關閉煤礦資源GIS綜合管理系統的構建研究

鄒劍波，張 華，王蘇健，劉 峰，董霽紅

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710065；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710065；4.中國煤炭學會，北京 100013)

關閉煤礦是指因礦產資源枯竭、不符合安全開采條件以及其他政策原因而被關閉報廢的礦井[1]。隨著我國對煤炭資源的長期、高強度開采，煤礦可采儲量急劇下降，導致許多煤礦成為資源衰竭煤礦，同時，我國對礦山開采活動進行了嚴格的管控，全國礦山數量大幅減少，越來越多的煤礦進入關閉行列。煤礦關閉之后，仍賦存煤、煤層氣(瓦斯)、礦井水、地熱、地下空間以及土地等資源。隨著人們對關閉煤礦剩余資源的進一步認識，如何高效管理和再次利用關閉煤礦剩余資源成為國內外的研究熱點。

地理信息系統(GIS)支持地理空間數據的采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述[2]，其空間數據庫、地圖可視化以及空間分析功能已經廣泛應用于煤礦的各領域。武俊紅等[3]基于組件式GIS，集成GIS與MIS系統，設計并實現了鉆孔信息管理系統，為建立地下資源管理空間輔助決策支持系統提供支持和依據。陳龍泉等[4]利用ArcGIS軟件進行空間分析和統計分析，對開采土地的損害進行評估。馬雷等[5]利用GIS技術開發了礦井水害防治輔助決策支持系統，較好地實現了圖件管理、信息提取與分析以及模型計算。陳漢章等[6]將煤礦井下安全監控系統、人員定位系統以及應急廣播系統等與GIS技術有機融合，有效地解決了井上下聯動艱難的問題，提高了煤礦的應急響應效率，為煤礦井下應急救援提供了有力保障。

我國的關閉煤礦有許多研究成果和開采資料數據，這些資料數據大多是紙質資料，容易損毀和丟失，并且使用起來不方便[7]。隨著礦井的關閉、相關人員的變動，這些資料數據往往得不到很好的保存，難以發揮對關閉礦井進行資源管理和利用的指導作用。因此，建立關閉煤礦資源GIS綜合管理系統，對關閉煤礦地上空間的廠房、機器設備以及大量的土地，地下空間的剩余煤炭、水以及井巷空間等資源進行管理，為關閉煤礦的再次開發利用提供輔助決策支持具有重要意義。

1 GIS綜合管理系統概述

關閉煤礦資源GIS綜合管理系統是基于關閉煤礦的基礎地理信息數據、地上實景三維數據、地下三維模型數據等，利用GIS和網頁開發技術實現了地上地下空間資源可視化管理。本系統主要包含礦區實景三維一體化、地上地下空間資源管理、煤礦相關信息管理以及工具管理。

1) 礦區實景三維一體化：具體表現為礦區地表實景三維數據的采集、部分井巷模型的建立，然后將礦區地表實景三維模型與井巷模型進行地理配準，使得兩者具有相同的空間參考，將地表的實景三維與井巷三維模型結合起來，實現礦區實景三維的一體化。

2) 地上地下空間資源管理：地上空間資源包括工業廣場的各類建筑、機器設備以及土地資源等，地下空間資源包括煤炭、水資源以及井巷空間等。本系統實現對礦區的地上地下資源進行可視化統一管理、便捷查詢。

3) 煤礦相關信息管理：數字化煤礦的各類開采數據、人員信息數據以及各類生產報告等，將數據進行圖表化，實現煤礦相關信息的Web端查詢與管理。

4) 工具管理：由量算工具和繪制工具組成，實現了距離、高度和面積的量算，各種要素的繪制，較好地實現了用戶與系統之間的交互。

2 系統構建

2.1 系統架構設計

關閉煤礦資源GIS綜合管理系統主體采用B/S架構模式，礦井基礎地理信息數據、影像數據、地形數據以及模型數據存儲在數據服務器中，客戶端通過瀏覽器在Web端進行場景的瀏覽以及系統功能的操作。本系統的服務器通過C/S模式實時訪問各種數據，系統架構設計圖如圖1所示。

圖1 系統架構設計圖Fig.1 System architecture design diagram

2.2 系統場景設計

礦區實景三維場景由兩部分組成：工業廣場實景三維和井巷三維模型。其中，工業廣場實景三維數據利用無人機進行低空傾斜攝影測量采集。井巷三維模型利用3ds Max建模軟件建成，通過地理配準，實現礦區實景三維一體化，如圖2所示。

圖2 礦區實景三維場景結構圖Fig.2 Real 3D scene structure diagram of mining area

2.3 系統功能設計

關閉煤礦資源GIS綜合管理系統功能主要包括三維場景操作、地上地下空間資源管理、關閉礦井相關信息管理以及工具管理四個模塊，系統主要功能模塊如圖3所示，各個模塊設計如下所述。

圖3 系統功能設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of system function design

1) 三維場景操作：該模塊包括三維場景瀏覽和顯示。三維場景瀏覽主要包括場景漫游、旋轉縮放以及多種圖層的切換、管理；顯示包括煤礦及周邊的地形數據和地理位置。

2) 地上地下空間資源管理：該模塊由地上空間資源管理和地下空間資源管理兩部分構成。其中，地上空間資源管理包含建筑信息管理、機器設備管理、交通信息管理以及其他管理。 建筑信息管理主要是對工業廣場內辦公大樓、實驗室、車間等建筑的屬性信息進行統一管理；機器設備管理包括對儲煤、洗煤和運煤設備的管理；交通信息管理是對煤礦及周邊地區的公路、鐵路信息進行管理；其他信息管理包括礦區綠化、水資源等的管理。地下空間資源管理主要是對井巷空間的管理，包括巷道空間、井底車場等。

3) 煤礦相關信息管理：該模塊主要包括煤礦的基本情況、生產情況、工業廣場概況、剩余資源概況以及相關報告，上述五項又可細分為建設概況、關閉概況、生產概況、廣場平面圖、建筑概況、煤炭剩余儲量、土地資源概況以及開采報告、關閉報告等。

4) 工具管理：該模塊主要由量算工具和繪制工具組成。量算工具包含距離量算、高度量算和面積量算；繪制工具包括點線面等要素繪制和矩形、圓形等圖形繪制。

3 系統實踐案例

基于本文的研究內容，以朱家河煤礦為例構建了關閉煤礦資源GIS綜合管理系統。系統的實現過程分為三個部分：①數據準備與處理；②數據環境部署；③系統功能開發。系統采用GIS二次開發的方式，使用ArcSDE作為系統空間數據引擎，并使用GeoServer和Cesium ion發布地圖數據，系統B/S部分基于Cesium開源地圖引擎完成了系統功能的開發。

3.1 數據準備與處理

系統數據包括地圖數據、模型數據和屬性數據。地圖數據主要包括朱家河煤礦的地形數據和影像數據。 通過地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)下載朱家河煤礦區域的GDEMV2 30M分辨率數字高程數據，利用ArcGIS 10.2以及地形切片工具進行處理，得到朱家河煤礦及周邊的地形數據；對于影像數據，本系統選擇調用天地圖的在線影像地圖數據。模型數據主要包括礦區實景三維和井巷三維模型。利用無人機傾斜攝影測量采集朱家河煤礦的實景三維，并進行三維重建，獲得礦區的實景三維模型。通過3ds Max軟件對井巷進行三維建模，將所建的井巷三維模型與礦區實景三維模型進行地理配準，使兩者具有相同的空間參考。屬性數據包括朱家河煤礦相關的統計數據、文檔資料數據和圖片等，使用之前需要對屬性數據進行分類、整理以及優化。

3.2 數據環境部署

本系統數據環境搭建主要使用Tomcat、GeoServer以及Cesium ion發布和調用相關的地圖數據和模型數據。Tomcat服務器是一個開源的輕量級Web應用服務器，在中小型系統和并發量小的場合下被普遍使用。GeoServer是OpenGIS Web服務器規范的J2EE實現，利用GeoServer可以便于發布地圖數據，允許用戶對特征數據進行更新、刪除、插入操作等。Cesium ion是一個提供瓦片圖和3D地理空間數據的平臺，并且支持把數據添加到用戶自己的Cesium JS應用中。本系統將部分地圖數據在Tomcat服務器下發布，通過IP地址鏈接訪問。對于一些二維地圖和模型數據，則使用GeoServer進行發布，同樣通過IP地址完成調用。Cesium開源地圖引擎提供的地圖數據和模型數據則通過Cesium ion直接訪問。

3.3 系統功能開發

本系統開發的主要方式為網頁開發，核心部分是基于Cesium開源地圖引擎所開發的三維平臺的展現與交互。利用Cesium API實現了三維場景下瀏覽、顯示實景三維景觀，對煤礦及周邊地區的地上地下空間資源進行統一管理，并且實現了煤礦相關信息的管理，最后完成了工具管理的開發。

3.3.1 三維場景操作

本系統通過調用Tomcat服務器發布的礦區實景三維數據，利用Cesium API實現三維場景的加載、漫游功能，同時實現場景的旋轉縮放等功能。另外，根據Cesium ion中提供的地形及影像數據，結合天地圖等其他影像數據， 實現了礦區地形、 地理位置的顯示以及多種影像及地形圖層之間的切換、管理。

3.3.2 地上地下空間資源管理

地上空間資源主要包括建筑、機器設備、土地等，系統實現了對建筑的單體化以及分層單體化查詢，單體化查詢可以查詢每棟建筑的名稱、樓層和面積等屬性信息，分層單體化查詢可以詳細查詢建筑每層的房間信息，包括房間號、房間名稱等。系統還實現了機器設備的屬性信息管理，通過系統可以查詢儲煤、洗煤和運煤設備的各種參數信息。另外，系統還實現了礦區周邊土地資源的查詢與管理，按土地利用類型分為綠地、耕地以及工業用地等，在系統中可以查詢土地的面積、種植以及灌溉信息等。最后，系統還實現了礦區及其周邊地區的交通信息管理，基于天地圖的矢量地圖，對礦區及周邊的鐵路、公路等交通信息進行管理。地下空間資源主要是井巷空間，對建立的井巷三維模型進行地理配準后，實現井巷長度、面積信息的查詢與管理，如圖4所示。

圖4 地上地下空間資源管理示意圖Fig.4 Schematic diagram of space resource managementabove and below ground

3.3.3 煤礦相關信息管理

煤礦相關信息主要包括煤礦的建設概況、關閉概況、生產概況、廣場概況、資源概況以及開采報告、關閉報告等。本系統將煤礦建設的歷程以網頁的形式展現，自煤礦建設至關閉，向用戶展示煤礦的建設和關閉概況。對于煤礦的生產概況，則利用Echarts.js插件以圖表的形式在客戶端展示，主要包括煤礦歷年的產量、可采煤層以及涌水量等。廣場概況包括廣場平面圖以及廣場所有建筑的名稱、長寬和面積屬性信息。資源概況主要是剩余煤炭儲量、土地資源以及井巷空間資源的基本情況，通過統計圖表的樣式展現。開采、關閉報告則以PDF文件的形式提供在線瀏覽、下載以及打印。圖5為朱家河煤礦剩余資源估算信息管理示意圖。

圖5 煤礦相關信息管理實現Fig.5 Implementation of coal mine relatedinformation management

3.3.4 工具管理

工具管理包含量算工具和繪制工具的管理。量算工具實現了距離量算、高度量算和面積量算。其中，距離量算又分為直線距離和貼地距離的量算，高度量算包含垂直高度測量和三角高度測量。繪制工具中包括點線面要素的繪制以及矩形、圓等幾何圖形的繪制。

4 結 語

關閉煤礦資源GIS綜合管理系統基于當前先進的開源三維GIS技術，結合無人機傾斜攝影測量以及Web數據庫等高新技術，采用B/S架構開發完成。本系統具備完善的三維場景操作、資源管理、煤礦信息查詢管理以及量算、繪制功能，實現了朱家河煤礦資源的可視化管理，提高了朱家河煤礦資料數據的可用性及查找使用的便捷性，并為朱家河煤礦的再次開發利用提供了良好的輔助決策支持，具有推廣使用價值和應用前景。