ArcGIS環(huán)境支持下的鉆孔缺陷分析方法研究

岳 俊

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

ArcGIS環(huán)境支持下的鉆孔缺陷分析方法研究

岳 俊1,2

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

鉆孔抽放是煤礦瓦斯防治的主要措施，科學(xué)合理地布置鉆孔是保證瓦斯抽放效果的關(guān)鍵。在ArcGIS環(huán)境下，借助其提供的空間分析計(jì)算工具，提出了核密度分析法、線密度分析法和緩沖區(qū)分析法3種分析思路，并對(duì)其原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述，最后通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了3種方法的集成應(yīng)用程序，對(duì)鉆孔布置實(shí)例進(jìn)行了缺陷評(píng)價(jià)分析并生成了效果圖，論證了密度分析方法對(duì)于鉆孔缺陷分析的可行性。

鉆孔；缺陷分析；核密度；線密度；緩沖區(qū)；ArcGIS

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷加大，煤礦瓦斯災(zāi)害的防治是煤礦安全工作的重點(diǎn)。對(duì)于突出煤層，為保證采掘工作安全高效進(jìn)行，礦井都要采取煤層采前預(yù)抽、邊采邊抽等瓦斯防治措施[1]?？茖W(xué)合理地布置鉆孔能有效控制鉆孔工程量，提高瓦斯抽采效率，消除煤礦瓦斯危險(xiǎn)源，因而對(duì)鉆孔布置的缺陷分析是必要的。煤礦施工鉆孔類型復(fù)雜多樣，尤其是定向鉆孔分支眾多，鉆孔間距不固定，缺乏可靠的缺陷分析方法和技術(shù)手段，僅靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)判，存在隨意性，影響防治措施的設(shè)計(jì)成效[2]。

鉆孔布置缺陷的實(shí)質(zhì)是對(duì)鉆孔的空間分布密度進(jìn)行分析[3]。長期以來，對(duì)事物的空間屬性及空間關(guān)系進(jìn)行研究是地學(xué)家工作的主要內(nèi)容。地學(xué)家們常使用密度估計(jì)法來評(píng)價(jià)某一事物的空間分布密度，如一片區(qū)域內(nèi)學(xué)校、醫(yī)院的設(shè)置是否合理，這與評(píng)價(jià)鉆孔布置密度有相似性，因而可以將其應(yīng)用于鉆孔布置缺陷的分析。

GIS（地理信息系統(tǒng)）軟件是地學(xué)分析的重要工具。在GIS軟件幫助下，將鉆孔填繪到鉆孔施工圖上，再根據(jù)鉆孔的抽采影響范圍對(duì)其空間分布密度作出分析，可制作出可視化表現(xiàn)鉆孔空間密度狀態(tài)的評(píng)價(jià)效果圖。美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（ESRI）開發(fā)的ArcGIS軟件是GIS業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的軟件系統(tǒng)，有功能強(qiáng)大的空間分析功能，且易于開發(fā)定制。ArcGIS軟件工具箱中提供的空間分析工具為鉆孔布置缺陷分析及評(píng)價(jià)提供了可靠的技術(shù)手段。本文將對(duì)ArcGIS環(huán)境下的幾種分析方法進(jìn)行探索研究。

1 ArcGIS空間分析模塊

ArcGIS的空間分析模塊Spatial Analyst提供了一整套用于執(zhí)行基于柵格數(shù)據(jù)的空間分析工具和功能。通過此擴(kuò)展模塊，可以使用多種數(shù)據(jù)格式來組合數(shù)據(jù)集、解釋新數(shù)據(jù)和執(zhí)行復(fù)雜的柵格操作。ArcGIS 10．0的Spatial Analyst模塊有22個(gè)工具集、170項(xiàng)工具，可執(zhí)行的分析功能包括地表建模、表面插值、適宜性建模、水文分析、統(tǒng)計(jì)分析和影像分類等。鉆孔布置缺陷分析使用了空間分析模塊中的密度分析工具。進(jìn)入密度分析工具的路徑是ArcToolbox→Spatial Analyst 工具→密度分析。

為了與密度分析方法進(jìn)行對(duì)比，特設(shè)計(jì)了一種緩沖區(qū)分析法。緩沖區(qū)分析法按抽放半徑作鉆孔線緩沖區(qū)，用于評(píng)價(jià)鉆孔的抽放影響范圍。緩沖區(qū)分析可通過ArcGIS的鄰域分析功能中的多環(huán)緩沖區(qū)工具實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入緩沖區(qū)工具的路徑是ArcToolbox→分析工具→鄰域分析。

2 三種分析方法的工作原理

ArcGIS提供的密度分析工具將分析范圍劃分為柵格單元，并計(jì)算每個(gè)單元周圍領(lǐng)域內(nèi)輸入要素的密度。密度分析工具有3種，包括核密度分析、線密度分析和點(diǎn)密度分析。核密度分析和線密度分析工具支持線要素，點(diǎn)密度分析工具僅支持點(diǎn)要素。鉆孔是線型要素，點(diǎn)密度分析對(duì)鉆孔缺陷分析并不適用，因而選取前兩種分析工具進(jìn)行研究。

2.1 核密度分析法

線要素的核密度分析是在概念上假設(shè)每條線上方被一個(gè)平滑的曲面所覆蓋，曲面與下方的平面所圍合出的空間體積等于線長與Population（線的權(quán)重）的乘積。如果某類鉆孔的抽放效果更好，將被賦予比其他類型鉆孔更大的權(quán)重。每個(gè)輸出柵格單元的密度值均為疊加在柵格單元中心的所有核表面的值之和。密度值在線所處的位置最大，隨著與線距離的增大逐漸減小，在與線的距離等于指定的搜索半徑的位置處為零。密度分析法的曲面表征了瓦斯抽放效果由鉆孔孔徑向外依次遞減的規(guī)律。核密度分析工具的語法為：

KernelDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中，in_features是要計(jì)算密度的輸入線要素集；population_filed是線的權(quán)重大??；cell_size是柵格單元的大??；seach_radius是搜索半徑；area_unit_scal_factor是輸出密度值的面積單位；{ }內(nèi)的參數(shù)為可選參數(shù)。核密度分析法圖示如圖1。

圖1 核密度分析法圖示

2.2 線密度分析法

線密度分析用于計(jì)算每個(gè)輸出柵格單元領(lǐng)域內(nèi)線狀要素的密度。其原理是按搜索半徑以每個(gè)柵格單元的中心為圓心作圓，并計(jì)算每條線落入該圓內(nèi)部的長度與Population（線的權(quán)重）的乘積之和，然后除以圓面積，即為該柵格單元的密度值。

線密度分析法之所以可以應(yīng)用在鉆孔布置缺陷分析評(píng)價(jià)是因?yàn)樗y(tǒng)計(jì)了影響半徑內(nèi)可對(duì)點(diǎn)位置產(chǎn)生有效抽放效果的鉆孔數(shù)量。線密度計(jì)算公式可寫為：

式中，D為密度值；n為圓周內(nèi)的線數(shù)量；L為線長；V為線的權(quán)重；A為圓面積。線密度分析工具的語法為：

LineDensity(in_features,population_field,{cell_ size},{search_radius},{area_unit_scale_factor})

其中輸入?yún)?shù)的含義與核密度基本一致。由此可見，線密度分析工具和核密度分析工具的調(diào)用方法基本相同，只是函數(shù)名不同，內(nèi)部的計(jì)算方式不同。線密度分析法圖示見圖2。

圖2 線密度分析法圖示

2.3 緩沖區(qū)分析法

緩沖區(qū)分析有單緩沖區(qū)和多環(huán)緩沖區(qū)兩種。多環(huán)緩沖區(qū)是在輸入線要素周圍指定距離內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)緩沖區(qū)。使用緩沖距離值可隨意合并和融合這些緩沖區(qū)，以便創(chuàng)建非重疊緩沖區(qū)。

針對(duì)鉆孔缺陷分析可定義一組距離值，按照距離值集合對(duì)鉆孔線要素生成多環(huán)緩沖區(qū)。由內(nèi)環(huán)到外環(huán)的抽放效果依次降低，可將緩沖區(qū)域填充為不同的顏色。構(gòu)建多環(huán)緩沖區(qū)的語法是：

MultipleRingBuffer_analysis (Input_Features, Output_ Feature_class, Distances, {Buffer_Unit}, {Field_Name}, {Dissolve_Option}, {Outside_Polygons_Only})

其中，Input_Features是要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的線要素集；Output_Feature_class是輸出的要素類；Distances是構(gòu)建多環(huán)緩沖區(qū)的距離值；Buffer_Unit是緩沖距離值的單位；Field_name是輸出要素類中的字段名稱，存儲(chǔ)用于創(chuàng)建每個(gè)緩沖區(qū)要素的緩沖距離。記錄緩沖區(qū)距離值是為不同抽放半徑緩沖區(qū)著不同顏色的依據(jù)。Dissolve_Option參數(shù)為是否要像圍繞輸入要素的環(huán)一樣融合緩沖區(qū)，設(shè)置成“All” 生成的緩沖區(qū)將是輸入要素周圍不重疊的圓環(huán)。Outside_Polygons_Only參數(shù)僅對(duì)面緩沖區(qū)有效，因?yàn)殂@孔是線要素，因此可不考慮。緩沖區(qū)分析法圖示見圖3。

圖3 緩沖區(qū)分析法圖示

3 程序編寫

ArcGIS雖然提供了包含以上分析方法的工具包，但對(duì)于煤礦技術(shù)人員來說，直接使用這些工具完成鉆孔缺陷分析有一定困難，因此有必要在ArcGIS平臺(tái)上進(jìn)行定制程序編寫。定制程序的優(yōu)點(diǎn)是功能針對(duì)性強(qiáng)、操作簡單、使用方便[4]。界面只需設(shè)置很少的參數(shù)即可完成分析操作[5]。ArcEngine是ArcGIS平臺(tái)提供的二次開發(fā)組件包?；贏rcEngine組件包，在．Net Framework 4．0框架下使用C#語言編寫程序，可快速開發(fā)出集成上述3種分析方法的軟件[6]。

在程序中導(dǎo)入一張CAD格式的鉆孔施工圖作為分析數(shù)據(jù)源。CAD文件中按照鉆孔類型組織圖層，鉆孔數(shù)據(jù)保存在對(duì)應(yīng)類型的鉆孔圖層中。程序可根據(jù)鉆孔類型設(shè)置不同的抽放半徑。開始分析操作前需要設(shè)置分析范圍的柵格單元大小、緩沖區(qū)生成個(gè)數(shù)等參數(shù)。最后執(zhí)行分析功能，程序?qū)瓷鲜?種分析方法對(duì)鉆孔控制效果進(jìn)行核密度分析、線密度分析和緩沖區(qū)分析，最后將分析結(jié)果按用戶設(shè)置的顏色著色后顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，并支持打印輸出。

4 應(yīng)用實(shí)例

為測試3種方法的分析效果，研究中準(zhǔn)備了一份CAD格式的鉆孔施工圖作為測試用例。鉆孔施工圖中既有千米定向鉆孔，也有普通順層鉆孔，按類型保存在CAD文件的圖層中。相比普通順層鉆孔，千米定向鉆孔具有多分支、線型復(fù)雜的特點(diǎn)，各鉆孔之間的間距也疏密不等，憑人工難以分辨出鉆孔布置的缺陷區(qū)域[7]。

將千米鉆孔的抽放半徑設(shè)為10 m，普通順層孔的抽放半徑設(shè)為8 m，網(wǎng)格大小設(shè)置為0．5 m，緩沖區(qū)個(gè)數(shù)設(shè)置為10。經(jīng)核密度、線密度和緩沖區(qū)分析法操作并著色以后，最終得到分析結(jié)果。3種分析結(jié)果的著色系統(tǒng)均采用由藍(lán)到紅的漸變色，藍(lán)色代表鉆孔布置較密，抽放效果較好，紅色代表鉆孔布置稀疏，抽放效果較差。

圖4 核密度分析效果

圖5 線密度分析效果

從分析結(jié)果可以看出，圖4的核密度分析和圖5的線密度分析法與圖6的緩沖區(qū)分析法結(jié)果有顯著區(qū)別。兩種密度分析法得出的抽放效果評(píng)價(jià)圖中，離鉆孔線由近及遠(yuǎn)是漸變遞減，而緩沖區(qū)分析法呈梯級(jí)帶狀遞減。密度分析法的顏色對(duì)比更為鮮明，可清晰顯示出鉆孔抽放效果較差的區(qū)域。核密度與線密度分析也有一些細(xì)微差別，但并不顯著，兩者的差異體現(xiàn)在千米定向鉆孔內(nèi)部抽放效果不好的區(qū)域，核密度分析法顯示具有更為強(qiáng)烈的顏色對(duì)比特征。綜合分析并結(jié)合實(shí)際情況可知，密度分析法優(yōu)于緩沖區(qū)分析法，兩種密度分析法中的核密度分析法優(yōu)于線密度分析法。

圖6 緩沖區(qū)分析效果

5 結(jié) 語

本文在ArcGIS環(huán)境下，通過對(duì)核密度分析法、線密度分析法和緩沖區(qū)分析法工作原理的比較，編寫定制程序，使用鉆孔施工圖進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，得到了3種鉆孔缺陷分析方法的運(yùn)算結(jié)果。通過結(jié)果圖對(duì)比可以看出，密度分析法最能清晰地表征鉆孔抽放效果，能較好地幫助技術(shù)人員辨識(shí)鉆孔布孔中存在的缺陷，可成為煤礦抽采效果評(píng)判的一種有效技術(shù)手段。如果將此鉆孔缺陷分析方法應(yīng)用到工作面、采區(qū)甚至全礦井范圍，在分析范圍擴(kuò)大，鉆孔數(shù)量急劇增加，各種鉆孔之間相互交錯(cuò)疊加，人工無法判斷出鉆孔布置缺陷區(qū)域的情況下，通過對(duì)鉆孔的空間密度分析，可更加清晰、精確地識(shí)別出鉆孔抽放措施存在的隱患區(qū)域。

[1] 高貫金,張文闖．本煤層瓦斯抽放鉆孔優(yōu)化布置[J]．現(xiàn)代礦業(yè),2012,9(521)：39-41

[2] 許艷霞,王廣權(quán)．CAD在煤礦繪圖中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)[J]．煤炭技術(shù),2014,33(1)：192-193

[3] 孔凡德,康全玉,習(xí)桂娟,等．參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在煤礦輔助繪圖中的應(yīng)用研究[J]．煤礦現(xiàn)代化,2006(3)：37-38

[4] 熊君．關(guān)于ArcGIS調(diào)用AutoCAD中的地圖[J]．湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2005,27(1)：24-28

[5] 吳建華．基于ArcGIS Engine的GIS軟件開發(fā)方法[J]．測繪通報(bào),2010(11)：54-57

[6] 劉文杰,李明建,岳俊,等．基于GIS的煤礦地質(zhì)測量信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012, 34(10)：137-143

[7] 李泉新．煤礦井下定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算方法[J]．煤礦安全,2014(2)：141-144

P208

B文章編號(hào)：1672-4623（2017）06-0058-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.017

2016-11-18。

項(xiàng)目來源：國家安全監(jiān)管總局破解安全生產(chǎn)難題科技攻關(guān)項(xiàng)目（2015PJNT01）；中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2013ZD002）；重慶市“科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才支持計(jì)劃”（CSTCKJCXLJRC14）；2017年安全生產(chǎn)重特大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目（yangqi-0005-2017AQ）。

岳俊，助理研究員，主要從事瓦斯災(zāi)害預(yù)警相關(guān)軟件研究工作。