基于GIS技術的天津市地熱資源實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)研究

張像源

(天津市地質調查研究院,天津 300191)

當前,我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段,能源問題已經(jīng)逐漸成為制約經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素.地熱資源是重要的可再生資源,具有清潔、環(huán)保、就地取用等優(yōu)勢,開發(fā)利用地熱對于緩解我國能源緊張的形勢,實現(xiàn)節(jié)能減排的工作目標起到積極推動作用.

天津地區(qū)地熱資源十分豐富,地熱研究程度較高.從2003年開始,天津市地熱管理部門組織相關單位建立了基于GIS的地熱資源空間數(shù)據(jù)庫.至2007年底,天津市已有地熱井269眼,年開采量達2564萬m3,地熱利用具有極其廣闊的前景.為了獲取地熱動態(tài)數(shù)據(jù),技術人員常奔波于各個分散的開采井點以監(jiān)測地熱動態(tài)變化情況.這種工作方式在信息技術發(fā)展迅猛的今天,不僅顯得效率低下,而且浪費了大量的人力物力.

因而,整合已經(jīng)建立的地熱空間數(shù)據(jù)庫,結合信息技術,建立地熱資源遠程實時監(jiān)測及信息管理系統(tǒng),實現(xiàn)地熱資源的信息化管理,供地熱管理人員及時了解地熱資源開采動態(tài)的實時信息,加強對地熱資源的勘察、開發(fā)、利用并有效地進行宏觀調控是擺在地熱管理部門眼前的一個重要課題.

1 系統(tǒng)設計

1.1 需求分析

為實現(xiàn)遠程地熱資源動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測,有序完成各項維護地熱監(jiān)控任務,需要系統(tǒng)具有地熱遠程監(jiān)測功能.此外,系統(tǒng)應該具有管理已經(jīng)建立的地理、地質、水文地質、地熱地質、地熱資源等圖類的空間數(shù)據(jù)庫的功能.為了便于進行地熱資源分析,需要結合地熱實時監(jiān)測資料,進行地熱資源的統(tǒng)計分析、地熱監(jiān)測數(shù)據(jù)歷時曲線生成、等值線繪制等功能;為使用戶了解到天津市最新的地熱資源的特征,在天津市進行地熱的勘查、打井等工程項目提供輔助信息,系統(tǒng)應該具有支持多種條件下的檢索、查詢各類相關圖層地熱信息等功能.

1.2 系統(tǒng)構成

根據(jù)上述需求分析,天津市地熱資源實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)由放置在監(jiān)控中心的主控計算機(上位機)和置于地熱井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集裝置(下位機)組成(見圖1).

地熱井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置,由一臺工業(yè)控制計算機和數(shù)個流量、溫度、壓力、液位傳感器組成.負責對地熱開采井的溫度、壓力、流量、液位等過程量進行實時采集,并在上位主控計算機遠程要求采集地熱井相關數(shù)據(jù)時,向主控計算機發(fā)送地熱井最新動態(tài)數(shù)據(jù).

監(jiān)控中心的主控計算機是一臺標準基于Windows NT操作系統(tǒng)的PC機,安裝有基于GPRS Modem、RS232接口的天津市地熱資源實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng),通過RS232接口, 系統(tǒng)利用GPRS模塊與下位機進行通訊,包括發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令或者接受監(jiān)測數(shù)據(jù).

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

由于天津市地熱站點相對較為分散,地域跨度較大,如果各個地熱井站采用專線與監(jiān)控中心進行通信的方式,投資費用相對較高.而GPRS是基于中國移動GSM網(wǎng)上的2.5G分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng),具有很好的信號覆蓋.因此,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線通訊方式,具有投資成本低、運行費用少、數(shù)據(jù)實時、穩(wěn)定的特點.

1.4 地熱井遠程監(jiān)測

(1)多井連續(xù)監(jiān)測

對于地熱動態(tài)監(jiān)測者而言,最關心的是省時省力自動連續(xù)多井監(jiān)測方式.該方式是根據(jù)設定的參數(shù),在指定時間內啟動監(jiān)測系統(tǒng)進行多井連續(xù)監(jiān)測,監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動寫入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中,同時進行數(shù)據(jù)自動備份,并將監(jiān)測情況寫入監(jiān)測日志中.

(2)單井監(jiān)測

單井監(jiān)測是指對單個井實施監(jiān)測的過程,用戶選擇感興趣的地熱井,實時監(jiān)測其開采流量、壓力、溫度、回灌量、回灌溫度、累計流量、農業(yè)流量等動態(tài)內容.

(3)下位機數(shù)據(jù)采集

由各個地熱站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器采集開采井的溫度、壓力、流量、液位等數(shù)據(jù)量,將采集的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中,并在液晶顯示屏上實時顯示.

(4)站點管理

通過站點管理功能,可以實現(xiàn)地熱站點基本情況的更新或錄入.

1.5 地熱空間數(shù)據(jù)庫管理

(1)項目管理

通過建立項目管理文件,實現(xiàn)地熱空間數(shù)據(jù)庫管理.項目是一套空間數(shù)據(jù)庫圖類、圖層文件以及外掛數(shù)據(jù)庫的集合,它記錄了這些文件所在的絕對路徑.一個項目,具有名稱、路徑、是否自定義、投影參數(shù)等屬性.用戶通過對項目中的圖層文件、圖類及其相關要素進行重命名、刪除、增加以及圖層的外掛數(shù)據(jù)庫設置等,操作實現(xiàn)項目管理.

(2)圖形瀏覽

對于一個地熱項目中的圖層文件,可以進行組合顯示,如加載地理底圖和專業(yè)圖層.用戶可在地圖視圖區(qū)進行窗口放大、縮小、移動等操作,并實現(xiàn)圖元的拾取、選擇以及其它交互式操作.

(3)屬性瀏覽

該功能通過用戶在地圖顯示視圖鼠標點取或者框選實現(xiàn)一個或多個圖元的選擇,并能實現(xiàn)其相應屬性的顯示.

(4)檢索查詢

以天津市地熱空間數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源,提供按行政區(qū)域查詢、地熱田單元查詢、矩形查詢、多邊形查詢、任意關鍵詞查詢等功能,實現(xiàn)對用戶感興趣的空間對象和相應的屬性檢索查詢.

(5)等值線繪制

等值線是指在一個表面上等值點的連線,是在二維空間上表達三維的數(shù)據(jù),第3維(Z)用等值線表示.利用現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù),采用一元線性回歸模型計算回歸系數(shù),得到水位變幅,將離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后,結合GIS技術的空間分析功能,自動進行地熱水位變幅等值線等圖形的繪制.

(6)歷時曲線繪制

地熱資源動態(tài)數(shù)據(jù)包括水位、水質、開采量、水溫等,隨著時間的推移,這些動態(tài)向量隨開采條件發(fā)生著變化,繪制其歷時曲線,供用戶直觀地了解這些觀測要素的動態(tài)變化特征.

(7)報表生成

將地熱實時數(shù)據(jù)按照某年月累計流量統(tǒng)計、某月日流量統(tǒng)計、某月日累計流量3種方式統(tǒng)計,統(tǒng)計內容可轉換為XML文件后在Excel中打開,便于統(tǒng)計分析,也可利用XSL技術轉換為Word表格,進行打印輸出.

(8)根據(jù)數(shù)據(jù)庫坐標生成點文件

利用外部地熱數(shù)據(jù)庫坐標,生成具有各種投影的GIS點文件.

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

利用MapGIS平臺二次開發(fā)庫,通過面向對象分析(OOA),有效地利用統(tǒng)一建模語言(UML), 應用上述設計,設計并建立了類圖和類.并據(jù)此實現(xiàn)了MapView (地圖視圖類)、GSGWGIS(數(shù)據(jù)庫組織類)、CommPort (數(shù)據(jù)通訊類)、MapLayerManager(圖層管理類)、GeoDatabase(數(shù)據(jù)庫連接類)、DrawGraph(繪圖類)、DataDsp(數(shù)據(jù)屬性類)、GeoSurvOrgCtl(數(shù)據(jù)庫管理視圖類)等類(見圖2).

基于微軟的.Net frameWork、XML技術,利用VC#.Net、VC++6.0等開發(fā)工具,進行系統(tǒng)開發(fā).實現(xiàn)了集地熱數(shù)據(jù)管理、遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、地熱數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析為一體的地熱資源實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng).系統(tǒng)主要由空間數(shù)據(jù)庫管理視圖、空間圖層列表視圖、地區(qū)列表視圖、地圖瀏覽視圖、數(shù)據(jù)與監(jiān)測視圖、菜單、工具欄等部分組成(見圖3).

3 結束語

結合GIS技術和最新的計算機開發(fā)技術,以地熱空間數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源,進行天津市地熱資源實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)的研發(fā),確保地熱資源在信息化管理、智能化監(jiān)測等方面緊跟信息技術發(fā)展潮流.通過遠程對地熱井的水溫、流量、井口壓力、水位等動態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測、科學管理,可以隨時掌握地熱資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀,同時結合地熱空間數(shù)據(jù)庫,利用系統(tǒng)實現(xiàn)地熱空間數(shù)據(jù)查詢與分析,為地熱管理部門進行地熱規(guī)劃、管理提供輔助決策信息.

略)