ArcGIS環境支持下的鉆孔缺陷分析方法研究

岳 俊

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

ArcGIS環境支持下的鉆孔缺陷分析方法研究

岳 俊1,2

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

鉆孔抽放是煤礦瓦斯防治的主要措施，科學合理地布置鉆孔是保證瓦斯抽放效果的關鍵。在ArcGIS環境下，借助其提供的空間分析計算工具，提出了核密度分析法、線密度分析法和緩沖區分析法3種分析思路，并對其原理和實現方法進行了闡述，最后通過軟件編程實現了3種方法的集成應用程序，對鉆孔布置實例進行了缺陷評價分析并生成了效果圖，論證了密度分析方法對于鉆孔缺陷分析的可行性。

鉆孔；缺陷分析；核密度；線密度；緩沖區；ArcGIS

隨著煤礦開采深度和強度的不斷加大，煤礦瓦斯災害的防治是煤礦安全工作的重點。對于突出煤層，為保證采掘工作安全高效進行，礦井都要采取煤層采前預抽、邊采邊抽等瓦斯防治措施[1]。科學合理地布置鉆孔能有效控制鉆孔工程量，提高瓦斯抽采效率，消除煤礦瓦斯危險源，因而對鉆孔布置的缺陷分析是必要的。煤礦施工鉆孔類型復雜多樣，尤其是定向鉆孔分支眾多，鉆孔間距不固定，缺乏可靠的缺陷分析方法和技術手段，僅靠技術人員的經驗進行評判，存在隨意性，影響防治措施的設計成效[2]。

鉆孔布置缺陷的實質是對鉆孔的空間分布密度進行分析[3]。長期以來，對事物的空間屬性及空間關系進行研究是地學家工作的主要內容。地學家們常使用密度估計法來評價某一事物的空間分布密度，如一片區域內學校、醫院的設置是否合理，這與評價鉆孔布置密度有相似性，因而可以將其應用于鉆孔布置缺陷的分析。

GIS（地理信息系統）軟件是地學分析的重要工具。在GIS軟件幫助下，將鉆孔填繪到鉆孔施工圖上，再根據鉆孔的抽采影響范圍對其空間分布密度作出分析，可制作出可視化表現鉆孔空間密度狀態的評價效果圖。美國環境系統研究所公司（ESRI）開發的ArcGIS軟件是GIS業內領先的軟件系統，有功能強大的空間分析功能，且易于開發定制。ArcGIS軟件工具箱中提供的空間分析工具為鉆孔布置缺陷分析及評價提供了可靠的技術手段。本文將對ArcGIS環境下的幾種分析方法進行探索研究。

1 ArcGIS空間分析模塊

ArcGIS的空間分析模塊Spatial Analyst提供了一整套用于執行基于柵格數據的空間分析工具和功能。通過此擴展模塊，可以使用多種數據格式來組合數據集、解釋新數據和執行復雜的柵格操作。ArcGIS 10．0的Spatial Analyst模塊有22個工具集、170項工具，可執行的分析功能包括地表建模、表面插值、適宜性建模、水文分析、統計分析和影像分類等。鉆孔布置缺陷分析使用了空間分析模塊中的密度分析工具。進入密度分析工具的路徑是ArcToolbox→Spatial Analyst 工具→密度分析。

為了與密度分析方法進行對比，特設計了一種緩沖區分析法。緩沖區分析法按抽放半徑作鉆孔線緩沖區，用于評價鉆孔的抽放影響范圍。緩沖區分析可通過ArcGIS的鄰域分析功能中的多環緩沖區工具實現。進入緩沖區工具的路徑是ArcToolbox→分析工具→鄰域分析。

2 三種分析方法的工作原理

ArcGIS提供的密度分析工具將分析范圍劃分為柵格單元，并計算每個單元周圍領域內輸入要素的密度。密度分析工具有3種，包括核密度分析、線密度分析和點密度分析。核密度分析和線密度分析工具支持線要素，點密度分析工具僅支持點要素。鉆孔是線型要素，點密度分析對鉆孔缺陷分析并不適用，因而選取前兩種分析工具進行研究。

2.1 核密度分析法

線要素的核密度分析是在概念上假設每條線上方被一個平滑的曲面所覆蓋，曲面與下方的平面所圍合出的空間體積等于線長與Population（線的權重）的乘積。如果某類鉆孔的抽放效果更好，將被賦予比其他類型鉆孔更大的權重。每個輸出柵格單元的密度值均為疊加在柵格單元中心的所有核表面的值之和。密度值在線所處的位置最大，隨著與線距離的增大逐漸減小，在與線的距離等于指定的搜索半徑的位置處為零。密度分析法的曲面表征了瓦斯抽放效果由鉆孔孔徑向外依次遞減的規律。核密度分析工具的語法為：

KernelDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中，in_features是要計算密度的輸入線要素集；population_filed是線的權重大小；cell_size是柵格單元的大小；seach_radius是搜索半徑；area_unit_scal_factor是輸出密度值的面積單位；{ }內的參數為可選參數。核密度分析法圖示如圖1。

圖1 核密度分析法圖示

2.2 線密度分析法

線密度分析用于計算每個輸出柵格單元領域內線狀要素的密度。其原理是按搜索半徑以每個柵格單元的中心為圓心作圓，并計算每條線落入該圓內部的長度與Population（線的權重）的乘積之和，然后除以圓面積，即為該柵格單元的密度值。

線密度分析法之所以可以應用在鉆孔布置缺陷分析評價是因為它統計了影響半徑內可對點位置產生有效抽放效果的鉆孔數量。線密度計算公式可寫為：

式中，D為密度值；n為圓周內的線數量；L為線長；V為線的權重；A為圓面積。線密度分析工具的語法為：

LineDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中輸入參數的含義與核密度基本一致。由此可見，線密度分析工具和核密度分析工具的調用方法基本相同，只是函數名不同，內部的計算方式不同。線密度分析法圖示見圖2。

圖2 線密度分析法圖示

2.3 緩沖區分析法

緩沖區分析有單緩沖區和多環緩沖區兩種。多環緩沖區是在輸入線要素周圍指定距離內創建多個緩沖區。使用緩沖距離值可隨意合并和融合這些緩沖區，以便創建非重疊緩沖區。

針對鉆孔缺陷分析可定義一組距離值，按照距離值集合對鉆孔線要素生成多環緩沖區。由內環到外環的抽放效果依次降低，可將緩沖區域填充為不同的顏色。構建多環緩沖區的語法是：

MultipleRingBuffer_analysis (Input_Features, Output_ Feature_class, Distances, {Buffer_Unit}, {Field_Name}, {Dissolve_Option}, {Outside_Polygons_Only})

其中，Input_Features是要進行緩沖區分析的線要素集；Output_Feature_class是輸出的要素類；Distances是構建多環緩沖區的距離值；Buffer_Unit是緩沖距離值的單位；Field_name是輸出要素類中的字段名稱，存儲用于創建每個緩沖區要素的緩沖距離。記錄緩沖區距離值是為不同抽放半徑緩沖區著不同顏色的依據。Dissolve_Option參數為是否要像圍繞輸入要素的環一樣融合緩沖區，設置成“All” 生成的緩沖區將是輸入要素周圍不重疊的圓環。Outside_Polygons_Only參數僅對面緩沖區有效，因為鉆孔是線要素，因此可不考慮。緩沖區分析法圖示見圖3。

圖3 緩沖區分析法圖示

3 程序編寫

ArcGIS雖然提供了包含以上分析方法的工具包，但對于煤礦技術人員來說，直接使用這些工具完成鉆孔缺陷分析有一定困難，因此有必要在ArcGIS平臺上進行定制程序編寫。定制程序的優點是功能針對性強、操作簡單、使用方便[4]。界面只需設置很少的參數即可完成分析操作[5]。ArcEngine是ArcGIS平臺提供的二次開發組件包。基于ArcEngine組件包，在．Net Framework 4．0框架下使用C#語言編寫程序，可快速開發出集成上述3種分析方法的軟件[6]。

在程序中導入一張CAD格式的鉆孔施工圖作為分析數據源。CAD文件中按照鉆孔類型組織圖層，鉆孔數據保存在對應類型的鉆孔圖層中。程序可根據鉆孔類型設置不同的抽放半徑。開始分析操作前需要設置分析范圍的柵格單元大小、緩沖區生成個數等參數。最后執行分析功能，程序將按上述3種分析方法對鉆孔控制效果進行核密度分析、線密度分析和緩沖區分析，最后將分析結果按用戶設置的顏色著色后顯示在計算機屏幕上，并支持打印輸出。

4 應用實例

為測試3種方法的分析效果，研究中準備了一份CAD格式的鉆孔施工圖作為測試用例。鉆孔施工圖中既有千米定向鉆孔，也有普通順層鉆孔，按類型保存在CAD文件的圖層中。相比普通順層鉆孔，千米定向鉆孔具有多分支、線型復雜的特點，各鉆孔之間的間距也疏密不等，憑人工難以分辨出鉆孔布置的缺陷區域[7]。

將千米鉆孔的抽放半徑設為10 m，普通順層孔的抽放半徑設為8 m，網格大小設置為0．5 m，緩沖區個數設置為10。經核密度、線密度和緩沖區分析法操作并著色以后，最終得到分析結果。3種分析結果的著色系統均采用由藍到紅的漸變色，藍色代表鉆孔布置較密，抽放效果較好，紅色代表鉆孔布置稀疏，抽放效果較差。

圖4 核密度分析效果

圖5 線密度分析效果

從分析結果可以看出，圖4的核密度分析和圖5的線密度分析法與圖6的緩沖區分析法結果有顯著區別。兩種密度分析法得出的抽放效果評價圖中，離鉆孔線由近及遠是漸變遞減，而緩沖區分析法呈梯級帶狀遞減。密度分析法的顏色對比更為鮮明，可清晰顯示出鉆孔抽放效果較差的區域。核密度與線密度分析也有一些細微差別，但并不顯著，兩者的差異體現在千米定向鉆孔內部抽放效果不好的區域，核密度分析法顯示具有更為強烈的顏色對比特征。綜合分析并結合實際情況可知，密度分析法優于緩沖區分析法，兩種密度分析法中的核密度分析法優于線密度分析法。

圖6 緩沖區分析效果

5 結 語

本文在ArcGIS環境下，通過對核密度分析法、線密度分析法和緩沖區分析法工作原理的比較，編寫定制程序，使用鉆孔施工圖進行實例驗證，得到了3種鉆孔缺陷分析方法的運算結果。通過結果圖對比可以看出，密度分析法最能清晰地表征鉆孔抽放效果，能較好地幫助技術人員辨識鉆孔布孔中存在的缺陷，可成為煤礦抽采效果評判的一種有效技術手段。如果將此鉆孔缺陷分析方法應用到工作面、采區甚至全礦井范圍，在分析范圍擴大，鉆孔數量急劇增加，各種鉆孔之間相互交錯疊加，人工無法判斷出鉆孔布置缺陷區域的情況下，通過對鉆孔的空間密度分析，可更加清晰、精確地識別出鉆孔抽放措施存在的隱患區域。

[1] 高貫金,張文闖．本煤層瓦斯抽放鉆孔優化布置[J]．現代礦業,2012,9(521)：39-41

[2] 許艷霞,王廣權．CAD在煤礦繪圖中的應用及評價[J]．煤炭技術,2014,33(1)：192-193

[3] 孔凡德,康全玉,習桂娟,等．參數化設計方法在煤礦輔助繪圖中的應用研究[J]．煤礦現代化,2006(3)：37-38

[4] 熊君．關于ArcGIS調用AutoCAD中的地圖[J]．湖北大學學報（自然科學版）,2005,27(1)：24-28

[5] 吳建華．基于ArcGIS Engine的GIS軟件開發方法[J]．測繪通報,2010(11)：54-57

[6] 劉文杰,李明建,岳俊,等．基于GIS的煤礦地質測量信息系統的設計與開發[J]．西南大學學報(自然科學版),2012, 34(10)：137-143

[7] 李泉新．煤礦井下定向鉆孔軌跡設計與計算方法[J]．煤礦安全,2014(2)：141-144

P208

B文章編號：1672-4623（2017）06-0058-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.017

2016-11-18。

項目來源：國家安全監管總局破解安全生產難題科技攻關項目（2015PJNT01）；中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金資助項目（2013ZD002）；重慶市“科技創新領軍人才支持計劃”（CSTCKJCXLJRC14）；2017年安全生產重特大事故防治關鍵技術科技項目（yangqi-0005-2017AQ）。

岳俊，助理研究員，主要從事瓦斯災害預警相關軟件研究工作。