基于Google Earth API的采煤沉陷區三維WebGIS平臺設計與實現

吳淑娟， 董少春， 尹宏偉， 姚素平， 徐 翀， 陳永春

(1. 南京大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 210093；2. 煤炭開采國家工程技術研究院煤礦生態環境保護國家工程實驗室， 安徽 淮南 232001)

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·計算機技術應用·

基于Google Earth API的采煤沉陷區三維WebGIS平臺設計與實現

吳淑娟1， 董少春1， 尹宏偉1， 姚素平1， 徐 翀2， 陳永春2

(1. 南京大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 210093；2. 煤炭開采國家工程技術研究院煤礦生態環境保護國家工程實驗室， 安徽 淮南 232001)

在采煤沉陷區建立三維WebGIS平臺，實現沉陷區數據三維可視化，提供用戶便捷有效的數據管理、分析、瀏覽、查詢服務，并為采煤沉陷區環境治理提供決策依據具有重要意義。Google Earth API和JavaScript技術的結合，能夠實現在Google地球上繪制標記、線條和多邊形、投射圖片、添加3D模型及載入KML文件，在網頁上實現幾乎所有Google Earth功能。本文以淮南煤礦為研究區，基于Google Earth API，結合WebGIS理論，采用JavaScript技術，面向采煤沉陷區數據集中管理與可視化，設計開發了集空間數據、屬性信息和專題分析于一體的采煤沉陷區三維可視化平臺，有效管理礦區多源數據，提供數據可視化瀏覽、查詢與飛行模擬等功能，有助于沉陷區生態環境問題的綜合分析，為沉陷區生態環境治理和恢復提供決策支持。

Google Earth API； JavaScript； KML； 網絡地理信息系統； 采煤沉陷區

0 引 言

煤炭是我國的主要能源之一，煤炭產業的發展在促進區域經濟與社會發展的同時，也引發了一系列的環境問題。長期的開采活動形成眾多的地下被采空，由此引發的地面裂縫、沉陷等問題，不僅破壞土地資源、毀壞村莊和交通運輸系統、破壞文物，同時也給當地的環境造成了嚴重的破壞，嚴重影響和制約區域社會經濟的發展[1-3]，因此全面了解采煤沉陷區生態地質環境信息，準確掌握礦山開采、煤炭利用及沉陷區形成與治理過程中的歷史、現狀資料，綜合分析地面沉陷對區域生態環境及社會經濟的影響，對預測沉陷發展趨勢，降低地面沉降帶來的損失以及為環境治理提供決策依據具有重要意義[4-8]。

網絡地理信息系統(Web Geographic Information System，WebGIS)不僅具有組織、管理和分析地理空間數據等傳統桌面GIS所具備的主要功能，同時兼具Web應用易于訪問、平臺獨立、易于維護等特點。而基于Google Earth的JavaScript API能夠幫助用戶可以結合自身需求快速開發出易于部署、通用性好的個性化三維WebGIS應用系統，實現WebGIS和三維GIS的結合，因此被廣泛應用于地震災害應急、土地資源管理，森林植被營養元素循環研究、氣象分析、地質遺產管理等領域[9-16]

本文以淮南煤礦采煤沉陷區為研究區域，基于Google Earth API開發了采煤沉陷區三維WebGIS可視化平臺，實現了礦區基礎地理數據、遙感數據、專題數據等多源地質生態環境數據的集中管理、空間信息可視化以及數據查詢、分析、專題圖制作等功能，針對不同需求的用戶提供采煤沉陷區地質生態環境直觀、便捷的數據管理、瀏覽、查詢、疊加、三維漫游等功能，為用戶綜合分析、評估采煤沉陷區環境質量提供便利，為制定采煤沉陷區環境保護和沉陷治理提供決策支持。

1 研究區域概況

淮南礦區位于安徽省中北部、淮河中段，以淮南市為主，東部伸入滁州市、西部延至阜陽市，地跨淮河兩岸，地處東經 116°12′～117°11′、北緯 32°33′～33°00′之間(見圖1)。礦區東西長約 100 km，南北傾斜寬約30 km，總面積約3 000 km2，是我國東南部地區煤炭資源條件最好, 資源量最大的一塊整裝煤田，為國家兩淮煤炭基地(13個億噸級煤炭生產基地之一)的重要組成部分和六大煤電基地之一，煤炭儲量大、生產能力強，已探明儲量300多億噸，煤炭總儲量占安徽省的63%、華東地區的32%[17]。

淮南煤礦擁有近百年的開采歷史，在長期的開采中造成了大范圍的地面沉陷。由于礦區河網眾多，地下水位埋藏較淺，造成塌陷區大面積積水，形成封閉式湖坑，有的甚至已形成了較大規模的塌陷湖泊。據資料顯示，截止2010年9月淮南市采煤塌陷地總面積約達174 km2，占全市總面積的6.7%，積水面積36 km2，蓄水容積2×108m3，且地表下沉區最深可達21 m[18-19]，嚴重影響和制約了淮南市的可持續發展。

圖1 研究區域地理概況

2 關鍵技術

Google Earth API以Google地球插件和KML地理數據存貯與表現技術為基礎，借助JavaScript技術，在網頁中嵌入完整的Google地球，在地球上繪制標記和線條、在地形上覆蓋曲面投射圖片、添加3D模型和載入KML文件等，從而幫助開發者構建復雜的3D地圖應用程序[20]。

2.1 Keyhole標記語言(Keyhole Markup Language,KML)

KML是基于可擴展標記語言(eXtensible Markup Language，XML)語法標準的一種標記語言，最初由Keyhole公司開發并維護，在2008年4月被開放地理信息系統協會(Open Geospatial Consortium，Inc. OGC)正式接受成為開放地理資訊編碼標準[21]。它利用包含名稱、屬性的標簽(tag)描述和保存地理數據(如點、線、圖像、多邊形、模型等)，規定地理數據的顯示方式，記錄地理數據的地理特征(如描述信息、圖片、圖層等)，以超文本形式存儲，并在地球瀏覽器(如Google地球、Google地圖和谷歌手機地圖)中顯示[22-24]。

下面一段代碼以點空間數據為例簡單描述了地理數據的KML表達：

//描述地名標注

//標識地標的“名稱”//提供描述信息，描述顯示在用戶點擊該目錄或標注時的彈出窗口中

//指定在Google Earth中顯示這個標注時的“照相機”視點

//指定地標在地球表面位置，如點的經緯度

2.2 Google Earth API

Google Earth API是一個JavaScript庫，利用Google Earth API提供的函數接口，實現三維瀏覽、放大、縮小、漫游、平移、視角變換等基本地圖操作功能。，開發人員還可以根據實際需求定制操作工具和交互模塊。

要在網頁中嵌入Google地球，需要執行以下操作：① 加載Google Earth API;② 創建用于包含該插件的容器;③ 創建用于初始化插件的函數;④ 網頁加載完畢后，調用該初始化函數。

實現代碼如下：

/*指向JavaScript文件，用于加載各個Google Earth API。*/

；//為插件創建容器

3 數據處理

3.1 原始數據

淮南采煤沉陷區的數據主要分為柵格數據、矢量數據和文本數據三大類(見表1)。柵格數據主要為研究區不同分辨率的遙感影像圖以及根據遙感影像圖反演的各類專題圖；矢量數據主要為研究區行政規劃、河流、道路分布圖等，以File Geodatabases的形式統一存儲在Geodatabase數據庫中。此外，礦區介紹、歷史開采資料等數據以文本文件形式存儲。

3.2 數據轉換

上述數據需要轉換成KML格式，才能利用Google Earth API完成數據加載，構建三維地圖。

3.2.1 影像數據的轉換

遙感影像需要經過校正、配準、鑲嵌、融合等數據處理后，形成該區域正射影像圖，然后進行切片處理，并為每個切片編寫對應的KML文件(見圖2)。KML文件定義切片的空間范圍和顯示比例尺。影像切片時將設定合適的分級比例尺，以保證瀏覽的流暢性。

這里以研究區域的4景Pleiades影像數據為例(圖2)，說明影像數據的轉換。本文中使用的影像數據為法國Pleiades衛星于2013年5月采集的研究區0.5 m分辨率的高分辨率影像數據。首先是對影像數據進行輻射校正和幾何校正、配準、鑲嵌、融合等處理，以便校正影像在成像、記錄和傳輸過程中引入的數據錯誤、噪聲和畸變，形成覆蓋整個研究區域的彩色數字正射影像。隨后對處理后的影像數據進行切片，切片分10個尺度層級分辨率，每個尺度層級包含若干像素大小相等的png文件，這些png文件拼合后能覆蓋整個研究區域。每一層級的png格式文件均從0開始按從左向右、從上到下的順序編號。每個png文件配以一個同名的KML文件，記錄png文件的存儲位置、載入時的視角、圖幅范圍，并以.kmz為文件名后綴。切片處理后的影像圖按尺度層級進行存儲，每個尺度層級對應一個文件夾。

圖2 遙感影像數據存儲實例

數據名稱格式數據說明沉陷區分布圖GeoDatabase面狀要素根據野外實地勘測結果繪制的沉陷區分布圖,記錄了各個沉陷區的地理位置、面積、周長和勘測時間等信息,用以形象具體地表述各個礦區沉陷情況和沉陷區的空間分布積水區分布圖GeoDatabase面狀要素根據衛星遙感影像及野外實地勘測繪制的沉陷積水區水域分布圖,記錄了積水區的位置分布、面積大小和周長,常與沉陷區分布圖結合使用水體富營養化分布圖GeoDatabase面狀要素根據衛星影像、遙感監測模型和野外采樣實驗室分析數據反演制作的積水區水體富營養化情況分析及水質等級評價圖,用于可視化表示沉陷積水區水體富營養化情況地面沉降監測點數據GeoDatabase點狀要素運用控制測量的方法布點定期監測沉陷區地面沉降量,記錄了各個監測點的經緯度、監測時間、沉降量和所屬礦區等信息,用以說明礦區的沉降變化沉降分布圖raster應用遙感影像與合成孔徑雷達差分干涉測量技術制作的沉陷區沉降速率及其分布圖,以柵格數據的形式應用不同顏色來表示沉陷區的沉降速率,用于研究沉陷區沉降變化的快慢井田邊界GeoDatabase線狀要素礦井邊界,用以區別煤礦與農業用地之間的界限河流GeoDatabase線狀要素礦區河流、湖泊等水域分布道路GeoDatabase線狀要素省級道路與鐵路行政單元(縣、鄉、村)GeoDatabase點狀要素行政單元位置分布礦區詳細資料txt各個礦區的詳細信息和歷史開采資料,如礦區位置、范圍、煤炭儲量、礦井生產力、開采歷史等遙感影像raster研究區域不同分辨率的遙感影像圖,包括:1)30m分辨率的Landsat-7影像圖2)0.5m分辨率的高精度Pleiades衛星影像圖

3.2.2 矢量數據

矢量數據可通過ArcGIS tool中的conversion功能轉換為KML格式的文件。圖3表述了GeoDatabase中點數據及與之對應的KML格式文件的轉換關系。在轉換后的KML文件中，數據的名稱、編號、屬性，經緯度坐標以及表現形式都將以標簽的形式進行描述。

圖3 數據格式轉換——從GeoDatabase到KML

3.3 腳本編寫與KML文件調用

KML文件調用由Javascript腳本實現。客戶端通過瀏覽器響應JavaScript程序庫發出的指令，JavaScript庫對用戶的指令進行分析，并根據用戶的指令從KML文件數據庫中調用相應的數據，JavaScript程序庫接受從KML文件數據庫返回的數據然后根據用戶指令在客戶端對數據進行渲染，最終實現數據在Google地球上的顯示。

下面以各圖層數據的顯示與隱藏為例說明了KML文件數據的調用及渲染：① 首先定義數據名稱；② 將所有數據項名稱以樹狀結構在客戶端顯示，用戶復選框選擇要加載的數據項；③ 程序收到指令后對要加載的數據項作出判斷；④ 最后將數據以KML文件中定義的視圖方式在地圖上顯示。

實現代碼示例如下：

var urlip ="http://"+window.location.host+"/hnsphere/"; //定義本地KML文件數據存儲路徑//定義KML文件數據名稱var currentKmlObjects = { 'AdminUint.kml': null,//行政單元'sx.kml': null,//水系'Hiway.kml': null,//道路......};//設計KML數據菜單和顯隱控制復選框var zNodes =[ { id:11, pId:1, name:"行政單元", open:true, nocheck:true, onClick:false,icon:"images/diy/AdminUint.png"}, { id:14, pId:1, name:"水系", ident:"sx.kml", typeid:"jc", icon:"images/diy/sx.png"}, { id:15, pId:1, name:"道路", ident:"Hiway.kml", typeid:"jc", icon:"images/diy/Hiway.png"}, ......];//根據復選框內容加載KML文件function loadKml(treeNode) { var kmlUrl = "http://"+window.location.host+"/hnsphere/data/"+treeNode.typeid+"/"+treeNode.ident; google.earth.fetchKml(ge, kmlUrl, function(kmlObject){ if(kmlObject){ currentKmlObjects[treeNode.ident] = kmlObject; ge.getFeatures().appendChild(kmlObject); } if (kmlObject.getAbstractView() !== null){ ge.getView().setAbstractView(kmlObject.getAbstractView()); } });}

4 系統主要功能

借助Google Earth API和Javascript腳本技術構建了淮南采煤沉陷區三維WebGIS可視化平臺，將采煤沉陷區的基礎地理信息、采煤區歷史數據、實驗分析數據等與高精度遙感影像相結合，實現了空間數據和屬性數據的集中管理、提供數據瀏覽、飛行模擬、地圖定位、數據查詢等功能(見圖4)。

圖4 系統功能模塊圖

4.1 數據瀏覽功能

主要包括三維瀏覽、放大、縮小、漫游、平移、視角變換等基本地圖操作和圖層控制開關，用戶可以通過圖層控制開關靈活設置各個圖層的顯示與隱藏。對于不熟悉當地地理環境的用戶，可以通過地圖定位工具實現快速定位。圖5展示了井田邊界、沉陷區、村莊等矢量數據與遙感影像圖層疊加的顯示效果。鼠標拖曳可實現地圖漫游，鼠標滾輪的前后滾動實現地圖的放大和縮小。此外用戶可以使用地圖瀏覽操作控件來變換地圖方位和視角，實現在空中從不同的角度和方向瀏覽地圖的效果。

4.2 飛行模擬

飛行模擬為用戶提供了在不同的飛行高度以不同的視角瀏覽地面地理地質信息的方式。該功能不僅可以讓用戶自行確定飛行路線和瀏覽視角，同時也可以通過定制的方式由開發人員設定飛行路線。用戶可通過左下角的進度控制工具調整飛行時間和飛行進度，也可以在感興趣區域暫停飛行進行定點數據查詢和瀏覽。圖6展示了沉陷積水區定制飛行模擬的界面，圖中黃色部分表示沉陷區，紫色部分表示沉陷積水區。

圖5 研究區多圖層疊加顯示效果圖。圖中黃色邊線為井田

圖6 研究區域沉陷區與積水區分布飛行模擬效果圖

4.3 數據查詢

數據查詢主要包括屬性信息查詢和根據屬性信息查詢數據的空間分布兩種方式。

4.3.1 屬性信息查詢

支持點、線、面等矢量數據的屬性信息查詢。用戶在三維視圖上單擊欲查詢的點、線、面要素后，系統根據用戶的指示調出數據，并將查詢結果以彈出氣泡框的形式在客戶端顯示。圖7顯示了某一礦區詳細信息的查詢結果。

4.3.2 根據屬性信息查詢數據的空間分布

該功能根據屬性信息查詢數據的空間分布，允許用戶對空間數據的屬性進行與、或、非等組合查詢，系統根據用戶輸入的關鍵字在空間數據的屬性庫中查詢滿足條件的數據記錄，并將查詢結果高亮顯示在地圖上。以水體富營養化情況查詢為例(如圖8)，在左側檢索欄中用戶根據界面提示設置查詢條件，例如查詢水質等級為三級的水體分布，點擊“查詢”按鈕后即可在地圖上以深藍色高亮顯示滿足條件的水體區域。

4.4 應 用

三維可視化平臺不僅可以幫助用戶瀏覽和查詢沉陷區的各種信息，更重要的是以可視化的方式幫助我們綜合分析采煤沉陷區的地質生態環境，以便對采煤沉陷區的沉陷時空規律及其對周邊環境造成的影響進行評價和決策支持提供服務。

圖7 研究區屬性信息查詢——礦區基本信息查詢

圖8 研究區水體富營養化情況查詢效果圖

4.4.1 沉陷時空規律分析

地面沉降監測點歷年沉降量實測數據以關系表的形式存儲，可通過查詢功能了解各個礦區不同監測時間的歷史沉降數據(見圖9)。與沉陷區沉降速率分布圖疊加顯示可以方便直觀地分析出整個沉陷區域的沉降時空變化情況(見圖10)。圖中紅色邊框表示井田邊界，由紫色到藍色向綠色的漸變表示不同的沉降速率。黃色小圓點指示了不同礦區的位置。在疊加顯示圖上進一步點擊礦區名稱可以查看各礦區的詳細介紹，包括礦區位置、范圍、開采歷史、煤炭儲量、礦井生產力等信息。綜合這些信息不難發現，開采歷史較長的礦區，其沉降面積也較大；開采深度越大，其沉降速率也較大。例如，潘集礦(潘一、潘二、潘三)、張集礦、謝橋礦的開采歷史較長(其中采礦歷史最短的張集礦其采煤歷史也已超過20年)。從圖中可以清楚地看出，這些礦區形成了連片的沉陷，且沉陷區中很多地方已形成大面積的積水區(黑色區域為水體)，積水區由沉陷區中心向外擴散；而顧橋礦、顧北礦和丁集礦開采歷史較短(均不足10年)，所以沉降面積并不大。但這些相對較新的煤礦由于開采深度較大(平均開采深度在800 m以上，其中丁集礦的開采深度甚至達到900多m)，其沉降速率就非常高。

圖9 研究區沉降監測點查詢結果顯示效果圖

圖10 研究區域沉陷區沉降速率及其分布

4.4.2 沉陷對周邊環境造成的影響

從疊加采煤沉陷區附近的村鎮位置分布圖和沉陷區分布圖不難發現，沉陷區周邊分布著近千個大小不一的村鎮。村鎮以紅色圓點顯示在圖12中，涉及31.1萬人口，占全市人口的13%。根據2000年和2010年的淮南土地覆蓋類型分類圖(圖11)可知，沉陷區面積從54 km2上升到174 km2；而城鎮面積從647 km2下降到609 km2，農田用地從1 697 km2下降到1 655 km2。河流面積從71 km2減少到26 km2。隨著采煤活動的進一步發展，其沉降面積和積水區面積還將進一步擴大。

此外從圖12還可以看出，多條鐵路、省道(如S224、S308、S203)經過采煤沉陷區(圖中以藍色區域表示)。持續的沉降勢必對這些道路造成影響。因此在道路或其他地下管線等基礎設施選址的時候應避開已經沉陷的區域。同時新開發的煤礦周邊雖然沉降區域較小，但從上文的分析可知，由于其開采深度較大，沉降速率高，因此基礎設施建設選址的時候也應該避開這些區域，以免沉陷區域的快速擴散毀壞新布設的道路或管線等基礎設施。

圖11 淮南土地覆蓋分類圖：

圖12 地面沉陷對村莊和基礎設施的影響分析圖

5 結 語

本文基于Google Earth API構建了淮南采煤沉陷區三維可視化平臺，采用KML的數據格式，基于WebGIS原理和JavaScript技術實現了采煤沉陷區影像、地理、實驗、專題分析以及室內整理的數據資源的集中管理和三維可視化。用戶能夠通過瀏覽器瀏覽和檢索數據，對比分析歷年沉陷區和積水區的面積、深度變化，查詢檢索礦區土壤重金屬元素污染情況和沉陷區水體富營養化等級實現多元數據的共享、分發、檢索和疊置分析等功能。該構架具有較強的穩定性和可擴展性，界面友好，二次開發功能強大，不僅可以提供采煤沉陷區的三維數據瀏覽與查詢，而且可以方便數據的綜合分析和復用，為采煤沉陷區的各類數據提供直觀、便捷、靈活的可視化方式，進而為采煤沉陷區的治理提供決策支持服務。

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Design and Implementation of Three-dimensional WebGIS of Coal Mining Subsidence Area Based on Google Earth API

WUShu-juan1,DONGShao-chun1,YINHong-wei1,YAOSu-ping1,XUChong2,CHENYong-chun2

(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China;2. National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection, Coal Mining National Engineering and Technology Research Institute, Huainan 232000, China)

Underground coal mining leads to ground subsidence that adversely impacts the environment. So it is significant to develop a three-dimensional WebGIS in the coal mining subsidence area to provide visualisation of geospatial information which helps multiple stakeholders to contribute to a more collaborative ecological environment govern and recover planning process of coal mining subsidence area. The Google Earth API enables developers to embed Google Earth applications into Web pages. With JavaScript code, the API can display place marks, lines, polygons, overlays, and 3D models on the imagery, just as the standalone versions as Google Earth can. According to WebGIS theory, this study developed a three-dimensional visualization platform of Huainan coal mining subsidence area based on Google Earth API and Javascript technology. The platform contains spatial data, attributes, thematic analysis and provides multi-source data management, information inquiry, flight simulation in order to assist managers in taking a long-term holistic approach to integrated subsidence area managements decisions. The regional characteristics of Huainan mine area, key technology, data and system functions were explicitly demonstrated, and it was a good reference for other systems.

Google Earth API; JavaScript; KML; WebGIS; subsidence area of coal mining

2014-07-04

國家科技支撐計劃(2012BAC10B02)；國家自然科學基金項目(41372353)

吳淑娟(1989-)，女，江西撫州人，碩士生，研究方向：WebGIS開發與應用。E-mail：jocelynsj0116@gmail.com

董少春(1976-)，女，江蘇南京人，副教授，碩士生導師，主要從事WebGIS和遙感應用研究。

Tel.：025-89681070；E-mail：dsc@nju.edu.cn

P 208； TP 391

A

1006-7167(2015)03-0101-08