基于GIS技術的水文地質及突水預警信息管理系統設計

包選貴， 李成林

(青海省柴達木綜合地質礦產勘查院， 格爾木 816000)

0 引言

針對煤礦運行過程開展系統研發可以更加高效、準確地對其數據進行分析，為了提高該系統的可靠性與運行速度，應對其數據庫進行全面的優化設計[1-3]。由于煤礦產生的數據量非常多，并且各類數據的格式也存在較大差異，因此必須設計更加靈活的數據采集模式才能構建合理的數據庫，以此促進煤礦工作效率的提升[4-7]。考慮到數據都是以獨立方式在數據庫內運行，因此從系統研發的層面分析，應在數據庫跟前臺操作界面之間構建有效的連接，通過設置專門煤礦信息處理系統來實現各項信息數據的可操作性，同時也可以通過客戶端瀏覽器B/S架構對信息實現遠程傳輸，以此有效管理礦井的各項信息內容，并完成信息的高效分析與共享[8-10]。

構建本系統的目標是為了對數據進行更加高效的管理與分析，因此需設置合適的系統平臺[11]。運行系統之前應先全面收集并分類整理各項煤礦信息。在長期的煤礦采掘過程中，大量的水文與地質數據信息將被不斷積累，這些都可以作為數據庫的數據來源[12]。隨著煤礦數據信息量的不斷增長，如果依然選擇人工管理的方式將會耗費大量的時間與人力管理成本，并且實際數據查詢、分類與管理的效率也很低，較易出現錯誤。同時在開采工作中，所有巷道與工作區域無法實現統一的數據更新過程，即使采取數據的日更新處理也無法滿足實時共享的要求。一些早期構建的煤礦，一些通過紙質記錄的水害資料以及特定的防治水方案與工藝都未獲得充分繼承[13-15]。

根據以上分析可知，應結合煤礦的歷史資料與信息實時更新的要求，構建煤礦的水文、地質、屬性方面的數據庫，并與水害空間信息以各項參數建立全面的關聯性，更好地實現對突發狀況的預防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。

1 設計流程

可以將系統平臺的信息內容主要分成如下兩種：第一種屬于數據信息類型，包含觀測與預測共兩種數據，如水害狀況、煤礦地質、工作面、礦井涌水量等信息；第二種屬于圖形分布信息，包括巷道的橫截面、煤層結構、電阻率斷面分布等。

可以把煤礦資料分成空間、時態、屬性與文檔共4種信息類型。按照煤礦信息的具體特征設計得到數據庫流程，如圖1所示。

圖1 流程設計

其中，空間信息包含了點、線、面各維度對應的地理位置；時態信息中包含了有采掘過程進行實時反饋的數據內容以及各項日常更新內容；在屬性信息中含有對不同要素進行描述的信息內容；在文檔信息中包含了煤礦的所有文件信息。根據煤礦設計圖先完成原始資料的預處理，同時將煤礦設計圖的CAD格式轉換成mxd格式，再從中提取獲得有用信息，將提取得到的信息存入數據庫。通過數據庫平臺可以很方便地調用上述信息內容，之后再對其開展數據分析、管理或查詢的操作，并把得到的數據處理結果反饋至平臺界面。

現階段已經獲得廣泛應用的數據模型主要包括層次、關系、網絡與面向對象共四類，本研究重點分析關系型的數據處理過程。煤礦數據通常不屬于獨立數據，各項屬性數據基本都是由空間數據組成，時態數據既可能與屬性數據存在關聯也可能與空間數據存在聯系，在文檔信息中則包含了發布時間與文檔類型的內容，更有助于實現系統開發的過程。本文選擇關系型數據庫的方式來構建得到屬性表數據庫。處理軟件為SQL Server2010，通過空間數據引擎 ArcSDE構建得到空間數據和屬性數據之間的關系，由此設計得到本文的系統數據庫。

2 數據庫設計

設計系統數據庫時主要包括二個模塊，分別是對水文地質的設計以及對避災與突水預警數據庫的設計。 設計水文地質數據庫的過程包括整理與歸納煤礦的各類資料，具體設計內容如圖2所示。

圖2 地質基礎數據庫

2.1 空間數據庫設計

(1)數據采集

通過定義各要素空間位置可以得到空間數據。大多數煤礦設計圖紙都是屬于 AutoCAD 格式，無法建立規范的原始數據，因此在采集空間數據前，必須先轉化 CAD 格式的圖紙，使其變為GIS數據類型，以此完成對空間數據的提取與存儲過程。在系統中進行空間數據存儲時，應確保 CAD數據的各項屬性與標注保持完好，使系統平臺可以高效完成數據處理以及對空間進行分析，從而構建合理的防治水模型。

由于煤礦包含了多種不同的要素信息，數據的存儲結構也存在顯著差異，這就要求各項素信息按照分層模式進行保存。將鉆孔的各項地理信息數據進行抽象化處理形成 Point，再把巷道以及等高線等抽象成 Line，對于工作面則被抽象成 Polygon。上述各類地理信息都按照分層方式進行存儲。

(2)數據庫建立

對所有圖形信息進行收集并按照不同的分層結構進行檢查，并根據實際建庫標準，把各項信息內容導入Geodatabase中。構建數據庫的具體流程，如圖3所示。

圖3 空間數據庫建立流程圖

2.2 屬性數據庫設計

根據空間數據得到的空間內容與特性都是屬性數據，并以關系表方式進行存儲，各項數據記錄與圖元信息一一對應。利用SQL Server 2010對各項屬性信息進行制表后再實施數據存儲。其中，屬性數據按照如下方式完成存儲過程：在數據庫制表中直接進行數據存儲，使不同數據間形成相互關聯；跟空間信息進行對應關系，將數據存儲至柵格與矢量文件里，以FID和空間圖形信息形成關聯，并將其存儲至空間數據庫內。當定量數據獲得確定的數值后，可將其輸入到數據庫平臺中；如果一個數據未獲得確定的數值，只有定性分析結果，則可以利用平臺來尋找得到合適的數值，之后再將其存儲至數據庫。

考慮到數據類型存在明顯差異，因此對空間與屬性數據分別采取單獨存放的模式，在屬性數據庫內含有包含關系表內容的各項記錄，并與空間圖像形成對應關系。

2.3 時態數據庫設計

1)采集數據

按照巷道采掘的具體過程對時態數據進行實時更新，由此獲得多種不同類型的圖紙與數據。采集時態數據的具體內容包括礦井涌水資料數據、礦井突水資料數據以及歷年降水量資料數據，如圖4所示。

圖4 時態數據庫流程設計

通過在時態數據和關聯空間數據之間建立關聯性，使采集獲得的時態數據能夠對含義進行更全面、明確的表達，構建得到圖4所示的時態數據庫流程。按照時態信息表構建得到GIS 數據，同時把表格類型與采集得到的煤礦數據換換成圖層格式，將結果顯示于系統平臺界面上以及各類數字圖形中，從而更加形象直觀的了解空間和屬性之間的關系。先從Excel表中選出二列數據作為構建橫向與縱向坐標的數據來源，再進行界面設置，確定結果輸出路徑，再把時態信息表轉換成GIS圖。

2.4 突水預警及避災數據庫設計

設計突水預警數據庫的過程包括了煤礦歷史信息以及各項實時信息的防治水、突水預測、最短避災路徑等內容的分析，含有參數、模型、仿真結果、數據類型、文本結構等。設計得到如下二個數據庫，如圖5所示。

圖5 突水預警及避災數據庫

(1)突水預測模型庫

該數據庫中包含了關于突水的各項數據，具體包括突水歷史信息、最短避災規劃模型、巷道線狀資料、巷道尺寸、預測模型參數、障礙物分布、礦井位置數據等。并且，此數據庫可以完成對各項數據的實時更新，從而實現對采掘工作面情況的精確、快速反映，極大提升預測準確性。

(2)防治水數據庫

從防治水數據庫中可以獲得水害影響區域分布圖、突水預測點、回驗準確率、避災通道長度、路線信息等內容。

3 管理系統實現

本文設計得到了以 B/S模式為基礎的信息管理系統，如圖6所示。

圖6 信息管理系統

通過ASP.NET建立UI，對程序進行自定義獲得平臺的特定功能。在控件中可以通過設置自定義的組件來構建Web Form，從而簡化代碼，極大減小系統的開發時間。具體步驟為：

(1)先按照前文方法在SQL Server2010中構建時態、屬性、突水預警數據庫。之后，采用web.confi構建得到SQLServer2010連接方式，并通過測試確定連接是否正常。

(2)利用ADO.NET來完成數據庫信息的交互過程。通過SqlConnection 與 SQL Server建立連接，選擇 Command 來執行SQL代碼，完成數據的新增、編輯、刪除等操作，構建高效的通信。利用ExecuteReader方法快速查詢滿足程序運行要求的數據，再將其填充到 DataReader中。DataSet可以暫時存儲DataAdapter通過查詢數據庫獲得的結果，之后關閉 Connection，因此不必跟數據庫之間構建實時連接。

(3)顯示結果集。通過數據表來顯示記錄與查詢數據。其中，列對應fields，行對應records。GridView 可以實現分頁的功能，從而簡化代碼。

(4)以程序自定義操作方式獲得目的結果集。根據結果集來處理記錄信息，同時完成各類格式資料的歸類、新增、編輯、刪除，可以利用不同方式查詢記錄，達到靈活管理煤礦水文資料的效果。

(5)連接中斷。通過close使數據庫斷開，通過自定義程序操作ADO資源，并將其分配至別的平臺。

(6)開發得到網站后再對Web 應用程序進行編譯，從而提升程序運行安全并優化效率。待正確編譯后再發布，便于用戶訪問。

4 總結

結合煤礦的歷史資料與信息實時更新的要求，構建煤礦的水文、地質、屬性方面的數據庫，與水害空間信息以各項參數建立全面的關聯性，并展開管理系統實現實際應用。該系統更好地實現對突發狀況的預防能力，使煤礦的信息管理能力與整體工作效率獲得顯著提升。