礦山地質環境監測數據庫管理系統設計與實現

游昆鵬 胡高峰 羅才嚴

（陜西鳳縣四方金礦有限責任公司）

礦產資源的開發利用在給社會帶來巨大財富、促進國民經濟繁榮的同時，也給生態環境造成了嚴重的破壞。面對礦山開采過程中造成的森林、耕地等資源被破壞，以及地面塌陷、地層結構破壞引發的滑坡泥石流等地質災害現象的頻發，2016 年國務院重新修訂頒布了《礦山地質環境保護規定》，強制要求礦山企業減少礦產資源勘查開采活動造成的礦山地質環境破壞，保護人民生命和財產安全，促進礦產資源的合理開發利用和經濟社會、資源環境的協調發展。

在礦山地質環境保護與治理過程中，礦山地質環境監測是其中的一個重要環節。依據規范，礦山地質環境監測要素主要包含地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、含水層破壞、地形地貌景觀破壞等，針對不同的監測要素需要采用不同的監測技術（設備），并且所有要素的監測都是周期性，這必然導致積累大量的監測數據和特征信息。這些監測數據繁雜、來源多、格式多樣，采用Excel 表格管理存在很大的局限性。因此需要建立數據庫并開發相應的數據庫管理系統對繁雜的監測數據進行管理以及分析，對未來實現社會統一監管和智能預警具有重要意義［1-3］。

1 地質環境監測基本信息及資料分析

地質環境監測的基本任務是通過監測礦區地質災害評估結果和礦山地質環境保護與土地復墾方案所確立的監測對象，預測采礦活動可能引起的地面塌陷、滑坡、泥石流、建筑物及尾礦庫等構筑物的穩定性和變化趨勢。本項目所在礦山的主要監測對象有采礦區地表塌陷、地表裂縫、巖移及巖移范圍外50 m 內的5 座建構筑物、4 處滑坡、2 處泥石流、3 座尾礦庫。監測采用的設備主要有全站儀、GNSS接收機、頂板離層儀、卡尺、無人機等。現有的監測資料主要以Excel表格和柵格形式存儲，涵蓋圖形、圖像、文字、表格等數據源。由于獲取數據的設備和分析標準不同，導致這些數據的多格式、多精度、多尺度及異質性，同時周期觀測導致數據的海量性、動態性。建立礦山地質環境監測數據庫的首要任務就是對已有監測資料進行分析［4-5］。

通過對已有資料進行分析的目的之一是確定數據表的結構。通過分析原數據源并結合實際，針對不同的監測要素設計不同的數據表結構。為保持與歷史資料的統一性，數據表結構設計原則上延續原數據源的字段特性，通過分析剔除掉一些不必要的字段，保留下基本字段并擴展一些便于實現數據庫管理系統功能的一些字段。字段的保留規則為空間形態（坐標）字段、監測對象名稱、監測點ID、監測日期、地質災害類型、監測設備、監測人員等基本字段全部保留，一些通過基本監測數據計算可以得出的數據字段予以剔除，這樣可以減小數據庫冗余。擴展字段主要根據數據庫管理系統的設計深度進行增加，原則在于平衡數據量和數據庫管理系統運算效率。

分析已有資料的目的之二是尋找原數據源錄入數據庫的有效方法。原數據源具有海量性，要把海量數據逐項錄入工作量大、難以完成，最好的方式是能夠批量錄入。本項目在充分分析原數據源的基礎上，結合數據表結構設計，利用Python 編寫腳本把Excel 表格和柵格數據批量轉入數據庫中，腳本使用到的模塊主要是XLSXWRITE、GDAL 和相應的數據庫API。

2 地質環境監測數據庫管理系統功能分析

通過前期調研和對礦山需求成果分析，礦山地質環境監測數據庫管理系統需要具備以下功能［6-7］。

（1）用戶認證及管理模塊：管理用戶表，對不同級別用戶賦予不同權限。

（2）原始記錄讀取模塊：用戶可以通過此功能把監測儀器導出的坐標信息等原始記錄自動匹配到數據庫內其對應的監測對象上，進而自動更新數據庫。該功能主要目的是提高內業數據處理效率和準確率，避免人為造成的數據錯誤。

（3）數據管理模塊：根據用戶需求對單個監測對象或者多個監測對象的數據表數據進行增、刪、改、查操作，是數據庫管理系統基本功能的體現。

（4）監測區信息概況：該部分主要以文本形式展現監測區概況，各個監測對象的基本信息、當前狀態，主要作用是在宏觀層面上展示監測區狀態。

（5）監測體系信息：該部分同樣以文本形式展示地質環境監測人員組織結構、監測實施方案、地質環境監測及土地復墾年度報告以及監測設備信息表。

（6）數據展現模塊：根據用戶輸入條件從數據庫中檢索數據在系統顯示區展示并實時繪制曲線圖，并具備導出矢量曲線圖和Excel 表功能。該模塊是管理系統的核心功能之一。

（7）柵格數據處理模塊：根據用戶需求對任意2期柵格數據進行數學運算，并導出shp 格式的運算結果。

3 地質環境監測數據庫設計與搭建

在礦山地質環境監測數據庫管理系統中，一個有序高效的監測數據庫非常重要，為了提高系統整體性能，需要設計一個合理的數據庫結構。本項目采用關系型數據庫，關系型數據庫二維表結構非常貼近邏輯世界概念，關系模型相對網狀和層次模型來說更容易理解；關系型數據庫可以利用通用的SQL語言完成非常復雜的操作；關系型數據庫的實體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性大大降低了數據冗余和數據不一致的概率。本項目采用更適合嵌入式開發的SQLite3 數據庫，建庫工具采用Django自帶的數據庫API。

SQLite3 是一款輕型的開源關系型數據庫，是遵守ACID 的關聯式數據庫管理系統，它的設計目標是嵌入式的，而且目前已經得到了非常廣泛的使用，占用資源非常低，能夠支持Windows/Linux/Unix 等主流的操作系統，同時能夠跟很多程序語言相結合，比如Python、C#、PHP、Java 等，還有ODBC 接口，比起Mysql、PostgreSQL 這2款世界著名的開源數據庫管理系統來講，它對小型數據集的處理速度更快。

Django通過對象關系映射（ORM，object-relational mapping）以Python 類形式定義數據模型（圖1），ORM 將模型與關系數據庫連接起來，得到一個非常容易使用的數據庫API，同時在Django 中也可以使用原始的SQL 語句。由于Django 自帶數據庫API 優秀的易用性，本項目數據庫設計采用Django 實現，提高效率的同時又便于WEB擴展。

本項目數據結構采用常用的二叉樹結構，結構高度4 層，最大葉子節點數5，數據結構見圖2。結合上文分析并分析實際，在SQLite3 中新建數據庫SFDZJC，在數據庫中新建用戶表（DZJC_USER）、項目信息表（DZJC_PROJINFO）、柵格數據表（DZJC_RASTER）、監測對象表（DZJC_MONITOR）、監測數據表（DZJC_DATA）、裂縫數據表（DZJC_LF）、建筑變形數據表（DZJC_JZBX）、自然災害巡查信息表（DZJC_PATROL）、設備信息表（DZJC_INSTRUINFO）等。本文對其中幾個比較典型的數據表進行詳細說明。

（1）用戶表。用戶表主要用于記錄授權用戶的用戶名、密碼、授權等級等信息，詳見表1。用戶名和密碼為字符型（VARCHAR），授權等級字段為整形（INT）通過數字區分用戶等級和權限。

（2）監測對象表。監測對象表主要用于記錄不同監測對象的基本信息、圖像、監測手段、監測設備、監測數據類型（矢量或者柵格）等內容，每行代表一個監測對象，與父表（項目信息表）建立一對多鏈接，詳見表2。第一列為數據表中的字段名，為便于理解最后一列字段別名為對應的漢語名稱。PHOTO 字段類型為圖形（IMAGE）用于存儲監測對象照片，基本信息和監測手段采用本文類型（TEXT）以便于存儲更多文字信息，FOREIGEKEY 為外鍵字段，用于和父表建立連接。

（3）監測數據表。是監測數據的集合，包含監測點名稱、XYZ 坐標、監測日期、較上期變形值、累積變形值、變形速率等。其中，監測點名稱和三維坐標為輸入字段，變形值和變形速率等為計算字段，詳見表3。其中DECIMAL為數值類型字段，相較于浮點型和雙精度型數據數值型不僅能夠保證數據計算更為精確，還可以節省存儲空間。DATE 為日期類型字段，用于存儲監測日期，該表通過MONITOR_NAME 與父表DZJC_MONITOR建立對應關系。

（4）柵格數據表。該表主要用來存儲無人機獲取的正射影像DOM 和DSM，以便于進行數學計算和在客戶端展示，詳見表4。其中，RASTER為光柵字段類型，用于存儲正射影像柵格數據。該表同樣通過MONITOR_NAME 與父表DZJC_MONITOR 建立對應關系。

（5）設計表結構時遵循貼合系統需求、減少數據冗余并結合圖2所示結構建立與父表關聯的原則。裂縫數據表（DZJC_LF）、建筑變形數據表（DZJC_JZBX）、自然災害巡查信息表（DZJC_PATROL）、設備信息表（DZJC_INSTRUINFO）等其他數據表不再詳細列出。

4 地質環境監測數據庫管理系統功能實現

地質環境監測數據庫管理系統架構采用C/S+B/S結構（客戶端/服務器結構和瀏覽器/服務器結構）。C/S結構采用Python＋Tkinter編寫客戶端，B/S結構采用云服務器＋Django開發框架實現。Tkinter是Python自帶的GUI設計模塊，優點是輕便快速、易打包，缺點是擴展功能較少不易設計出絢麗的界面。Django 是純Python 編寫的開源WEB 框架，是以MVT（M-模型層、V-視圖層、T-模板層）設計模式為準則的優秀的開發框架。MVT 模式通過VIEW（視圖層）接收請求、獲取數據、返回結果；通過Template（模板層）呈現內容到瀏覽器。它在開發過程中，可以根據開發人員的具體情況自由更新模板，增加了開發的靈活性。表5為實現系統功能用到的模塊和服務。

（1）用戶認證功能實現。礦山地質環境監測數據庫數據含空間坐標信息等保密信息，客戶端沒有注冊功能，所有用戶都是通過系統管理員在后臺用戶表里輸入，客戶端只需要通過校驗用戶名密碼。B/S 架構下把驗證用戶名密碼的函數作為裝飾器函數，通過裝飾器函數實現認證和區分不同級別用戶操作權限。C/S 架構下通過授權碼安裝客戶端，保障數據安全。

（2）讀取原始記錄功能實現。通過正則表達式從儀器導出的TXT 文檔中自動識別XYZ坐標數據存入內存列表，然后遍歷上期監測數據，通過三維距離閾值自動匹配監測點位，同時計算變形量、變形速率等數值自動更新監測數據表，同時新增的監測點也會在此過程中自動添加至監測數據表。

（3）數據管理模塊功能實現。數據管理功能主要在服務端實現，通過在admin.py文件中注冊需要管理的數據表，即可在Django 自帶的管理站點中管理數據表數據。通過在settings.py文件中設置時區和語言可以更改管理界面的時區和顯示語言。現場采集的數據可以通過服務端管理界面輸入數據庫。

（4）監測區信息概況功能實現。該功能實現比較簡單，直接讀取數據庫中監測對象信息表中相關文字和圖片，在客戶端靜態展示。

（5）數據展現模塊功能實現。數據展現功能要求在瀏覽器端和桌面端都能夠實現數據展示，瀏覽器端主要通過HTML 編寫前端實現數據查詢和表格展示；桌面端利用Tkinter 畫布組件，通過編寫繪制表格、文字展示函數和繪制折線圖函數實現。

（6）柵格數據處理模塊功能實現。柵格數據的讀入、讀出以及數學計算通過GDAL 的ogr 類相關函數實現，柵格展示及應用通過Arcgis軟件實現。

（7）數據導出模塊功能實現。表格導出功能的實現：該模塊通過讀取用戶在輸入框中輸入的數據導出范圍和日期等檢索條件，在數據庫中檢索到需導出數據，然后通過Python 的Xlsxwriter 模塊寫XLSX格式文件。圖片導出功能的實現：通過Tkinter 內置函數draw.postscript導出EPS格式矢量圖片。

5 結論

（1）礦山地質環境監測數據庫管理系統的應用可以有效滿足礦山地質環境的監測需要，促進礦山地質環境監測向信息化、智能化方向發展。

（2）數據庫管理系統相較傳統Excel表格，可以更有效地匯總歷史監測數據，分析實時監測數據，直觀得出監測對象的變化趨勢和當前狀態。

（3）借助數據庫強大高效的檢索分析和關聯功能，可以實現多種不同類型的信息融合，能夠更全面地處理地質環境信息。

（4）基于礦山地質環境數據庫，將來可以選用一套合適的深度學習算法，運用人工智能技術和特征識別技術對地質環境監測數據庫中的大量復雜數據進行樣本訓練，實現智能、高效、準確的數據處理和災害預警。