高潛水位礦區耕地生產力損害評價GIS系統實現

袁 越，王旭春，張 鵬，管曉明，李東發，張 凱

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；4.國網能源和豐煤電有限公司，新疆 和布克賽爾 834411)

煤炭開采沉陷對礦區土地資源造成嚴重損害?？茖W有效地評價和控制煤炭的開采損害，是煤炭資源開采過程中的重要研究課題[1]。GIS技術已成為開采損害評價的重要工具，國內外學者針對不同區域、不同開采損害特征，基于不同的開發平臺和評價方法，建立了相應的損害評價系統，取得了大量有益的研究成果。文獻[2]針對丘陵和低平山地的地形變化情況，改進了概率法，在GIS(MapInfo)平臺下，建立了塌陷損害評價系統。文獻[3]利用空間數據庫技術和決策系統理論，基于Arcview平臺，實現了塌陷地土地復墾輔助決策支持系統。文獻[4]以概率積分法為沉陷預計應用核心模型，采用ArcIMS開發平臺，構建了開采損害評價WebGIS系統。文獻[5]借助于動態數據交換(DDE)實現了MATLAB與Arcview平臺之間的數據傳輸和塌陷區三維可視化，并對張北井田作了環境影響評價。我國東部高潛水位礦區耕地損害嚴重[6-8]，人地矛盾尤為突出，補償糾紛難免發生。目前的研究成果,未針對東部高潛水位的特點進行損害評價系統的研發，亦未將評價、二維及三維可視化和補償計算有機的結合，形成一體化評價系統。為此，本文針對東部高潛水位礦區開采沉陷耕地損害特征，著重從評價補償一體化系統構建的角度，分析系統功能的總體設計、集成方式和數據庫的建立，并探討系統功能實現的方法。本系統的構建,將為礦區耕地生產力的恢復、土地復墾方式與補償工作,提供必要的科學依據和有力的技術支持，使得開采損害評價補償更加快捷和有效。

1 系統需求分析和總體設計

1.1 系統需求分析

系統需求分析是本評價系統構建的一個關鍵環節，為整個系統的實現奠定了基礎。依據目前東部高潛水位采煤沉陷區耕地破壞的現狀以及影響因子，需求分析主要包括數據需求分析和功能需求分析。

本系統數據庫數據包括了多種數據類型、多樣的數據獲取渠道和多種的數據處理方式，主要有：①基礎數據庫：儲存研究區內地形地貌、采礦工程地質、自然區劃等。②變形預計值數據庫：數據內容有地表下沉值(W)、地表曲率變形(K)、地表傾斜值(I)、水平移動變形(U)、水平拉伸變形(ε)等。③計算結果數據庫：存儲損害評價過程中生成的過渡圖層數據、shp文件數據及計算結果、統計數據等。

本系統的目的是實現對評價區耕地生產力損害程度的分級標定和補償計算，要求實現的基本功能有：①評價因子及其它數據信息的獲?。涸贕IS平臺軟件支持下,獲取屬性數據庫中所需變形預計值數據,以及與損害評價相關的耕地資源屬性信息，作為評價參數及相關專門計算分析源數據。②耕地生產力損害評價與分析：該功能是本評價系統的關鍵功能，通過評價計算模型，調用相關數據庫，求出各評價單元的綜合指標，結合損害評價標準,實現破壞程度的分等定級。③空間信息結果查詢：根據綜合評價計算結果圖，可以查詢任意形狀目標區域耕地生產力損害情況的統計數據，為決策、管理提供科學依據。④評價信息可視化：整個評價計算過程、評價結果和查詢結果,采用直觀、生動的二維圖形圖像、三維視圖和數據表的方式顯示。⑤繪制沉陷剖面：可對采煤沉陷區的三維視圖中任意兩點之間提取沉陷斷面，進而弄清評價單元沉陷損害的空間分布變異性隨平距的變化規律及其與地下潛水位線的上下位置關系。

1.2 系統總體設計

根據東部高潛水位礦區的實際情況以及系統的使用對象和評價對象，確定系統的目標和任務是:以ArcGIS為平臺基礎，合理選擇編程工具，建立空間數據庫，綜合應用ActiveX技術和三維可視化技術，對ArcGIS平臺進行擴展，開發出與功能相適應的各評價分析模塊，進而集成為專業應用型的GIS可視化評價系統，為礦區規劃管理部門進行土地復墾治理和補償工作提供一定的科學依據和空間信息管理平臺。通過選取典型開采沉陷耕地損害區域進行損害評價計算和分析，檢驗系統的有效性和精確性，并進行進一步的修改和完善。

依據系統的開發目標和系統的功能需求分析，系統的總體設計如圖1所示。系統結構主要包括圖形、屬性數據的維護和處理、空間信息查詢和評價結果分析、損害評價計算、三維分析和信息輸出等五大部分。圖形、屬性數據的維護和處理的主要功能,是對屬性數據進行內部排序和圖形圖像數據分層提取，生成耕地損害評價系統所需的各類數據格式。損害評價計算是依據各評價單元的綜合指標，結合損害評價標準實現損害分級標定，并自動計算出各目標區的各級損壞面積和補償金額?？臻g信息查詢和評價結果分析,可實現任意子目標區耕地損壞信息的分類查詢和評價結果的統計分析。三維可視化提供采煤沉陷耕地損害評價區三維場景的生成及查詢空間屬性、繪制任意兩點間剖面的功能。

2 軟件平臺的選擇及系統實現方法

2.1 軟件平臺的選擇

鑒于需滿足開放的開發環境(ODE)、數據統一及共享、組件(COM)技術、空間分析和數據處理能力強等要求，特選取美國ESRI公司研制的桌面GIS軟件ArcGIS 9.2作為系統的軟件開發平臺。選擇具有簡單、通用性強、支持多種數據格式文件等特點的微軟公司著名的桌面數據庫軟件Microsoft Access 2003作為后臺屬性數據庫。采用Visual Basic 6.0面向對象可視化程序設計語言，實現系統的數據庫管理、各評價功能模塊開發，完成評價系統的集成等功能。

圖1 系統總體設計示意圖

2.2 系統實現方法

開采沉陷預計是進行開采損害評價的基礎性工作，所得的地表變形預計值是評價系統的主要數據源，在此通過“開采沉陷可視化工程分析設計系統”[9]預計生成并轉入空間數據庫。本評價系統兩個核心功能實現的技術方法,是開采沉陷區耕地生產力損害評價的二維可視化和采煤沉陷區的三維可視化。

開采損害評價的二維可視化,是通過區域地形圖、耕地利用類型圖和井上下對照圖的疊置分析，調用所需的評價基礎數據，結合評價標準，逐個識別評價單元進行渲染損害分級和補償計算，并利用ArcObjects的控件MapControl來實現?？臻g查詢和分析,可以通過ArcGIS相應的組件進行定制和擴展。

采煤沉陷區的三維可視化,是根據開采沉陷地表移動變形預計值生成TIN表面，并進行紋理疊加。沉陷區三維場景的生成和任意剖面圖的提取,可利用ArcObjects的三維可視化控件ArcScene來實現，通過調用控件的對象、屬性和方法生成可視化圖形、圖像。

考慮煤炭開采沉陷對耕地生產力影響的本質因素，并針對我國東部高潛水位采煤沉陷區耕地損害的典型特征，本文引入文獻[10]中所構建的綜合定量評價模型。評價模型與GIS的集成有不同的方式，包括文件傳輸方式、系統調用方式、動態數據交換方式(DDE)、動態聯接庫方式(DLL)以及組件方式(ActiveX)等?？紤]到模型對基礎數據及GIS功能的要求、用戶界面的統一性、模型與GIS連接的緊密性,以及程序設計工作的難易程度，本系統的集成方式采用DLL及其擴展方式。

3 數據庫的建立

構建空間數據庫是進行沉陷區耕地生產力損害評價的重要環節。本系統的空間數據庫由圖形數據庫和屬性數據庫兩部分構成，數據庫結構見圖2。

圖形數據的獲取,是通過對評價區的地形地貌圖、采礦地質條件圖及各類專題圖的數字化及解析測圖。圖形數據內容主要由地理底圖數據、shp文件、Coverage文件、CAD圖件組成。本系統的屬性數據獲取,采用手動錄入的方式，同時通過開采沉陷可視化工程分析設計系統(MSVEADS2001)[9]預計生成并轉存到屬性數據庫中。屬性數據內容主要包括土地屬性數據表、移動變形預計值數據表、分級標準及評價參數數據表、耕地損害補償標準數據表等,并通過Microsoft Access 2003數據庫軟件進行管理。

雖然圖形數據庫和屬性數據庫各自獨立存儲，但是在進行開采沉陷損害評價訪問數據庫的時候,要求它們實時鏈接。為此，本系統空間數據庫通過編寫動態鏈接碼(FID),把圖形庫與屬性庫進行鏈接。

4 系統主界面與各主要功能模塊

本系統操作主界面嵌于GIS軟件ArcGIS 9.2內， 依托ArcGIS功能強大的優勢，豐富了本評價系統的各項功能，從而能高效完成一些過程復雜、計算量大的任務。系統主界面主要包括煤炭開采地表沉陷預計點層、損壞程度標定、評價計算、沉陷三維圖和繪制剖面圖等功能模塊。

耕地損害評價是本系統的核心功能，可實現沉陷區耕地生產力損害的自動計算及損壞程度的分級標定，主要包括損害分級、評價計算和空間查詢三個功能模塊。

圖2 系統數據庫示意圖

三維可視化主要包括沉陷三維圖與提取任意剖面模塊，完成沉陷區耕地的三維效果圖的制作、任意剖面圖的繪制及三維空間屬性信息查詢。用戶能夠立體地觀察、分析，從而進一步認識目標區域的地表沉陷、耕地損害情況、破壞域大小等，也為規劃管理者科學決策提供了一定參考依據。

5 實例分析

為了驗證本評價系統的科學性、有效性，特以兗州礦區為例進行實證分析研究。兗州礦區位于山東省西南部，屬于湖東山前沖積平原，耕地面積大，主要農作物為小麥、玉米等，是我國東部平原典型的高潛水位礦區?，F選取鮑店礦典型采煤沉陷區為評價對象。評價區處于兗州煤田的中部，西部與二煤區搭界，東鄰東灘煤礦，北部以工業廣場保護煤柱為界，南部是煤層露頭，地下潛水位平均值為3.5m，采煤沉陷基本穩定后，地面最大下沉深度約為5.5m，部分地段形成水深約2m的常年積水區，嚴重破壞了耕地的生產力。

收集評價區工程圖形、圖像、土地屬性數據等相關基礎資料，并借助微軟的Microsoft Access2003數據庫系統軟件，建立評價區空間數據庫。應用本評價系統對評價區進行耕地生產力損害GIS可視化分析與評價，主要結果如圖3～7。

圖3 耕地生產力損害分級圖

圖4 耕地生產力損害評價計算結果

圖5 沉陷區耕地三維可視化

圖6 AB間剖面圖

圖7 CD間剖面圖

由圖3可見，研究區內紅色所示完全損害部分面積較大，僅次于輕度損害面積。結合評價計算結果表(圖4)可知，完全損害耕地的面積達到780畝，并且地處盆地中心區域。究其原因，主要是因為紅色區域完全位于采煤工作面103上01、103上02、103上03、103上04和103上05上方地表，煤層開采上覆巖層移動變形波及地表，致使此部分損毀最厲害。由圖4可見，研究評價區范圍內,完全損壞總面積達779.4畝，賠償總額可達2.775×107元，其中耕地塊“蔡廠2003新增-2”的完全損壞面積最大229畝，賠償金額達到690萬元。

從評價研究區三維場景圖(圖5)可以立體的看出各耕地的沉陷情況。由圖6可見，地表最大下沉深度達到3.7m，部分已處于地下水位以下，形成積水坑，造成作物減產。由圖5、7可知，由于地表移動變形，“前西渠2003新增”耕地塊位于沉陷坡地，容易引起養料、水分的流失，并且底部低于地下潛水位線0.4m之多，加速了地塊的鹽堿化，降低了耕地生產力，導致農作物的減產甚至絕產。

6 結論

1) 應用本評價系統對鮑店礦典型采煤沉陷區進行了耕地生產力損害評價，其結果基本符合實況，可為耕地復墾規劃及損害補償提供一定的科學依據，表明了該系統的科學性、有效性和合理性。

2) 利用組件式GIS具有系統集成效率高、開放的開發平臺、開發語言不唯一等眾多優勢，提高了本系統實現的效率,降低了開發的難度，使得系統具備良好的擴展性和可操作性。

3) 隨著采煤沉陷區耕地復墾規劃與治理工作的開展，GIS技術作為一個快捷而又有效的評價計算手段，其優越性愈加凸顯出來，三維耕地損害評價將會是一個發展方向。本系統在模型優化、功能擴展方面，尚需進一步的研究。

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