基于版本—增量的礦區地面沉降時空信息集成表達

王珊珊，季 民，胡瑞林

（1.中國科學院地質與地球物理研究所，工程地質力學重點實驗室，北京100029；2.山東科技大學測繪學院，山東青島266510）

基于版本—增量的礦區地面沉降時空信息集成表達

王珊珊1，2，季 民2，胡瑞林1

（1.中國科學院地質與地球物理研究所，工程地質力學重點實驗室，北京100029；2.山東科技大學測繪學院，山東青島266510）

通過地表移動盆地的動態發展規律分析礦區地面沉降的時空特征，改進基于版本—增量的時空數據模型，建立了沉降要素表、幾何表和屬性表，實現礦區地面沉降時空信息的集成表達，并分析該方式的主要優勢。其中，特征屬性在內容上包括礦區地面沉降的發育特征及其影響因素的變化信息，以輔助沉降時空分析、表達時空語義；鑒于不同屬性變化的時間粒度及與幾何變化的同步性存在差異，將屬性字段分別放置在屬性表和幾何表中，以滿足用戶的查詢需求，減小數據冗余。最后，通過試驗集成管理山東省濟北煤礦西北部地面沉降的時空數據，分析研究區地面沉降的動態發展規律，發現了該區沉降與采礦活動的相關性，驗證了本文沉降時空數據組織方式的可行性。

版本—增量；時空數據模型；地表移動盆地；InSAR

0 引言

有效監測和分析礦區地面沉降時空變化有助于礦區敏感建筑物保護、次生災害防治和開采計劃的合理制定。目前水準測量、全球定位系統（GPS）和合成孔徑雷達干涉（InSAR）［1－3］等技術基本實現了礦區地面沉降的動態監測，可提供多源、多時相的沉降數據。但管理過程中這些數據的時空特性往往被忽視，造成存儲量大、冗余嚴重、操作困難等問題，不便于后續分析應用，進而阻礙了沉降時空規律的揭示。因此，如何采取合理方式集成表達礦區地面沉降的空間、時間和屬性信息這一問題需要及時解決。

地理實體的動態表達與建模是地球信息科學的核心內容，也是時空分析、地理深層知識獲取和發現的基礎［4］。時空數據模型通過一定的數據結構對現實世界中的地理實體進行抽象，表達其空間、屬性和時間語義。1992年Langran全面論述了被稱為經典時空數據模型的時空立方體模型、序列快照模型、基態修正模型和時空復合模型［5］。近20年來，伴隨時空GIS的發展，很多時空數據模型被相繼提出，如基于事件的時空數據模型［6］、基于特征的時空數據模型［7］、面向對象的時空數據模型［8，9］、面向過程的時空數據模型［10］等，并應用于地籍管理、土地利用、海洋漁業［11］等領域。

鑒于地理實體的復雜性和多樣性，現有的時空表達與建模理論多基于特定應用領域或針對特定科學問題而設計［12］。因此，本文結合礦山開采沉陷學和工程地質的相關理論，在礦區地面沉降時空特征分析的基礎上，利用版本—增量的概念建立沉降時空數據模型，實現沉降時空信息的一體化存儲，為時空分析奠定數據基礎，一定程度上解決沉降數據管理滯后于數據獲取的問題。

1 基于版本—增量的礦區地面沉降時空數據管理

1.1 礦區地面沉降的時空特性

礦區地面沉降是由于地下礦產開采破壞了采空區周圍巖層的完整性和應力平衡狀態而引起的地表移動變形，一般在采空區上方形成地表移動盆地。礦區地面沉降是礦區基礎環境和致災因子綜合作用的產物，圖1概括了其主要影響因素。正是各影響因素在不同時空下相互作用的強度差異導致了礦區地面沉降的時空變化。

圖1 礦區地面沉降的主要影響因素Fig.1 The main factors of mining subsidence

理想條件下，隨著工作面開采程度的遞進，地表移動盆地會經歷下沉發展→充分下沉→下沉衰減的動態過程，并在采空結束后趨于穩定［13］。開采程度通常由開采區尺寸（采空區的傾向長度D1、走向長度D3和平均深度H0）決定，一般情況下：當D1／H0、D3／H0＜1.2時，為非充分采動；當D1／H0、D3／H0介于1.2～1.4時，為充分采動；當D1／H0、D3／H0＞1.4時，為超充分采動。

通過地表移動盆地的最大下沉點沿工作面走向或傾向獲得的垂直斷面稱為主斷面，可視為下沉最劇烈的斷面。本文以主斷面上下沉曲線在不同階段的特征變化（圖2）為例，探討礦區地面沉降的動態規律。下沉發展階段：下沉曲線（WA、WB、WC）的寬度逐漸增大，地表各點縱坐標不斷減小，下沉速度逐漸增大；各曲線在中點處取得唯一的最大下沉值，該值尚未（WA、WB）或剛好（WC）達到相應地質條件下的最大沉降量；地表移動盆地多呈碗形或槽形。充分下沉階段：下沉曲線（WD）繼續向外擴展，多數地表點縱坐標繼續減小，下沉速度增幅減小，在達到一定值后保持穩定；曲線的最大下沉值不再增大，但達到該值的點數增加；地表移動盆地中部較為平緩，形成盆狀。下沉衰減階段：下沉曲線（WE）范圍略有擴大，各點下沉較小，下沉速度逐漸降低直至為0；地表移動盆地呈盆形。

圖2 下沉曲線變化Fig.2 The change of subsidence curves

礦區地面沉降是一個復雜的時空現象，隨地表變形移動發生連續或離散變化，且變化程度因空間和時間的遷移存在差異。現實世界中，由于各影響因素的不規則性和相互作用，礦區地面沉降并非嚴格按上述規律發展變化，甚至還可能出現縮小、合并等現象。綜上所述，礦區地面沉降的時空變化具有動態性、持續性、多態性和不確定性等特征。為了全面了解沉降動態過程，滿足其可視化表達、成因分析和趨勢預測等需求，礦區地面沉降的時空數據組織要充分考慮數據的內容完整性和時間尺度差異。

1.2 基于版本—增量的時空數據模型

基于版本—增量的時空數據模型是基態修正模型、基于事件的時空數據模型和時空復合模型的抽象［14］。該模型用版本表示某時刻地理現象的初始狀態，用多個增量表示其時空變化；通過版本、增量間的檢索和操作獲取地理現象在指定時刻的快照，即：快照n＝快照n－1＋增量n；其中初始快照是版本。該模型克服了基態修正模型和基于事件的時空數據模型管理矢量數據效率低的缺點，它將地理實體的空間幾何作為空間數據管理的最小單元，維護了實體幾何在生命周期內的整體性，避免了碎化現象。該模型還能記錄實體之間的分割、合并、更替等繼承關系，如圖3a記錄了實體A、B合并為C的過程：T1時刻A的第一個幾何消亡，第二個幾何產生，表明了其空間形態向外擴張；T2時刻A的第二個幾何消亡和B的第一個幾何消亡，在相應位置上產生C的第一個空間幾何，表征A、B合并為C。

圖3 基于版本—增量的時空數據模型Fig.3 Spatial－temporal data modal based－on version－increment

物理存儲中，基于版本—增量的時空數據模型將實體的空間、屬性、時間信息及相關操作封裝到具有唯一標識的對象中，利用要素表、幾何表和屬性表記錄實體及其時空變化（圖3b）。無論實體在其生命周期中發生了多少次變化，其在要素表中的記錄僅有一條，關鍵字FeatureID將作為外鍵與幾何表和屬性表建立關聯；From Feature字段則用于表達實體間的繼承關系；幾何表用GeometryID、Shape、起止時間和FeatureID記錄地理實體的空間幾何特征變化，關鍵字GeometryID作為外鍵指示實體的第一個幾何；屬性表包括AttributeID、起止時間、FeatureID和其他屬性字段，記錄地理實體在不同時期的屬性特征。該模型未額外建立增量表和刪除表，僅通過各表的起止時間和From Feature字段反映實體時空變化和相互關系。在各表之間進行聯合檢索查詢和操作，可以實現實體快照提取和歷史重構，完成添加、修改、刪除等編輯工作。

1.3 基于版本—增量的礦區地面沉降時空數據組織方式

本文用地表移動盆地的時空變化來表征礦區地面沉降過程，利用基于版本—增量的時空數據模型建立沉降要素表、幾何表和屬性表（圖4），實現礦區地面沉降時空數據的集成管理。如圖4所示，要素表中不僅有沉降編號、第一個幾何、起始時間、終止時間和父沉降字段，還包括沉降類型、沉降位置、X坐標、Y坐標、所屬礦區等字段，使地表移動盆地的基本特性更加詳細，滿足用戶的查詢需要。為全面描述礦區地面沉降的屬性變化，沉降時空數據模型同時記錄了地表移動盆地的發育特征和影響因素信息。鑒于屬性變化的時間粒度差異，數據表設計中將與幾何變化具有同步性和相關性的屬性字段置于幾何表中，包括沉降面積、平均下沉量、最大下沉量、沉降速度、威脅建筑、威脅道路、危害程度和開采程度等；將其他描述礦區地質、地理、水文條件的屬性字段存儲在屬性表中，這些字段反映了地面沉降基本環境的變化，屬于準靜態變量，檢索及編輯頻率相對較低。

圖4 礦區地面沉降的時空數據組織Fig.4 Spatial－temporal data organization for mining subsidence

基于版本—增量的礦區地面沉降時空數據組織方式的優勢在于：1）只記錄地表移動盆地的版本和增量，簡化數據表結構，有效節省數據存儲空間；2）通過記錄地表移動盆地及其影響因素，盡量全面地描述沉降屬性變化，有利于時空語義表達；3）根據屬性變化的時間粒度分離放置屬性字段，既符合用戶的檢索習慣，又減輕了數據冗余，提高檢索速度；4）各數據表可借助現有關系型數據庫或相關空間數據管理工具建立，易于實現推廣。

2 應用試驗分析

2.1 數據管理

本文以山東省濟北煤礦西北部地面沉降為研究對象，收集了該區1∶5 000比例尺的地形圖、井上下對照圖、采掘工程平面圖、相關歷史資料以及通過InSAR技術處理的地面沉降監測數據。表1是研究區地面沉降InSAR數據的復圖像對和參數信息，可供研究的該區地面沉降時空變化的時間范圍為（2008.12.19，2009.07.17）。

表1 復圖像對及其參數Table 1 The image pairs and parameters

沉降InSAR數據采用柵格結構，用大小均勻、緊密相鄰的網格記錄礦區地表的垂直下沉。按照地表移動盆地邊界的有關規定［15］，將10 mm作為下沉臨界值，利用圖像二值化提取了不同時期地表移動盆地的幾何分布信息，通過其他資料獲取了盆地在相應時段的屬性變化，然后利用基于版本—增量的沉降時空數據組織方式完成了上述信息的集成管理；同時獲取了研究區斷層、水域、房屋、道路和采礦工作面等專題數據（圖5），以輔助沉降時空分析。為便于數據統一管理和互操作，數據處理過程包括圖像配準、投影變換、格式轉換、圖形編輯、數據編碼、屬性輸入等操作。

圖5 研究區專題分布Fig.5 Thematic maps of the study area

2.2 檢索分析

2.2.1 單體時空反演 以地表移動盆地實體為研究對象，檢索其在生命周期各階段的空間和屬性變化。可將“沉降編號”作為查詢條件抽取相關記錄，并按“起始時間”排序實現。圖6是編號為CJ008的地表移動盆地的空間檢索結果，該地表移動盆地位于2309工作面上方。2309工作面采用機械化采煤方法，直接頂板為砂質泥巖，煤層基本頂板為中砂巖，覆巖堅硬，工程地質性質較好。該工作面的回采時間為（2008.11.20，2009.4.10），最終開采程度為0.812，未達到充分采動狀態。由圖6可知CJ008的空間分布沿2309工作面的掘進方向由西南向東北逐漸擴展，表明該地地面沉降形成與采礦活動之間具有相關性。

表2－表4分別是CJ008在礦區地面沉降要素表、幾何表、屬性表中的記錄。由表3可知，伴隨2309工作面的掘進，CJ008的沉降面積、最大下沉量、平均下沉量、沉降速度逐漸增大，程度加劇；工作面采掘結束后，前三者繼續增大，但沉降速度減慢。可見該地沉降經歷了發展到衰減的時空過程，基本符合礦區地面沉降的時空變化規律。

圖6 CJ008沉陷幾何變化Fig.6 The geometric changes of subsidence CJ008

表2 CJ008在沉降要素表中的記錄Table 2 The records of CJ008 in feature table

表3 CJ008在沉降幾何表中的記錄Table 3 The records of CJ008 in geometry table

表4 CJ008在沉降屬性表中的記錄Table 4 The records of CJ008 in attribute table

2.2.2 區域快照查詢 查詢某一時刻礦區或其子區域內地表移動盆地的分布情況，獲取地面沉降的靜態快照。圖7為研究區不同時間序列的地面沉降分布快照。通過對比可以發現，2009年2－7月，研究區地面沉降在西部和東南部發育明顯，不僅面積增大、數目增加，相鄰盆地還有合并的趨勢。而這些區域恰好位于研究區采空區的上方，也體現了采空活動對礦區地面沉降的影響。

圖7 研究區地面沉降時空快照序列（2009.02－2009.07）Fig.7 The spatial－temporal snapshots of mining subsidence in study area（2009.02－2009.07）

此外，借助GIS提供的時空分析、統計工具和虛擬現實技術，還可以進一步定性、定量地分析地面沉降的變化機制、受損程度，模擬其動態過程，揭示礦區各種因素特別是采礦活動與地面沉降的關系。

3 結論與討論

為解決礦區地面沉降時空數據管理滯后于數據獲取的問題，首先通過地表移動盆地的發展過程討論了礦區地面沉降的時空變化特征，然后采用并改進基于版本—增量的時空數據模型，建立沉降要素表、幾何表和屬性表，存儲地表移動盆地的空間、屬性變化，集成管理礦區地面沉降的時空數據。其中，屬性字段的設計同時考慮內容全面性及時間粒度，能夠滿足用戶查詢需求，有助于減小數據冗余、提高檢索效率。最后利用該組織方式對山東省濟北煤礦西北部地面沉降的時空數據進行應用試驗，證明了本文基于版本—增量的礦區地面沉降時空數據組織方式的有效性。

本文主要以InSAR監測數據為數據源，能夠比較敏感地反映礦區地表的垂直變化，但水平形變信息還需要利用水準測量、GPS測量等手段獲取。所以，礦區地面沉降時空數據模型在記錄地表移動盆地信息的同時，還應該管理測量點數據，由于時間和應用因素，本文并未考慮，還有待于完善。礦區地面沉降是復雜的時空四維地理現象，其時空數據的管理和分析對礦區安全生產和環境保護具有重要意義。隨著礦區地面沉降時空研究和實踐的逐步深入，其時空數據組織方式會得到不斷修正和改進。

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Abstract：The spatial and attribute information of mining subsidence varies by the interaction of natural environment and human behavior，its spatial－temporal characteristic were analyzed by virtue of the dynamic regularity of ground moving basins.In order to manage the spatial－temporal data，the feature table，geometry table and attribute table were built by spatial－temporal data model based on version－increment，and the advantage of this data organization were analyzed.The attribute fields which involve both development features and inducing factors of mining subsidence were put in geometry table and attribute table respectively for their difference in time granularity and synchronism with spatial variation.By this mean，the query custom and requirement of users can be satisfied，and the data redundancy can be reduced.Finally，the spatial－temporal data of mining subsidence in the western of Jibei coal mine were integrated.The spatial－temporal regularity analysis of mining subsidence were finished and the correlation between mining subsidence and mining activities were discussed.Then，the data organization mode in this paper is showed to be rational and effectively.

Key words：version－increment；spatial－temporal data model；ground moving basin；InSAR

Spatial－Temporal Expression of Mining Subsidence Based on Version－Increment

WANG Shan－shan1，JI Min2，HU Rui－lin1
（1.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，CAS，Beijing 100029；2.Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China）

P208

A

1672－0504（2012）04－0013－05

2011－11－21；

2012－02－22

國家科技支撐計劃課題（2008BAK50B04－3）；國家863計劃支持項目（2009AA12Z147）；中國科學院知識創新工程項目“地震地質災害的內外動力耦合作用機制”（KZCX2－YW－Q03－2）

王珊珊（1985－），女，博士研究生，研究方向為GIS在地質災害風險評估中的應用。E－mail：wangss1028＠126.com