礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)與可視化表達(dá)

王 琦，張廣學(xué)，馬賀平，曹品廉，陳 強(qiáng)，陳 春

（1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧三號(hào)井煤礦，山東 濟(jì)寧272169；3.上海盛圖遙感工程技術(shù)有限公司，上海 200000）

礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)與可視化表達(dá)

王 琦1，張廣學(xué)2，馬賀平3，曹品廉1，陳 強(qiáng)2，陳 春2

（1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧三號(hào)井煤礦，山東 濟(jì)寧272169；3.上海盛圖遙感工程技術(shù)有限公司，上海 200000）

對(duì)礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)的基本原理和ArcGIS Engine編程的特點(diǎn)與方法進(jìn)行闡述。結(jié)合概率積分法在礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)中的應(yīng)用，探索礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)可視化的表達(dá)方法。在礦區(qū)沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用C#語言進(jìn)行ArcGIS Engine組件式編程，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)的功能程序模塊。將此功能模塊與沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊集成后，提高了工作效率。此方法可為后續(xù)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供借鑒。

ArcGIS Engine；C#；礦區(qū)沉陷預(yù)計(jì)；可視化表達(dá)

概率積分法是我國目前用于開采沉陷預(yù)計(jì)最為廣泛的方法。研究和開發(fā)適合于礦區(qū)自身生產(chǎn)實(shí)際的數(shù)據(jù)處理終端，按照概率積分法等理論將沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果以多種可視化手段進(jìn)行地表沉陷規(guī)律的表達(dá)，對(duì)礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)具有重要意義[1,2]?；诖?，借助GIS平臺(tái)運(yùn)用ArcGIS Engine組件式編程，在礦區(qū)沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與可視化表達(dá)方法進(jìn)行了探索。應(yīng)用面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)計(jì)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了概率積分法沉陷預(yù)計(jì)可視化表達(dá)的程序模塊，以滿足礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)的需要。

1 ArcGIS Engine編程特點(diǎn)與方法

基于ArcGIS Engine編程是一種組件式GIS軟件開發(fā)模式。ArcGIS Engine（9.X）組件模型源于ArcObjects組件庫，包含了大部分ArcObjects組件庫的對(duì)象模型，而且獨(dú)立于ArcInfo Desktop軟件平臺(tái)，降低了開發(fā)GIS應(yīng)用軟件的成本。

在C#、Java等高級(jí)語言環(huán)境中引用ArcGIS Engine對(duì)象庫，應(yīng)用這些對(duì)象庫中的接口、類等便可以操作各種空間數(shù)據(jù)；另外，ArcGIS Engine軟件還提供了MapControl、TocControl、工具條等可視化的控件來顯示、管理空間數(shù)據(jù)和用于輔助操作圖形與空間分析等，這些控件和工具條可以直接加載到界面中，簡化和降低了開發(fā)過程與開發(fā)難度[3,4]。

2 礦區(qū)沉陷預(yù)計(jì)原理

概率積分法是基于隨機(jī)介質(zhì)理論的開采沉陷預(yù)計(jì)模型。它將單元開采引起上覆巖層的下沉視為隨機(jī)事件，以事件發(fā)生的概率來描述巖體的沉降可能性和沉降量，開采單元上覆面積各自發(fā)生下沉的概率服從密度為f（x）的分布函數(shù)[5]。

2.1 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的下沉值

在三維情況下，若煤層是水平的，煤層坐標(biāo)系tos和地面坐標(biāo)系xoy的水平投影重合，則單元B（s，t）的開采引起地表任意點(diǎn)A（x，y）的下沉為We（x，y）

若煤層的頂板下沉量為W0，開采范圍為O1CDE如圖1所示, DE長為D3，CD長為D1，則整個(gè)開采引起A點(diǎn)的下沉為[6]：

圖1 空間坐標(biāo)系與開采煤層

2.2 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的傾斜值

地表點(diǎn)A（x，y）在φ方向傾斜值i（x，y，φ）為下沉W（x，y）在φ方向的變化率，φ為從x軸的正向逆時(shí)針計(jì)算到指定方向的角值，即為W（x，y）在φ方向的方向?qū)?shù)，且有：

將地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的下沉表達(dá)式代入式（2）并化簡，可以得到地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的傾斜值表達(dá)式[7,8]：

2.3 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的曲率值

地表點(diǎn)A（x，y）在φ方向的曲率k（x，y，φ）為傾斜i（x，y，φ）在φ方向的變化率，即為i（x，y，φ）在φ方向的方向?qū)?shù)，且有：

將地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的傾斜表達(dá)式代入式（4）并化簡，可以得到地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的曲率表達(dá)式[6,8]：

2.4 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的水平移動(dòng)值

根據(jù)水平移動(dòng)與傾斜成正比的關(guān)系，可得到地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的水平移動(dòng)值表達(dá)式：

2.5 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的水平變形值

同理，根據(jù)水平變形與曲率成正比的關(guān)系，可得到地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的水平變形值：

3 礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)可視化表達(dá)實(shí)現(xiàn)

礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)有多種可視化表達(dá)方法，在這里我們采用由TIN生成等值線的方法，并對(duì)生成的等值線進(jìn)行平滑操作。

3.1 礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)步驟

1）根據(jù)工作面和巖移參數(shù)生成工作面面域；

2）將其按照一定角度旋轉(zhuǎn)至適于建立計(jì)算坐標(biāo)系的位置；

3）在旋轉(zhuǎn)后的面域影響范圍內(nèi)按照一定間距生成預(yù)計(jì)點(diǎn)；

4） 根據(jù)概率積分法計(jì)算預(yù)計(jì)點(diǎn)的值（包括下沉預(yù)計(jì)、傾斜預(yù)計(jì)、曲率預(yù)計(jì)、水平移動(dòng)預(yù)計(jì)、水平變形預(yù)計(jì)）；

5）根據(jù)預(yù)計(jì)值生成TIN，然后由TIN生成等值線（包括下沉等值線、傾斜等值線、曲率等值線、水平移動(dòng)等值線、水平變形等值線）；

6）對(duì)由TIN生成的等值線進(jìn)行等值線平滑。

3.2 類和接口的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)概率積分法沉陷預(yù)計(jì)的算法和可視化表達(dá)，應(yīng)用和設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)接口和類：ITIN接口、ITIN Surface接口、IPolyCurve接口、Predict類和Integral類。

1）ITIN接口由TIN Class類來實(shí)現(xiàn)，主要用來根據(jù)預(yù)計(jì)點(diǎn)的預(yù)計(jì)值生成TIN模型，進(jìn)行礦區(qū)沉陷區(qū)域空間域的表達(dá)。

2）ITIN Surface接口繼承自ISurface接口，由TIN Class類來實(shí)現(xiàn)，在由TIN生成等值線的過程中主要由接口中的contour方法來完成。

3）IPolyCurve接口繼承自ICurve接口，由PolyLine、Polygon類來實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用接口中的smooth方法來對(duì)由TIN生成的等值線進(jìn)行平滑操作，以達(dá)到較好的表達(dá)效果。

4）Predict類用于工作面和地質(zhì)采礦條件等參數(shù)的加載、工作面的生成、旋轉(zhuǎn)、取點(diǎn)，預(yù)計(jì)值的計(jì)算、TIN和等值線的生成繪制等功能。

5）Integral類主要用來實(shí)現(xiàn)概率積分算法，由于在預(yù)計(jì)過程中較多地應(yīng)用到積分算法，為方便起見將其設(shè)計(jì)成類。

3.3 礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

1）公共屬性。公共屬性的作用是構(gòu)造工作面角點(diǎn)、計(jì)算坐標(biāo)系原點(diǎn)、按一定間距所取得的預(yù)計(jì)點(diǎn)等一系列點(diǎn),設(shè)置計(jì)算所用的參數(shù)和獲取計(jì)算結(jié)果。具體定義如下：

public struct myPoint{……}//構(gòu)造點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

Public DataTable dtJD{……}//獲取工作面參數(shù)。

Public DataTable ndt{……}//設(shè)置巖移參數(shù)。

Public DataTable dt{……}//獲取工作面編號(hào)。

Public DataTable dataall{……}//存儲(chǔ)概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果。

2）公共方法。公共方法的功能是根據(jù)獲取的工作面和地質(zhì)巖移參數(shù)，應(yīng)用概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)值的計(jì)算、TIN的生成和等值線的繪制。具體定義如下：

public void CreateGZMShpfile(){……}//根據(jù)工作面角點(diǎn)生成工作面面域。

public void CreatePointsShp(){……}//根據(jù)工作面面域影響范圍按照一定間距生成預(yù)計(jì)點(diǎn)，并獲取預(yù)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)。

public void Rotation Calculate(){……}//根據(jù)概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)值的計(jì)算，并將預(yù)計(jì)結(jié)果返回到預(yù)計(jì)表中。

public void CreateContourListFromShapefile() {……}//根據(jù)預(yù)計(jì)值生成TIN，由TIN生成等值線，并將結(jié)果顯示在地圖窗口中。

public static double GetValueSimpson(double a，double b，double eps) {……}//復(fù)化simpson求積公式，其中 a 為積分下限、b為積分上限、eps為容差。

public static double Func(double x) {……}//定義被積函數(shù)，其中x為函數(shù)自變量。

3）私有方法。私有方法主要完成了工作面地質(zhì)采礦條件、角點(diǎn)坐標(biāo)等參與概率積分法計(jì)算的參數(shù)的加載，以及等值線修飾的方法，在公共方法里面通過調(diào)用以下方法來完成計(jì)算與表達(dá)。

private void Getjd(){……}//獲得工作面角點(diǎn)坐標(biāo)。

private void Loadinfo(){……}//加載地質(zhì)采礦條件。

private void loadparameters(){……}//加載工作面巖移參數(shù)。

private string GetGZMID(){……}//獲取工作面編號(hào)。

private myPoint GZMRotation(double angle, myPoint myp) {……}//輸入角點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)角度將工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

private void SmoothContour(IFeatureClass pFeatureClass) {……}//對(duì)由TIN生成的等值線進(jìn)行平滑操作，并將平滑結(jié)果顯示在地圖窗口中。

4 應(yīng)用實(shí)例

研究區(qū)域?yàn)閮嫉V集團(tuán)濟(jì)三煤礦1 308工作面，工作面長1 480 m，寬600 m，工作面所在區(qū)域位置平坦。根據(jù)工作面地面坐標(biāo)和工作面大小在工作面影響面域范圍內(nèi)按照一定間距選取了322個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)，利用開采沉陷預(yù)計(jì)公式對(duì)工作面進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)值的計(jì)算。圖2為工作面與預(yù)計(jì)點(diǎn)。

圖2 工作面與預(yù)計(jì)點(diǎn)

以下沉預(yù)計(jì)為例，對(duì)預(yù)計(jì)點(diǎn)應(yīng)用概率積分法進(jìn)行計(jì)算之后，生成TIN模型數(shù)據(jù)，并由TIN模型數(shù)據(jù)生成等值線，并對(duì)等值線進(jìn)行平滑。圖3為生成的TIN模型數(shù)據(jù)和等值線數(shù)據(jù)。

應(yīng)用此種方法得到了礦區(qū)工作面開采沉陷預(yù)計(jì)的可視化表達(dá)結(jié)果，將此預(yù)計(jì)模塊嵌入到礦區(qū)沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與沉陷預(yù)計(jì)功能的集成。

圖3 下沉預(yù)計(jì)TIN和等值線

5 結(jié) 語

基于面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)計(jì)架構(gòu)，借助于GIS平臺(tái)，應(yīng)用C#語言，引用ArcGIS Engine對(duì)象庫，在礦區(qū)沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用概率積分法進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)可視化表達(dá)的方法進(jìn)行了探索和程序設(shè)計(jì)，能夠按照沉陷預(yù)計(jì)的要求生成沉陷預(yù)計(jì)等值線等預(yù)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)的可視化表達(dá)。同時(shí)，將沉陷預(yù)計(jì)程序模塊嵌入到礦區(qū)沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與預(yù)計(jì)分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與沉陷預(yù)計(jì)功能的集成，較傳統(tǒng)方法便捷高效。沉陷預(yù)計(jì)程序設(shè)計(jì)的方法可為后續(xù)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供借鑒。

[1] 秦爽.基于AE的組件式開采沉陷預(yù)計(jì)及可視化分析系統(tǒng)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2009

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P208

B

1672-4623（2015）04-0132-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.047

王琦，碩士，研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用與開發(fā)。

2014-05-07。

項(xiàng)目來源：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH27B04）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20113718110001）；山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011KYTD103）；上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（1101H107900）。