煤礦GIS 一張圖快速構建平臺研究

摘要：目前，煤礦使用的工程專題地圖基本都是CAD 制圖，高效提取CAD 圖件中的數據并快速組織成地理信息系統（GIS）服務，進而支持礦井空間對象創建和業務屬性擴展，集成安全生產實時數據，是構建煤礦GIS 一張圖的關鍵。基于ArcGIS 平臺將CAD 圖件轉為GIS 服務的方法實現過程較為繁瑣，且ArcGIS 平臺成本較高，無法較好地跨平臺運行。針對該問題，設計了一種煤礦GIS 一張圖快速構建平臺。該平臺包括CAD 圖件管理、地圖服務發布、專題地圖管理3 大功能模塊：CAD 圖件管理模塊用于圖件基礎信息管理和狀態跟蹤，地圖服務發布模塊用于地圖打包發布和在線預覽，專題地圖管理模塊用于地圖服務管理、礦井對象創建及屬性擴展?；陂_放設計聯盟（ODA）的Teigha for Java SDK 實現CAD 圖件全要素精確識別與快速準確提??；通過構建基于GIS 數據特征的煤礦CAD 圖件數據分層描述模型，實現了CAD 圖件全要素數據快速存儲；按照面向對象設計思路，開發了Spring Cloud 框架下的Web 端煤礦CAD 圖件數據集存儲接口及專題地圖服務發布平臺，實現了煤礦GIS 一張圖快速構建。以某煤礦采掘工程平面圖為例，分別采用傳統方法和快速構建平臺進行煤礦GIS 一張圖的構建，對比結果表明，快速構建平臺可大幅提高煤礦GIS 一張圖的構建效率，為煤礦智能化建設提供時空數字底座。

關鍵詞：煤礦智能化；煤礦GIS 一張圖；地理信息系統；CAD 圖件全要素提?。籆AD 圖件數據分層描述模型；專題地圖服務發布

中圖分類號：TD67 文獻標志碼：A

0 引言

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，建設智能化煤礦是煤炭工業發展的必由之路[1-2]?！睹旱V智能化建設指南（2021 年版）》指出，基于微服務架構研發煤礦信息化平臺，建立統一標準規范的數據體系，基于“數據驅動”的理念將多源異構數據進行融合，是煤礦智能化建設的重要內容[3-5]?！睹旱V智能化標準體系建設指南（2024 年版）》指出，地理信息平臺標準包括地理信息軟件系統、礦井電子地圖服務、地理空間數據質量和安全標準，是煤礦智能化標準建設的重要組成部分。地理信息系統（GeographicInformation System，GIS）平臺是煤礦智能化的支撐平臺之一[6]。建設完善的GIS 可為煤礦智能型應用提供必需的時空數字底座[7]。智能化煤礦將綜合管控數據和GIS 平臺進行融合，形成基于真實地理信息的綜合自動化管控平臺，實現數據的集中管理和分析，為生產決策提供數據依據[8]。煤礦GIS 一張圖是掌握全集團、全礦井安全生產狀況的“電子沙盤”，是制度、機制、數據及其管理、技術、標準、應用和服務的總和[9-10]。目前，煤礦使用的工程專題地圖基本都是CAD 制圖，但從CAD 圖件中提取的數據不具備拓撲描述信息[11]，缺少各專業屬性，集成度低[12]，無空間分析和決策支持能力[13]。GIS 在礦山領域的應用通常是把空間數據與表格化的屬性數據聯系起來[14]，但由于CAD 圖件的特點，很難直接集成這些數據[15]。高效提取CAD 圖件中的數據并快速組織成GIS 服務，進而支持礦井空間對象創建和業務屬性擴展，集成安全生產實時數據，是構建煤礦GIS 一張圖的關鍵。

有學者采用ArcGIS 平臺軟件將CAD 圖件轉為GIS 服務[16-18]，該方法可較為穩定地實現將CAD 圖件發布為WebGIS 服務的流程[19]， 從而支持煤礦GIS 一張圖的構建，但其涉及數據格式轉換、數據投影變換、圖層樣式保存、在線地圖服務發布與顯示等，實現過程較為繁瑣，且ArcGIS 平臺成本較高，無法較好地跨平臺運行。針對上述問題，本文提出一種煤礦GIS 一張圖快速構建思路，將煤礦生產過程中使用的采掘工程平面圖作為基礎數據源，構建基于GIS 數據特征的煤礦CAD 圖件數據分層描述模型，實現CAD 圖件內容快速存儲。在此基礎上，開發了基于Spring Cloud 框架地圖發布、預覽、管理的服務接口，搭建了基于消息機制的Web 端煤礦GIS服務快速更新平臺，實現了煤礦GIS 一張圖快速構建。

1 煤礦GIS 一張圖快速構建平臺設計

1.1 平臺總體方案

以某煤礦智能綜合管控平臺的建設為研究背景，設計了煤礦GIS 一張圖快速構建平臺總體方案（圖1）。煤礦GIS 一張圖快速構建平臺包括CAD 圖件管理模塊、地圖服務發布模塊、專題地圖管理模塊3 大功能模塊，如圖2 所示。

1） CAD 圖件管理模塊用于圖件基礎信息管理和狀態跟蹤。通過上傳CAD 圖件實現圖件的云端存儲及基礎信息錄入，可對上傳的圖件進行基礎信息維護。通過圖件狀態跟蹤可查看圖件當前的狀態，如是否上傳成功、是否已發布為地圖服務、是否支持在線預覽。若要在線查看不同圖件的進度情況，可將圖件發布為在線地圖服務，選擇疊加多個圖層。

2） 地圖服務發布模塊用于地圖打包發布和在線預覽。將CAD 圖件中的全部內容進行打包，并發布為基于開放地理空間信息聯盟（Open Geospatial Consortium，OGC）標準的在線地圖服務。通過地圖預覽功能可直接在線瀏覽專題地圖，對地圖進行量測、縮放，支持查詢地圖上的要素屬性信息。

3） 專題地圖管理模塊用于地圖服務管理、礦井對象創建及屬性擴展。通過地圖服務管理可刪除不需要的在線地圖服務，支持地圖內要素的刪除與更新，以及專題地圖中圖層的顯示與隱藏?；谙锏乐芯€服務，可實現礦井對象的創建與屬性擴展，同時將創建的礦井對象與巷道中線進行關聯，實現礦井對象之間的空間關系映射。

1.2 平臺架構

煤礦GIS 一張圖快速構建平臺為B/S 架構，采用前后端分離的開發模式，通過表現層狀態轉移（Representational State Transfer，REST）風格的Web端接口實現通信，用戶通過瀏覽器即可完成所有操作。前端基于Vue，OpenLayers 實現，后端基于SpringCloud 開發，由多個可獨立部署的服務組成，可減少各模塊間的耦合。按照模型?視圖?控制器（Model-View-Controller，MVC）分層開發的設計理念[20]，平臺可分為展示層、邏輯服務層、數據服務層，如圖3 所示。

1） 展示層。用戶通過瀏覽器客戶端可直接訪問平臺，所有操作均通過瀏覽器完成，上層應用可通過瀏覽器頁面直接集成，體現平臺易用、易拓展的特點。

2） 邏輯服務層。該層是整個平臺的業務邏輯處理中心，通過網關服務實現微服務間的統一調度，基于Spring Cloud 框架開發業務邏輯與中間件集成。后端REST 風格的接口服務基于Java 語言開發，解決了只能依靠本地客戶端軟件瀏覽CAD 圖件的問題，實現了程序的跨平臺運行。

3） 數據服務層。該層可直接連接平臺底層所需的時空數據庫，對空間數據及基本信息進行管理，同時為在線地圖提供數據源。平臺中的數據存儲分為2 個部分，一部分基于PostGIS 關系型數據庫進行空間數據存儲，另一部分基于MinIO 的文件型數據庫進行CAD 圖件上傳、下載和管理。數據服務層實現了空間數據的結構化存儲和圖紙文件的快速存儲。

2 煤礦GIS 一張圖快速構建平臺關鍵技術

2.1 煤礦CAD 圖件全要素快速提取

煤礦采掘工程平面圖為DWG 文件， 需安裝AutoCAD 軟件后才能打開。將DWG 數據轉換為SHP 格式的空間數據需借助第三方軟件平臺（如ArcGIS） ，且需大量人工操作，處理速度慢，效率較低[21]。若采用DXF 文件格式，由于DXF 文件復雜冗長，需借助中間庫實現轉化且過程復雜，DXF 文件中不同類型的要素可以共層，但仍無法克服DWG 數據無拓撲信息、屬性管理弱的缺點。開放設計聯盟（Open Design Alliance，ODA）提供了讀寫DWG 文件的接口，基于Teigha for Java SDK 可實現Java 語言環境下DWG 文件的全量快速提取。根據DWG 文件結構特點，獲得DWG 文件的頭部、實體部、表部、塊實體部和應急頭部的內容。依次提取DWG 圖件中的基礎信息，包括圖層名稱、圖層樣式信息（如線寬、顏色等）及圖件的空間參考、要素類型等。

2.2 煤礦CAD 圖件數據分層描述模型構建

根據GIS 數據分層表達的特點，結合后端服務自動構建數據庫表的流程，利用Teigha for Java 提取CAD 圖件的全要素信息并進行重構， 構建煤礦CAD 圖件數據分層描述模型，如圖4 所示。該模型用于描述解析后的圖件全要素信息，并通過調用WebAPI 的方式將圖件中的圖形數據存儲在空間數據庫中。數據分層描述模型由圖層集合（Layers）、文件名稱、空間參考標志符（Spatial Reference SystemIdentifier）構成。圖層集合由多個圖層（Layer）構成，每個圖層由圖層名稱（Layer Name）、圖層描述（LayerDetail） 構成。一個圖層描述由多個要素層（FeatureTypeLayer）構成，但每個要素層只能由一種Geometry（點、線、面）類型構成，即同一要素層的幾何類型相同，每個要素層對應一張空間數據表。要素層保存了該層所有要素（Feature）的樣式信息。每個要素層由多個要素構成，要素信息包含圖形的幾何信息和屬性信息。不同類型的幾何信息以WKT（Well-known text）格式存儲。

按類型獲取圖件中圖元的幾何信息，步驟如下：

1） 獲取類型為OdDbPoint 的點對象并存放在ArrayList 集合中。遍歷這些點對象，獲得OdDbPoint對象中的position 屬性，進一步獲取position 中的X，Y，Z 信息，最終按照WKT 格式輸出點類型的幾何信息POINT（X Y Z）。

2） 依次獲取類型為OdDbPolyline，OdDb2dPolyline，OdDb3dPolyline 的線對象并存放在ArrayList 集合中。遍歷集合中的線段，分別獲取線段的起點對象和終點對象，假設起點由坐標（X1， Y1， Z1）組成，終點由坐標（X2， Y2， Z2）組成，則可按照WKT 格式輸出線段類型的幾何信息LINESTRING（X1 Y1 Z1， X2 Y2 Z2）。線段對象還包括線段類型、線寬、顏色、是否閉合等樣式信息，依次獲取并存放在線段的屬性列表中。

3） 依次獲取類型為OdDbText，OdDbMText 的注記對象并存放在ArrayList 集合中，遍歷集合中的注記對象，分別獲取注記的坐標位置（X， Y， Z） ，輸出WKT 格式的幾何信息POINT（X Y Z）和文字、字號、顏色、旋轉角度等樣式信息，存放在注記的屬性列表中。

4） 獲取類型為OdDbArc 的弧線段對象并存放在ArrayList 集合中，弧線段對象包括弧線段圓心點坐標、弧線段半徑、弧線段起始角度、弧線段終止角度。通過圓心點坐標和半徑計算出弧線段起始點坐標（X1， Y1， Z1）和終止點坐標（X2， Y2， Z2），然后對弧線段起始角度、終止角度取平均值，計算得到弧線段中點坐標（X0， Y0， Z0），最終將弧線段以WKT 格式輸出為CIRCULARSTRING（X1 Y1 Z1， X0 Y0 Z0， X2 Y2 Z2）。

煤礦CAD 圖件數據分層描述模型構建完成后，通過WebAPI 調用方式將模型數據傳輸給后端服務進行存儲，待所有數據均成功寫入后，平臺發送消息到Kafka 消息隊列中，監聽該主題下的消息動態。

2.3 地圖服務自動發布流程

當監聽到空間數據入庫成功的消息后，地圖發布服務發送REST 請求到GeoServer 服務中，將數據庫中的空間數據作為數據源，發布為地圖服務。圖4中的1 個FeatureTypeLayer 對應1 張數據表，同時對應地圖服務中的1 個圖層。每個圖層的樣式描述（Styled Layer Descriptor， SLD）文件則根據表名同步創建，讀取并設置圖層顏色、線寬、字體、字號后，將SLD 文件與待發布為地圖服務的圖層關聯，為圖層提供相應的樣式。地圖發布服務依次將所有FeatureTypeLayer 打包，通過 GeoServer 發布為基于OGC 標準的Web 地圖服務（Web Map Service，WMS）。待所有FeatureTypeLayer 打包發布完成后，程序構建1 個圖層組（Layer Group），用于組織所有圖層的服務地址，并自動推送給前端頁面以便預覽。WMS 可實現FeatureTypeLayer 圖層級別的顯示與隱藏控制，為后續上層應用開發提供數字底圖。煤礦GIS 一張圖快速構建流程如圖5 所示。

2.4 基于巷道中線的礦井對象屬性擴展

礦井對象創建及屬性擴展如圖6 所示。具體步驟如下：① 服務自動提取DWG 格式的巷道中線數據，將巷道中線數據按照GIS 數據LineString 類型進行表述。② 對中心線兩兩進行相交判斷，看其是否有交點，對有交點的巷道中線執行斷開操作，并按原巷道命名規則對斷開的巷道中線重新分配名稱。③ 將斷開的巷道中線數據以WKT 格式存入空間數據庫中。在專題地圖管理模塊中，加載該中線數據并作為基礎數據，實現基于巷道中線的礦井對象創建。創建礦井對象后，除礦井對象的基礎屬性外（名稱、所屬巷道編號、樣式），用戶可根據業務系統的需要對所創建的礦井對象進行屬性信息的分組擴展。完成創建的礦井對象存儲在空間數據庫中， 通過OpenLayers 以實時渲染的方式顯示在地圖管理模塊中，單擊對象可查看對象的屬性信息，空間統計、空間分析功能可根據實際情況進行開發。

3 圖件解析便捷性對比及案例應用

3.1 CAD 圖件解析便捷性對比

CAD 圖件中圖元要素解析的便捷性決定了煤礦GIS 一張圖的構建效率。與借助傳統商業軟件對CAD 圖件數據進行手動提取相比，本平臺不僅可以識別更多要素類型，一張圖構建效率也高于某商業GIS 軟件。通過某采掘工程平面圖中復雜位置的預覽結果顯示，某商業軟件對圖件中弧線段類型的要素存在無法識別與顯示的現象，如圖7（a）所示；而本平臺構建的一張圖服務在保證便捷性的基礎上仍能完整顯示該區域結構，如圖7（b）所示。

3.2 平臺應用案例

以某煤礦使用的采掘工程平面圖數據為主要數據源，巷道中線數據、斷層數據、等高線數據等為輔助數據，通過煤礦GIS 一張圖快速構建平臺構建煤礦GIS 一張圖，結果如圖8 所示。

應用結果表明，該平臺可快速完成CAD 圖件識別與提取、空間數據模型構建與入庫、地圖服務發布等流程，為煤礦智能管控平臺的建設提供時空數字底座。

4 結論

1） 實現了基于GIS 數據特征的煤礦CAD 圖件全要素提取與數據分層描述模型構建，突破了傳統方法轉換CAD 圖件數據時過度依賴桌面端軟件及普適性和表現力難以兼得的局限。

2） 實現了煤礦GIS 一張圖快速構建。與傳統方法相比，煤礦GIS 一張圖快速構建平臺具有操作簡單、處理速度快和準確度高等特點，大幅提升了數據管理效率，可為煤礦智能化建設提供時空數字底座。

3） 實現了礦井對象間的空間關聯及業務屬性擴展功能，可有效解決CAD 軟件無法將圖形與屬性信息進行關聯的問題。煤礦GIS 一張圖快速構建平臺向下可實現多源異構感知數據的接入、集成和融合，向上可為各種煤礦智能化應用提供空間數據服務，打通了感知數據和空間數據之間的屏障，具有一定的現實意義和應用價值。

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