基于B/S架構的撫順西露天礦WebGIS系統構建

王東明 楊天鴻 薛鵬展 紀玉石 王雪峰 高 源

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.撫順礦業集團有限責任公司西露天礦，遼寧撫順113001）

自20世紀60年代全球首個地理信息系統CGIS［1］問世至今，GIS的表現形式實現了由最初的二維、二點五維向三維的轉變。隨著計算機技術以及相關技術的不斷發展與成熟，各種形式的GIS應運而生，尤其是以網絡+GIS的方式即WebGIS成為地理信息系統的發展主流［2］。近年來，眾多學者將WebGIS應用于智慧城市建設［3-6］、數字校園規劃［7-8］、城市交通管理［9-13］等眾多行業中。在礦山領域，基于GIS地圖實現了卡車調度系統的開發［14-15］；一些學者基于B/S架構，開發了煤礦井下災害監測與預警GIS系統［16-17］；也有學者［18］構建了模型化的三維GIS。綜上分析，前人已經在GIS方面做了大量的研究，在很多領域GIS技術的應用比較成熟，但在礦山領域的應用多為二維GIS可視化技術，建模數據來源單一、平臺束縛性較高，很難滿足用戶的共享需求，同時受精度影響很難滿足實時、高效以及流程化地進行空間精細化測量。

本研究以撫順西露天礦為工程背景，基于B/S架構，對SuperMapWeb端進行二次開發，構建了撫順西露天礦WebGIS系統，實現了平臺隨時隨地多用戶共享；將無人機傾斜攝影測量技術與傳統建模技術相結合，建立了“地下—地表—地上”多維度真三維精細化露天礦模型，并融合三維GIS空間分析能力，實現了不同治理方案施工周期以及回填方量的高效計算；同時將礦山巖性分區、滑坡區、地質條件分區、水文地質信息以及InSAR監測數據等信息進行融合，創建了多維度的多元信息集成化平臺，實現了對礦山全方位的信息化監測。

1 撫順西露天礦概況

1.1 地質概況

撫順西露天礦位于渾河南岸，礦床埋藏在渾河沖積平原之下。礦區北部所處的構造是郯廬大斷裂帶的北延部分，區域上地質發育情況比較復雜，渾河斷裂在撫順市區以帶狀形態呈EW向分布，該斷裂帶由數條近平行的逆斷層組成，F1和F1A為兩條近平行的主干斷裂。煤系地層夾持在花崗片麻巖與火山巖之間的“凹槽”內，沉積巖地層從早白堊世（1.35億年）到古近紀（老第三系，6 500～2 300萬年）期間均有發育，均以軟弱巖層為主。西露天礦北幫為綠色泥巖和褐色頁巖互層形成的沉積巖，綠色泥巖隔水層單層厚度為1～10 m，30層左右，褐色頁巖透水層35～40層，厚度為0.3～2.0 m，互層之間形成泥化夾層，易發生蠕變剪切滑移。南幫整體出露的巖性以老虎臺組玄武巖為主，在坑底高陡邊坡位置可見栗子溝組凝灰巖覆蓋在老虎臺組玄武巖之上，玄武巖為相對穩定的巖體，其上的凝灰巖相當于一個軟弱層，在構造、地下水等作用下，容易形成滑坡體，為潛在的地質災害點（圖1）。

1.2 撫順西露天礦GIS系統特點

本研究以撫順西露天高陡邊坡防治、礦山多源信息融合以及三維可視化展示為主線進行系統設計。該系統特點為：①將無人機傾斜攝影技術與傳統建模技術相結合，構建多空間、真三維、高精度、高分辨率的礦山模型；②將三維GIS空間分析技術用到高精度數字高程模型DEM上，實現實時、高效以及流程化的地形土方量計算；③應用GIS柵格數據的坡度坡向功能動態瀏覽整個礦區邊坡參數，快速尋找危險區；④將礦山地質資料、滑坡區、力學計算、水文地質信息以及InSAR監測數據等信息進行融合，構建多維度的多元信息集成化平臺。

2 撫順西露天礦精細化模型構建

本研究將無人機傾斜攝影測量技術與傳統建模技術相結合構建撫順西露天礦精細化模型，共包括三部分，即地表三維數字模型、地上三維建筑集群模型、地下三維地質體模型。

2.1 地表精細化模型構建

通過無人機傾斜攝影技術獲取多角度影像，進行幾何修正、區域網聯合平差、傾斜影像匹配后，利用Smart 3D軟件處理并獲取指定格式的地形和影像數據，精度達到0.1 m，如圖2所示。

2.2 地下三維地質模型構建

地面三維激光掃描測量技術可以快速、高效、高精度、高分辨率地獲取目標物體表面每個采樣點的三維坐標數據，獲取的點云數據經過預處理、拼接、去噪后可實現三維物體表面快速建模。利用該技術獲取了撫順西露天礦地表點云數據，并在3D Mine軟件中生成數字地形模型DTM表面，再結合26幅地質剖面圖、平面圖以及101個地質鉆孔數據，采用傳統建模手段，利用Rhino軟件構建的三維地質模型如圖3所示。

2.3 周邊建筑物模型構建

目前三維設計領域應用較多的軟件有3D StudioMax、Maya、Houdini以及Cinema 4D（簡稱“C4D”）。考慮到C4D軟件的技術優勢，本研究采用該款軟件構建了撫順西露天礦周邊地表模型，如圖4所示。

3 系統設計

3.1 系統功能需求

明確系統功能需求是系統開發的起點，根據礦山實際需求，將系統功能共分為6大模塊，每個模塊又包含多個子功能，如圖5所示。

（1）安全訪問模塊。該模塊可為系統用戶提供登錄和注冊功能，在維護系統安全的同時記錄用戶的相關身份信息。

（2）三維可視化模塊。該模塊提供了鼠標交互式、指定航線式、場景快速定位式3種漫游方式，能夠實現對礦區全局以及地下地質體的瀏覽，便于施工人員從宏觀上掌握礦山地貌特征，減少施工誤差。

（3）空間分析模塊。該模塊是系統的核心部分，包含測量、邊坡坡度和坡向分析、復雜地形挖填方量計算以及三維地質體剖切等功能。

（4）多源信息融合模塊。該模塊將撫順西露天礦多源信息進行了集成和可視化展示，實現了空間數據和非空間數據的融合。該部分信息類型有地貌信息、水文信息、地質信息、泵站信息、邊坡力學計算結果等。

（5）數據監測模塊。該模塊能夠實時傳輸和展示南幫邊坡變形雷達監測數據，是邊坡變形預警的基礎模塊。

（6）環境規劃模塊。該模塊可為植被種植以及基建選址夠提供一個虛擬三維場景，在可視化場景中進行模擬實際規劃以及綠化過程，有助于減少現場施工出現的不合理問題及由此造成的經濟損失。

3.2 系統邏輯架構設計

本研究系統基于B/S架構模式進行開發，在系統邏輯架構上分為3層進行設計，分別是顯示邏輯層、系統應用邏輯層以及數據操作邏輯層，如圖6所示。

數據是系統的基礎，數據操作邏輯層主要用于操作和處理數據庫服務器中的數據。根據系統需求可將系統數據劃分為人員管理信息數據、多源信息數據以及空間數據。按照數據結構劃分，又可分為空間數據以及非空間數據（屬性數據）。

應用邏輯層是系統功能實現的關鍵，主要完成系統業務邏輯，本研究系統主要的業務邏輯可分為4個方面，即多源信息集成、三維可視化、空間分析以及人員管理。

顯示邏輯層是與用戶直接接觸的邏輯層，用于用戶界面顯示，分為系統登錄注冊頁面以及系統操作主界面。

3.3 GIS桌面平臺應用

SuperMap iDesktop是桌面GIS應用與開發平臺，用于GIS數據處理、分析、數據緩存等操作。該平臺的管理界面如圖7所示。通過桌面端可實現對二三維空間數據處理、地圖可視化表達、地圖專題表達、三維操作、空間分析等多種操作。

4 系統功能開發

4.1 漫游飛行

系統漫游飛行功能包含飛行漫游、特定建筑物塊快速定位、三維地質體漫游等3項子功能。該模塊操作界面如8圖所示，可滿足用戶對地表三維模型的可視化體驗。

4.2 坡度坡向分析

坡度坡向分析功能包含坡度分析以及坡向分析兩項子功能。按照分析的表現方式又可以分為局部邊坡分析以及全礦邊坡分析。分析模式可以分為僅坡度、僅坡向、坡度和坡向3種，如圖9所示。基于坡度坡向分析模塊，可以對礦山的坡度進行整體分析，從而快速獲取礦區坡度危險區。

選取全礦坡度分析模式，通過控制坡度值滑塊區間，可動態分析出坡度大于30°的區域主要分布于北幫東區、北幫西區、南幫東區坑底附近。3個區域相比，北幫東區坡度更大，坡度大于30°的區域更廣，因而從坡度分析角度來看，北幫東區為潛在危險區。

4.3 多源信息集成

系統集成了豐富的礦山資料信息，如礦山地質資料、滑坡區、勘察信息、剖面信息、力學計算結果、水文地質信息以及InSAR監測數據等，并通過空間數據和屬性數據相結合的方式，對屬性信息進行空間可視化展示，如圖10所示。

4.4 空間數據分析

基于體積分析模塊，可以快速實現復雜地形的土方量計算，并預測施工周期。

在撫順西露天礦綜合治理方面，考慮到礦區地質構造復雜、水量較大、礦坑災害多樣以及易發頻發等特點，本著安全、經濟、宜用的設計原則，提出了初步設計方案，即“回填壓腳—蓄水成湖—局部削坡”相結合的綜合治理方案。礦坑-148 m標高以下全部回填，在-14～-40 m標高范圍內采用3個臺階分段內排。具體設計方案為：內排邊坡角16°，單層臺階坡角30°，從標高-148 m開始第1個和第2個臺階段高40 m，第3個臺階段高28 m，平盤寬度90 m。若后期需要削坡，可從-40 m以上進行削坡，削坡范圍自E1000線以東區域，削坡角度16°。若后期進行蓄水工作，按照初步方案設定從-148 m標高到+50 m標高進行蓄水，如圖11所示。運用GIS系統的體積分析功能計算出了該方案的土方量，并根據施工速度對工程施工周期進行了預測，結果見表1。

4.5 量測分析

系統空間量測模塊包含距離測量、面積測量、高度測量3項子功能，如圖12所示。

距離測量功能不僅能夠測量兩點之間的空間距離，還能夠測量多個點之間的距離（即連續測量）；面積測量指的是空間的面積測量；高度測量功能不僅能夠獲取空間兩點之間的高差，還能夠獲取測量點間的水平距離和空間距離。系統以數字化的方式進行工程測量，可有效減少現場人力、物力投入。

4.6 剖切分析

系統三維地質模型的動態剖切功能，通過移動功能面板裁剪盒長度滑塊，可實現對三維地質體的連續切割，展現撫順西露天礦巖性的空間位置，如圖13所示。

5 結論

（1）將無人機傾斜攝影測量技術、傳統建模技術與GIS可視化平臺相結合，基于B/S架構，以Super-Map iServer服務器為開發平臺，建立了撫順西露天礦WebGIS系統。該系統以礦山三維可視化為基礎，將礦區多源信息進行集成，同時設計了安全訪問、漫游飛行、空間分析等多個功能模塊，使得系統的實用性增強，有效解決了礦山構建“地下—地表—地上”真三維可視化場景的技術難題。

（3）基于系統坡度坡向分析模塊，得出危險區域分布于北幫東區；基于體積分析模塊，實現了復雜地形的大范圍體積計算。

（4）充分發揮了GIS對空間的管理、處理、分析優勢，解決了復雜地形不同標高土方量計算難題，為精確計算撫順西露天礦回填充水綜合治理方案中的土方量提供了可靠依據。