（安全技术及工程专业论文）GIS支持下的矿井可视化信息管理系统研究.pdf

河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 啦sp a p e rp a s s e st ot h ef l r t h e ri n v e s t i g a t i o no ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ti nt h ep i to fo u rc o u n t r y sc o l l i e r y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gd o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a ld i f f e r e n t 廿a d ev i s u a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts t y l e s h a v ep u tf o r w a r da n d u t i l i z e dt h ew a yi nw h i c ht h e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e mc a r r i e so ns e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt os e tu pt h em e t h o do f t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ep i to f c o l l i e r y o fo u rc o u n t r y a n db yc o m b i n i n gt h ea c t u a lc o n d i t i o n so fb i g e z h u a n gc o l l i e r y ，t a n g s h a n h u i d ag r o u p ( t h i st e x tb i g e z h u a n gc o l l i e r ya f t e ra b b r e v i a t i n ga s ) ，w eh a v ec a r r i e do nt h e d e v e l o p m e n to f t h es y s t e m ss o f tw a r eo f t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t f i r s to f a l l ，t ot h eg e o g r a p h i c a li n f o m a a t i o ns y s t e m ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mi s a b b r e v i a t e da sg i s ) ，d e s i g ns u p p o s e db yg e o g r a p h i c a lt h e o r yo fi n f o r m a t i o ns y s t e m ，f a c et h e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ep i to ft h ei n f o r m a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h ep i to ft h e c o l l i e r ya n ds e tu pt h es c h e m e t h r o u g ha n dd e v e l o pt h ea n a l y s i so ft e c h n o l o g yt ot h e g e o g r a p h i c a ls e c o n d a r yd e v e l o p m e n t s o f t w a r eo fi n f o r m a t i o ns y s t e mm i n g ，h a v ep u tf o r w a r d a n du t i l i z e dr i p es o f t w a r et oi n t e g r a t et h el o wt e c h n o l o g i c a lr o u t eo fc o s tw m lh i g he f f i c i e n c y d e v e l o p e d a n dt ou t i l i z i n gv i s u a lb a s i ct oc a r r yo nt h et a r g e te m b e d d e d l y ( o b j e c tl i n k i n g e m b e di sa b b r e v i a t e da so l e ld e v e l o ps o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n dd ot h er e s e a r c ho n e - s t e p d e e p e r o nt h eb a s i so ft h es u r v e ya n dd e e ps t u d yo ft h ec o l l i e r yo fb i g e z h u a n g ，t h et e x th a s a n a l y z e da n dp u ti no r d e ra b o u tt h ei n f o r r n a t i o ni nt h ed i to ft l l i so r e ；u t i l i z i n gn o w a d a y s p o p u l a rg e o g r a p h i c a ls o f t w a r ef o re d i t i n go fi n f o r m a t i o ns y s t e mm a p l n f od e s k t o pf i g u r et o c o m b i n ew i mv i s u a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r ev i s u a lb a s i c 、i tc a r r i e so nt h ei n t e g r a t i n gt y p e g e o g r a p h i c a ls e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns y s t e m w eh a v eg o tt h e v i s u a l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ss o f tw a r eo fc o l l i e r yo fb i g e z h u a n ga f t e rd e v e l o p i n g ， u t i l i z i n gt h ed e s k t o pf i g u r ed a t a b a s et oc o m b i n e w i t hi t sa t t r i b u t ed a t a b a s ea n d g oo ni nt h ep i t ， a n di n f o r m a t i o ni sm a n a g e dv i s u a l l y t h i sr e s e a r c hr e s u l t ss h o w ：c o m p a r e dw i t hd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i m i l a rs y s t e m ， o l ss u p p o r t st h ev i s u a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fm i n eu n d e rt op r o d u c et h e i n f o r m a t i o ns p a c ev i s u a l l yi nt h em i n e ，s u c hr e s p e c t sa ss p a c ei n f o r m a t i o ns h a r i n g ，p r o d u c t i o n s c h e d u l i n gc o m m a n dd e c i s i o nh a v eal o to fo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s d e v e l o p m e n to fi t f o r f i n i s h e sb i g e z h u a n gm i n es a f e t ym a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o ni n q u i r yw o r ko fc o l l i e r yo f f e ra k i n do fe f f e c t i v em e t h o d ，i n j e c t sn e wv i g o ri n t om o d e r n i z a t i o nm a n a g e m e n to ft h ec o l l i e r yo f o u rc o u n t r y f i g u r e2 6 ，t a b l e1 k e y w o r d s ：g i s ，m a p l n f o ，v i s u a l i z a t i o n ，m a n a g e m e n to f i n f o r m a t i o ns y s t e m ，c o a lm i n i n g c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 6 7 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 丛生日期：翟堡年竺月上日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：瞳导师签名：昏鑫丛生日期：竺竺年上月兰日 引言 引言 矿井可视化是在我国煤矿信息化的进程中，发展起来的一支生力军。信息化是当 今世界发展的大趋势，信息化程度的高低标志着一个国家的科技发展程度。煤矿企业 是经济发展中一支骨干力量，它的信息化程度在社会发展中占着重要的地位，随着信 息技术的飞速发展和全球信息化进程的加快，对煤矿安全管理水平和管理手段提出了 新的、更高的要求。煤矿管理部门在以往工作实践中积累了大量的地质资料和图纸， 在使用过程中用手工操作既困难，又费时费工，因此，如何运用现代化手段提高工作 效率和管理水平就成为新的课题摆在我们面前。 近几年来计算机技术迅猛发展，高档次机器及大型外部设备的普及化，使得利用 计算机处理日常较为复杂的图形、图像成为可能，且数据处理能力也大幅度提高。我 国矿业部门的有识之士不失时机地提出了矿山地理信息系统( m g i s ) 的新概念，并在深 入理论研究的基础上，提出了发展我国矿山地理信息系统的基本模式和技术路线。地 理信息系统在我国矿山建设和能源发展的进程中，已经或正在发挥出其重要作用。在 煤矿的安全生产中准确、快速的掌握井下的生产环境和进度，对煤矿的生产管理决策 起着至关重要的作用。但目前我国中小煤矿在这一领域的投入还不够，这就要求我们 开发一套井下可视化地理信息系统( v m g i s ) 集日常管理工作中的文字信息、报表信息 及平面图形、立体图形等一系列图像的信息管理和地理信息为一体。由此可见，矿山 地理信息系统在我国煤炭行业中，必将日益受到重视，它对推动我国煤炭工业的发 展，将起到越来越大的作用。 目前一些煤矿管理者靠的是手工矿图或c a d 矿图和一些报表、卡片来进行生产管 理。这就造成了信息的滞后，给安全管理工作带来了很多弊病。本文“g i s 支持下的 煤矿可视化信息管理系统研究”就是集图象、生产信息、井下设备运转情况、井下环 境情况、人员情况于一体的可视化信息管理系统的研究，目的在于寻找一种高效科学 合理的信息管理方法及模式，在为不断发展的矿井信息管理服务的基础上，探索一条 适合矿山规模不断发展的矿井安全管理的新路子，有效地解决矿井安全生产管理中存 在的步调不致问题。利用g i s 技术形成套有效的矿井安全高效可视化信息管理系 统。从而为蓬勃发展的矿井安全生产事业提供有力的软件支持，促进矿山事业健康有 序的向前发展。 河北理工大学硕士学位论文 本文采用可视化编程技术和强大的g i s 软件，形成基于g i s 的可视化信息管理系 统，为煤矿管理人员提供详实、可靠的井下综合信息，为领导进行正确决策提供强有 力的技术手段和数据保障，同时为煤矿这样的管理复杂、生产安全性差、工作场所可 视性差的企业，探索有效的管理方法打下坚实的基础。 2 一 1 文献综述 1 文献综述 1 1矿山地理信息系统的应用研究现状 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 是一项以计算机为基础的 新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科， 是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地 理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关 系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地 图、图形或数据的形式表示处理的结果【2 j 。 在g i s 的基础上，利用它的丌发函数库二次开发出用户的专用的地理信息系统软 件。目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规 划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个 领域1 3 l 。国内外g i s 在矿区的应用已有十几年的历史，广大的矿业科技工作者在g i s 用于矿区土地规划、环境监测、测绘制图、资源管理等方面都作了大量的工作卧【6 1 。 地理信息系统向矿业领域的渗透以及g m s ( g e o s c i e n c e m o d e l i n gs y s t e m ) 和 g i s ( g e o s c i e n c ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的出现，是始于8 0 年代后期。以加拿大、澳大利 亚、美国、英国为代表，陆续开发了如l y n x ，m i n e m a p ，m i n e t e k ，m i n e 0 f t ， m i n e c a p ，v u l c a n ，g e o q u e t 和a t a m s n e 这样一些代表性的矿山模拟和矿业应用 系统软件，并在世界许多采矿国家获得应用。 近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市 规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良 好的经济效益和社会效益。中国矿业大学( 以下简称中国矿大) 以g i s 为基础，建立了地 应力场分析系统，将宏观遥感图像分析以微观应力测量相结合，并利用地理信息系统 进行了多元地学及矿山信息的综合叠加分析，以取得初步效果。控制和反映矿山应力 场的因素很多，也十分复杂。用常规技术方法模拟应力，一般是把岩体当作均匀体来 处理。而事实上，矿山存在着各种尚未探明的小构造，使得出的应力场往往与实际情 况大相径庭。解决这一问题的办法，就是把多种影响因素综合起来进行分析，而矿山 地理信息系统则是完成这种空间分析的有力工具【7j 。此外，中国矿大还在矿井三维立体 图、矿体底板三维立体图的自动绘制方面取得了突出成果，其研制的矿山空间信息综 河北理工大学硕士学饪论文 合处理系统，曾获得1 9 9 5 科技进步奖【8 j 0 西安煤罔航测遥感局应用遥感和地理信息系 统技术，在航天地质测量、煤田预测、遥感地质等任务中取得了多项成果，效果颇佳 【9 】。 利用g i s 在胶东金矿区建立起胶东金矿找矿模式i lo 】；利用g i s 预报在焦作东部矿 区煤矿底板中的突水情况】，都取得了明显的效果。地矿部于1 9 9 5 年在四川应用g i s 开展矿产资源区域评价工作已取得实质性进展，并已向全国推广【l2 】；冶金部中南地勘 局利用g i s 对鄂东南地区铁矿成矿地质条件和成矿预测进行了研究，结果表明g i s 在 成矿预测方面具有如下优点：( 1 ) f l 快速分析成矿有利地段和找矿标志：( 2 ) 能得到人工 方法难以确定的地质异常带，如断裂控矿影响宽度带；( 3 ) g i s 与传统方法相比，可加 速数据的分析对比，缩短研究周期；( 4 ) g i s 对各种地学图件和输入的数据，既可长期 保存，又可根据研究者需要，进行增添和修改l ”l 。此外，中国科学院、中国矿业大 学、中南工业大学、广西地调院等利用g i s 技术对成矿预测区进行定性和定量研究， 圈出了成矿有利地段【1 4 h 1 6 1 。西安煤田航测遥感局应用遥感和g i s 技术在航空地质测 量、煤田预测、遥感地质任务中取得了多项成果，效果显著”7 j o 我国在矿山地质测量信息系统开发与应用研究方面也取得了重要进展，如北京大 学的毛善君开发出了矿山测量图形信息管理系统，煤炭科学研究总院西安分院的萨贤 春等开发出了煤矿地测信息系统( m g s ) 等，中国矿业大学研究开发出了一套既符合中 国矿业特色、满足矿业需求，又跟踪国际g i s 发展动态和技术水平的具有自主版权的 m g s 基础软件平台一t t m g s 2 0 0 0 等【2 0 i 。 矿山地理信息系统( m i n eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称m g i s ) 具有以下主要 特点： 1 ) 多源性。数据涉及不同的领域、不同的来源和不同的载体。 2 ) 时空特性。数据具有时空四维的几何和属性信息，并且随着生产的进行，数据 处在不停地更新、增删之中。 3 ) 多时相性。矿山信息涵盖矿山生产和矿山建设的各个阶段。 4 ) 不确定性。各种空间、资源和环境数据具有不确定性或模糊胜。 矿山地理信息系统的发展还存在着以下问题： 1 ) g i s 在矿山发展的不平衡问题 建立m g i s 是一个巨大的系统工程，需要很多的硬件设备。就计算机及其外围设 备来说，需要有高效处理能力的微型计算机，图形数字化仪或扫描仪是必备的设备； 4 1 文献综述 对于w e b g i s 来说，大容量、高效率的服务器必不可少；用于采集空间数据的测绘仪 器应该采用能够直接与计算机接口的全站仪设备，以减小人工计算的强度。闩前，g i s 在各矿区的发展极不平衡，新兴的矿区由于技术先进、投资充足，各种设备比较齐 全，己具备建立m g i s 的能力，有的还建立了相应的信息管理系统，而大多数的老矿 区连基本的计算机设备也没有，g i s 对他们来说还是一个很陌生的概念，建立m g i s 还需鹱走很长的一段路。 2 ) 阻碍m g i s 发展的“技术误导”问题 市场机制发育的不平衡、相应技术标准和应用规范的缺乏，这部表明目前我国 m g i s 技术市场处于不健全、不规范时期。如果这种局面不能尽快得到改善，则直接严 重阻碍矿业部门生产经营管理工作的现代化进程。面当前会对m g i s 技术应用造成直 接影响的是市场中存在的软件对不成熟用户的“技术误导”现象：g i s 在我国的发展 是从最初的地图制图开始的，所以选择的软件具备很强的图形管理功能，m g i s 也不例 外，而忽略了信息管理的重要性，随着时间的推移和应用经验的不断积累，这种软件 在对应用需求的适应性方面的先天性弱点将逐渐暴露无遗。山这些软件建立的系统与 各设备之间大多内容单一，各自独立，安装在不同的科室与部门。给信息共享与交换 带来诸多不便，在很大程度上造成资源浪费，致使局矿领导及有关人仍然无法及时全 面了解井下安全、生产及工况运转情况信息，不便生产调度指挥1 2 l j l ”j 。 3 ) 缺乏国家技术标准、规范问题 在分析了我国m g i s 当前存在的问题之后，不难发现其基本矛盾：急速增长的应 用需求推动着市场迅速发展，而相应的技术标准和应用规范制定工作却未能及时完 成。这就是“市场发展超前，技术标准滞后”现象。各矿区分别采用不同的g i s 标准 和目标，造成的结果是数据格式的不统一，信息不能共享，系统建成之后才发现缺乏 m g i s 基本的技术标准和应用规范、软件的基本应用功能定义、软件的系统结构及运行 方式描述；数据交换格式定义，数据交换操作描述敲术支持功能定义、技术支持体系及 运行方式描述等。 与此同时，煤矿生产中的大量非空间信息，如统计、报表信息，需要系统管理输 出，运输系统的工作情况，通风系统图，瓦斯实时监测功能等都不仅含有空间数据t 同时有大量的非空间信息等，这些信息几乎随着开采的进展情况而变化：矿区的有关信 息须及时更新进而产生有关开采煤层，开采进度，采矿方法，开采引起地表沉陷等方 河北理工大学硕士学位论文 面的图形数据或表格式数据，这些都需保存和及时输出；当发生矿井事故时，需要可 靠准确的可视化数据，为决策系统服务f 2 4 】i ”1 。 所有这些都是矿山信息管理系统中急需解决的问题。 1 2 我国煤矿信息管理系统现状 我国的煤矿开采以井工为主，矿井生产系统由丌采、掘进、运输、通风、供电、 排水、通信等几大系统组成，矿井生产管理的任务是准确、实时地采集井下的各种生 产信息，如采掘进尺、采面、掘进头的瓦斯浓度、机电设备的安装运行情况、人员的 分布等等，以便科学的指挥安全生产。这些调度信息都是空间信息，它是指空间图形 信息( 图形) 以及基于图形信息的属性信息口q 【2 7 1 。 目前我国大型国有煤矿逐步发展起来了电机车调度系统、安全考勤系统、工业电 视系统、矿井提升监测系统、核子秤测重系统、供电监测系统、安全监测系统等但这 些系统都是各自为政，给信息的共享与交换带来许多不便，在很大程度上造成了浪 费，而且不能将空间数据和属性数据结合起来，难以快速地将其数据和空间地理位置 对应起来，现有系统的不足有以下几个方面： 1 ) 煤矿现有的图形处理。大多借助于a u t o c a d 的开发和编辑环境。由于它只是 计算机辅助设计系统，它强调数据显示而不是数据的分析，无法大量存储各种矿山属 性信息，这就给调度信息查询和生产管理决策带来了很大困难。 2 1 现有的g i s 软件基本上都是通用的g i s 软件，至今还没有见到煤矿专用的g i s 软件。这些软件系统庞杂、用户难以掌握，系统的功能不能满足煤矿的需要，而且价 格昂贵。 3 ) 由于煤矿灾害具有突发性、灾害性、破坏性、继发性等特点，加上井下的环境 十分复杂，由于灾变的发生、发展，井下人员分布具有不确定性和动态性，如果没有 空间信息很难做到正确决策。 由此可见，基于传统的矿井管理方法不能很好的反映和处理这些大量的空间信 息，特别是在空间信息的可视化及决策支持上的严重不足。我们可以完全借助地理信 息系统这一先进的技术手段来扩充和增强现有矿井安全管理的现代化水平2 舭l 【3 0 】。 一6 l 文献综述 1 3 矿井可视化 可视化本意即是变成被视觉所感知。可视化这个词的使用可追溯到至少4 0 年以 前，它是一个心智处理过程，指在人脑中形成对某物( 某人) 的图像，促进对事物的观察 力及建立概念等，直到1 9 8 7 年美国国家科学基金会报告界定了科学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，简称v i s c ) 新的含义：“可视化是种将抽象符 号转化为几何图形的计算方法，以便研究者能够观察其模拟与计算的过程和结果，包 括图像的理解和综台，也就是说可视化是一个工具，用来解释输入计算机中的图像数 据和根据复杂的多维数据生成图像。它主要研究人和计算机怎样协调一致地接受、使 用和交流视觉信息。”可见，科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统， 把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受和交互处理的计 算机图形图像，从而来进行数据探索和数据挖掘l 巧h 2 。1 。近年来“可视化”的概念频繁 的出现在计算机科学和地理信息科学之中，如可视化编程、可视化评价等，这与视觉 在信息世界中的特殊地位有关。人接受“可视化”数据的速度要比纯数字快得多，所 谓“千言万语抵不上图纸一角”正是表达了串行的一维语言对二维空间信息传输的能 力远远比不上图纸的这一事实。 随着计算机技术的发展。科学计算也出现了可视化3 1 h 3 3 1 ，它是利用计算机图形学 与图象处理技术相结合，使科学计算过程中产生的数据及计算结果转化为图形和图像 显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，其主要功能是从复杂的多维数据中 产生图形，也可以分析和理解存入计算机中的图像数据，实现科学计算的可视化可极 大的提高科学计算的质量和速度，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使 许多抽象的、难于理解的原理、规律和过程变得更容易理解；枯燥而冗繁得数据和过 程变得生动而有趣，更人性化；通过交互手段，改变计算的环境和所依据的条件，观 察其影响，实现对计算过程的引导和控制。 当今的可视化概念己大大扩展，它包括科学技术计算可视化、体可视化和信息可 视化。正由于可视化技术具有交互的环境，多维的属性和强大的可视性特点，它以广 泛的应用于自然科学、工程技术、金融、通信和商业领域。在空间信息领域。如地质 找矿、气象预报等g i s 也起着越来越重要的作用。在砂土液化评价中引入g i s 这一工 具也就是要应用g i s 的可视化的功能。 目前，可视化技术的研究热点有：体可视化技术：可视化交互手段与工具：数据 造型技术及数据场信息显示技术等i 3 4 】【3 6 1 。 7 河北理工大学硕十学位论文 可视化技术是地理信息系统所具有的重要功能之一【12 1 。利用地理信息系统，人们 可以在数字地图、影像和其它图形的显示中，来分析它们所表达的各种类型的空间关 系。在可视化显示中，有关空间关系模式的研究常常需要对某些数据值做进步的探 查和分析。通过地理信息系统，用户可以直接查询到那些需要作进一步分析的数据， 而无需像地学传统方法那样，去校对图纸上的数据”1 3 s l 。 矿井可视化过程，包括矿井图形图像的生成和矿井空间数据的查询分析。矿井图 形图像包括用于数据显示的二维图或三维图，以及用于随数据进行分析评价的可视化 表达的散点图、直方图和条形图表等。在视窗环境中同时建立某种地理对象的多种类 型的图形图像，利用图形图像之间基于地理分析方法模式建立的动态关联，可以更清 楚的表达对象的展布模式及其不确定性3 9 1 1 。 易于使用、界面友好、功能强大的m a p l n f o 软件已经被称为“世界信息可视化系 统的标准和领导者”，得到了广泛的应用【4 2 】。m a p i n f o 软件实现了2 维地图f 平面图) 的数据存储、管理、查询和显示能力。但在许多工作中，需要3 维动态交互式可视化 地理信息系统( a l s ) 来支持决策系统，既要能像m a p l n f o 软件2 维地图窗1 ：7 一样查询每 个对象的属性，又能进行相应3 维真实景观的显示，真3 维g i s 无疑能满足这种需 求，其研究已经在各个方面取得了一定的进展。但是由于其复杂的数据结构和数据管 理所造成的困难，要成为与现有2 维g i s 一样的软件产品还需一定的时间。目前，实 现3 维g i s 主要使用a u t o c a d 软件、3 d s m d i o 软件和v i s u a l c + + 6 0 f o r w i n - d o w s 9 8 n t 及图形库o p e n g l 工具。在实现地理信息系统3 维可视化显示方面，由于数据计算量 和数据转换比较费时，运行效率成为3 维显示时应该注意的重要因素。在实现可视化 时，应该根据用户处理速度要求来进行设计1 4 5 卜【4 引。 1 4 地理信息系统( g i s ) 及可视化开发技术 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多 种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，过去， g i s 被认为是一项专门技术，其应用主要限于测绘、制图、资源和环境管理等领域。 随着技术的发展和社会需求的增大，g i s 应用日趋广泛，它不但在资源和环境管理与 规划中成功应用，而且在工程建设、设施管理、日常生活中也得到了很好应用。它是 横断计算机科学、信息学、遥感科学、测量学、地图学、地理学、资源学、环境学等 1 文献综述 多学科的一门新兴边缘学科。其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化 及空间分析技术。与其他信息系统相比1 4 9 1 f 5 ”， g i s 具有以下三方面的特征： 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，地理数据包括属性数 据和空间数据。利用空间坐标来表达实体的室间位置是g i s 数据管理的基本思想。g i s 采用数据库的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等，与g i s 地理数据 的特征相结合，发展形成g i s 空间数据库技术，用来实现地理数据的数据库管理。空 间数据库技术是g i s 技术的核心。 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空阳j 分析， 多要素综合分析和动态预测能力。产生高层次的地理信息。实现了地图实体与其属性 数据库的关联。通过建立地图实体与属性数据库的关联关系，可以实现图形数据与属 性数据的同步查询、统计和分析，这是g i s 与其他图形系统的主要区别之一。 3 1 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专1 3 的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人力难以完成的任务。计算 机系统的支持是g i s 的总要特征，使g i s 得以快速、精确、综合地对复杂的地理信息 系统进行空间定位和过程的动态分析。 虽然g i s 是一门综合的边缘学科，但是其核心是计算机科学，基本技术是数据 库、地图可视化和空间分析【5 2 】 5 4 】。 流程图如图l ： 1 4 1g i s 技术的发展 图i 流程图 f i g 1f l o wc h a r t g i s 这个词是加拿大人p o g e rt o m l i n s o n 首先使用的，g i s 经过了4 0 多年 的发展，已经成为信息技术的重要组成部分，成为一种生机勃勃的产业。在资源管 理、城市规划、环境管理、设施管理等空间信息相关领域得到了广泛应用，形成多层 次和多尺度的应用领域格局，并成为一个快速增长的产业。g i s 软件技术是它的基 础，软件的发展经历了五个阶段，即：集成式g i s 、模块式g i s 、核心式g i s 、组件式 g i s 、万维网g i s 。具体特点见下表1 ： 9 河北理工大学硕七学位论文 特点在一个系统中系统分成许从底层提供 集成了g i s 的多相对独立g i s 功能，通 各项功能的功能模块 过a p i 访问 功能满足了g i s 综用户根据需易于集成其 合应用的需要要选择功能他系统 模块 存在系统过于复难与其他系开发难度 问题杂，软件成本统集成 高，不能进 高：难与其他 行可视化程 通过标准通信接 口实现模块间通 信及g i s 与其他 系统集成 开发成本低、难 度小，可以在通 用语言环境中实 现g i s 功能 有待于进一步发 展 结合i n t e m e t ， 实现g i s 的共享 和互操作 社会化的g i s ， 可扩展性好，跨 平台 目前还不成熟 系统集成 序设计 1 4 2 桌面g i s 制图产品模式 很多g i s 产品具有桌面制图的功能，如m a p i n f o 公司的m a p i n f o ，e s r i 公司的 a r c v i e w 。a r c e d i t ，和a r c l n f o 等产品。桌面制图提供的产品不仅可以对数字地图进行 显示、漫游、缩放还可以对地图进行实时编辑。 桌面制图产品不仅可以储存图形信息，还可以存储属性数据信息把他们通过数据 库指针实现之间的数据互联。此外桌面g i s 提供了二次开发语言进行界面的开发，从 而能够进行根据不同的用户环境量身定做应用g i s 系统软件。 地图既是储存信息的载体，又是表达信息的形式，如果把地图计算机化，那么储 存信息和表达信息的双重功能就被分开，前者以数据方式储存起来。后者用图形、文 字报告方式来显示。分析工作不是直接对地图进行，而是先对数据作处理，然后把结 果显示出来。为了对数据分门别类地作查询、分析，就必须在输入到计算机之前就对 不同专题的信息在逻辑上区别开来。 目前，通常的方法是用“层”的概念来分别存储不同专题的空间信息1 2 4 1 1 2 5 1 。即为 一个分层的例子。在图层中，每一层存放一种专题或一类信息，并有一组对应的数据 文件。在具体的数据库设计时，分得过细不便于操作人员记忆，管理上比较麻烦；分 得过粗不利于某些特殊要求的分析、查询。一般来说，分得粗好还是分得细好，必须 根据应用上的要求、计算机硬件的存储量、处理速度以及软件的限制来决定1 5 ”。 1 0 1 文献综述 地理信息系统的空间分析分为三个层次：第一是空间检索，即从空间位置检索空 间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技 术，如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息，将影响地理信息系 统的分析能力。另一方面，空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。第二是空 间拓扑叠加分析，空间拓扑叠加实现了输入特征属性的合并以及特征属性在空间上的 连接。目前，空间拓扑叠加被许多人认为是地理信息系统独特的空间分析功能。第三 是空间模拟分析，空间模拟分析刚剐起步不久，目前多数研究工作着重于如何将地理 信息系统与空间模型分析结合。 1 4 3 信息管理系统的开发方式 l 、开发方式的种类和比较 地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，以某 一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统； 二是工具型地理信息系统，也就是g i s 工具软件包，如m a p i n f o ，a r c i n f o 等，具有 空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功能。 一般而言，应用型g i s 开发有三种主要的实现方式： ( 1 1 独立开发 指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结 果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如v i s u a l c + + 、d e l 曲i 、v i s u a lb a s i c 等，在一定的操作系统平台上编程实现。 ( 2 ) 单纯二次开发 指完全借助g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g i s 工具软件大多 提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s r i 的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言， m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供m a p b a s i c 语言等。 ( 3 1 集成式二次开发 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如a r c v i e w ，m a p l n f o 等，实现 g i s 的基本功能，以通用软件开发工具如d e l p h i ，v i s u a lc + + ， v i s u a l b a s i c ，p o w e r b u i l d e r 等为开发工具，将二者集成进行系统开发。 由于独立开发难度太大，所需时间长，单纯二次开发受g i s 工具提供的编程语言 的限制，开发效果差强人意。因此，结合g i s 工具软件与当今可视化开发语言的集成 河北理丁大学硕十学位论文 二次开发方式就成为g i s 应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用g i s 工具软件 对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便 等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化 软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，并且 具有可靠性好、易于移植、便于维护等特点。 2 ) 集成开发的种类及比较 集成二次开发目前主要有两种方式： ( 1 ) o l e d d e 技术 采用对象链接和嵌入自动化技术( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d e da u t o m a t i o n ，o l e a u t o m a t i o n ) 或动态数据交换技术( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，d d e ) ，用软件开发工具开 发前台可执行应用程序，以o l e 方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利 用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。 ( 2 ) g i s 控件技术 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在a c t i v e x 技术基础上的g 1 s 功能控件， 如e s r i 的m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 公司的m a p x 等，在d e l p h i ， v c + + 等编程工具编 制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。 两种开发方式各具特色。利用o l e 技术集成开发，几乎可实现g i s 工具软件的全 部功能，开发周期短，费用较低，但需要g i s 基础平台；g i s 控件开发技术，占用资 源少，编程过程简洁、灵活，但一些复杂的地理分析功能难以实现。 1 2 2 系统研究目的与总体设计 2 1 系统研究目的 2 系统研究目的与总体设计 通过对国内外g i s 应用水平和地理信息系统二次开发方法的研究，依据地方煤矿 的生产现状和技术装备水平，寻找一种适合我国煤矿特点的现代化生产管理方法。将 g i s 技术用于矿井安全生产管理，再与办公自动化技术相结合，真正实现图、文、表 一体化的综合性的可视化矿井信息管理系统，能够完成各种复杂的图形的修改、显 示、查询、缩放以及各种管理数据的动态更新、统计报表的修改、查询、打印等功 能，便于各级领导对矿井整体进行可视化的管理、分析与决策，同时也便于全矿领导 及员工查询、检索所需的井下信息。 并通过本课题的研究为我国煤矿探索一条科学的、有效的安全生产管理模式，提 高经济效益，推进我国的煤矿企业向着技术化、现代化、安全管理目标前进。 2 2 系统总体设计 一个完整的地理信息系统既是面向实际应用的计算机软硬件系统，同时也是基于 系统化思想指导下的工程化建设过程。系统的建设必须遵循系统分析、系统设计、系 统实施和系统评价的原则这样才能保障开发的成功。 系统分析包括需求功能分析、数据结构分析、数据流分析，是系统设计的依 据。它的基本原则是保障系统的实用性、降低系统开发和应用的成本以及提高系统生 命周期。 系统设计是系统建设中的重要阶段之一，它是在系统分析的基础上进行的具体 设计过程，也是选择最佳实现方案的过程，在满足系统功能的条件下，将系统划分成 若干子系统进行详细设计，使系统结构和数据组织尽可能合理，并使系统实施简单、 灵活、可靠和经济。 系统实施是地理信息系统付诸实现的阶段。 系统评价是对以建立的系统性能进行考察、分析和判断，判断其是否达到系统 设计时所预定的效果。 河北理工大学硕士学位论文 2 2 1 设计原则 煤矿生产信息管理系统的宗旨就是推动煤矿安全生产管理和决策水平的不断提 高。把井下生产、巷道、设备、支护等有关数据信息，按其空间位置输入计算机，通 过多目标的数据库、分析软件与应用模型，进行数据信息的存贮、更新、查询、模型 分析、模拟预测、显示及绘图输出等工作。系统应用面向对象的设计方法，集中煤矿 井下生产的各种有用信息，为矿山安全生产管理提供种现代化的技术管理手段。 基于g i s 的安全生产信息管理系统是地理信息系统在煤矿现代化安全管理方面的 一个初步应用。系统的建立除具有分析、设计、实现三大步骤。同时系统具有自身的 特点，系统的设计要遵循以下原则： 1 、可行性原则，应在全面调查、研究的基础上，确保系统在技术、资金的可行 性。 2 ) 实用性原则，设计目的在于将系统应用到实际中，从而解决实际需求。为此， 要求系统运行可靠、操作方便、满足用户的实际需求。 3 ) 规范性原则，系统的数据必须是合乎地方及行业的规范与标准。 4 1 可扩充、更新性原则，对于系统的设计，要充分考虑到将来功能扩展的需求和 数据的更新的需要，须在系统功能设计和数据编码方面留有余地。 2 2 2 系统开发流程 地理信息系统软件的开发与其他软件的开发类似，g i s 信息管理系统的开发由多 个软件、多个软件编程人员组成，应用型的软件必须直接在实际应用中接受用户的检 验。所以g i s 软件的开发应按照以下五个阶段进行( 系统开发流程图如图2 ) ：即制定 g i s 开发计划、g i s 需求分析、g i s 系统设计( 包括总体设计、数据库设计和详细设 计1 、g i s 程序编码、g i s 产品测试及运行维护。 1 4 2 系统研究目的与总体设计