基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚 鑫，吳付英

(貴州省第三測(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004 )

0 引言

在礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中，地表與巖層呈連續(xù)運(yùn)動(dòng)情況，會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)周?chē)膽?yīng)力失衡造成開(kāi)采沉陷。開(kāi)采沉降會(huì)造成土地塌陷、道路裂縫，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致房屋發(fā)生倒塌，威脅人類(lèi)的生存環(huán)境。為使露天開(kāi)采沉陷損失最小化，需要在開(kāi)采前對(duì)開(kāi)采過(guò)程中可能發(fā)生的沉陷進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。當(dāng)前已有較多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，除了應(yīng)用高程測(cè)量的GPS技術(shù)外[1]，曹志國(guó)等[2]研究了基于WEB-GIS的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用通用的BAMPS體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)GIS的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源、海量基礎(chǔ)空間信息資源的管理與服務(wù)；尚曉光等[3]研究了基于ArcObjects組件與Microsoft.NET框架的營(yíng)口某鐵礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一套采空區(qū)可視化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它由開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)和可視化兩大模塊組成，通過(guò)這兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了采掘沉陷資料的概率積分法計(jì)算與分析。

但是，當(dāng)前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中還存在一定的不足，需要對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，為此將GIS技術(shù)應(yīng)用到礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。GIS技術(shù)也叫做地理信息系統(tǒng)，其不僅可以對(duì)地球表層空間中的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和管理，還能有效地對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析、描述以及顯示，從而使其具有更為廣泛的實(shí)用價(jià)值，如今已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。在進(jìn)行礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)時(shí)，GIS技術(shù)可以應(yīng)用融合影像獲取礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變信息，然后進(jìn)行空間分析，獲取一段時(shí)間內(nèi)礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變變化量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變信息的有效監(jiān)測(cè)?；谠摷夹g(shù)這一優(yōu)勢(shì)，本文進(jìn)行了基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，希望能夠提升礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)硬件需求，設(shè)計(jì)單片機(jī)，主要采用AT89C52型號(hào)單片機(jī)對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該單片機(jī)中包含了256字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并且采用了高密度的存儲(chǔ)器技術(shù)，其能夠與CPU、FLASH存儲(chǔ)單元相兼容。

AT89C52具有40個(gè)插針[4]、32個(gè)外部雙向輸入/輸出端口、2個(gè)外部中斷端口、3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、2個(gè)全雙工串口通訊端口、2條讀寫(xiě)端口線。一般情況下，AT89C52也可以在線編程，該軟件結(jié)合了flash和普通微處理器[5]，尤其值得注意的是flash會(huì)被反復(fù)擦除，從而減少了開(kāi)發(fā)成本。

1.2 短信模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)短信模塊，短消息模塊是由德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)模塊，它集成了射頻和基帶電路[6]，SMS模塊電路見(jiàn)圖1。

在TC35模塊的工作電壓為4.3 V，穩(wěn)定的工作電壓大約為4.4 V，在連接地面網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，需要2 A的峰值電流和小于400 mV的壓降，原因是如果傳輸數(shù)據(jù)電壓超過(guò)400 mV，TC35模塊會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，因?yàn)槠湓诠ぷ麟妷哼^(guò)低時(shí)不參與工作[7]。在TC35模塊電源的設(shè)計(jì)中，最小電壓必須大于4 V，將單片機(jī)的DC輸出電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，采用比例通斷時(shí)間控制電路調(diào)整誤差電壓[8]。用線濾波來(lái)抑制輸入的交流信號(hào)噪聲，從而抑制電源內(nèi)部的反饋噪聲，以達(dá)到監(jiān)測(cè)需求。

1.3 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，在外接一個(gè)12位的AD1674模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)模擬輸入。AD1674自帶采樣保持器[9]，可與轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)連接，轉(zhuǎn)換精度高、速度快、性?xún)r(jià)比高。為使89C52查詢(xún)89C52 D的躍遷狀態(tài)，需要將電路的狀態(tài)信號(hào)線與電路的P4.3相連接[10]。并在AD1674信號(hào)輸入端與AD7501型八對(duì)一多路模擬開(kāi)關(guān)相連接，使模擬信號(hào)輸入可延伸至八路，實(shí)現(xiàn)八路模擬信號(hào)的采集[11]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上獲取礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變GIS實(shí)時(shí)信息。首先將礦區(qū)空間實(shí)體的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變數(shù)據(jù)的獲取，又叫GIS數(shù)據(jù)的采集。其任務(wù)就是將礦區(qū)已有的地圖、遙感圖像以及文本資料等轉(zhuǎn)換成GIS技術(shù)可以處理與接收的數(shù)字形式。

在接收到信息后主要采用二進(jìn)制協(xié)議進(jìn)行傳輸，在傳輸后，得出下一步的決策。為此基于這一特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)并封裝數(shù)據(jù)[12]，實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制協(xié)議的設(shè)計(jì)。它的結(jié)構(gòu)包括幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、功能碼等。表1展示了二進(jìn)制協(xié)議相應(yīng)部分的意義。

表1 二進(jìn)制協(xié)議所對(duì)應(yīng)的各部分含義Table 1 The corresponding meaning of each part of the binary protocol

在收到數(shù)據(jù)后，需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)[13]，然后將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)信道。分析程序見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)解析過(guò)程Fig.2 Data analysis process

在數(shù)據(jù)解析后，在MapObjects組件嵌入GIS功能，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與編輯[14]，提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示功能。在地圖顯示完成后，需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用下列方法：

首先建立GIS三維數(shù)據(jù)模型，GIS三維數(shù)據(jù)模型如下[15]：

(1)

式中，X、Y代表目標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，x、y為源坐標(biāo)系下的坐標(biāo)參數(shù)，X0、Y0代表坐標(biāo)系數(shù)與坐標(biāo)系數(shù)之間的平移因子，ε代表坐標(biāo)與坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，k代表源坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)縮放的尺度比。

建立坐標(biāo)中心化的GIS三維數(shù)據(jù)模型[16]：

(2)

在式(2)所示的GIS三維數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，利用礦區(qū)開(kāi)采沉陷探測(cè)曲線的拓?fù)潢P(guān)系，分析數(shù)據(jù)位置誤差產(chǎn)生的影響因素，以此對(duì)被測(cè)GIS數(shù)據(jù)位置進(jìn)行修正，從而計(jì)算點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)和變形。將第m次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)的下沉表示為

Wn=Hn0-Hnm

(3)

式(3)中，Wn代表第n點(diǎn)的下沉值，Hn0、Hnm分別代表第一次與第m次觀測(cè)點(diǎn)的高程。

將傾斜表示為

(4)

式(4)中，im-n代表點(diǎn)m與點(diǎn)n之間的平均傾斜變形值，lm-n代表監(jiān)測(cè)地點(diǎn)m與點(diǎn)n之間的水平距離，Wn、Wm代表監(jiān)測(cè)地表m與點(diǎn)n之間的下沉值。

將曲率表示為

(5)

式(5)中，in-p、in-m代表地表n-p與n-m之間的平均斜率，lm-n、ln-p代表地表m-n、n-p之間的水平距離。

以此基于上述過(guò)程完成了利用GIS技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)換，對(duì)位置進(jìn)行了修正，實(shí)現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉降形變監(jiān)測(cè)信息的處理。

在此基礎(chǔ)上，得到基于GIS技術(shù)的沉陷形變監(jiān)測(cè)輸出公式(6)：

(6)

基于此，實(shí)現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證此次研究的基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。此次實(shí)驗(yàn)中，以某礦區(qū)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦區(qū)位于某省的地級(jí)市內(nèi)，該地區(qū)地勢(shì)平坦，地面平均標(biāo)高29 m，工作面長(zhǎng)約為600 m，寬約145 m，礦源平均厚度為3.2 m，且該處對(duì)外交通十分方便，地理位置較為優(yōu)越，但因長(zhǎng)期的開(kāi)采沉陷形變問(wèn)題導(dǎo)致開(kāi)采較難。

實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)試儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Table 2 Experimental instrument and equipment

依據(jù)上述設(shè)備為此次實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)，此次研究中共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將文獻(xiàn)[2]的基于WEB-GIS的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]的基于ArcObjects組件與Microsoft.NET框架的營(yíng)口某鐵礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)與此次研究的系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)比三種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，具體結(jié)果如下文所示。

3.1 沉降形變監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)比

圖3為此次研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩種系統(tǒng)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)上的監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果。

圖3 沉降形變監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)比Fig.3 Comparison of monitoring accuracy of settlement deformation

由圖3可知，通過(guò)與實(shí)際下沉值進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，此次研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在下沉值的監(jiān)測(cè)上與實(shí)際的下沉值相差較小，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)為1～4個(gè)、6～10個(gè)時(shí)，能100%準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沉降形變下沉值，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量情況下的準(zhǔn)確度也較高，基本能夠準(zhǔn)確進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而傳統(tǒng)的兩種監(jiān)測(cè)方法特別是文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的下沉值與實(shí)際值相差較大，說(shuō)明傳統(tǒng)兩種方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性沒(méi)有此次研究的系統(tǒng)的準(zhǔn)確性好。

3.2 監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)比

基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，與另外兩種方法進(jìn)行比較，此次研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所花費(fèi)的監(jiān)測(cè)時(shí)間均較少，最少可在0.8 min時(shí)實(shí)現(xiàn)沉陷的準(zhǔn)確檢測(cè)，證明了本文方法可以在保證監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上保證監(jiān)測(cè)效率，具有一定的可行性。

圖4 監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)比Fig.4 Comparison of monitoring time

3.3 定位準(zhǔn)確性對(duì)比

以該實(shí)驗(yàn)地區(qū)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別采用傳統(tǒng)的基于WEB-GIS的礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)、基于ArcObjects組件與Microsoft.NET框架的營(yíng)口某鐵礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)與此次研究的系統(tǒng)對(duì)沉降點(diǎn)定位，實(shí)際的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)表3。

表3 實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置

三種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 定位準(zhǔn)確性對(duì)比Fig.5 Comparison of positioning accuracy

由下沉點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)位置在三種系統(tǒng)下的對(duì)比結(jié)果可知，此次研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，定位準(zhǔn)確性較高，最高可達(dá)到95%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)兩種系統(tǒng)。

綜上，此次研究的基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較傳統(tǒng)兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性高、監(jiān)測(cè)時(shí)間少，并且下沉點(diǎn)定位準(zhǔn)確性高。原因是，通過(guò)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，提高了開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件，采用了GIS技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并提出了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行了變換，從而能夠得到準(zhǔn)確的開(kāi)采沉陷信息，提高了礦區(qū)開(kāi)采沉陷變形監(jiān)測(cè)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

為提升礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GIS技術(shù)的礦區(qū)開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先設(shè)置系統(tǒng)硬件，其次對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議，采用二進(jìn)制協(xié)議進(jìn)行傳輸，然后將GIS功能嵌入ESRI公司GIS軟件MapObjects組件中，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，最后提出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，并計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)和變形，從而完成礦區(qū)開(kāi)采沉降形變監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法具有較高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，最高為100%，效率較高，最短可在0.8 min時(shí)實(shí)現(xiàn)成功監(jiān)測(cè)，此外定位準(zhǔn)確性最高可達(dá)到95%，有效證明了本文方法存在一定優(yōu)勢(shì)。

由于研究時(shí)間的限制，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在一定的不足，將在后續(xù)研究中著重建立手機(jī)信息發(fā)布系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)布監(jiān)控信息，以加強(qiáng)礦區(qū)安全生產(chǎn)，將監(jiān)測(cè)預(yù)警信息及時(shí)傳達(dá)到有關(guān)部門(mén)、管理人員和工程技術(shù)人員。