煤矿地测管理信息系统(加强版)之令狐文艳创作

煤矿地测管理信息系统
令狐文艳
山东泰山煤炭技术研究院
泰安市华硕能源科技有限公司
2013-1-2
目录
1概述1
2项目关键技术支撑及其架构3
2.1地理信息系统概念及相关介绍3
2.1.1地理信息系统概念3
2.1.2地理信息系统发展背景5
2.1.3地理信息系统发展趋势7
2.1.4地理信息系统特点与优势8
2.2地理信息系统架构设计9
2.3网络地理信息系统架构设计11
2.4 Metamap GIS平台优势14
2.5数据库管理系统及其选取19
2.5.1数据库系统功能20
2.5.2数据库技术特点21
2.5.3数据库选择原则与定型22
3煤矿地测管理信息系统功能划分与设计25
3.1地测数据库管理25
3.2地质储量专题图子系统26
3.2.1素描图自动生成26
3.2.2煤层等值线、储量动态计算等平面图的生成28
3.2.3任意剖面图绘制31
3.2.4柱状图绘制32
3.3测量专题图子系统33
3.4防治水专题图子系统36
3.5储量三量管理子系统41
3.6地测图文远程在线管理45
4项目实施方案51
4.1实施机构51
4.2实施周期51
4.3培训体系52
1概述
煤矿地测管理信息系统主要实现矿井地质、测量、水文与储量专业图形、数据与文档管理。

地测管理信息系统是典型的基于AutoCAD平台结合煤矿地测行业特定需求定制开发的专业软件产品。

系统具备强大的绘图、编辑与修改功能，完全兼容AutoCAD的各类图形格式，同时提供了煤矿地测行业的专业应用（如：煤矿地质测量图例、采掘工程平面图的自动绘制、素描图的自动绘制、煤层底板等高线的自动绘制等）。

产品面向煤炭行业量身定制了地质与测量一体化的数据解决方案；提供了基于数据的动态生成专题图形解决方案，主要涵盖煤层底板等高线及储量计算图、采掘工程平面图、巷道素描图、单孔柱状图、煤岩层对比图等；提供了适合煤业行业应用的个性化文本标注（比如：钻孔注记、等值线注记、导线点注记等）；提供了全面的煤矿地质测量图例库（参照煤矿地质测量图例标准-1989版）。

具体功能如下：
（1）地质与测量数据一体化管理，提供了方便友好的地测数据录入界面，实现了各类导线计算、孔斜计算、储量数据计算等数据处理算法，并提供了各种地测日常报表和台帐的自动生成和输出功能。

（2）系统提供了强大的专业辅助绘图功能，如自动生成图框、图签、坐标格网、裁剪等功能。

（3）系统提供了开放的符合矿山行业规范的符号库管理功能。

（4）基于测量基础数据的采掘巷道自动绘制，碎部巷道绘制，进而快速绘制采掘工程平面图。

（5）系统可自动提取钻孔数据，快速处理底板等高线，并自动实现储量计算。

（6）用户可根据现场实际需求，定制素描图模板，实现素描图的自动绘制。

（7）基于钻孔钻探资料或者钻探成果资料可按客户需求定制钻孔柱状图样式，实现钻孔柱状图的自动生成等。

（8）基于煤层储量计算图与相关数据处理模型快速绘制煤层预想剖面图，实现了平面图与剖面图的对应处理，可以在平面图上获得剖面图上的相关数据进而修正平面图，也可以在剖面图上获得平面图上的相关数据进而修正剖面图。

（9）储量管理主要实现各资源储量块段的数据管理及数据分析。

实现储量数据、资料的远程填报、管理与汇总，并可以根据业务部门实现部门角色与权限的控制。

（10）防治水管理主要于GIS按照国家安全生产监督管理总局令第28号要求实现防治水专题图形的绘制、编辑与分析应用等。

基于工作流、计算机网络、WebGIS技术面向煤矿防治水流程化、集团化远程管理防治水文档、图形与台账在线管理等。

2项目关键技术支撑及其架构
煤矿地测管理信息系统是一个以地理信息为基础，应用计算机网络与通讯、数据库系统与可视化编程应用等技术实现煤矿地质、测量、水文与储量三量管理的软件。

2.1地理信息系统概念及相关介绍
2.1.1地理信息系统概念
地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。

其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：
（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效
率、数据处理的方式和产品输出的类型。

（2）GIS的操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。

空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

（3）GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

（4）GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。

大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS 向更高层次发展。

地理学是GIS的理论依托。

有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。

如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。

GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。

图2-1 典型的GIS示意图
2.1.2地理信息系统发展背景
35,000年前，在Lascaux附近的洞穴墙壁上，法国的Cro Magnon猎人画下了他们所捕猎动物的图案。

与这些动物图画相关的是一些描述迁移路线和轨迹线条和符木。

这些早期记录符合了现代地理信息系统的二元素结构：一个图形文件对应一个属性数据库。

18世纪地形图绘制的现代勘测技术得以实现，同时还出现了专题绘图的早期版本，例如：科学方面或户口普查资料。

20世纪初期世纪将图片分成层的“照片石印术”得以发展。

直至60年代早期，在核武器研究的推动下，计算机硬件的发展导致通用计算机“绘图”的应用。

1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出“地理信
息系统”这一概念，并建立了世界上第一个地理信息系统——“加拿大地理信息系统"，用于自然资源的管理与规划。

1965年，美国哈佛大学土地测量专业的一名学生J.Dangermond在其毕业论文中，设计了一个简单的GIS系统，并在毕业后于1969年成立了Esri公司，成为推动GIS发展的重要里程碑。

1967年世界第一个投入实际操作的GIS系统由联邦能量、矿产和资源部门在安大略省的渥太华开发出来。

这个系统是由Roger Tomlinson开发的，被称为“Canadian GIS”（CGIS）。

它被用来存储，分析以及处理所收集来的有关加拿大土地存货清单（CLI）数据。

CLI通过在1:250，000的比例尺下绘制关于土壤，农业，休闲、野生生物、水鸟、林业，和土地利用等各种信息为加拿大农村测定土地能力，并增设了了等级分类因素来进行分析。

CGIS是世界的第一个“系统”，并且在“绘图”应用上进行了改进，它具有覆盖，测量，资料数字化/扫描的功能，支持一个跨越大陆的国家坐标系统，将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的“弧”，并且将属性和位置的信息分别存储在单独的文件中。

它的开发者，地理学家Roger Tomlinson，被称为“GIS之父”。

CGIS一直持续到20世纪70年代才完成，但这花费了太长的一段时间，因此在它最初发展期，不能与如Intergraph这样的销售各种商业地图应用软件的供应商竞争。

微型计算机硬件的发展使得象ESRI和CARIS那样的供应商成功地兼并了大多数的CGIS特征，并结合了对空间和属性信息的分离的第 1 种世代方法与对组
织的属性数据的第2种世代方法入数据库结构。

20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了GIS的UNIX工作站和个人计算机飞速增长。

至20世纪末，在各种系统中迅速增长使得其在在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。

并且用户开始提出了在互联网上查看GIS数据的概念，这要求数据的格式和传输标准化。

2.1.3地理信息系统发展趋势
（1）趋于综合性发展
GIS、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）3S集成技术的发展在世界各国引起了普遍重视。

RS主要侧重于信息获取和动态监测；GIS主要是空间信息的管理、分析；GPS是空间定位、导航。

GIS的综合性发展趋势还体现在与OA、Internet、多媒体、虚拟现实等技术的集成。

（2）开放式GIS
GIS数据共享和交互式操作促进GIS社会化发展。

开放式GIS 协会（OGC）打破当前GIS业各地区、各单位、各企业各自为营的局面，促进GIS社会化发展。

（3）产业化发展
GIS产业对象主要包括：硬件、软件、数据采集与数据转换、电子数据、遥感信息获取与处理、系统开发与集成、咨询与技术服务。

（4）向组件式发展
采用面向对象技术开发组件式GIS是GIS软件发展的必然趋
势，GIS软件的可配置性、可扩展性和开放性将更强，进行二次开发将更方便。

2.1.4地理信息系统特点与优势
（1）GIS的操作对象是空间数据
空间数据包括地理数据、属性数据、几何数据、时间数据。

GIS对空间数据的管理与操作，是GIS区别于其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。

（2）GIS的技术优势在于它的空间分析能力
GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要贡献。

（3）GIS与地理学、测绘学联系紧密
地理学是GIS的理论依托，为GIS提供有关空间分析的基本观点和方法。

测绘学为GIS提供各种定位数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。

（4）GIS与CAD、CAM
相同点：均可处理非图形的属性数据；都可以对空间数据建立空间相关关系，对所描述对象的拓扑关系进行处理。

不同点：1）CAD/CAM不能建立地理坐标系统和完成地理坐标转换；2）GIS的数据量要比CAD和CAM的数据量大得多，数据结构、数据类型更为复杂；数据间联系紧密；3）CAD/CAM不具备GIS 具有地理意义的空间查询和分析功能。

2.2地理信息系统架构设计
煤矿地理信息系统平台是典型的地测地理信息共享与Web协作平台，具有安全、生产等专业地图数据与属性数据的采集、输入、存储、检索、查询与空间分析，并实现多方式输出、Web管理与决策分析以及基于二维煤矿地理信息系统之上的煤矿三维环境系统构建等功能。

平台的功能体系主要由数据导入与导出、数据输入与输出、基本绘图、地图编辑、专业地图处理、空间处理分析、煤矿三维环境构建和Web管理与决策等组成，如图2-2。

1）数据导入与导出：主要包括地图数据与属性数据的导入与导出，数据导入与导出就是为数据共享提供一个外部的接口。

导入数据是从煤矿地理信息系统平台的外部数据源（如ASCII文本文件）中检索数据，并将数据插入到地理图形关系表或属性关系表的过程。

导出数据是将某一或某些地理图形关系表与属性关系表的数据析取为某些用户指定格式的过程，例如将SQL Server表的内容复制到 Microsoft Access 数据库中。

煤矿地理信息系统平台应提供多种工具用于各种数据源的数据导入和导出，这些数据源包括文本文件、ODBC 数据源（例如Oracle 数据库）、OLE DB 数据源（例如其它 SQL Server 实例）、ASCII 文本文件和 Excel 电子表格。

特别是提供安全生产监控与综合自动化数据接口，进而提供基于位置服务的应用，如基于WebGIS的监测监控应用与自动化监测应用。

2）数据输入与输出：主要包括地图数据与属性数据的输入与
输出。

数据输入主要负责数据的采集、预处理和数据转换等，如手扶跟踪数字化、自动扫描输入以及人工输入等；数据输出就是将数据处理的内容或最终结果以表格或地图的形式实现屏幕显示、硬拷贝或打印输出等。

分析、避灾路线分析等等。

7）煤矿三维环境构建与应用：依据煤矿地质、测量、煤矿开采和地面图像等数据模拟出井下三维空间；并包括巷道、钻孔、建筑物、工作面以及诸如采煤机、矿车等矿山设备等的三维构建；基于煤矿三维空间的监测监控、综合自动化、人员管理与视频监控等。

8）Web管理与决策：就是利用Intranet/Internet技术、依据地测地理信息共享模型等实现煤矿安全生产方面工作的水文在线监测、环境监测监控管理、人员定位管理、视频监控管理与调度指挥决策管理等。

2.3网络地理信息系统架构设计
（1）专题图形发布和信息查询的结构设计
专题图形发布和信息查询模块在结构上采用了基于B/S的三层体系结构（3-tier application），即数据层、服务层(逻辑层)和用户层(表示层)。

图2-3 基于WebGIS的图形发布和信息查询模块结构数据层：负责基础数据的存储和管理和输出，是整个模块的基
础。

这里的基础数据指煤矿安全生产专业数据（地测数据、监测监控数据、人员定位数据、视频监控数据）和各种专题图件。

数据来源可分为以下两种：
1）文件：使用文件作为数据源的主要目的是基于数据安全方面考虑设计。

可以把应用程序从直接连接数据库的方式中剥离出来，这样做的好处就在于不直接操作煤矿终端数据库，避免了网络负荷给服务器数据库带来的压力。

实现了网络数据的安全。

而且采用文件格式可以统一格式，屏蔽了各煤矿监控系统数据库之间的差异。

实现集成系统按照统一格式读取和存储。

2）数据库：①直接通过方式直接完成对数据的查询和访问。

好处在于无需中转数据，节约了解析和存储的时间。

弊端就在于这样会明显加重煤矿终端数据库读取负担，一旦造成服务器崩溃，带来的后果是不堪设想的。

②通过Web Service技术实现远程数据访问技术，只需开放服务器相关Web接口即可完成通过Internet方式访问和获取数据。

应用层：负责数据获取和图形的浏览、查询、发布，具体功能由ActiveX控件负责提供。

ActiveX控件起到了数据层和用户层之间的桥梁和纽带的作用，它将用户的各种数据请求发送至数据库，并将数据库的内容经过处理后传给用户。

在专题图形的网上发布和信息查询模块中，用户其实就是一个浏览器。

由于存在中间的地图服务器，客户端无需安装任何专业软件就可以直接浏览和查询图形信息。

（2）专题图形发布和信息查询的功能设计
在Internet环境下，运行速度和执行效率决定了用户对系统的满意程度。

因此，专题图形的网上发布和信息查询模块不可能像C/S结构中的GIS软件那样提供复杂的编辑和分析功能，而主要是实现图形浏览和信息查询功能，具体而言包括以下几个方面：1）简单图元单位(直线、圆、椭圆、多边形、文本等)绘制。

2）视图基本操作：放大、缩小、窗口缩放、范围缩放、平移等。

3）图层管理：用户可以操作和编辑、查看图形的图层。

4）量测距离和方位：用户可以量测图上任意两点之间的实际距离和方位角。

5）信息查询：用户通过点击图形上的注记，显示该图元的属性数据。

如用户点击工作面名称，即可显示该工作面的属性信息。

同时可以查询该工作面的机电设备，该工作面下的井下人员工作情况和地质说明书。

2.4 Metamap GIS平台优势
地理信息系统平台（Metamap GIS）秉承“专业、先进、实用、灵活”的设计理念，结合煤炭行业特点，采用CAD、GIS及数据库等技术进行开发，产品涵盖数字矿山软件领域从技术层到辅助决策层的各个级别的应用，主要包括地测地理信息系统、通防地理信息系统、采掘工程辅助设计系统、数字矿山二维集成管理系统平台、数字矿山三维集成管理系统平台等。

产品具有如下特点优势：（1）CAD与GIS两类软件的有机完美结合，产品不仅具有强
大的图形编辑修改功能，而且拥有高效的空间数据自动生成与管理功能。

（2）煤炭行业量身定做的专业应用软件，软件研发团队多年的数字矿山软件研发与项目实施经验赋予其极强的专业性和实用性，完全满足用户日常业务处理的应用需求。

（3）满足用户复杂多变的个性化应用需求，产品提供模板设计和样式管理等实用工具，允许用户根据自己的应用需要对软件功能进行灵活定制。

（4）先进数据库引擎技术的灵活应用，产品屏蔽了异源数据之间的差异性，允许用户采用各种类型的后台数据库(Oracle、SQL Server、Access等)进行业务数据的存储和访问。

（5）具有良好的可扩展性架构，产品设计了可扩展的数据结构，保障了其健壮性、灵活性及易维护性。

图2-4 图层管理
图2-5 图形鸟瞰
图2-6 GIS基础操作
图2-7 符号库管理
图2-8 各类标注
图2-9 图形切割等
图2-10 基于WebGIS的安全监测监控管理
图2-11 基于WebGIS的安全监测监控与导航位置服务
图2-12 基于WebGIS的视频监控应用
2.5数据库管理系统及其选取
矿井水害预警系统涉及海量空间数据、实时数据以及视频数据的管理，数据库管理系统十分重要。

数据库管理系统(database management system)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称dbms。

它对数据库进行统一的管理
和控制，以保证数据库的安全性和完整性。

用户通过dbms访问数据库中的数据，数据库管理员也通过dbms进行数据库的维护工作。

它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库。

DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）与数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。

2.5.1数据库系统功能
（1）数据定义：DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language），供用户定义数据库的三级模式结构、两级映像以及完整性约束和保密限制等约束。

DDL主要用于建立、修改数据库的库结构。

DDL所描述的库结构仅仅给出了数据库的框架，数据库的框架信息被存放在数据字典（Data Dictionary）中。

（2）数据操作：DBMS提供数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户实现对数据的追加、删除、更新、查询等操作。

（3）数据库的运行管理：数据库的运行管理功能是DBMS的运行控制、管理功能，包括多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取限制控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务的管理和自动恢复，即保证事务的原子性。

这些功能保证了数据库系统的正常运行。

（4）数据组织、存储与管理：DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等，需确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。

数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法提高存取效率。

（5）数据库的保护：数据库中的数据是信息社会的战略资源，随数据的保护至关重要。

DBMS对数据库的保护通过4个方面来实现：数据库的恢复、数据库的并发控制、数据库的完整性控制、数据库安全性控制。

DBMS的其他保护功能还有系统缓冲区的管理以及数据存储的某些自适应调节机制等。

（6）数据库的维护：这一部分包括数据库的数据载入、转换、转储、数据库的重组合重构以及性能监控等功能，这些功能分别由各个使用程序来完成。

（7）通信：DBMS具有与操作系统的联机处理、分时系统及远程作业输入的相关接口，负责处理数据的传送。

对网络环境下的数据库系统，还应该包括DBMS与网络中其他软件系统的通信功能以及数据库之间的互操作功能。

2.5.2数据库技术特点
（1）采用复杂的数据模型表示数据结构，数据冗余小，易扩充，实现了数据共享。

（2）具有较高的数据和程序独立性，数据库的独立性有物理独立性和逻辑独立性。

（3）数据库系统为用户提供了方便的用户接口。

（4）数据库系统提供4个方面的数据控制功能，分别是并发控制、恢复、完整性和安全性。

数据库中各个应用程序所使用的数据由数据库系统统一规定，按照一定的数据模型组织和建立，由系统统一管理和集中控制。

（5）增加了系统的灵活性。

2.5.3数据库选择原则与定型
选择数据库管理系统应从以下几个方面予以考虑：
（1）构造数据库的难易程度。

需要分析数据库管理系统有没有范式的要求，即是否必须按照系统所规定的数据模型分析现实世界，建立相应的模型；数据库管理语句是否符合国际标准，符合国际标准则便于系统的维护、开发、移植；有没有面向用户的易用的开发工具；所支持的数据库容量，数据库的容量特性决定了数据库管理系统的使用范围。

（2）程序开发的难易程度。

有无计算机辅助软件工程工具CASE——计算机辅助软件工程工具可以帮助开发者根据软件工程的方法提供各开发阶段的维护、编码环境，便于复杂软件的开发、维护。

有无第四代语言的开发平台——第四代语言具有非过程语言的设计方法，用户不需编写复杂的过程性代码，易学、易懂、易维护。

有无面向对象的设计平台——面向对象的设计思想十分接近人类的逻辑思维方式，便于开发和维护。

对多媒体数据类型的支持——多媒体数据需求是今后发展的。