矿山开采沉陷数据采集软件的设计与实现

矿山开采沉陷数据采集软件的设计与实现
朱黎明;魏庆伟;刘兴亮
【摘要】在矿山开采沉陷变形观测中,空间数据采集量大、数据精度要求高、观测条件复杂问题,一直是影响其观测效率和成本的主要因素.为了实现提高变形观测数据质量、减少人工观测时间、降低项目成本,对矿山开采沉陷数据采集软件进行了设计与实现.算例以安徽省淮南市潘北矿区为实验对象进行了软件测试与分析.结果表明,软件在满足变形观测所需精度的前提下,能够适用在复杂天气、地形环境进行测量.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】5页(P58-62)
【关键词】矿山开采沉陷区;开采沉陷;变形观测
【作者】朱黎明;魏庆伟;刘兴亮
【作者单位】安徽理工大学测绘学院,安徽淮南232001;安徽理工大学测绘学院,安徽淮南232001;安徽理工大学测绘学院,安徽淮南232001
【正文语种】中文
【中图分类】P258
淮南矿区是我国重要的煤炭生产基地，也是安徽省能源、原材料产业发展的重要支撑。

由于多年来大规模煤炭开采，形成了较大面积的采煤塌陷区。

为能够实时、准
确、高效地对矿山开采沉陷区进行变形观测，采用ArcEngine作为GIS二次开发
组件，GPS接收机，结合无线网络通讯、串口通信技术进行软件设计与开发，并
将这些技术有效集成在移动端开采沉陷的信息采集软件中，提高变形观测工作效率，简化操作流程，并且保证数据采集精度。

软件通过网络RTK技术对观测点进行测量，得到观测点的空间坐标，根据需要将观测点位的坐标展绘在矿区工作底图上，并将观测得到的合格的数据通过网络通信技术传回到控制台，做进一步分析处理。

1 系统设计
系统完全运行状态是由GPS接收机、手持PDA设备、Windows Mobile操作系统、矿区地图、数据采集软件组成［1］。

设计的总体目标是：通过GPS接收机
采集到差分GPS坐标数据，若精度满足要求，将观测点坐标绘制到PDA软件中
的工作底图上，并将这些坐标数据存储到数据库中［2］。

最后通过网络通信接口，将采集到的数据传送回服务器端。

软件的设计遵循了以下几个原则：实用性、可靠性、可扩充性、开放性。

软件主要由文件管理、数据采集编辑、网络通讯、坐标转换四个主要的模块组成：（软件架构图参见图1）
图1 系统结构图
1.1 文件管理
对工程文件的管理和采集数据的管理，能够打开、关闭位于PDA设备物理位置上的工作底图，或是将修改后的底图保存。

保存空间数据的数据库进行管理，可根据需要添加、删除表格，或是修改表格的结构。

1.2 数据采集编辑
坐标观测点空间数据的采集，通过GPS采集到观测点的x，y，z坐标，并提供对
观测点属性信息设置，或进行说明备注。

通过查询和编辑功能，修改观测点的属性信息，保证坐标信息不可修改，保持数据的真实性［3］。

1.3 网络通讯
采用套接字编程技术，根据PDA端的IP和内业控制台的计算机IP设置连接，确
保PDA与控制台的电脑能够保持通讯状态，将外业测量的状态及时反映到控制台端，根据信息调整外业测量。

测量完成，通过通讯模块将PDA中保存观测点坐标的数据库文件发送到控制台，保证内业作业能够及时处理，为项目节省时间，同时可让内业相关人员有充足时间检查测量数据，尽早发现测量数据中的错误，避免返工测量。

1.4 坐标转换
包括WGS84坐标系与北京54、西安80坐标系之间的转换模型。

通过GPS采集到的原始数据为WGS－84坐标系下的坐标，不可直接作为矿区实际使用坐标，
需设计坐标换算与转换功能，包括不同坐标系之间的换算和空间直角坐标与投影平面坐标的转换。

WGS—84椭球与北京54坐标系所属的克拉索夫斯基椭球有差异，需要将WGS—84下空间直角坐标系转化到北京54坐标系下的高斯平面坐标，首先得完成WGS—84椭球到克拉索夫斯基椭球的转换，然后再进行投影变换。

（1）大地坐标转换为空间直角坐标：
式（1）中：为椭球长半轴，b为椭球短半轴。

e为椭圆的第一偏心率。

（2）进行空间直角坐标系换算：
数学模型采用布尔莎公式，计算如下：
式中ΔX0、ΔY0、ΔZ0 为平移参数；m 为尺度变化参数。

对该公式精加变换：
解算这七个参数，至少要用到三个已知点，采用间接平差模型进行解算。

求出七参
数，并保存，作为坐标转换参数。

误差方程为：V＝AX－L
其中：V为残差矩阵；X为未知七参数；A为系数矩阵；L为闭合差
解之：X＝（ATA）－1 ATL
（3）空间直角坐标向大地坐标的转换：
（4）投影转换：
式中：
2 数据组织
软件所处理的数据主要包括底图数据和空间坐标数据。

底图数据即打开的矿区地形图件，在测量过程中起到参照作用；空间数据是变形观测的观测点的坐标数据，常用大地坐标和投影坐标两种形式［4］。

2.1 底图数据
选取的底图数据为淮南市潘集矿区的井上井下对照图，矿区的主要道路、河流、村庄房屋图层。

底图比例尺为1∶5000的线划图，原始图件为AutoCAD制作的线画图，对应矿区的开采工作面正在开采阶段，矿区的开采沉陷变形观测工作正在进行当中，需要定期地对矿区地表进行变形观测。

2.2 空间坐标数据
观测站的坐标数据为变形观测工作中所有数据的重点，变形观测又是一项长期且需要大量观测站作为采样点的工作，随着时间的推移，坐标数据采集会成倍地增加，对采集的坐标数据需要采用高效的管理手段。

存储数据的容器不仅需要满足于有足
够的空间存储，而且对于后期的大量数据的管理也要提供高效的管理方法。

将观测点坐标数据分类管理，不同矿区的存储在不同的数据库里面，对于同一矿区不同观测期的数据，分别存储在不同的表格里［5］。

2.2.1 观测站数据库管理数据库目录
将不同的矿区的数据存放在不同的数据库里面存储，便于数据分类管理。

对于同一矿区的不同期观测数据，分别存储在不同的表格里。

矿区的数据库中分别存储了首期观测数据、二期观测数据等多期数据。

2.2.2 观测站数据表格结构
不同主断面数据的采集，均按照同一种方式进行，根据主断面的不同，建立不同的数据表空间来存储采集的数据。

每一条主断面的数据结构一致，整个矿区的数据采集可以使用统一标准的表空间结构。

如表1所示，表格中X坐标、Y坐标、Z坐标、B、L、H列均为坐标信息，其中X、Y、Z为投影变换后的平面坐标，B、L、H为坐标转换后的大地坐标。

备注字段为可选字段，标记该观测点位的特殊情况。

例如，埋设的观测点遭到破坏，出现点位缺失或非正常移动现象，需要将这些点位状态备注出来，避免在计算过程中出现粗差，影响计算结果。

表1 观测站表结构ID 点名 B L H X坐标 Y坐标 Z 坐标备注1 CL01 32：52：01.4961N 116：49：47.9876E26.26 3638071.78 484022.82 26.26 2 CL02 32：52：01.6831N116：49：47.0878E26.66 3638077.58 483999.44 26.66 3
CL03 32：52：03.2385N116：49：45.0918E26.45 3638125.58 483947.63 26.45 4 ML01 32：52：04.4416N 116：49：43.7646E26.52 3638162.70 483913.19 26.52 破坏5 ML02 32：52：05.7307N 116：49：38.4495E26.44 3638202.64 483775.07 26.44
3 功能实现
3.1 数据管理
将软件支持的工作底图数据考到PDA的存储磁盘下，打开底图工作空间，可进行对底图操作。

对底图进行操作，有放大、缩小、自由缩放、平移、点选、查询功能。

文件菜单下是对底图进行添加、移除、保存管理。

添加功能，满足用户在自己汇入文件的文件夹里面添加新的工作底图文件，可在不同地区使用不同的工作底图，使软件具有开放性［6］。

修改功能，用户可以修改添加文件的信息，包括文件名、备注信息等。

删除功能，用户根据需要删除不需要的图件文件或是坐标文件。

3.2 数据采集编辑
GPS数据采集功能采用的是RTK技术，软件在运行时候需要至少两台GPS接收机同时开启，一台作为基准站，一台接收机作为移动台。

为了能够使两台接收机进行差分信号的通信，必须分别对基准站和移动站进行设置。

首先是设置系统中的基准站，设置基准站的接口信息，选择RTCM3.0差分电文格式，IP接口，卫星截至高度角，选取卫星类型（本软件选择GPS卫星）以及设置基准站坐标；对移动站进
行设置，包括选取和基准站电文格式类型一致的差分电文格式，IP接口和卫星类型，实现基准站和移动站的数据类型的统一。

设置完毕之后，接收机即可通过网络通信，由基准站向移动站发送差分电文信号，移动站接收测量点坐标进行数据改正处理，得到精度较高坐标。

采用的网络RTK技术，可使采集点位的坐标误差控制
在2厘米以内，能够充分满足矿山开采沉陷变形观测的数据精度的要求。

3.3 网络通信模块
无线网络通信模块，实现外业数据测量人员与内业项目管理人员进行数据交换，通过数据传输实现远程数据地核对，达到实时数据采集与实时数据处理的目的。

进行通信的双方需要拥有一个固定的IP地址，根据TCP／IP通讯协议，设置好IP地
址和端口号，将信息从一个端点传送到另一个固定IP的端点上。

首先登录服务器（参见图2、图3），保持与内业控制台电脑的IP一致，设置端口号，登录的用
户名和登录密码，即可请求访问访问控制台程序。

通过对登录信息的验证，判断用
户是否登陆成功。

登录成功之后，即可进行信息交换和数据传输的操作。

图2 连接控制台服务器
图3 成功连接服务器
3.4 坐标转换与空间坐标点展绘
GPS接收机采集到的坐标数据为WGS－84坐标系下坐标，两淮地区的矿区常用
坐标大多为北京54坐标系下的坐标，部分采用了西安80坐标系。

输入三个以上
控制点坐标，计算出坐标转换七个参数，观测点数据采集完之后，软件将WGS—84坐标进行坐标换算和投影转换，换成地方坐标系，同时将测量到观测点的坐标，绘制到工作底图上。

图4 地表移动观测站
如图4所示，为系统在淮南市潘北矿区变形观测时的工作底图，图中所设计观测
线有三条，两条倾向观测线和一条走向观测线，一条走向观测线和两条倾向观测线。

MS作为前缀两条观测线所表示为倾向观测线，较长为主观测线，另一条短的为辅助观测线；另外一条近似垂直于倾向观测线的为开采工作面走向主断面上设计的观测线。

4 结论
利用GIS系统对数据具有可视化特点，结合GPS数据采集功能，可快速地对测区进行全面、精确的测量，并且减少项目的成本。

结合网络通信技术，将测量到观测点的坐标信息及时地传回到内业控制台，为内业的数据处理提供数据，并将采集到的平面坐标实时地绘制到工作底图上，满足了数据采集的实时性需求。

变形观测工作所设计、埋设观测点，可能会由于时间推移被掩盖或毁坏，这是变形观测工作中常见的一个问题。

若在本系统中加入定位导航，可帮助测量人员在观测点被水或其它物体遮盖的情况下，通过前期测量的数据进行放样，快速地找到观测点，减少外业测量时间，提高测量精度，这也是本文进一步的研究方向。

参考文献
［1］李玉 .嵌入式GIS及其应用［D］.郑州：中国人民解放军信息工程大学，2004.
［2］徐绍铨.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2003.
［3］蔡苗红 .基于嵌入式GIS的GPS／PDA数据采集系统的设计与实［D］.南京：东南大学，2007.
［4］戴春宁 .基于移动GIS的数据采集系统的设计与实现［D］.南京：南京农业
大学，2007.
［5］杨泰 .基于移动计算机平台下GPS定位技术研究［D］.淮南：安徽理工大学，2012.
［6］王彪 .基于GPS／PDA／TS的地籍测绘新方法的设计与实现［D］.南京：东南大学，2009。