基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空信息集成表達(dá)

王珊珊，季 民，胡瑞林

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島266510）

基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空信息集成表達(dá)

王珊珊1，2，季 民2，胡瑞林1

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島266510）

通過(guò)地表移動(dòng)盆地的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律分析礦區(qū)地面沉降的時(shí)空特征，改進(jìn)基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，建立了沉降要素表、幾何表和屬性表，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地面沉降時(shí)空信息的集成表達(dá)，并分析該方式的主要優(yōu)勢(shì)。其中，特征屬性在內(nèi)容上包括礦區(qū)地面沉降的發(fā)育特征及其影響因素的變化信息，以輔助沉降時(shí)空分析、表達(dá)時(shí)空語(yǔ)義；鑒于不同屬性變化的時(shí)間粒度及與幾何變化的同步性存在差異，將屬性字段分別放置在屬性表和幾何表中，以滿足用戶的查詢需求，減小數(shù)據(jù)冗余。最后，通過(guò)試驗(yàn)集成管理山東省濟(jì)北煤礦西北部地面沉降的時(shí)空數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)地面沉降的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了該區(qū)沉降與采礦活動(dòng)的相關(guān)性，驗(yàn)證了本文沉降時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式的可行性。

版本—增量；時(shí)空數(shù)據(jù)模型；地表移動(dòng)盆地；InSAR

0 引言

有效監(jiān)測(cè)和分析礦區(qū)地面沉降時(shí)空變化有助于礦區(qū)敏感建筑物保護(hù)、次生災(zāi)害防治和開采計(jì)劃的合理制定。目前水準(zhǔn)測(cè)量、全球定位系統(tǒng)（GPS）和合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）［1－3］等技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可提供多源、多時(shí)相的沉降數(shù)據(jù)。但管理過(guò)程中這些數(shù)據(jù)的時(shí)空特性往往被忽視，造成存儲(chǔ)量大、冗余嚴(yán)重、操作困難等問(wèn)題，不便于后續(xù)分析應(yīng)用，進(jìn)而阻礙了沉降時(shí)空規(guī)律的揭示。因此，如何采取合理方式集成表達(dá)礦區(qū)地面沉降的空間、時(shí)間和屬性信息這一問(wèn)題需要及時(shí)解決。

地理實(shí)體的動(dòng)態(tài)表達(dá)與建模是地球信息科學(xué)的核心內(nèi)容，也是時(shí)空分析、地理深層知識(shí)獲取和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)［4］。時(shí)空數(shù)據(jù)模型通過(guò)一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體進(jìn)行抽象，表達(dá)其空間、屬性和時(shí)間語(yǔ)義。1992年Langran全面論述了被稱為經(jīng)典時(shí)空數(shù)據(jù)模型的時(shí)空立方體模型、序列快照模型、基態(tài)修正模型和時(shí)空復(fù)合模型［5］。近20年來(lái)，伴隨時(shí)空GIS的發(fā)展，很多時(shí)空數(shù)據(jù)模型被相繼提出，如基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型［6］、基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型［7］、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型［8，9］、面向過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型［10］等，并應(yīng)用于地籍管理、土地利用、海洋漁業(yè)［11］等領(lǐng)域。

鑒于地理實(shí)體的復(fù)雜性和多樣性，現(xiàn)有的時(shí)空表達(dá)與建模理論多基于特定應(yīng)用領(lǐng)域或針對(duì)特定科學(xué)問(wèn)題而設(shè)計(jì)［12］。因此，本文結(jié)合礦山開采沉陷學(xué)和工程地質(zhì)的相關(guān)理論，在礦區(qū)地面沉降時(shí)空特征分析的基礎(chǔ)上，利用版本—增量的概念建立沉降時(shí)空數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)沉降時(shí)空信息的一體化存儲(chǔ)，為時(shí)空分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，一定程度上解決沉降數(shù)據(jù)管理滯后于數(shù)據(jù)獲取的問(wèn)題。

1 基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)管理

1.1 礦區(qū)地面沉降的時(shí)空特性

礦區(qū)地面沉降是由于地下礦產(chǎn)開采破壞了采空區(qū)周圍巖層的完整性和應(yīng)力平衡狀態(tài)而引起的地表移動(dòng)變形，一般在采空區(qū)上方形成地表移動(dòng)盆地。礦區(qū)地面沉降是礦區(qū)基礎(chǔ)環(huán)境和致災(zāi)因子綜合作用的產(chǎn)物，圖1概括了其主要影響因素。正是各影響因素在不同時(shí)空下相互作用的強(qiáng)度差異導(dǎo)致了礦區(qū)地面沉降的時(shí)空變化。

圖1 礦區(qū)地面沉降的主要影響因素Fig.1 The main factors of mining subsidence

理想條件下，隨著工作面開采程度的遞進(jìn)，地表移動(dòng)盆地會(huì)經(jīng)歷下沉發(fā)展→充分下沉→下沉衰減的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并在采空結(jié)束后趨于穩(wěn)定［13］。開采程度通常由開采區(qū)尺寸（采空區(qū)的傾向長(zhǎng)度D1、走向長(zhǎng)度D3和平均深度H0）決定，一般情況下：當(dāng)D1／H0、D3／H0＜1.2時(shí)，為非充分采動(dòng)；當(dāng)D1／H0、D3／H0介于1.2～1.4時(shí)，為充分采動(dòng)；當(dāng)D1／H0、D3／H0＞1.4時(shí)，為超充分采動(dòng)。

通過(guò)地表移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)沿工作面走向或傾向獲得的垂直斷面稱為主斷面，可視為下沉最劇烈的斷面。本文以主斷面上下沉曲線在不同階段的特征變化（圖2）為例，探討礦區(qū)地面沉降的動(dòng)態(tài)規(guī)律。下沉發(fā)展階段：下沉曲線（WA、WB、WC）的寬度逐漸增大，地表各點(diǎn)縱坐標(biāo)不斷減小，下沉速度逐漸增大；各曲線在中點(diǎn)處取得唯一的最大下沉值，該值尚未（WA、WB）或剛好（WC）達(dá)到相應(yīng)地質(zhì)條件下的最大沉降量；地表移動(dòng)盆地多呈碗形或槽形。充分下沉階段：下沉曲線（WD）繼續(xù)向外擴(kuò)展，多數(shù)地表點(diǎn)縱坐標(biāo)繼續(xù)減小，下沉速度增幅減小，在達(dá)到一定值后保持穩(wěn)定；曲線的最大下沉值不再增大，但達(dá)到該值的點(diǎn)數(shù)增加；地表移動(dòng)盆地中部較為平緩，形成盆狀。下沉衰減階段：下沉曲線（WE）范圍略有擴(kuò)大，各點(diǎn)下沉較小，下沉速度逐漸降低直至為0；地表移動(dòng)盆地呈盆形。

圖2 下沉曲線變化Fig.2 The change of subsidence curves

礦區(qū)地面沉降是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)空現(xiàn)象，隨地表變形移動(dòng)發(fā)生連續(xù)或離散變化，且變化程度因空間和時(shí)間的遷移存在差異。現(xiàn)實(shí)世界中，由于各影響因素的不規(guī)則性和相互作用，礦區(qū)地面沉降并非嚴(yán)格按上述規(guī)律發(fā)展變化，甚至還可能出現(xiàn)縮小、合并等現(xiàn)象。綜上所述，礦區(qū)地面沉降的時(shí)空變化具有動(dòng)態(tài)性、持續(xù)性、多態(tài)性和不確定性等特征。為了全面了解沉降動(dòng)態(tài)過(guò)程，滿足其可視化表達(dá)、成因分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等需求，礦區(qū)地面沉降的時(shí)空數(shù)據(jù)組織要充分考慮數(shù)據(jù)的內(nèi)容完整性和時(shí)間尺度差異。

1.2 基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型

基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是基態(tài)修正模型、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型和時(shí)空復(fù)合模型的抽象［14］。該模型用版本表示某時(shí)刻地理現(xiàn)象的初始狀態(tài)，用多個(gè)增量表示其時(shí)空變化；通過(guò)版本、增量間的檢索和操作獲取地理現(xiàn)象在指定時(shí)刻的快照，即：快照n＝快照n－1＋增量n；其中初始快照是版本。該模型克服了基態(tài)修正模型和基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型管理矢量數(shù)據(jù)效率低的缺點(diǎn)，它將地理實(shí)體的空間幾何作為空間數(shù)據(jù)管理的最小單元，維護(hù)了實(shí)體幾何在生命周期內(nèi)的整體性，避免了碎化現(xiàn)象。該模型還能記錄實(shí)體之間的分割、合并、更替等繼承關(guān)系，如圖3a記錄了實(shí)體A、B合并為C的過(guò)程：T1時(shí)刻A的第一個(gè)幾何消亡，第二個(gè)幾何產(chǎn)生，表明了其空間形態(tài)向外擴(kuò)張；T2時(shí)刻A的第二個(gè)幾何消亡和B的第一個(gè)幾何消亡，在相應(yīng)位置上產(chǎn)生C的第一個(gè)空間幾何，表征A、B合并為C。

圖3 基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型Fig.3 Spatial－temporal data modal based－on version－increment

物理存儲(chǔ)中，基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型將實(shí)體的空間、屬性、時(shí)間信息及相關(guān)操作封裝到具有唯一標(biāo)識(shí)的對(duì)象中，利用要素表、幾何表和屬性表記錄實(shí)體及其時(shí)空變化（圖3b）。無(wú)論實(shí)體在其生命周期中發(fā)生了多少次變化，其在要素表中的記錄僅有一條，關(guān)鍵字FeatureID將作為外鍵與幾何表和屬性表建立關(guān)聯(lián)；From Feature字段則用于表達(dá)實(shí)體間的繼承關(guān)系；幾何表用GeometryID、Shape、起止時(shí)間和FeatureID記錄地理實(shí)體的空間幾何特征變化，關(guān)鍵字GeometryID作為外鍵指示實(shí)體的第一個(gè)幾何；屬性表包括AttributeID、起止時(shí)間、FeatureID和其他屬性字段，記錄地理實(shí)體在不同時(shí)期的屬性特征。該模型未額外建立增量表和刪除表，僅通過(guò)各表的起止時(shí)間和From Feature字段反映實(shí)體時(shí)空變化和相互關(guān)系。在各表之間進(jìn)行聯(lián)合檢索查詢和操作，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體快照提取和歷史重構(gòu)，完成添加、修改、刪除等編輯工作。

1.3 基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式

本文用地表移動(dòng)盆地的時(shí)空變化來(lái)表征礦區(qū)地面沉降過(guò)程，利用基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型建立沉降要素表、幾何表和屬性表（圖4），實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)的集成管理。如圖4所示，要素表中不僅有沉降編號(hào)、第一個(gè)幾何、起始時(shí)間、終止時(shí)間和父沉降字段，還包括沉降類型、沉降位置、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、所屬礦區(qū)等字段，使地表移動(dòng)盆地的基本特性更加詳細(xì)，滿足用戶的查詢需要。為全面描述礦區(qū)地面沉降的屬性變化，沉降時(shí)空數(shù)據(jù)模型同時(shí)記錄了地表移動(dòng)盆地的發(fā)育特征和影響因素信息。鑒于屬性變化的時(shí)間粒度差異，數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)中將與幾何變化具有同步性和相關(guān)性的屬性字段置于幾何表中，包括沉降面積、平均下沉量、最大下沉量、沉降速度、威脅建筑、威脅道路、危害程度和開采程度等；將其他描述礦區(qū)地質(zhì)、地理、水文條件的屬性字段存儲(chǔ)在屬性表中，這些字段反映了地面沉降基本環(huán)境的變化，屬于準(zhǔn)靜態(tài)變量，檢索及編輯頻率相對(duì)較低。

圖4 礦區(qū)地面沉降的時(shí)空數(shù)據(jù)組織Fig.4 Spatial－temporal data organization for mining subsidence

基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式的優(yōu)勢(shì)在于：1）只記錄地表移動(dòng)盆地的版本和增量，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，有效節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；2）通過(guò)記錄地表移動(dòng)盆地及其影響因素，盡量全面地描述沉降屬性變化，有利于時(shí)空語(yǔ)義表達(dá)；3）根據(jù)屬性變化的時(shí)間粒度分離放置屬性字段，既符合用戶的檢索習(xí)慣，又減輕了數(shù)據(jù)冗余，提高檢索速度；4）各數(shù)據(jù)表可借助現(xiàn)有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或相關(guān)空間數(shù)據(jù)管理工具建立，易于實(shí)現(xiàn)推廣。

2 應(yīng)用試驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)管理

本文以山東省濟(jì)北煤礦西北部地面沉降為研究對(duì)象，收集了該區(qū)1∶5 000比例尺的地形圖、井上下對(duì)照?qǐng)D、采掘工程平面圖、相關(guān)歷史資料以及通過(guò)InSAR技術(shù)處理的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。表1是研究區(qū)地面沉降InSAR數(shù)據(jù)的復(fù)圖像對(duì)和參數(shù)信息，可供研究的該區(qū)地面沉降時(shí)空變化的時(shí)間范圍為（2008.12.19，2009.07.17）。

表1 復(fù)圖像對(duì)及其參數(shù)Table 1 The image pairs and parameters

沉降InSAR數(shù)據(jù)采用柵格結(jié)構(gòu)，用大小均勻、緊密相鄰的網(wǎng)格記錄礦區(qū)地表的垂直下沉。按照地表移動(dòng)盆地邊界的有關(guān)規(guī)定［15］，將10 mm作為下沉臨界值，利用圖像二值化提取了不同時(shí)期地表移動(dòng)盆地的幾何分布信息，通過(guò)其他資料獲取了盆地在相應(yīng)時(shí)段的屬性變化，然后利用基于版本—增量的沉降時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式完成了上述信息的集成管理；同時(shí)獲取了研究區(qū)斷層、水域、房屋、道路和采礦工作面等專題數(shù)據(jù)（圖5），以輔助沉降時(shí)空分析。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和互操作，數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括圖像配準(zhǔn)、投影變換、格式轉(zhuǎn)換、圖形編輯、數(shù)據(jù)編碼、屬性輸入等操作。

圖5 研究區(qū)專題分布Fig.5 Thematic maps of the study area

2.2 檢索分析

2.2.1 單體時(shí)空反演 以地表移動(dòng)盆地實(shí)體為研究對(duì)象，檢索其在生命周期各階段的空間和屬性變化?？蓪ⅰ俺两稻幪?hào)”作為查詢條件抽取相關(guān)記錄，并按“起始時(shí)間”排序?qū)崿F(xiàn)。圖6是編號(hào)為CJ008的地表移動(dòng)盆地的空間檢索結(jié)果，該地表移動(dòng)盆地位于2309工作面上方。2309工作面采用機(jī)械化采煤方法，直接頂板為砂質(zhì)泥巖，煤層基本頂板為中砂巖，覆巖堅(jiān)硬，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。該工作面的回采時(shí)間為（2008.11.20，2009.4.10），最終開采程度為0.812，未達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)。由圖6可知CJ008的空間分布沿2309工作面的掘進(jìn)方向由西南向東北逐漸擴(kuò)展，表明該地地面沉降形成與采礦活動(dòng)之間具有相關(guān)性。

表2－表4分別是CJ008在礦區(qū)地面沉降要素表、幾何表、屬性表中的記錄。由表3可知，伴隨2309工作面的掘進(jìn)，CJ008的沉降面積、最大下沉量、平均下沉量、沉降速度逐漸增大，程度加??；工作面采掘結(jié)束后，前三者繼續(xù)增大，但沉降速度減慢。可見該地沉降經(jīng)歷了發(fā)展到衰減的時(shí)空過(guò)程，基本符合礦區(qū)地面沉降的時(shí)空變化規(guī)律。

圖6 CJ008沉陷幾何變化Fig.6 The geometric changes of subsidence CJ008

表2 CJ008在沉降要素表中的記錄Table 2 The records of CJ008 in feature table

表3 CJ008在沉降幾何表中的記錄Table 3 The records of CJ008 in geometry table

表4 CJ008在沉降屬性表中的記錄Table 4 The records of CJ008 in attribute table

2.2.2 區(qū)域快照查詢 查詢某一時(shí)刻礦區(qū)或其子區(qū)域內(nèi)地表移動(dòng)盆地的分布情況，獲取地面沉降的靜態(tài)快照。圖7為研究區(qū)不同時(shí)間序列的地面沉降分布快照。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2009年2－7月，研究區(qū)地面沉降在西部和東南部發(fā)育明顯，不僅面積增大、數(shù)目增加，相鄰盆地還有合并的趨勢(shì)。而這些區(qū)域恰好位于研究區(qū)采空區(qū)的上方，也體現(xiàn)了采空活動(dòng)對(duì)礦區(qū)地面沉降的影響。

圖7 研究區(qū)地面沉降時(shí)空快照序列（2009.02－2009.07）Fig.7 The spatial－temporal snapshots of mining subsidence in study area（2009.02－2009.07）

此外，借助GIS提供的時(shí)空分析、統(tǒng)計(jì)工具和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可以進(jìn)一步定性、定量地分析地面沉降的變化機(jī)制、受損程度，模擬其動(dòng)態(tài)過(guò)程，揭示礦區(qū)各種因素特別是采礦活動(dòng)與地面沉降的關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

為解決礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)管理滯后于數(shù)據(jù)獲取的問(wèn)題，首先通過(guò)地表移動(dòng)盆地的發(fā)展過(guò)程討論了礦區(qū)地面沉降的時(shí)空變化特征，然后采用并改進(jìn)基于版本—增量的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，建立沉降要素表、幾何表和屬性表，存儲(chǔ)地表移動(dòng)盆地的空間、屬性變化，集成管理礦區(qū)地面沉降的時(shí)空數(shù)據(jù)。其中，屬性字段的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮內(nèi)容全面性及時(shí)間粒度，能夠滿足用戶查詢需求，有助于減小數(shù)據(jù)冗余、提高檢索效率。最后利用該組織方式對(duì)山東省濟(jì)北煤礦西北部地面沉降的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，證明了本文基于版本—增量的礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式的有效性。

本文主要以InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，能夠比較敏感地反映礦區(qū)地表的垂直變化，但水平形變信息還需要利用水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等手段獲取。所以，礦區(qū)地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)模型在記錄地表移動(dòng)盆地信息的同時(shí)，還應(yīng)該管理測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于時(shí)間和應(yīng)用因素，本文并未考慮，還有待于完善。礦區(qū)地面沉降是復(fù)雜的時(shí)空四維地理現(xiàn)象，其時(shí)空數(shù)據(jù)的管理和分析對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。隨著礦區(qū)地面沉降時(shí)空研究和實(shí)踐的逐步深入，其時(shí)空數(shù)據(jù)組織方式會(huì)得到不斷修正和改進(jìn)。

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Abstract：The spatial and attribute information of mining subsidence varies by the interaction of natural environment and human behavior，its spatial－temporal characteristic were analyzed by virtue of the dynamic regularity of ground moving basins.In order to manage the spatial－temporal data，the feature table，geometry table and attribute table were built by spatial－temporal data model based on version－increment，and the advantage of this data organization were analyzed.The attribute fields which involve both development features and inducing factors of mining subsidence were put in geometry table and attribute table respectively for their difference in time granularity and synchronism with spatial variation.By this mean，the query custom and requirement of users can be satisfied，and the data redundancy can be reduced.Finally，the spatial－temporal data of mining subsidence in the western of Jibei coal mine were integrated.The spatial－temporal regularity analysis of mining subsidence were finished and the correlation between mining subsidence and mining activities were discussed.Then，the data organization mode in this paper is showed to be rational and effectively.

Key words：version－increment；spatial－temporal data model；ground moving basin；InSAR

Spatial－Temporal Expression of Mining Subsidence Based on Version－Increment

WANG Shan－shan1，JI Min2，HU Rui－lin1
（1.Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，CAS，Beijing 100029；2.Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China）

P208

A

1672－0504（2012）04－0013－05

2011－11－21；

2012－02－22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2008BAK50B04－3）；國(guó)家863計(jì)劃支持項(xiàng)目（2009AA12Z147）；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目“地震地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制”（KZCX2－YW－Q03－2）

王珊珊（1985－），女，博士研究生，研究方向?yàn)镚IS在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用。E－mail：wangss1028＠126.com