基于 GPS/GIS的礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

劉 輝,何春桂,劉小陽,邱光舉

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院,河北邯鄲 056038; 3.防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)工程系,河北燕郊 065201;4.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北蔚縣 075700)

基于 GPS/GIS的礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

劉 輝1,何春桂2,劉小陽3,邱光舉4

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院,河北邯鄲 056038; 3.防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)工程系,河北燕郊 065201;4.開灤 (集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北蔚縣 075700)

簡要介紹了全球定位系統(tǒng) (GIS)和地理信息系統(tǒng) (GPS)的特點(diǎn),簡述了 GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)依據(jù)、網(wǎng)點(diǎn)和網(wǎng)形的設(shè)計(jì)原則;GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)管理中的作用。給出了基于 GPS/ GIS的礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊,并介紹了各個(gè)系統(tǒng)模塊的功能。

全球定位系統(tǒng) (GPS);地理信息系統(tǒng) (GIS);礦區(qū)變形監(jiān)測

在礦山開采中,無論是露天開采還是井下開采常常會(huì)由于采空區(qū)地表的移動(dòng)引起地表建筑物、構(gòu)筑物的破壞,給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的隱患。因此,礦山企業(yè)在礦區(qū)設(shè)置了一定數(shù)量的具有代表性的變形監(jiān)測點(diǎn),并進(jìn)行長期或多期觀測,從而獲得有關(guān)變形的規(guī)律并進(jìn)行預(yù)報(bào),來保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)

全球定位系統(tǒng) (GPS)技術(shù)具有全天候、自動(dòng)化、選點(diǎn)靈活、可同時(shí)測定點(diǎn)的三維位置與速率等優(yōu)點(diǎn),因而為礦區(qū)變形監(jiān)測提供了一種新的有效的數(shù)據(jù)采集手段。在短距離靜態(tài)相對(duì)定位中,采用GPS衛(wèi)星廣播星歷,GPS定位精度達(dá)毫米級(jí)。如果采用精密星歷和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件,定位精度可達(dá)亞毫米級(jí);長距離靜態(tài)相對(duì)定位可達(dá) 10-8的相對(duì)精度。因此,GPS作為一種新方法已廣泛用于高精度地表變形的監(jiān)測。

對(duì)于礦區(qū)地表變形監(jiān)測,不僅注重結(jié)果,還要分析產(chǎn)生變形的原因。因此,需要了解采空區(qū)地表在空間上的移動(dòng)量、產(chǎn)生位移的原因以及哪些因素起主要作用,這有利于制定相應(yīng)的決策措施。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),就需要借助于地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析功能,即需要建立一種基于GPS/GIS集成的采空區(qū)地表變形監(jiān)測系統(tǒng)。利用GIS技術(shù),不僅可對(duì)監(jiān)測信息進(jìn)行有效的管理,而且還可從不同的空間和時(shí)間尺度上分析變形發(fā)生與環(huán)境因素之間的關(guān)系,揭示出產(chǎn)生變形的內(nèi)在因素和外部因素。

GPS與 GIS的集成將有助于煤礦安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化和信息管理自動(dòng)化,有利于制定預(yù)防災(zāi)難性事件發(fā)生的科學(xué)、有效的決策措施,有利于建立高效、快速的事故處理反應(yīng)機(jī)制。

2 GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的建立

2.1 GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

與常規(guī)變形監(jiān)測網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)相類似,GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)在進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí),最好能聯(lián)測至少一個(gè)測區(qū)附近高精度的國家 GPS點(diǎn) (A,B,C級(jí)點(diǎn)等),保證監(jiān)測網(wǎng)達(dá)到D級(jí),確保 GPS網(wǎng)點(diǎn)的位置基準(zhǔn)達(dá)到毫米級(jí)精度,能有效提高 GPS基線解算精度。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)依據(jù)

GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)既要依據(jù) GPS測量規(guī)范和規(guī)程,又要依據(jù)工程測量規(guī)范、各部門制定的規(guī)程以及礦區(qū)變形監(jiān)測任務(wù)書。具體依據(jù)為:l992年由國家測繪局編制發(fā)布的《全球定位系統(tǒng) (GPS)測量規(guī)范》;1993年由國家技術(shù)監(jiān)督局、建設(shè)部聯(lián)合編制發(fā)布的《工程測量規(guī)范》; 1979年煤炭工業(yè)部編寫的《煤礦測量手冊》;礦區(qū)變形監(jiān)測任務(wù)書或合同書。

2.3 網(wǎng)點(diǎn)及網(wǎng)形的設(shè)計(jì)

GPS礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)包括基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

GPS礦區(qū)變形監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位的確定原則:地質(zhì)條件好,點(diǎn)位穩(wěn)定;適合 GPS觀測條件,并無顯著多路徑效應(yīng);遠(yuǎn)離工作面,點(diǎn)位不受開采影響;可選用經(jīng)實(shí)踐證明,點(diǎn)位穩(wěn)定的原礦區(qū)內(nèi)的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)。因原基準(zhǔn)點(diǎn)都經(jīng)地質(zhì)勘探,且建有穩(wěn)固的觀測墩,便于穩(wěn)定性分析。

GPS變形監(jiān)測的監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位的選定原則:能有效的反映監(jiān)測區(qū)域的變形特征;適合 GPS觀測條件;一般應(yīng)選在工作面的正上方,沿工作面的走向、傾向布設(shè);要有足夠的密度,保證能覆蓋變形影響的所有區(qū)域。

3 GIS技術(shù)在礦區(qū)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理中的作用

GIS是為了獲取、存儲(chǔ)、檢索、分析和顯示空間定位數(shù)據(jù)而建立的計(jì)算機(jī)化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。GIS系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,許多系統(tǒng)中都增加了模型應(yīng)用功能,從而增強(qiáng)了 GIS分析功能,使 GIS應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大,應(yīng)用水平也有了很大提高。

GIS技術(shù)用于管理礦區(qū)變形監(jiān)測的數(shù)據(jù),要充分考慮礦區(qū)地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的特殊性,充分體現(xiàn)地表變形數(shù)據(jù)與工作面布置、開采進(jìn)度、深度的關(guān)系,要能反應(yīng)出各種不同地質(zhì)條件下進(jìn)行開采所造成的地表破壞情況,不僅要給出各監(jiān)測點(diǎn)的空間變形量,還要從時(shí)間上得出變形規(guī)律,為合理開發(fā)利用煤礦資源提供技術(shù)依據(jù)。

4 基于 GPS/GIS的礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線

在理論研究與系統(tǒng)開發(fā)的初始階段,利用三維移動(dòng)平臺(tái)模擬進(jìn)行 GPS變形監(jiān)測,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證解算被監(jiān)測對(duì)象變形量的數(shù)學(xué)模型的正確性和精度,并對(duì)模型進(jìn)行完善;利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行編碼,實(shí)現(xiàn)軟件的主體功能。研究的技術(shù)路線見圖 1。

圖 1 基于 GPS/GIS的礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)路線

4.2 系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

礦區(qū)變形監(jiān)測系統(tǒng)采用可視化編程語言Visual Basic作為平臺(tái),使系統(tǒng)有一個(gè)友好的界面,方便與操作系統(tǒng)的信息交換,讀取野外采集的 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù);以 ESR I公司的地理信息系統(tǒng)軟件MapObjects組件將 GIS功能嵌入其中,以充分發(fā)揮其對(duì)地圖顯示、編輯、查詢、存取等優(yōu)勢,使圖形操作功能更加靈活。本系統(tǒng)主要由用戶界面及操作子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng) 5個(gè)模塊組成(如圖 2所示)。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

(1)用戶界面及操作子系統(tǒng) 主要功能包括:權(quán)限管理、工程概況、各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。

(2)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理系統(tǒng) 收集各種原始數(shù)據(jù)并對(duì)其完成數(shù)字化處理,在經(jīng)過編輯、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后,還需要經(jīng)過復(fù)雜、細(xì)致的圖形編輯和信息的自動(dòng)拓?fù)涔ぷ?才可以初步完成對(duì)地圖所做的矢量化信息處理,并存入數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期存儲(chǔ)。主要功能包括:GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、基線解算、GPS數(shù)據(jù)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,GPS/GIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。

(3)數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng) 可以被其他子系統(tǒng)調(diào)用的空間數(shù)據(jù)庫是 GIS的基礎(chǔ),該數(shù)據(jù)庫包含經(jīng)過預(yù)先處理的地理數(shù)據(jù)集,分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù) (屬性數(shù)據(jù))。

空間數(shù)據(jù)表示在某一坐標(biāo)系下標(biāo)識(shí)地理空間位置的數(shù)據(jù),即以點(diǎn)、線、面表示物體的空間特性,例如礦區(qū)范圍、工作面布置圖、點(diǎn)位分布圖、變形量顯示等。

非空間數(shù)據(jù)表示物體性質(zhì)特征,例如礦區(qū)信息、工作面信息、工程概況、點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)等信息。

空間數(shù)據(jù)庫通過本系統(tǒng)可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的各種有用信息,是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的界面。管理程序主要完成的任務(wù)是圖形刷新、信息檢索、屬性數(shù)據(jù)庫的編輯修改等。

(4)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng) 作為本系統(tǒng)的重要組成部分,其作用在于對(duì) GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形分析,以便于準(zhǔn)確、可靠的提供監(jiān)測工作基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和監(jiān)測點(diǎn)的變形狀況。主要內(nèi)容包括對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析、監(jiān)測點(diǎn)的變形分析、精度評(píng)定、緩沖區(qū)分析、變形預(yù)報(bào)等。

(5)成果輸出子系統(tǒng) 是完成對(duì)數(shù)據(jù)的整理,用圖表的形式輸出 GPS監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形、各期監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表、某一監(jiān)測點(diǎn)的變形曲線、下沉曲線的數(shù)值模擬等,以便于對(duì)變形規(guī)律進(jìn)行分析,并以適當(dāng)?shù)母袷皆谄聊?、打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出,達(dá)到人機(jī)交流的目的。

(6)輔助系統(tǒng) 完成一些需要特殊處理的工作。如建立圖幅、建立圖廓、統(tǒng)計(jì)匯總、信息分析等工作。

5 結(jié)論

(1)由于 GPS技術(shù)具有速度快、精度高、自動(dòng)化程度高以及選點(diǎn)靈活等方面的優(yōu)點(diǎn),GIS技術(shù)在獲取、存儲(chǔ)、檢索、分析和顯示空間定位數(shù)據(jù)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,將兩者集成應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)測中,將大大提高監(jiān)測工作的自動(dòng)化。

(2)該系統(tǒng)的核心功能包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形分析、數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測成果的可視化與成果輸出。在數(shù)據(jù)管理上該軟件采用 GIS技術(shù)管理 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法,有效地解決了礦區(qū)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等難題。

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[責(zé)任編輯:施紅霞]

Prelim inary Design for Deformation M on itoring System of M in ing Area Based on Integrated GPS/GIS

L IU Hui1,HE Chun-gui2,L IU Xiao-yang3,Q IU Guang-ju4

(1.Resources School,Hebei EngineeringUniversity,Handan 056038,China; 2.School ofWater Conservancy&Hydroelectric Power,Hebei EngineeringUniversity,Handan 056038,China; 3.Disaster Prevention Department,Institute ofDisaster Prevention,yanjiao 065201,China; 4.WeizhouMining Co.,Ltd,Kailuan Group,Yuxian 075700,China)

This paper introduced characteristics of global position system (GPS)and geological information system (GIS)and resumed design basis and principles of GPS deformation monitoring of mining area and the role of GIS in data management.It also put forward a technical routine of developing GPS/GIS deformation monitoring system ofmining area and introduced everymodule function of the system.

global position system(GPS);geological information system(GIS);deformation monitoring ofmining area

TD325.4

A

1006-6225(2010)03-0106-03

2009-12-24

河北工程大學(xué)青年基金 (2009Z27)

劉 輝 (1982-),男,山東肥城人,工學(xué)碩士,講師,從事礦山測量、GPS數(shù)據(jù)處理、3S集成等方面的教學(xué)與科研工作。