采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊坤朋

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊），山東 兗州 272100；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 兗州 272100；3.山東省大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，山東 兗州 272100）

采煤塌陷地是由煤炭礦物的井工開采引起巖層和地面下沉而導(dǎo)致的土地塌陷區(qū)域[1]。采煤塌陷地的產(chǎn)生直接影響著人民群眾生活和生產(chǎn)的發(fā)展，嚴(yán)重地制約國民經(jīng)濟(jì)和社會事業(yè)長遠(yuǎn)規(guī)劃的實現(xiàn)[2]，因此需要通過采煤塌陷地治理，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的恢復(fù)或改善。從全國來看，各省份對采煤塌陷地的管理和治理要求雖然存在一定的操作和指標(biāo)層面的差異，但從總體要求上均將采煤塌陷地治理作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成內(nèi)容之一。

在采煤塌陷地產(chǎn)生和治理認(rèn)定統(tǒng)計上，由于采煤塌陷地長期歷史形成、煤礦企業(yè)改制主體責(zé)任轉(zhuǎn)移、企業(yè)采煤塌陷地委托地方政府治理等原因，導(dǎo)致地方政府與煤礦企業(yè)之間存在一定的信息統(tǒng)計口徑差別，統(tǒng)計出的采煤塌陷地和治理面積數(shù)值不一致，不利于采煤塌陷地治理主體責(zé)任的落實和考核。煤礦企業(yè)在日常采煤塌陷地信息管理工作中，通常采用數(shù)字表格臺賬的方式進(jìn)行管理，缺少必要的空間地理位置信息，導(dǎo)致在采煤塌陷地范圍邊界、實施治理范圍邊界的劃定與動態(tài)管理上不精準(zhǔn)，實施操作不直觀，無法滿足新形勢下采煤塌陷地管理和治理要求，因此迫切需要探索出一種采煤塌陷地信息管理的解決方案。

2020 年10 月，兗礦能源集團(tuán)股份有限公司啟動建設(shè)兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目，對位于濟(jì)寧市域范圍內(nèi)的7 個所屬煤礦采煤塌陷地數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集、整理、建庫，并結(jié)合地方政府監(jiān)測和統(tǒng)計的采煤塌陷地數(shù)據(jù)，形成具有空間地理位置的采煤塌陷地信息管理數(shù)據(jù)庫，以此為基礎(chǔ)搭建采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)，面向集團(tuán)公司和所屬煤礦提供采煤塌陷地數(shù)據(jù)與應(yīng)用服務(wù)。

該文以兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目為例，基于地理信息數(shù)據(jù)建庫和WebGIS 等主流技術(shù)，面向煤礦企業(yè)用戶需求，提出采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術(shù)框架設(shè)計與實現(xiàn)方法，通過對地方政府和煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息梳理和分析，建立形成統(tǒng)一空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的采煤塌陷地數(shù)據(jù)建庫工藝流程，并通過明確不同統(tǒng)計口徑下塌陷地范圍邊界、治理責(zé)任范圍邊界和已實施治理范圍邊界，以及對煤礦企業(yè)采煤塌陷地產(chǎn)生、治理業(yè)務(wù)管理流程梳理和再造，實現(xiàn)煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息在線管理、帶圖管理、協(xié)同管理和存檔管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 建設(shè)目標(biāo)

通過采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實踐，明確地方政府和煤礦企業(yè)兩種統(tǒng)計口徑的采煤塌陷地范圍邊界、治理責(zé)任范圍邊界和已實施治理范圍邊界，形成采煤塌陷地信息管理數(shù)據(jù)庫；規(guī)范煤礦企業(yè)采煤塌陷地產(chǎn)生、治理信息錄入內(nèi)容和格式，設(shè)定各階段時間（包括形成時間、穩(wěn)沉?xí)r間、實施治理時間、費用支付時間、完成認(rèn)定時間）錄入要求，實現(xiàn)采煤塌陷地信息的電子化、流程化管理；建立采煤塌陷地信息統(tǒng)計模型，對采煤塌陷地及治理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，識別發(fā)現(xiàn)并定位地方政府和煤礦企業(yè)統(tǒng)計口徑差異位置，為煤礦企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)決策提供數(shù)據(jù)支撐；構(gòu)建采煤塌陷地一張圖管理新模式，以國家天地圖最新電子地圖、遙感地圖數(shù)據(jù)為GIS基礎(chǔ)底圖，疊加采煤塌陷地多要素數(shù)據(jù)圖層信息，實現(xiàn)采煤塌陷地帶圖管理和野外移動地圖便攜應(yīng)用，以提高煤礦企業(yè)采煤塌陷地管理工作效率。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)涉及多個功能模塊組成，各模塊之間技術(shù)特點和職責(zé)存在較大的差異，為此系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)采用MVC 架構(gòu)模式和SOA 面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，并運用Web Service 技術(shù)實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)的交互和展示[3]。本系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器采用CentOS 7.4 為操作系統(tǒng)，GIS 地圖服務(wù)器采用Windows Server 2016 為操作系統(tǒng)，采用MySQL5.6 作為數(shù)據(jù)庫管理軟件，采用Spring Boot + VUE 組合框架前后端分離開發(fā)[4]，采用GeoServer 2.8 為地圖發(fā)布引擎，采用國家天地圖最新電子地圖、影像地圖為GIS 基礎(chǔ)底圖，地圖服務(wù)采用OpenLayersAPI 開發(fā)。系統(tǒng)按照“五橫兩縱”架構(gòu)設(shè)計，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）信息感知層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，主要通過人工測量的方式獲取測繪數(shù)據(jù)信息，并留有接口，支持接入無人機、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、監(jiān)控攝像頭等其他方式獲取的數(shù)據(jù)信息。

2）基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)，包括計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容組成，支持云服務(wù)器部署。

3）數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括地圖要素數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫。其中地圖要素數(shù)據(jù)庫主要通過采煤塌陷地原始檔案資料的分析、整理、處理、實地核對、檢查，形成統(tǒng)一的采煤塌陷地圖層。

4）平臺支撐層是系統(tǒng)的底層支撐，提供GIS地圖引擎、物聯(lián)網(wǎng)管理、表單管理、流程管理等基礎(chǔ)支撐。

5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)的用戶應(yīng)用，包括大數(shù)據(jù)分析、一張圖應(yīng)用、信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、移動端應(yīng)用和運維管理等六個模塊，按16:9 界面比例設(shè)計，支持基于大屏幕、PC 端及移動端設(shè)備訪問。

6）系統(tǒng)遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工作機制、保障措施、安全防護(hù)、保密機制和運行維護(hù)等要求。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括地圖要素數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)。地圖要素數(shù)據(jù)包括煤礦范圍、采空區(qū)范圍、地方政府采煤塌陷地監(jiān)測范圍、煤礦企業(yè)采煤塌陷地實測范圍、地方政府采煤塌陷地監(jiān)測穩(wěn)沉范圍、煤礦企業(yè)采煤塌陷地治理責(zé)任范圍、地方政府采煤塌陷地治理項目范圍等，以及市縣行政區(qū)劃邊界、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、30 mDEM 數(shù)據(jù)和固定點720°全景影像數(shù)據(jù)等。具體工作流程如圖2 所示。業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)包括煤礦企業(yè)委托治理、青苗補償、舊村址征用、采煤塌陷地治理等項目的基本信息、地塊信息、項目過程資料檔案和費用信息，以及其他業(yè)務(wù)管理統(tǒng)計數(shù)據(jù)、申報審核流程數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行監(jiān)控數(shù)據(jù)等。

圖2 地圖要素數(shù)據(jù)建庫工作流程

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點和系統(tǒng)調(diào)用方式，地圖要素數(shù)據(jù)以SHP（ShapeFile）格式、TIF 格式、ArcGIS切片數(shù)據(jù)格式等文件存儲為主，利用GeoServer2.8進(jìn)行地圖服務(wù)發(fā)布；業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)中的項目信息、用戶信息等關(guān)系型數(shù)據(jù)采用甲骨文公司MySQL5.6關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲與管理，視頻、圖片、檔案資料等非關(guān)系型數(shù)據(jù)采用文件數(shù)據(jù)庫存儲。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要包括大數(shù)據(jù)分析、一張圖應(yīng)用、信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、移動端應(yīng)用和運維管理共六個功能模塊。主要功能模塊結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計示意圖

1.5 網(wǎng)絡(luò)運行架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)運行在煤礦企業(yè)內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)邊界安全協(xié)議，允許內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)單向訪問運行在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的國家天地圖數(shù)據(jù)資源和開發(fā)鏡像庫資源，并利用防火墻VPN 方式，支持移動端應(yīng)用系統(tǒng)訪問辦公內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)與應(yīng)用服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)運行架構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)運行架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 MVC 架構(gòu)技術(shù)

一種軟件設(shè)計典范，用一種業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個部件里面，在界面和用戶圍繞數(shù)據(jù)的交互被改進(jìn)和個性化定制而不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯，有效提高本系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)搭建和代碼復(fù)用率[5]。系統(tǒng)采用MVC 架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)前后端開發(fā)與集成。

2.1.2 Spring Boot+Vue 組合框架技術(shù)

Spring 框架是Java 平臺上的一種開源應(yīng)用框架，提供具有控制反轉(zhuǎn)特性的容器，為開發(fā)者提供快速搭建的后臺服務(wù)框架。Spring Boot 基于Spring4.0設(shè)計，提供開發(fā)者簡化的Spring 應(yīng)用初始搭建以及開發(fā)過程，便于開發(fā)人員定義樣板化框架配置，Vue 是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式JavaScript框架，為開發(fā)者提供簡便易開發(fā)的前端開發(fā)基礎(chǔ)[6]。系統(tǒng)采用兩種框架的組合，能夠適應(yīng)輕量級系統(tǒng)程序快速搭建開發(fā)的需要，提供強大功能和技術(shù)支持的同時，為開發(fā)者提供更加簡易的開發(fā)模式。

2.1.3 OpenLayersAPI 技術(shù)

為開發(fā)者免費提供一套地圖開發(fā)應(yīng)用接口，提供開發(fā)WebGIS 客戶端的JavaScript 包，支持Open GIS 協(xié)會制定的WMS（Web Mapping Service）和WFS（Web Feature Service）等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)規(guī)范[7]。

2.1.4 MySQL 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

具有體積小、速度快、總體擁有成本低的特點，面向開發(fā)者提供開放的源碼，實現(xiàn)采煤塌陷地數(shù)據(jù)的高效存取和管理。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 大數(shù)據(jù)分析

利用大數(shù)據(jù)分析的思路與方法，圍繞采煤塌陷地產(chǎn)生與治理，形成包括采煤塌陷地現(xiàn)狀、項目治理現(xiàn)狀、協(xié)議治理現(xiàn)狀、采煤塌陷穩(wěn)沉現(xiàn)狀、塌陷地治理目標(biāo)以及目標(biāo)完成情況統(tǒng)計等數(shù)據(jù)分析結(jié)果。采用科技風(fēng)格進(jìn)行分析結(jié)果展示，按照九宮格模式進(jìn)行實現(xiàn)，中間區(qū)域以地圖為主顯示內(nèi)容，通過位置和動態(tài)線表達(dá)公司與各礦區(qū)關(guān)系，其他區(qū)域主要為信息展示板塊，包括總體情況、治理目標(biāo)、利用方式、塌陷現(xiàn)狀、實際治理、資金撥付情況、資金趨勢分析、項目治理及縣區(qū)統(tǒng)計等九個主要板塊。支持按企業(yè)、縣區(qū)、礦區(qū)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

2.2.2 一張圖應(yīng)用

基于GIS 地圖，疊加礦區(qū)范圍、開采區(qū)范圍、采煤塌陷地范圍、治理范圍等專題圖層，形成采煤塌陷地信息一張圖，通過圖、屬關(guān)聯(lián)和分析，實現(xiàn)采煤塌陷地信息帶圖管理。具體實現(xiàn)功能包括地圖瀏覽、圖層目錄、地圖工具（包括信息查詢、圖層順序管理、放大、縮小、復(fù)位、距離量測、面積量測、清理、分屏、卷簾、標(biāo)記、出圖）、區(qū)域定位、底圖切換等基礎(chǔ)的地圖操作功能，以及根據(jù)采煤塌陷地信息管理需要，實現(xiàn)專題查詢功能（包括采礦權(quán)、塌陷地、舊村址、青苗補償、委托治理等查詢功能）、地圖分析功能（包括空間查詢、區(qū)域分析、礦區(qū)分析、坐標(biāo)分析、拾取分析、疊加分析、狀態(tài)分析等分析功能）、VR 全境功能和地圖標(biāo)注拍照功能（展示移動端地圖野外實地標(biāo)注位置及拍攝的現(xiàn)場照片）。

2.2.3 信息管理

信息管理包括信息總覽、工作臺、信息管理三類功能。其中，信息總覽對采煤塌陷地信息進(jìn)行匯總顯示，具備信息查詢、應(yīng)用訪問和關(guān)鍵指標(biāo)查詢功能；工作臺主要實現(xiàn)日常工作信息發(fā)布、任務(wù)下發(fā)、事項辦理及通知公告發(fā)布等功能；信息管理主要針對塌陷地信息流程化審批管理，包括采煤塌陷地信息審批管理、協(xié)議審批管理、治理項目審批管理等，具備信息表單填報、流程環(huán)節(jié)審批、審批意見表單打印等功能。

2.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

提供采煤塌陷地工作報表、采煤塌陷地歸檔信息、地方政府和煤礦企業(yè)口徑數(shù)據(jù)對比分析等多維度查詢與統(tǒng)計功能。月度匯總統(tǒng)計功能，按照煤炭企業(yè)采煤塌陷地綜合治理月度統(tǒng)計表格式，按月進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計；總體情況統(tǒng)計功能，按照縣區(qū)級行政區(qū)劃維度，對采煤塌陷地數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計；專題信息統(tǒng)計功能，分為常年積水情況統(tǒng)計、季節(jié)積水情況統(tǒng)計、治理項目統(tǒng)計等。

2.2.5 移動端應(yīng)用

移動端應(yīng)用是一張圖應(yīng)用的移動端應(yīng)用，兩者保持?jǐn)?shù)據(jù)的實時同步，基于安卓操作系統(tǒng)、鴻蒙操作系統(tǒng)和移動端操作使用方式，實現(xiàn)GIS 地圖實時位置定位、采煤塌陷地信息查詢、空間分析、標(biāo)注、涂鴉、位置定位、拍照等功能。

3 實施效果

基于采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術(shù)框架，在兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目中進(jìn)行了初步應(yīng)用。主要應(yīng)用工作包括：

1）基于2000 國家大地坐標(biāo)系，收集整理了濟(jì)寧市7 處煤礦以往采煤塌陷地檔案資料，結(jié)合地方政府采煤塌陷地監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了采煤塌陷地范圍邊界、協(xié)議范圍邊界、治理范圍邊界等位置信息，通過掛接描述信息，建立形成采煤塌陷地信息管理數(shù)據(jù)庫。

2）按照采煤塌陷地信息管理需求，規(guī)范了采煤塌陷地信息表單內(nèi)容，建立了采煤塌陷地電子資料檔案在線管理流程。

3）通過對歷史采煤塌陷地數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖定，并建立采煤塌陷地形成與治理趨勢分析模型，研制了采煤塌陷地大數(shù)據(jù)分析研判功能，支撐采煤塌陷地管理和治理工作。

4）基于WebGIS 技術(shù)建設(shè)采煤塌陷地一張圖應(yīng)用，研制了采煤塌陷地圖層要素疊加顯示，精準(zhǔn)定位地圖位置，一鍵自動查詢分析不同圖層、不同地塊間數(shù)據(jù)差異等應(yīng)用功能，實現(xiàn)采煤塌陷地帶圖管理。

5）梳理并設(shè)計了線上采煤塌陷地協(xié)議申報審批、治理項目申報審批、項目任務(wù)實施反饋等工作流程，實現(xiàn)了對采煤塌陷地從形成到治理的全過程跟蹤監(jiān)督和協(xié)同管理，對推進(jìn)采煤塌陷地治理工作、督導(dǎo)考核各煤礦采煤塌陷地治理情況和降低企業(yè)費用支出提供技術(shù)支撐。

6）利用移動互聯(lián)網(wǎng)，搭建了移動端一張圖應(yīng)用，實現(xiàn)了移動端與電腦端的信息聯(lián)動，助力最后一千米采煤塌陷地管理和治理工作。

綜上所述，從兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目應(yīng)用情況看，初步達(dá)到了預(yù)期建設(shè)目標(biāo)。

4 結(jié)語

利用信息化手段，開展采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)建設(shè)，是新形勢下煤礦企業(yè)采煤塌陷地管理和治理工作的必然要求，是解決采煤塌陷地信息統(tǒng)計不準(zhǔn)確、缺少空間位置關(guān)聯(lián)等問題的重要工作舉措之一。該文提出的采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)技術(shù)框架，在兗礦能源采煤塌陷地信息管理系統(tǒng)項目中進(jìn)行了初步應(yīng)用和驗證，能夠滿足當(dāng)前煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理需求，有效解決采煤塌陷地管理中范圍界限不清、數(shù)據(jù)統(tǒng)計不明、檔案管理不實等實際問題，為煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理從報表管理到采用信息化手段帶圖管理的轉(zhuǎn)變提供了一種借鑒和參考?？紤]到煤礦企業(yè)采煤塌陷地信息管理業(yè)務(wù)面廣、涉及工作環(huán)節(jié)多的特點，該文提出的架構(gòu)思路及技術(shù)路線，目前主要適用于煤礦企業(yè)采煤塌陷地邊界范圍、治理責(zé)任范圍邊界和已實施治理范圍邊界等信息的管理，如何面向更廣業(yè)務(wù)范圍的采煤塌陷地信息管理，還需要進(jìn)一步開展采煤塌陷地監(jiān)測、預(yù)警、治理等信息管理研究。