煤塌陷地信息管理工作中，通常采用數字表格臺賬的方式進行管理，缺少必要的空間地理位置信息，導致在采煤塌陷地范圍邊界、實施治理范圍邊界的劃定與動態(tài)管理上不精準，實施操作不直觀，無法滿足新形勢下采煤塌陷地管理和治理要求，因此迫切需要探索出一種采煤塌陷地信息管理的解決方案。

2020 年10 月，兗礦能源集團股份有限公司啟動建設兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目，對位于濟寧市域范圍內的7 個所屬煤礦采煤塌陷地數據進行全面收集、整理、建庫，并結合地方政府監(jiān)測和統(tǒng)計的采煤塌陷地數據，形成具有空間地理位置的采煤塌陷地信息管理數據庫，以此為基礎搭建采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)，面向集團公司和所屬煤礦提供采煤塌陷地數據與應用服務。

該文以兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目為例，基于地理信息數據建庫和WebGIS 等主流技術，面向煤礦企業(yè)用戶需求，提出采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術框架設計與實現方法，通過對地方政府和煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息梳理和分析，建立形成統(tǒng)一空間數學基礎的采煤塌陷地數據建庫工藝流程，并通過明確不同統(tǒng)計口徑下塌陷地范圍邊界、治理責任范圍邊界和已實施治理范圍邊界，以及對煤礦企業(yè)采煤塌陷地產生、治理業(yè)務管理流程梳理和再造，實現煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息在線管理、帶圖管理、協同管理和存檔管理。

1 系統(tǒng)設計

1.1 建設目標

通過采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)設計與實踐，明確地方政府和煤礦企業(yè)兩種統(tǒng)計口徑的采煤塌陷地范圍邊界、治理責任范圍邊界和已實施治理范圍邊界，形成采煤塌陷地信息管理數據庫；規(guī)范煤礦企業(yè)采煤塌陷地產生、治理信息錄入內容和格式，設定各階段時間（包括形成時間、穩(wěn)沉時間、實施治理時間、費用支付時間、完成認定時間）錄入要求，實現采煤塌陷地信息的電子化、流程化管理；建立采煤塌陷地信息統(tǒng)計模型，對采煤塌陷地及治理指標數據進行分析研判，識別發(fā)現并定位地方政府和煤礦企業(yè)統(tǒng)計口徑差異位置，為煤礦企業(yè)領導決策提供數據支撐；構建采煤塌陷地一張圖管理新模式，以國家天地圖最新電子地圖、遙感地圖數據為GIS基礎底圖，疊加采煤塌陷地多要素數據圖層信息，實現采煤塌陷地帶圖管理和野外移動地圖便攜應用，以提高煤礦企業(yè)采煤塌陷地管理工作效率。

1.2 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)涉及多個功能模塊組成，各模塊之間技術特點和職責存在較大的差異，為此系統(tǒng)技術架構采用MVC 架構模式和SOA 面向服務架構設計，并運用Web Service 技術實現前后端數據的交互和展示[3]。本系統(tǒng)應用服務器采用CentOS 7.4 為操作系統(tǒng)，GIS 地圖服務器采用Windows Server 2016 為操作系統(tǒng)，采用MySQL5.6 作為數據庫管理軟件，采用Spring Boot + VUE 組合框架前后端分離開發(fā)[4]，采用GeoServer 2.8 為地圖發(fā)布引擎，采用國家天地圖最新電子地圖、影像地圖為GIS 基礎底圖，地圖服務采用OpenLayersAPI 開發(fā)。系統(tǒng)按照“五橫兩縱”架構設計，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

1）信息感知層是系統(tǒng)的數據來源，主要通過人工測量的方式獲取測繪數據信息，并留有接口，支持接入無人機、衛(wèi)星、物聯網監(jiān)測、監(jiān)控攝像頭等其他方式獲取的數據信息。

2）基礎設施層是系統(tǒng)的運行基礎，包括計算、存儲、網絡等內容組成，支持云服務器部署。

3）數據資源層是系統(tǒng)的數據基礎，包括地圖要素數據庫和業(yè)務管理數據庫。其中地圖要素數據庫主要通過采煤塌陷地原始檔案資料的分析、整理、處理、實地核對、檢查，形成統(tǒng)一的采煤塌陷地圖層。

4）平臺支撐層是系統(tǒng)的底層支撐，提供GIS地圖引擎、物聯網管理、表單管理、流程管理等基礎支撐。

5）業(yè)務應用層是系統(tǒng)的用戶應用，包括大數據分析、一張圖應用、信息管理、數據統(tǒng)計、移動端應用和運維管理等六個模塊，按16:9 界面比例設計，支持基于大屏幕、PC 端及移動端設備訪問。

6）系統(tǒng)遵循統(tǒng)一的標準規(guī)范、工作機制、保障措施、安全防護、保密機制和運行維護等要求。

1.3 系統(tǒng)數據庫設計

系統(tǒng)數據主要包括地圖要素數據和業(yè)務管理數據。地圖要素數據包括煤礦范圍、采空區(qū)范圍、地方政府采煤塌陷地監(jiān)測范圍、煤礦企業(yè)采煤塌陷地實測范圍、地方政府采煤塌陷地監(jiān)測穩(wěn)沉范圍、煤礦企業(yè)采煤塌陷地治理責任范圍、地方政府采煤塌陷地治理項目范圍等，以及市縣行政區(qū)劃邊界、衛(wèi)星遙感數據、30 mDEM 數據和固定點720°全景影像數據等。具體工作流程如圖2 所示。業(yè)務管理數據包括煤礦企業(yè)委托治理、青苗補償、舊村址征用、采煤塌陷地治理等項目的基本信息、地塊信息、項目過程資料檔案和費用信息，以及其他業(yè)務管理統(tǒng)計數據、申報審核流程數據、用戶數據、權限數據、系統(tǒng)配置數據及系統(tǒng)運行監(jiān)控數據等。

圖2 地圖要素數據建庫工作流程

根據系統(tǒng)數據特點和系統(tǒng)調用方式，地圖要素數據以SHP（ShapeFile）格式、TIF 格式、ArcGIS切片數據格式等文件存儲為主，利用GeoServer2.8進行地圖服務發(fā)布；業(yè)務管理數據中的項目信息、用戶信息等關系型數據采用甲骨文公司MySQL5.6關系數據庫存儲與管理，視頻、圖片、檔案資料等非關系型數據采用文件數據庫存儲。

1.4 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)主要包括大數據分析、一張圖應用、信息管理、數據統(tǒng)計、移動端應用和運維管理共六個功能模塊。主要功能模塊結構見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能設計示意圖

1.5 網絡運行架構設計

系統(tǒng)運行在煤礦企業(yè)內部辦公網絡，通過網絡邊界安全協議，允許內部辦公網絡單向訪問運行在互聯網環(huán)境的國家天地圖數據資源和開發(fā)鏡像庫資源，并利用防火墻VPN 方式，支持移動端應用系統(tǒng)訪問辦公內網數據與應用服務接口。網絡運行架構示意如圖4 所示。

圖4 網絡運行架構示意圖

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現

2.1 關鍵技術

2.1.1 MVC 架構技術

一種軟件設計典范，用一種業(yè)務邏輯和數據顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務邏輯聚集到一個部件里面，在界面和用戶圍繞數據的交互被改進和個性化定制而不需要重新編寫業(yè)務邏輯，有效提高本系統(tǒng)的技術架構搭建和代碼復用率[5]。系統(tǒng)采用MVC 架構設計，實現系統(tǒng)前后端開發(fā)與集成。

2.1.2 Spring Boot+Vue 組合框架技術

Spring 框架是Java 平臺上的一種開源應用框架，提供具有控制反轉特性的容器，為開發(fā)者提供快速搭建的后臺服務框架。Spring Boot 基于Spring4.0設計，提供開發(fā)者簡化的Spring 應用初始搭建以及開發(fā)過程，便于開發(fā)人員定義樣板化框架配置，Vue 是一套用于構建用戶界面的漸進式JavaScript框架，為開發(fā)者提供簡便易開發(fā)的前端開發(fā)基礎[6]。系統(tǒng)采用兩種框架的組合，能夠適應輕量級系統(tǒng)程序快速搭建開發(fā)的需要，提供強大功能和技術支持的同時，為開發(fā)者提供更加簡易的開發(fā)模式。

2.1.3 OpenLayersAPI 技術

為開發(fā)者免費提供一套地圖開發(fā)應用接口，提供開發(fā)WebGIS 客戶端的JavaScript 包，支持Open GIS 協會制定的WMS（Web Mapping Service）和WFS（Web Feature Service）等網絡服務規(guī)范[7]。

2.1.4 MySQL 數據庫技術

具有體積小、速度快、總體擁有成本低的特點，面向開發(fā)者提供開放的源碼，實現采煤塌陷地數據的高效存取和管理。

2.2 系統(tǒng)實現

2.2.1 大數據分析

利用大數據分析的思路與方法，圍繞采煤塌陷地產生與治理，形成包括采煤塌陷地現狀、項目治理現狀、協議治理現狀、采煤塌陷穩(wěn)沉現狀、塌陷地治理目標以及目標完成情況統(tǒng)計等數據分析結果。采用科技風格進行分析結果展示，按照九宮格模式進行實現，中間區(qū)域以地圖為主顯示內容，通過位置和動態(tài)線表達公司與各礦區(qū)關系，其他區(qū)域主要為信息展示板塊，包括總體情況、治理目標、利用方式、塌陷現狀、實際治理、資金撥付情況、資金趨勢分析、項目治理及縣區(qū)統(tǒng)計等九個主要板塊。支持按企業(yè)、縣區(qū)、礦區(qū)維度進行數據展示。

2.2.2 一張圖應用

基于GIS 地圖，疊加礦區(qū)范圍、開采區(qū)范圍、采煤塌陷地范圍、治理范圍等專題圖層，形成采煤塌陷地信息一張圖，通過圖、屬關聯和分析，實現采煤塌陷地信息帶圖管理。具體實現功能包括地圖瀏覽、圖層目錄、地圖工具（包括信息查詢、圖層順序管理、放大、縮小、復位、距離量測、面積量測、清理、分屏、卷簾、標記、出圖）、區(qū)域定位、底圖切換等基礎的地圖操作功能，以及根據采煤塌陷地信息管理需要，實現專題查詢功能（包括采礦權、塌陷地、舊村址、青苗補償、委托治理等查詢功能）、地圖分析功能（包括空間查詢、區(qū)域分析、礦區(qū)分析、坐標分析、拾取分析、疊加分析、狀態(tài)分析等分析功能）、VR 全境功能和地圖標注拍照功能（展示移動端地圖野外實地標注位置及拍攝的現場照片）。

2.2.3 信息管理

信息管理包括信息總覽、工作臺、信息管理三類功能。其中，信息總覽對采煤塌陷地信息進行匯總顯示，具備信息查詢、應用訪問和關鍵指標查詢功能；工作臺主要實現日常工作信息發(fā)布、任務下發(fā)、事項辦理及通知公告發(fā)布等功能；信息管理主要針對塌陷地信息流程化審批管理，包括采煤塌陷地信息審批管理、協議審批管理、治理項目審批管理等，具備信息表單填報、流程環(huán)節(jié)審批、審批意見表單打印等功能。

2.2.4 數據統(tǒng)計

提供采煤塌陷地工作報表、采煤塌陷地歸檔信息、地方政府和煤礦企業(yè)口徑數據對比分析等多維度查詢與統(tǒng)計功能。月度匯總統(tǒng)計功能，按照煤炭企業(yè)采煤塌陷地綜合治理月度統(tǒng)計表格式，按月進行數據統(tǒng)計；總體情況統(tǒng)計功能，按照縣區(qū)級行政區(qū)劃維度，對采煤塌陷地數據進行統(tǒng)計；專題信息統(tǒng)計功能，分為常年積水情況統(tǒng)計、季節(jié)積水情況統(tǒng)計、治理項目統(tǒng)計等。

2.2.5 移動端應用

移動端應用是一張圖應用的移動端應用，兩者保持數據的實時同步，基于安卓操作系統(tǒng)、鴻蒙操作系統(tǒng)和移動端操作使用方式，實現GIS 地圖實時位置定位、采煤塌陷地信息查詢、空間分析、標注、涂鴉、位置定位、拍照等功能。

3 實施效果

基于采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術框架，在兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目中進行了初步應用。主要應用工作包括：

1）基于2000 國家大地坐標系，收集整理了濟寧市7 處煤礦以往采煤塌陷地檔案資料，結合地方政府采煤塌陷地監(jiān)測數據，明確了采煤塌陷地范圍邊界、協議范圍邊界、治理范圍邊界等位置信息，通過掛接描述信息，建立形成采煤塌陷地信息管理數據庫。

2）按照采煤塌陷地信息管理需求，規(guī)范了采煤塌陷地信息表單內容，建立了采煤塌陷地電子資料檔案在線管理流程。

3）通過對歷史采煤塌陷地數據進行鎖定，并建立采煤塌陷地形成與治理趨勢分析模型，研制了采煤塌陷地大數據分析研判功能，支撐采煤塌陷地管理和治理工作。

4）基于WebGIS 技術建設采煤塌陷地一張圖應用，研制了采煤塌陷地圖層要素疊加顯示，精準定位地圖位置，一鍵自動查詢分析不同圖層、不同地塊間數據差異等應用功能，實現采煤塌陷地帶圖管理。

5）梳理并設計了線上采煤塌陷地協議申報審批、治理項目申報審批、項目任務實施反饋等工作流程，實現了對采煤塌陷地從形成到治理的全過程跟蹤監(jiān)督和協同管理，對推進采煤塌陷地治理工作、督導考核各煤礦采煤塌陷地治理情況和降低企業(yè)費用支出提供技術支撐。

6）利用移動互聯網，搭建了移動端一張圖應用，實現了移動端與電腦端的信息聯動，助力最后一千米采煤塌陷地管理和治理工作。

綜上所述，從兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目應用情況看，初步達到了預期建設目標。

4 結語

利用信息化手段，開展采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)建設，是新形勢下煤礦企業(yè)采煤塌陷地管理和治理工作的必然要求，是解決采煤塌陷地信息統(tǒng)計不準確、缺少空間位置關聯等問題的重要工作舉措之一。該文提出的采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術框架，在兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目中進行了初步應用和驗證，能夠滿足當前煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理需求，有效解決采煤塌陷地管理中范圍界限不清、數據統(tǒng)計不明、檔案管理不實等實際問題，為煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理從報表管理到采用信息化手段帶圖管理的轉變提供了一種借鑒和參考。考慮到煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理業(yè)務面廣、涉及工作環(huán)節(jié)多的特點，該文提出的架構思路及技術路線，目前主要適用于煤礦企業(yè)采煤塌陷地邊界范圍、治理責任范圍邊界和已實施治理范圍邊界等信息的管理，如何面向更廣業(yè)務范圍的采煤塌陷地信息管理，還需要進一步開展采煤塌陷地監(jiān)測、預警、治理等信息管理研究。