基于GIS的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型研究

作者簡(jiǎn)介：趙永蘭（1979-），女，副高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榈刭|(zhì)測(cè)繪。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.021

摘? 要：該文從煤礦地質(zhì)測(cè)量的基礎(chǔ)工作入手，探究面向GIS的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法。通過(guò)煤礦地質(zhì)基礎(chǔ)工作、煤礦測(cè)量基礎(chǔ)工作和水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作收集海量的測(cè)量信息，構(gòu)建煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型。以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，融合信息分類(lèi)與編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)煤礦地質(zhì)測(cè)量空間信息系統(tǒng)（MSGIS），用點(diǎn)、線(xiàn)、面這些基本圖素直觀簡(jiǎn)潔地表示測(cè)量信息，準(zhǔn)確形象地描述礦區(qū)地質(zhì)模型，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的易用性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：煤礦；地質(zhì)測(cè)量信息；數(shù)據(jù)模型；GIS；勘探線(xiàn)；圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P628? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0096-04

Abstract： Starting with the basic work of coal mine geological survey， this paper probes into the construction method of coal mine geological survey information data model oriented to GIS. The conceptual data model and logical data model of coal mine geological survey information are constructed through the collection of massive survey information through coal mine geological basic work， coal mine surveying basic work and hydrogeological basic work. Based on the data model and combining the information classification and coding technology， the coal minesurvey geological information system （MSGIS） is designed. The survey information is represented intuitively and succinctly by the basic pixels of point， line and surface， and the geological model of the mining area is described accurately and vividly， which further improves the ease of use and practicability of the system.

Keywords： coal mine; geological survey information; data model; GIS; exploration line; graphic database

地理信息系統(tǒng)（GIS）通常用于空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，以及不同數(shù)據(jù)之間拓?fù)潢P(guān)系的管理，按照層次的不同可以將GIS數(shù)據(jù)模型劃分為若干種類(lèi)型，如概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型及物理模型等。其中，煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的收集、分類(lèi)與編碼，主要使用到概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型。構(gòu)建基于GIS的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型，可以將礦區(qū)的基礎(chǔ)信息（如地物、地形、地名）、專(zhuān)題信息（如井巷設(shè)施、煤層儲(chǔ)量）、綜合信息（礦區(qū)環(huán)境規(guī)劃、礦區(qū)交通規(guī)劃）等進(jìn)行收集、整合、利用，為煤礦的開(kāi)采與管理提供依據(jù)。

1? 煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的概念數(shù)據(jù)模型

概念數(shù)據(jù)模型是關(guān)于實(shí)體與實(shí)體之間所有聯(lián)系的抽象概念集合，是概念設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。在設(shè)計(jì)煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的概念數(shù)據(jù)模型時(shí)，主要關(guān)注2個(gè)要點(diǎn)：一是確定礦山基礎(chǔ)信息的來(lái)源，保證及時(shí)、全面地獲取礦山的各項(xiàng)信息，這是GIS數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)；二是建立礦山信息數(shù)據(jù)庫(kù)，從各個(gè)信息源采集到的數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于隨時(shí)查詢(xún)、調(diào)用數(shù)據(jù)。

1.1? 煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的數(shù)據(jù)源

現(xiàn)階段可用于獲取礦山基礎(chǔ)信息的途徑有多種，除了鉆探外，還包括遙感（RS）、數(shù)字?jǐn)z影、全球定位系統(tǒng)（GPS）及三維地震勘探等。從信息類(lèi)型上看，則囊括了煤礦地質(zhì)信息、地面物探信息、礦井物探信息，以及壓力、瓦斯等多源地質(zhì)信息。由于數(shù)據(jù)源多，數(shù)據(jù)量大，給煤礦地質(zhì)信息的收集工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文結(jié)合煤礦企業(yè)的地質(zhì)測(cè)量工作實(shí)踐，將煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的數(shù)據(jù)源歸為3種類(lèi)型。

第一種是煤礦地質(zhì)基礎(chǔ)信息，包括地質(zhì)報(bào)告、地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，以及其他符合《煤礦測(cè)量規(guī)程》《煤礦地質(zhì)測(cè)量圖例》等相關(guān)文件的地質(zhì)圖紙，如礦井地質(zhì)地形圖、采區(qū)地質(zhì)剖面圖等，信息來(lái)源見(jiàn)表1。除此之外，像井下地質(zhì)鉆孔成果臺(tái)賬、主要煤巷素描圖、立井素描圖等也屬于煤礦地質(zhì)基礎(chǔ)信息。

表1? 煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的來(lái)源

第二種是煤礦測(cè)量基礎(chǔ)信息，常規(guī)的有生產(chǎn)施工進(jìn)度圖、巷道施工放樣圖以及近井點(diǎn)平面圖等。除此之外，像井田區(qū)域地形圖（1∶2 000）、采掘工程平面圖（1∶1 000）、井筒斷面圖（1∶200或1∶500）、主要巷道斷面圖（1∶1 000或1∶2 000）、地面等級(jí)網(wǎng)、近井點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算成果以及井上下水測(cè)量臺(tái)賬、“三量（開(kāi)采量、準(zhǔn)備量、回采煤量）”計(jì)算成果、工程標(biāo)定解算臺(tái)賬等，也都屬于煤礦測(cè)量基礎(chǔ)信息。

第三種是水文地質(zhì)基礎(chǔ)信息，見(jiàn)表2。

1.2? 煤礦地質(zhì)測(cè)量空間數(shù)據(jù)庫(kù)

在收集煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的信息進(jìn)行概念化設(shè)計(jì)，尋找實(shí)體的基本元素以及反映這些基本元素之間的關(guān)系，得到相應(yīng)的概念模型；以實(shí)體-關(guān)系圖（E-R圖）的形式表示概念模型，匯總所有概念模型即可得到煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的概念數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。從組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看，概念數(shù)據(jù)庫(kù)的核心組成有名稱(chēng)、標(biāo)識(shí)、關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)內(nèi)容列表4個(gè)部分。在E-R圖中，實(shí)體可分為地上部分和地下部分，前者又可細(xì)分為地形、氣象、水系、道路等；后者則包含了巷道、地層、構(gòu)造等。地上或地下部分中的每一項(xiàng)還可以繼續(xù)細(xì)分，以“水系”為例，細(xì)分為河流、水庫(kù)、井等。煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的完整E-R圖如圖1所示。

表2? 水文地質(zhì)基礎(chǔ)信息

需要注意的是，概念數(shù)據(jù)模型雖然能夠表示實(shí)體信息之間的關(guān)聯(lián)以及所屬類(lèi)別，但是無(wú)法詳細(xì)展示實(shí)體的信息結(jié)構(gòu)以及信息的處理過(guò)程。以圖1中地上部分勘探線(xiàn)中的“鉆孔”為例，包含的實(shí)體信息見(jiàn)表3，表中信息無(wú)法在概念化模型中展示，要想滿(mǎn)足煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)和使用要求，還要設(shè)計(jì)邏輯數(shù)據(jù)模型。

2? 煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的邏輯數(shù)據(jù)模型

所謂邏輯數(shù)據(jù)模型，是對(duì)概念數(shù)據(jù)模型表示的數(shù)據(jù)進(jìn)行適應(yīng)性轉(zhuǎn)化，讓概念模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型，從而為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境以及提供相應(yīng)的工具。本文在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)邏輯模型時(shí)，以E-R圖為基礎(chǔ)，建立實(shí)體聯(lián)系模型（ERM）。其中，E-R圖除了表示實(shí)體與聯(lián)系，還能提供實(shí)體的屬性信息，例如礦體的分布范圍、埋藏深度、產(chǎn)狀及巖性等[2]。下面以邊界與勘探線(xiàn)、煤巖層等重要的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息為例，概述邏輯數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建方法。

2.1? 邊界線(xiàn)與勘探線(xiàn)

根據(jù)功能的不同，可以將邊界線(xiàn)分為井田邊界、采區(qū)邊界、可采邊界等基本類(lèi)型。邊界線(xiàn)的組成包括建井日期、支護(hù)方式等；按照用途劃分，邊界線(xiàn)可用于巷道的規(guī)劃、確定斷層等。邊界線(xiàn)的E-R圖如圖2所示。

圖2? 邊界線(xiàn)的E-R圖

圖2中點(diǎn)類(lèi)型1表示按照實(shí)際坐標(biāo)規(guī)劃的邊界，點(diǎn)類(lèi)型2則是需要插值擬合的點(diǎn)信息。煤礦地質(zhì)測(cè)量中的勘探線(xiàn)，通常為垂直于地層或者是沿著地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)方向布置，利用勘探線(xiàn)掌握的地質(zhì)資料可以編制出勘探線(xiàn)剖面圖，進(jìn)而直觀地展示出礦區(qū)某個(gè)深度或某個(gè)位置的地質(zhì)構(gòu)造與煤層賦存情況。在繪制勘探線(xiàn)的E-R圖時(shí)，需要關(guān)注的內(nèi)容包括基本資料（如起始位置）、組成情況（如線(xiàn)上鉆孔類(lèi)型）等。勘探線(xiàn)的E-R圖如圖3所示。

圖3? 勘探線(xiàn)的E-R圖

2.2? 煤巖層

煤層位于地層的某個(gè)深度，與共生的巖石共同組成特定的沉積序列。在構(gòu)建煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型時(shí)，煤層的層位與層數(shù)以及煤層頂板和底板的形態(tài)、煤層的厚度等都是需要關(guān)注的核心因素[3]。除此之外，煤的化學(xué)信息也是構(gòu)成數(shù)據(jù)模型的重要信息，具體又包括工業(yè)信息和化學(xué)信息2種類(lèi)型，前者具體細(xì)分為水分、灰分、揮發(fā)分等，后者具體細(xì)分為碳、氫、氧和硫等多種組成元素。同樣的，巖層也是煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型不可或缺的實(shí)體成分，在建立巖層數(shù)據(jù)模型時(shí)，需要將巖層的順序、厚度及年代等信息納入其中。這里以巖層為例，E-R圖如圖4所示。

圖4? 巖層的E-R圖

3? 基于GIS的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)的主要功能

本文以煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，同時(shí)引入了信息分類(lèi)編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)了面向GIS的煤礦地質(zhì)測(cè)量信息管理系統(tǒng)（MSGIS），該系統(tǒng)由2個(gè)核心模塊構(gòu)成，分別是GIS平臺(tái)和煤礦地質(zhì)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，可以做到煤礦地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、計(jì)算、分析及制圖等多項(xiàng)業(yè)務(wù)的一站式辦理，在煤礦的勘探、開(kāi)采等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。MSGIS系統(tǒng)是一款基于Windows操作平臺(tái)、采用C/S架構(gòu)的應(yīng)用軟件，前臺(tái)客戶(hù)端使用Delphi語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，利用ADO接口讓客戶(hù)端的應(yīng)用程序順利訪問(wèn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)測(cè)量信息的快速檢索和精準(zhǔn)查找。分類(lèi)編碼技術(shù)的功能是設(shè)計(jì)點(diǎn)、線(xiàn)、面等地質(zhì)符號(hào)，以簡(jiǎn)明、直觀的方式表達(dá)煤礦地質(zhì)測(cè)量信息。

3.2? 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)及其結(jié)構(gòu)

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)決定了MSGIS系統(tǒng)的圖形生成質(zhì)量與圖形處理效率。本文以SQL數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)易操作性和可維護(hù)性的特點(diǎn)，不僅顯著節(jié)約了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)空間，提升了MSGIS系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且能夠方便靈活地對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行增刪、修改等處理，優(yōu)化了系統(tǒng)用戶(hù)的使用體驗(yàn)。圖形數(shù)據(jù)庫(kù)分為4層結(jié)構(gòu)，分別是圖元、圖組、圖段、圖層。除了最頂層的圖層，其他3層統(tǒng)一用UNIX表技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高了圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)容量[4]。在圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中，圖元是最小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是實(shí)體對(duì)象經(jīng)過(guò)層層分解后的最終結(jié)果。圖形數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)儲(chǔ)存海量的基本圖元，并將這些圖元按照特定的關(guān)系進(jìn)行組織重構(gòu)，詳細(xì)地表述礦區(qū)的地質(zhì)模型。合理劃分圖元對(duì)提高M(jìn)SGIS系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，如果劃分過(guò)粗將會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)模型模糊，增加了用戶(hù)的理解難度；反之，如果劃分過(guò)細(xì)將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中基本圖元數(shù)量過(guò)多，增加管理難度。

3.3? 點(diǎn)線(xiàn)面的編碼

3.3.1? 點(diǎn)的組織與編碼

在MSGIS系統(tǒng)的主界面，依次選擇“系統(tǒng)設(shè)置-點(diǎn)樣式設(shè)置”，可以調(diào)出點(diǎn)的設(shè)定界面，在該界面上可以選擇不同類(lèi)型的點(diǎn)，如測(cè)量點(diǎn)、地質(zhì)點(diǎn)、水文點(diǎn)以及單體符號(hào)等。選取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)后，在界面的右下角可以顯示點(diǎn)的具體樣式，并支持自定義基本圖元的參數(shù)，如索引值、半徑、基點(diǎn)（x值與y值）等。為了保證圖形的兼容性，要求每一種圖元的編碼與煤礦地質(zhì)測(cè)量信息分類(lèi)編碼表對(duì)應(yīng)，例如“報(bào)廢孔”的編碼為G04106。點(diǎn)的代碼利用tagShplib與tagPNT語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，前者負(fù)責(zé)管理點(diǎn)的符號(hào)庫(kù)，后者負(fù)責(zé)設(shè)置點(diǎn)符號(hào)。

3.3.2? 線(xiàn)的組織與編碼

MSGIS系統(tǒng)中的線(xiàn)本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組，由于任意一個(gè)線(xiàn)型需要占用2條記錄，在線(xiàn)型定義字段中需要插入一個(gè)空格將前后2個(gè)相鄰的字段隔開(kāi)。第1條記錄的第1字段起始符號(hào)為“*”號(hào)，表示線(xiàn)型名；第2字段是在二維線(xiàn)型中等間隔插入線(xiàn)段中符號(hào)，表示形名。第2條記錄為數(shù)字組，第1字段表示線(xiàn)型的省缺線(xiàn)寬，支持用戶(hù)自定義設(shè)置；第2字段為線(xiàn)型中第一短劃的長(zhǎng)度，要求該值為正整數(shù)；第3字段表示下一循環(huán)的間隔，為負(fù)值。如下所示。

*G01204（井田邊界）? 井田----- + ------

1.3 54 -7

3.3.3? 面的組織與編碼

從MSGIS系統(tǒng)的主界面依次選擇“系統(tǒng)參數(shù)-圖案符號(hào)管理-系統(tǒng)圖案管理”，彈出新的子界面“添加新圖案”，在該界面上可以手動(dòng)輸入圖案名稱(chēng)、圖案類(lèi)型以及x值、y值；除此之外，該界面還給出了巖石信息編碼、主次巖性等重要信息[5]。各項(xiàng)信息填寫(xiě)或選擇完畢后，點(diǎn)擊“確定”即可完成新圖案的添加。MSGIS系統(tǒng)通過(guò)圖元組合的方式表示地質(zhì)巖性符號(hào)，每個(gè)巖性符號(hào)都有唯一的代碼以及對(duì)應(yīng)的信息編碼，例如泥炭的巖石代碼為NC，信息編碼為G04302；高齡石泥巖的代碼為GLSN，信息編碼為G05354等。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于規(guī)范、方便地表示了地質(zhì)巖性符號(hào)，同時(shí)又能通過(guò)字母與數(shù)字的組合排列實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)充。面的代碼可利用tagPAT與tagPatlib實(shí)現(xiàn)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在信息時(shí)代，數(shù)字礦山建設(shè)成為煤礦企業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。通過(guò)構(gòu)建煤礦地質(zhì)測(cè)量信息數(shù)據(jù)模型，將日常的煤礦地質(zhì)基礎(chǔ)工作與煤礦測(cè)量基礎(chǔ)工作中獲取的海量信息加以收集與利用，利用數(shù)據(jù)模型整合信息資源、挖掘數(shù)據(jù)機(jī)制，在此基礎(chǔ)上通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)、面這些基本圖素繪制相應(yīng)的礦山地質(zhì)模型，讓用戶(hù)能夠更加直觀、方便地了解煤礦的地質(zhì)信息，從而為勘探、開(kāi)采等工作的開(kāi)展提供便利。

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