关闭煤矿资源GIS综合管理系统的构建研究

邹剑波，张 华，王苏健，刘 峰，董霁红

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710065；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065；4.中国煤炭学会，北京 100013)

关闭煤矿是指因矿产资源枯竭、不符合安全开采条件以及其他政策原因而被关闭报废的矿井[1]。随着我国对煤炭资源的长期、高强度开采，煤矿可采储量急剧下降，导致许多煤矿成为资源衰竭煤矿，同时，我国对矿山开采活动进行了严格的管控，全国矿山数量大幅减少，越来越多的煤矿进入关闭行列。煤矿关闭之后，仍赋存煤、煤层气(瓦斯)、矿井水、地热、地下空间以及土地等资源。随着人们对关闭煤矿剩余资源的进一步认识，如何高效管理和再次利用关闭煤矿剩余资源成为国内外的研究热点。

地理信息系统(GIS)支持地理空间数据的采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述[2]，其空间数据库、地图可视化以及空间分析功能已经广泛应用于煤矿的各领域。武俊红等[3]基于组件式GIS，集成GIS与MIS系统，设计并实现了钻孔信息管理系统，为建立地下资源管理空间辅助决策支持系统提供支持和依据。陈龙泉等[4]利用ArcGIS软件进行空间分析和统计分析，对开采土地的损害进行评估。马雷等[5]利用GIS技术开发了矿井水害防治辅助决策支持系统，较好地实现了图件管理、信息提取与分析以及模型计算。陈汉章等[6]将煤矿井下安全监控系统、人员定位系统以及应急广播系统等与GIS技术有机融合，有效地解决了井上下联动艰难的问题，提高了煤矿的应急响应效率，为煤矿井下应急救援提供了有力保障。

我国的关闭煤矿有许多研究成果和开采资料数据，这些资料数据大多是纸质资料，容易损毁和丢失，并且使用起来不方便[7]。随着矿井的关闭、相关人员的变动，这些资料数据往往得不到很好的保存，难以发挥对关闭矿井进行资源管理和利用的指导作用。因此，建立关闭煤矿资源GIS综合管理系统，对关闭煤矿地上空间的厂房、机器设备以及大量的土地，地下空间的剩余煤炭、水以及井巷空间等资源进行管理，为关闭煤矿的再次开发利用提供辅助决策支持具有重要意义。

1 GIS综合管理系统概述

关闭煤矿资源GIS综合管理系统是基于关闭煤矿的基础地理信息数据、地上实景三维数据、地下三维模型数据等，利用GIS和网页开发技术实现了地上地下空间资源可视化管理。本系统主要包含矿区实景三维一体化、地上地下空间资源管理、煤矿相关信息管理以及工具管理。

1) 矿区实景三维一体化：具体表现为矿区地表实景三维数据的采集、部分井巷模型的建立，然后将矿区地表实景三维模型与井巷模型进行地理配准，使得两者具有相同的空间参考，将地表的实景三维与井巷三维模型结合起来，实现矿区实景三维的一体化。

2) 地上地下空间资源管理：地上空间资源包括工业广场的各类建筑、机器设备以及土地资源等，地下空间资源包括煤炭、水资源以及井巷空间等。本系统实现对矿区的地上地下资源进行可视化统一管理、便捷查询。

3) 煤矿相关信息管理：数字化煤矿的各类开采数据、人员信息数据以及各类生产报告等，将数据进行图表化，实现煤矿相关信息的Web端查询与管理。

4) 工具管理：由量算工具和绘制工具组成，实现了距离、高度和面积的量算，各种要素的绘制，较好地实现了用户与系统之间的交互。

2 系统构建

2.1 系统架构设计

关闭煤矿资源GIS综合管理系统主体采用B/S架构模式，矿井基础地理信息数据、影像数据、地形数据以及模型数据存储在数据服务器中，客户端通过浏览器在Web端进行场景的浏览以及系统功能的操作。本系统的服务器通过C/S模式实时访问各种数据，系统架构设计图如图1所示。

图1 系统架构设计图Fig.1 System architecture design diagram

2.2 系统场景设计

矿区实景三维场景由两部分组成：工业广场实景三维和井巷三维模型。其中，工业广场实景三维数据利用无人机进行低空倾斜摄影测量采集。井巷三维模型利用3ds Max建模软件建成，通过地理配准，实现矿区实景三维一体化，如图2所示。

图2 矿区实景三维场景结构图Fig.2 Real 3D scene structure diagram of mining area

2.3 系统功能设计

关闭煤矿资源GIS综合管理系统功能主要包括三维场景操作、地上地下空间资源管理、关闭矿井相关信息管理以及工具管理四个模块，系统主要功能模块如图3所示，各个模块设计如下所述。

图3 系统功能设计示意图Fig.3 Schematic diagram of system function design

1) 三维场景操作：该模块包括三维场景浏览和显示。三维场景浏览主要包括场景漫游、旋转缩放以及多种图层的切换、管理；显示包括煤矿及周边的地形数据和地理位置。

2) 地上地下空间资源管理：该模块由地上空间资源管理和地下空间资源管理两部分构成。其中，地上空间资源管理包含建筑信息管理、机器设备管理、交通信息管理以及其他管理。 建筑信息管理主要是对工业广场内办公大楼、实验室、车间等建筑的属性信息进行统一管理；机器设备管理包括对储煤、洗煤和运煤设备的管理；交通信息管理是对煤矿及周边地区的公路、铁路信息进行管理；其他信息管理包括矿区绿化、水资源等的管理。地下空间资源管理主要是对井巷空间的管理，包括巷道空间、井底车场等。

3) 煤矿相关信息管理：该模块主要包括煤矿的基本情况、生产情况、工业广场概况、剩余资源概况以及相关报告，上述五项又可细分为建设概况、关闭概况、生产概况、广场平面图、建筑概况、煤炭剩余储量、土地资源概况以及开采报告、关闭报告等。

4) 工具管理：该模块主要由量算工具和绘制工具组成。量算工具包含距离量算、高度量算和面积量算；绘制工具包括点线面等要素绘制和矩形、圆形等图形绘制。

3 系统实践案例

基于本文的研究内容，以朱家河煤矿为例构建了关闭煤矿资源GIS综合管理系统。系统的实现过程分为三个部分：①数据准备与处理；②数据环境部署；③系统功能开发。系统采用GIS二次开发的方式，使用ArcSDE作为系统空间数据引擎，并使用GeoServer和Cesium ion发布地图数据，系统B/S部分基于Cesium开源地图引擎完成了系统功能的开发。

3.1 数据准备与处理

系统数据包括地图数据、模型数据和属性数据。地图数据主要包括朱家河煤矿的地形数据和影像数据。 通过地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)下载朱家河煤矿区域的GDEMV2 30M分辨率数字高程数据，利用ArcGIS 10.2以及地形切片工具进行处理，得到朱家河煤矿及周边的地形数据；对于影像数据，本系统选择调用天地图的在线影像地图数据。模型数据主要包括矿区实景三维和井巷三维模型。利用无人机倾斜摄影测量采集朱家河煤矿的实景三维，并进行三维重建，获得矿区的实景三维模型。通过3ds Max软件对井巷进行三维建模，将所建的井巷三维模型与矿区实景三维模型进行地理配准，使两者具有相同的空间参考。属性数据包括朱家河煤矿相关的统计数据、文档资料数据和图片等，使用之前需要对属性数据进行分类、整理以及优化。

3.2 数据环境部署

本系统数据环境搭建主要使用Tomcat、GeoServer以及Cesium ion发布和调用相关的地图数据和模型数据。Tomcat服务器是一个开源的轻量级Web应用服务器，在中小型系统和并发量小的场合下被普遍使用。GeoServer是OpenGIS Web服务器规范的J2EE实现，利用GeoServer可以便于发布地图数据，允许用户对特征数据进行更新、删除、插入操作等。Cesium ion是一个提供瓦片图和3D地理空间数据的平台，并且支持把数据添加到用户自己的Cesium JS应用中。本系统将部分地图数据在Tomcat服务器下发布，通过IP地址链接访问。对于一些二维地图和模型数据，则使用GeoServer进行发布，同样通过IP地址完成调用。Cesium开源地图引擎提供的地图数据和模型数据则通过Cesium ion直接访问。

3.3 系统功能开发

本系统开发的主要方式为网页开发，核心部分是基于Cesium开源地图引擎所开发的三维平台的展现与交互。利用Cesium API实现了三维场景下浏览、显示实景三维景观，对煤矿及周边地区的地上地下空间资源进行统一管理，并且实现了煤矿相关信息的管理，最后完成了工具管理的开发。

3.3.1 三维场景操作

本系统通过调用Tomcat服务器发布的矿区实景三维数据，利用Cesium API实现三维场景的加载、漫游功能，同时实现场景的旋转缩放等功能。另外，根据Cesium ion中提供的地形及影像数据，结合天地图等其他影像数据， 实现了矿区地形、 地理位置的显示以及多种影像及地形图层之间的切换、管理。

3.3.2 地上地下空间资源管理

地上空间资源主要包括建筑、机器设备、土地等，系统实现了对建筑的单体化以及分层单体化查询，单体化查询可以查询每栋建筑的名称、楼层和面积等属性信息，分层单体化查询可以详细查询建筑每层的房间信息，包括房间号、房间名称等。系统还实现了机器设备的属性信息管理，通过系统可以查询储煤、洗煤和运煤设备的各种参数信息。另外，系统还实现了矿区周边土地资源的查询与管理，按土地利用类型分为绿地、耕地以及工业用地等，在系统中可以查询土地的面积、种植以及灌溉信息等。最后，系统还实现了矿区及其周边地区的交通信息管理，基于天地图的矢量地图，对矿区及周边的铁路、公路等交通信息进行管理。地下空间资源主要是井巷空间，对建立的井巷三维模型进行地理配准后，实现井巷长度、面积信息的查询与管理，如图4所示。

图4 地上地下空间资源管理示意图Fig.4 Schematic diagram of space resource managementabove and below ground

3.3.3 煤矿相关信息管理

煤矿相关信息主要包括煤矿的建设概况、关闭概况、生产概况、广场概况、资源概况以及开采报告、关闭报告等。本系统将煤矿建设的历程以网页的形式展现，自煤矿建设至关闭，向用户展示煤矿的建设和关闭概况。对于煤矿的生产概况，则利用Echarts.js插件以图表的形式在客户端展示，主要包括煤矿历年的产量、可采煤层以及涌水量等。广场概况包括广场平面图以及广场所有建筑的名称、长宽和面积属性信息。资源概况主要是剩余煤炭储量、土地资源以及井巷空间资源的基本情况，通过统计图表的样式展现。开采、关闭报告则以PDF文件的形式提供在线浏览、下载以及打印。图5为朱家河煤矿剩余资源估算信息管理示意图。

图5 煤矿相关信息管理实现Fig.5 Implementation of coal mine relatedinformation management

3.3.4 工具管理

工具管理包含量算工具和绘制工具的管理。量算工具实现了距离量算、高度量算和面积量算。其中，距离量算又分为直线距离和贴地距离的量算，高度量算包含垂直高度测量和三角高度测量。绘制工具中包括点线面要素的绘制以及矩形、圆等几何图形的绘制。

4 结 语

关闭煤矿资源GIS综合管理系统基于当前先进的开源三维GIS技术，结合无人机倾斜摄影测量以及Web数据库等高新技术，采用B/S架构开发完成。本系统具备完善的三维场景操作、资源管理、煤矿信息查询管理以及量算、绘制功能，实现了朱家河煤矿资源的可视化管理，提高了朱家河煤矿资料数据的可用性及查找使用的便捷性，并为朱家河煤矿的再次开发利用提供了良好的辅助决策支持，具有推广使用价值和应用前景。