（计算机应用技术专业论文）矿井水文监测数据可视化网络发布系统研究.pdf

论文题目：矿井水文监测数据可视化网络发布系统研究 专业：计算机应用技术 硕士生：李鑫( 签名)奎鑫 指导老师：秋兴国 ( 签名) 刍臣竺型虱 摘要 矿井水害一直是威胁我国煤矿安全生产的重大隐患，对矿井水文状态进行实时监测 和及时发布，是提高煤矿安全生产的有效手段。本文根据计算机软、硬件和网络应用快 速发展的现状和信息化时代的要求，建立了矿井水文监测数据可视化网络发布系统。 系统设计时采用三层体系结构，选用m y s q l 为后端数据库，通过a d o d b 对数据 库进行访问，中间业务逻辑层采用a p a c h e 和s u p e r m a p 为网络服务器和水文观测点位置 图发布服务器，在开发过程中结合j p g r a p h 、p h p r e p o r t 和v m l 等控件，利用j a v a s c r i p t 、 x m l 等技术，利用d r e a m w e a v e r 等网页开发工具对发布页面进行设计，最终将设计好 的页面发布到w e b 服务器上。 本文在对水文发布系统进行需求分析的基础上，对发布系统进行了总体分析和设 计，建立了水文发布系统平台。系统实现了水文历史数据多种形式的可视化发布，包括 列表、曲线图、直方图等的查询、比较和分析以及报表的绘制和打印；实现了矿井水文 观测点位置图的绘制和图形的放大、缩小、平移以及图层控制等操作；将数据与图形进 行有机结合，采用图形数据动态显示、实时监测数据动态列表和实时曲线动态生成等手 段实现了水文实时监测信息的可视化动态发布；对监测到的水文异常值，以手机短消息 的形式发送到相关人员手机上，实现无人职守状态下的水文监测和预警。 该发布系统的应用能够使矿井水文数据在煤矿企业各部门之间实现多级和实时共 享，方便各相关部门用户的数据查询和对水文信息的准确把握，提高企业防治水害的能 力，有效保障煤矿企业的安全生产。 关键词：水文监测；网络发布；可视化；x m l 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nv i s u a l i z e dd a t an e t w o r ki s s u a n c es y s t e mo fm i n e h y dr o l o g i c a lm o n i t o r s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：l i x i n i n s t r u c t o r ：q i ux i n g g u o a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h em i n ef l o o dh a sb e e na s i g n i f i c a n th i d d e nd a n g e rt ot h es a f e t yo fo u rc o u n t r y sc o a l m i n ep r o d u c t c a r r y i n go nt h er e a l t i m em o n i t o ra n dt h ep r o m p ti s s u a n c eo fh y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n gd a t a , i sa ne f f e c t i v em e a s u r et oe n h a n c et h es a f e t yo fc o a lm i n ep r o d u c t i o n t h e p a p e rp r o p o s e st h ee s t a b l i s h m e n to fh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gd a t av i s u a l i z a t i o nn e t w o r k i s s u a n c es y s t e mb a s e do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e a p p l i c a t i o ns t a t u so fc o m p u t e r s o f t w a r e ，h a r d w a r ea n dn e t w o r ka n dt h er e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o na g e i t i sd e s i g n e db a s e do nt h r e e t i e ra r c h i t e c t u r e ，m y s q li ss e l e c t e da st h ep l a t f o r mo f d a t a b a s et oe s t a b l i s ht h ed a t a b a s es e r v ea n dt od e v e l o pt h ew e b d a t a b a s e ；t h em i d d l es e r v i c e l o g i cl e v e li sa p a c h ea n ds u p e r m a pw h i c ha r ec h o s e na st h en e t w o r ks e v e ra n dt h ei s s u e s p l a t f o r mo fm i n ep i tm e a s u r i n gp o i n tc h a r t ，t h e ya r eu s e dt oe s t a b l i s ht h ei s s u ep l a t f o r mo f h y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gd a t aa n dr e l a t e dg r a p h d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e mu s i n gt h e c o m p o n e n t so fj p g r a p h ，p h p r e p o r ta n dv m la n ds oo nt od r a wc h a r ta n dr e p o r t s ，u n i f y i n g t e c h n o l o g i e so fj a v a s c r i p t ，x m la n ds oo n ，u s i n gd r e a m w e a v e ra st h ed e v e l o p m e mt o o l st o d e s i g nt h ei s s u a n c ep a g e st oi s s u s et h ed e s i g n e dp a g e so nt h ew e bs e v e re v e n t u a l l y t h es y s t e mi s d e s i g n e db a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n de s t a b l i s ht h ei s s u e s p l a t f o r mo fh y d r o l o g i c a li s s u a n c es y s t e me v e n t u a l l y i tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fh i s t o r i c a l h y d r o l o g i c a ld a t ac o u l db ei s s u a n c e di nv a r i o u sf o r m si n c l u d i n gl i s t ，c h a r t h i s t o g r a m sa n d r e p o r t sw h i c hc a nb ed r a w na n dp r i m e d ；i tc a nd r a wt h ed i s t r i b u t i o nm a po fm i n eh y d r o l o g i c a l o b s e r v a t i o np o i n tw h i c hc a nb ee n l a r g e d ，r e d u c t e d ，a n dm i g r a t e dt h em a pb a s e do nu s e r s n e e d s c a r r y i n go nt h eo r g a n i cs y n t h e s i so ft h ed a t aa n dt h eg r a p h ，u s i n gd y n a m i c d e m o n s t r a t i o nm e t h o do fg r a p h i cd a t a , d y n a m i ct a b u l a t i o nm e t h o do fr e a l t i m em o n i t o r i n g d a t aa n dd y n a m i cr e a l - t i m ec u r v em e t h o dh a sr e a l i z e dt h eh y d r o l o g yr e a l t i m em o n i t o r i n g d a t av i s u a l i z a t i o nd y n a m i ci s s u a n c e w h e nt h eh y d r o l o g yu n u s u a li n f o r m a t i o nd i s p l a yi tc a n t r a n s m i tt h ea n o m a l yi n f o r m a t i o nt ot h et e l e p h o n em o b i l eo fr e l a t e dp e r s o n n e li nt h ef o r mo f s h o r tm e s s a g e ，r e a l i z e sh y d r o l o g ym o n i t o r i n gi nn o b o d yd u t y t h eu s eo ft h es y s t e mc a nc a u s et h eh y d r o l o g i c a ld a t at or e a l i z em u l t i 1 e v e la n dr e a l t i m e i n f o r m a t i o ns h a r i n gb e t w e e nt h ec o a lm i n ee n t e r p r i s ed e p a r t m e n t ，c a nf a c i l i t a t ee a c hr e l a t e d d e p a r t m e n tu s e r sd a t ai n q u i r ya n da c c u r a t ea s s u r a n c eo fh y d r o l o g yi n f o r m a t i o n ，e n h a n c e st h e a b i l i t yo fe n t e r p r i s et op r e v e n ta n dc o n t r o lt h ef l o o d ；r a i s e sc o a lm i n ee n t e r p r i s e ss a f e t yi n p r o d u c t i o nl e v e le f f e c t i v e l ye v e n t u a l l y k e y w o r d s ：h y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n g n e t w o r ki s s u a n c e v i s u a l i z a t i o nx m l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学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。 学位论文作者签名：李套 日期：p 衫4 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：季舞 指导教师签名： 御剜匆 加口8 年易只rb 1 绪论 1 绪论 本章对课题的背景、研究意义、目的、任务、内容及国内外研究现状等进行介绍， 并对该论文的章节进行安排。 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 选题背景 近年来随着我国经济的高速发展对传统能源煤炭的需求也越来越大，煤炭产业 作为我国重要的基础产业，基本满足了国内2 3 以上的一次能源需求。但是煤炭的开采 一直是各个行业中的高危行业，尤其是随着煤矿开采深度的加大，地下水成为威胁煤矿 安全生产的重要因素。 长期以来，因为煤矿水害给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。据不 完全统计，在过去的1 0 年里，共发生各类矿井水害事故1 4 0 0 余起，死亡近6 0 0 0 人， 经济损失高达3 5 亿元人民币。每生产1 m t 原煤因水害死亡达o 3 7 5 人，因水害造成经 济损失达2 0 0 0 万元人民币。最近l o 年来，我国煤矿每年发生水害事故数稳定在1 0 0 起 以上，死亡人数在5 0 0 人左右，其中重特大水害事故每年发生5 1 0 起，死亡人数在2 0 0 人左右，矿井水害已成为制约我国煤矿安全生产的重大隐患。同时，近1 0 年来随着我 国煤炭工业的快速发展，全国煤炭产量翻了一番，煤炭资源的开发强度明显增加，1 m t 原煤生产量因水害所造成的人员死亡数呈明显下降趋势，我国煤矿每生产1 m t 原煤因水 害造成的人员死亡率由1 0 年前的0 4 6 降低到o 1 8 ，说明在严重的煤矿水害条件下，我 国的煤矿水害防治工作仍然取得了较好的成效，煤矿安全条件正在逐步改善i l j 【2 j 。 计算机技术、网络技术和传感器技术的快速发展，使得矿井水文监控系统，能够借 助于企业i n t r a n e t 资源，基于t c p i p 协议之上，将煤矿企业内部的各种数据、信息和 文档置于w e b 数据库和服务器上，便于煤矿企业各级领导对煤矿生产中各环节进行监督 指导，及时作出正确的决策，也有利于技术人员和客户之间的共享与交流，真正做到系 统资源和数据的共享。因此，利用现代先进信息技术建立新的、采用多种方式的基于 w e b 的矿井水文信息发布系统已经势在必行。 1 1 2 研究意义 随着煤矿生产的信息化程度的日益提高，研制具有可视化、决策可靠性高的基于网 络的矿井水文监测数据发布系统，在保障煤矿企业生产安全、高效方面意义重大，利用 先进可行的新技术建立一个以矿井水文数据库及服务器为核心，以现代网络通讯技术为 西安科技大学硕士学位论文 依托，以综合信息服务和可视化信息服务为特色的矿井水文监测数据可视化网络发布系 统，必将提高我国煤矿安全生产信息化水平，提高工作效率，有效保证煤矿信息管理的 统一性、科学性、实时性、实用性和高效性，为我国煤矿安全生产提供可靠保证，为各 职能部门提供科学管理手段，为技术人员进行决策提供科学依据，为减少矿井水文地质 灾害提供基础资料，提高煤矿企业信息管理的规范化、标准化和数据资料的准确度1 3 j 。 基于网络的矿井水文监测数据可视化发布系统采用了数据库技术与图形可视化处 理技术相结合，观测孔数据管理、查询和应用于一体，实现水文信息的网络快速查询与 浏览功能；提供权限管理功能，支持授权用户通过局域网、广域网或互联网对监测数据 进行查询、下载及提交，支持监测结果数据的异地网络发布和综合网络应用等。通过用 户安全权限授予，实现信息安全、网络共享，不仅能够提高信息利用效率，而且为多学 科交叉研究、信息综合、信息融合奠定基础。利用此监测数据的可视化发布系统，有利 于充分发挥监测信息的作用，降低煤矿企业生产风险和开发成本，对促进“数字矿山” 的发展具有重要意义。 1 1 3 研究的目的和任务 本系统总的开发目标是：建立起以计算机软、硬件系统为依托的矿井水文监测数据 的可视化发布系统，使水文信息结果可视化、网络化和动态化。 本系统开发的任务是提供各种矿井水文数据的万维网发布和数据可视化功能，在 i n t e m e t 上实现各种矿井水文数据的可视化分析和表达，方便用户对矿井水文监测信息 进行各种查询、可视化浏览，及时了解矿井水文实时信息的变化，对所获得的矿井水文 数据资料进行网络管理。系统为授权用户远程查询和使用资料提供网络平台的同时，还 能够根据用户需要生成各种报表，绘制水位( 水压) 温度变化曲线图，实现网上数据集 成，使得水文数据在网络上共享，方便维护及查询。 对地下水的变化情况进行实时监测和有效管理，并及时有效的发布出去，对于煤矿 的事前预测、事中生产、事后救援工作都起到了参考作用：对煤矿地下水的变化情况能 有全面的认识和理解，对后继工作的展开和领导层的决策起到指导性作用，是避免突水 事件发生、避免煤矿水灾发生的关键。 1 2 国内外研究领域的研究动态及发展趋势 1 2 1 矿井水文监测国内外的发展现状 发达国家在现代化水文管理方面的研究和应用起步较早，并已经在实际工程和管理 中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。但是由于煤在这些国家能源结构中处于相对 次要的地位，并且以露天煤矿生产为主，所以有关矿山( 包括煤矿) 水文的研究成果以及 2 1 绪论 计算机公司的软件系统都主要与露天采矿有关，很少涉及到矿井水害问题，功能与我国 矿井生产的实际需求相差甚远，所以国外的相关系统大都无法满足我国矿井对地下水监 测的要求p j 。 我国地下水监测工作起步晚，水文基础设施薄弱、采集设备、监测技术落后，尤其 是在传感器技术的应用方面，满足不了现代化的长期自记、实时传输、便于查询的需求， 计算机数据处理的配套系统还有待推广普及。现在国内的一些公司、科研院所在煤矿水 文监测方面的研究应用也取得了一定的进展，例如煤科院西安分院的矿井水压实时监 测系统和泰安市优耐机械电子有限公司的矿井水文监测系统等，这些系统基本上 实现了对地下各含水层水位的遥测【4 j 。 目前国内瓦斯类的安全监测系统应用相当广泛，技术也比较成熟，但针对矿井水文 地质工作的水文监测系统，尤其是可以采集多参数水文信息的可视化监测系统则比较少 见。现有的系统在提高煤矿企业生产安全方面的确发挥了不少的作用，但很多都存在着 以下的不足【5 j ： 可视化程度不高； 只能在单机环境下运行，不能在网络环境下运行； 软件界面不友好，操作复杂。 安全监控方面国外多用w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、西门子公司的w i n c c 、 澳人利亚的c i t e c h 、美国i n t e r l u t i o n 公司的f i x 、意大利l o g o s y s t e m 的l o g v i e w 等通 用工控监测软件系统，国内煤矿多采用常州自动化研究所开发的k j 9 5 煤矿综合监控系 统、北京仙岛软件公司开发的k j 6 6 煤矿监控系统等【3 j 。安全监控系统在可视化方面更 侧重于模拟现场流程及生产的实时状态等示意图的展现。这些示意图界面美观、真实感 强，井下各类环境和生产参数都能实时的显示出来，但这些图形的显示更侧重于监控和 现场的真实再现，不侧重于工程应用。这些系统只能应用到矿井调度层面上，不能应用 到矿井管理层面上，因为管理层面的技术人员需要的是能实现比例缩放的矢量化工程图 的显示与交互。所以尽管这些安全监控系统底层可视化技术比较成熟，但用于管理层次 的可视化技术却很欠缺，并且存在以下缺点： 系统封闭，不便于与矿山其他系统集成； 网络化程度低，不能提供与网络数据库的接口，因而造成数据共享率低； 不能显示矢量的工程矿图，不能在图形界而上进行交- 耳 6 j 。 由于已有的矿井安全系统在可视化方面存在着问题，所以研究能够提供接口与其他 系统进行集成，并且能绘制显示矢量化的工程图形，且能在图形界面上进行交互的矿井 安全可视化系统是矿井安全可视化的发展趋势。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 发展趋势 我国矿井水文系统将朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 智能化 将决策支持系统与人工智能系统各种技术相结合也是矿井水文监测信息系统发展 的一个主要方向。在矿井水文监测实践中，我们希望系统不仅能对各种水文数据、信息 进行一般性的统计、计算和分析处理，而且更希望它能够模仿人类大脑的思维机制或神 经系统的信息获取、处理机制来解决那些常规方法、技术所无法解决的复杂非结构性问 趔引。如开采条件与矿井突水、涌水间的关系等均属于此类为题。而这些问题又确实是 生产中迫切需要解决的问题，正是这种需求促进了矿井水文决策支持系统向智能化方向 的发展。目前专家系统、人工神经网络以及遗传算法这些智能技术正在为矿井水文决策 支持系统注入新的活力1 7 j 。 ( 2 ) 三维可视化 矿山空间实体的地质、水文地质信息具有典型的三维特性，如巷道、工作面、断层、 陷落柱、含水层、隔水层等。不仅需要表达、分析和处理它们在平面上的信息，而且还 需要描述、分析和处理它们在垂直方向的信息，而这就必须要依靠三维可视化技术。目 前一些水文自动成图系统还主要是基于二维可视化技术，因而在信息的表达方面还不够 完整，也缺乏直观感。只有在三维数据结构的支持下，进行空间地质实体或景观的自动 绘制、显示，才算实现了真正意义上的三维可视化【9 j 。三维可视化技术是计算机地质图 形学研究的前沿课题，也是地质地理信息系统进行三维空间分析的重要基础，更是虚拟现 实( v i r t u a l r e a l i t y ) 技术的核心所在。毫无疑问，它将是矿井水文信息系统发展的主流方 向之一。 ( 3 ) 多媒体化 多媒体是指图、文、声、像的结合体。现代信息正在呈现多媒体化特征，矿井水文 信息也同样如此，除了常见的水文地质图文信息以外，还有诸如遥感、雷达影像信息以 及语音报警信息等。传统的或某种单一信息处理技术将无法胜任多媒体信息处理的要 求，一种能够获取、存储、处理多媒体信息的综合技术多媒体技术，将逐渐取代现 有一般信息处理技术。基于多媒体技术的信息系统将是一个高度集成的、功能强大的、 高效的、实时的智能化系统【l0 1 。它在矿井水文领域有着广阔的应用前景和发展空间。 ( 4 ) 动态仿真、虚拟现实可视化 基于三库( 图形、影像、d e m ) 一体化的实时3 d 可视化技术发展非常迅速，在p c 机上己实现g i s 环境下的三维建筑物室内外漫游、信息查询、空间分析、剖面分析等功 能。结合虚拟现实的可视化优点和g i s 的空间分析功能，运用w w w 上构建虚拟现实 环境的国际标准v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 及o p e n g l 编程等技术在 4 l 绪论 i n t e m e t 环境下实现虚拟3 dg i s 己成为国内外研究的热点。虚拟现实地理信息系统 ( v r g i s ) 主要是通过v r m l 转换文件格式，把g i s 信息转到v r ( 虚拟现实) 中表示。它 是一个在传统的g i s 数据基础上，利用v r 的制图功能，采用v r m l 标准的g i s 系统。 把虚拟现实地理信息系统( v rg i s ) 应用到互联网上和w e b g i s 技术相结合实现 w e b v r g i s 是地理信息系统发展的必然阶段【l 。 ( 5 ) 运用于移动通信技术 随着计算机通讯网络( 包括有线和无线网) 的发展，无线应用协议w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 的完善与推广，移动通信技术将使网络发布的应用将得到进一步延 伸。未来的g i s 用户可以随时方便地双向互动地获取i n t e m e t 通过无线网络提供的地理 信息服务，使将来的地学信息是随时随地为任何人任何事情进行4 a 服务 ( g e o i n f o r m a t i o nf o ra n y o n ea n da n y t h i n ga ta n y w h e r ea n da n y t i m e ) 1 引。 1 3 本文主要内容及章节安排 本章对课题的背景、研究意义、目的、任务、内容及国内外发展现状等进行介绍， 并对本文的章节进行安排。 矿井水文监测数据的可视化发布系统是矿井水文监测系统的一个子系统，也是最终 步骤，其主要功能是实现煤矿各部门之间的水文信息交互、综合和共享，实现统一的人 机交互界面跨平台的数据库访问，从而真正做到局域网和远程信息的实时监控、数据资 源的综合共享以及全局事件快速处理和一体化的科学管理。具体章节安排如下： 第一章：绪论部分，主要介绍了本文的选题背景，研究现状以及发展方向； 第二章：对可视化技术及其研究内容介绍进行介绍，主要介绍了可视化的参考模型 及实现环境； 第三章：对系统进行需求分析和总体设计，重点介绍了该发布系统的开发平台、开 发语言及相关技术； 第四章：介绍水文监测数据发布系统数据库平台的建立，主要介绍了水文属性信息 数据表的设计和实现，并对基于x m l 技术的空间数据管理进行了研究； 第五章：介绍发布系统主要功能模块的实现以及关键技术，并给出了系统运行的相 关图例； 第六章：结论和展望部分，该章对本文所做的主要工作进行了总结，并对以后进一 步的研究方向进行了介绍。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 可视化概念 2 可视化概念及其研究的内容 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：“可视化是一种将抽 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合，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。 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 3 】【l 4 1 。 在席卷全球的新技术革命浪潮中，人类迎来了信息时代( 社会) 。面临着信息时代的 强大活力，预示着未来社会的文明和人类智力劳动的现代化。当今社会f 处在一个信息 爆炸的时代，人们常常在茫茫的数据海洋面前显得不知所措，一时难以抓住隐藏在数据 中的本质、结构和规律。可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 就是在这种背景下发展起来的，它把数据 变成易于被人接受和理解的形式图形。可视化的前身是计算机图形学，今天它已经 发展成为研究用户界面、数据表示、处理算法、显示方式等一系列问题的一个综合性学 科，并成为人们分析自然现象、社会经济发展趋势，认识客观事物本质和变化规律的得 力助手。 根据侧重点不同，可视化可分为三个分支，它们分别是科学可视化( s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 、数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 币n 信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 。 科学可视化侧重于科学和工程领域数据的可视化问题；数据可视化比科学可视化具有更 广泛的内涵，它不仅包含工程技术领域中数据的可视化问题，还包含其他领域( 如经济， 商业，金融等) 中的数据可视化；而信息可视化一般是指i n t e m e t 网上超文本、目录、文 件等抽象信息的可视化i l 5 | 。 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，它被广泛的 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。 可视化技术是地理信息系统所具有的重要功能之一。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【1 6 】。在 6 2 可视化概念及其研究的内容 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一步的探查和分 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 7 1 。 2 2 可视化技术的研究内容 可视化的研究包括两方面的内容：一方面研究如何把数据、数值与图像，转化成可 视的图形( 图像) 与可理解的信息的工具，另一方面研究把可视化技术应用于科学和工程 的各个学科。可视化作为一门学科包括的内容如图2 1 所示。 变换 ( 科学与符号计算) 图2 1 可视化学科内容【1 卅 图中下部节点所示的“图像与信号数据”可以通过摄像机或传感器获取，应用图像 处理技术对其处理后( 二种变换过程) 可显示在监视器上或记录在图像输出设备上。图像 处理的目的是从原始图像中获取感兴趣的信息，如提取其轮廓线、增强某些模糊的图像、 统计出某些特性等。如果应用计算机视觉技术处理这些可视信息，可以从图像中提取抽 象信息，产生符号表示，这就是图中上部“符号与结构数据 节点。一般的符号与结构 可以通过程序生成，也可以通过输入设备，如键盘、鼠标器、数字化板、扫描仪等输入 经过科学或符号计算( 另一种变换过程) 生成新的符号与结构。为了便于理解和分析，可 以应用计算机图形学的理论和方法把这些符号和结构表示综合成可视的图形( 图像) 信 息。综上所述，可视化处理的数据可分为两大类，即图像与信号数据和符号与结构数据。 可视化就是研究如何将这两类数据变换成可视的图形( 图像) ，也就是运用可视化的工具 实现并完成将不可见的对象变换成可见图像的过程【l 引。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 3 可视化系统的实现环境分析 可视化系统包括硬件环境和软件环境两大类。可视化的硬件环境包括计算机及其外 部设备。目前的计算机大多只具有较强的计算能力，几乎没有任何图形处理等显示功能， 需要高性能图形终端提供图形处理与显示能力【2 0 】。在此情况下图形工作站应运而生，因 为它不仅具有最好的图形处理功能，而且还拥有较高的运算速度。因此，对于较复杂的 可视化任务一般采用大型计算机作科学计算，将结果通过高速网络送到图形工作站作图 形综合与显示；对于较简单的可视化任务可以直接由微型计算机来承担。 可视化软件的功能主要包括图形综合、图像处理与计算机视觉三大功能。在可视化 发展的初级阶段( 8 0 年代中期) ，没有专门的可视化软件问世，而是直接应用上述三个学 科己有的支撑软件工具从事可视化的研究。 进入8 0 年代后期，一些相应的可视化软件相继问世，如a v sp e r f o r m e r 等。纵观这 些商品化的可视化软件，大多集中在图形综合功能上。通常包括将数值数据变换成图形 基本元素的模块，或将数据直接映射到颜色空间的模块，同时提供调用可视化过程的图 形接口。 目前的可视化软件，按其结构可分成四判2 0 j ： ( 1 ) 基础图形库支持类 该类的最大特点是在现有图形库中加入一个支持可视化的程序库，库中包括了一般 的可视化的造型技术、交互技术及数据传递、输出技术等子程序。 ( 2 ) 高层交互命令系统 在可视化的应用技术开发一个命令式用户界面，通过命令级交互语言进行填色、字 符编辑、坐标绘制等功能，并直接在用户的控制下完成可视化应用，但这种系统只能处 理一些数据量较小的问题。 ( 3 ) 面向某一确定应用领域的成品可视化系统 由于可视化应用领域广泛，处理数据各不相同，为了某一特定领域的需要，出现了 该类软件，其结构上的最主要特点是根据领域的要求，确定可视化数据的变换流程，在 每一变换结点上提供若干交互控制选择的功能。该类软件针对某一领域的功能较强，但 适应性和扩展性较差。 ( 4 ) 通用型数据流结构系统 该类结构采用了数据流处理方式，数据变换过程和每一变换节点的变换技术都由用 户自行决定，用户根据应用需要直接采用流图编辑技术开发具体可视化应用，这种方式 被称为“搭积木式”的应用构造方法，其结构的适用性和可扩展性是最强的，是目前世界 上公认的可视化系统中较好的一种结构。 8 2 可视化概念及其研究的内容 2 4 可视化的参考模型 在信息处理的不同领域里提出了各种各样的参考模型，其目的是为系统开发、应用 开发以及教育与培训建立一个统一的理论基础。同样，可视化系统也需要有一个参考模 型，可用于解决以下问题： 参考模型作为系统的概念性框架可用来对现有可视化系统进行分类和比较； 描述可视化系统的主要特点； 定义一个开放性的可视化系统，以便对系统现有功能的修改和扩展； 促进可视化领域的学术思想交流； 有助于建立一个开发可视化领域中图形、图像数据交换格式和外部接口等标准 的基础1 2 l j 。 根据可视化的目的和要求，提出可视化参考模型如下图2 2 所示： 图2 2 信息可视化的参考模型1 2 u 由图2 2 可见，我们可以将可视化过程看作来自模拟阶段的数据转换为图形( 图像) 可视信息的过程，而且可将此过程进一步细化为“数据预处理”、“映射”、“绘制和“显 示 四步。数据预处理的功能是将模拟所产生的原始数据作规范化处理等操作，形成可 用的应用数据，然后由映射模块( 构模模块) ，将其映射到几何数据，第三步绘制功能是 将几何数据变换成图像数据，最后是显示图像。 由以下过程可以看出，可视化系统的组成元素可分两类，即数据交换语义层和数据 变换的功能模块。由以下可视化过程的流程图2 3 可知，数据交换语义层包含三个层次 数据，即“应用数据、“几何数据和“图像数据”。数据变换模块以可分为“滤波 和 “映射”模块。滤波模块又分为“数据滤波 、“几何滤波”和“图像滤波”，它的功能 是完成数据在同一语义层内的变换。映射模块是完成数据在不同语义层之间的变换功育 旨。数据变换模块可按其输入口和输出口所对应的数据语义层来描述皿2 | 。 9 西安科技大学硕士学位论文 数据获取 原始数据 数据预处理 应用数据 映射 几何数据 绘制 图象数据 显示 分析 图2 3 司视化流程图 我们可视化流程图中的几个主要模块进行解释： 数据获取模块： 应用程序：( 创建) 数据 几何造型：( 创建) 几何数据 扫描仪：( 创建) 图像数据 可视化滤波模块： 数据滤波：数据一 数据 几何滤波：几何数据一 几何数据 图像滤波：图像数据一 图象数据 可视化映射和绘制模块： 映射：数据一 几何数据 绘制：几何数据一 图像数据 显示模块： 显示：图像数据一 显示空间视频格式文件格式 至此，提出了可视化系统的基本参考模型。矿井水文监测数据的可视化系统正是基 于此模型而建立起来的，因此，了解此模型对于正确使用此系统并提出合理建议有着举 足轻重的作用。 2 5 本章小结 本章主要介绍了可视化技术及其研究内容，对可视化的实现环境进行了分析，最后 介绍了可视化的参考模型。 l o 3 系统分析与总体设计 3 系统分析与总体设计 3 1 发布系统需求分析和功能设计 3 1 1 系统需求分析 基于w e b 的矿井水文监测数据可视化发布系统是矿井水文监测系统的一个分支，也 是实现水文信息网络化的最终步骤，是为了满足煤矿生产中各级部门对水文监测数据查 询和监测的需要。该信息发布系统，不仅具有一般信息系统的特点，还具有其自身的特 点。下面比较分析了该信息发布系统的特点： ( 1 ) 用户主要是煤矿生产企业管理单位的人员 矿井水文信息发布系统属于专业性强的系统，主要是面向煤矿生产企业管理单位的 工作人员和政府领导。为了方便用户的日常维护管理工作，系统对于监测信息的分析统 计功能、实时性和准确性要求较高。 ( 2 ) 管理内容丰富，信息量大 矿井水文的图形数据量大，数据庞杂，除了观测孔监测到的水文信息各属性数据外， 还有矿井生产企业管理部门日常工作相关的数据。另外，为了方便用户的查看定位，空 间数据中还包括煤矿企业的基础底图数据如巷道、监测点等。如何有效组织这样大量的 数据，提高管理水平和效率，是一个值得考虑的问题。水文信息数据库的建立是该信息 发布系统成功的前提。 水文信息发布系统发布的内容一般应包括以下几个方面： 水文观测孔监测到的最近数据和历史水文数据； 经统计分析后的水文数据资料，包括监测到的水温、压力及流量信息的统计分 析图表和报表； 煤矿企业下属的各煤矿水文观测孔的位置分布图； 相关各煤矿机构的情况； 政策法规与公告，包括国家、省、市对煤矿企业管理的相关政策、法律、法规 及规章制度。 3 1 2 系统设计原则 一个系统的建立必须立足于知识技术水平和系统的实际应用价值等，也就是需要遵 循一定的原则。作为一套能够实际应用的系统，除了要能够完成预定的各种功能外，在 设计时必须遵循实用性、标准化、先进性、可靠性、安全性、兼容性、可扩充性等原则， 西安科技大学硕士学位论文 具体如下： ( 1 ) 实用性 矿井水文信息发布系统应满足水文信息发布的需要，特别是满足对历史及实时水文 信息等的查询、统计、输出的要求。 ( 2 ) 先进性 水文信息发布系统的设计，应采用目前先进的技术和方法，如i n t e m e t 最新技术、 w e b 技术、网络技术和数据库技术，使整个水文体系能符合技术和技术发展的要求。 ( 3 ) 可移植性和适应性 为满足不同地方矿井水文监测的需要，系统应具有很强的适应性和良好的可移植 性。系统可稳定运行在l i n u x ，u n i x ，w i n d o w s 平台，只需简单修改就可在不同系统平 台之间移植使用。 ( 4 ) 友好性 系统应操作方便、界面友好、结果直观，便于非计算机专业人员使用和操作。该发 布系统界面统一采用浅绿色为主色调，保持色调统一美观：各种查询操作通过下拉列表 的形式提供选择，方便用户的查询操作。 ( 5 ) 安全性 该发布系统是构架在i n t e m e t 之上的，必须采取多种手段来保证整个系统运行的安 全性、网络的安全性和数据的安全性，如防火墙等措施。其次是系统自身的坚固性，及 系统应具备对不同类型和规模的数据和使用对象都不能崩溃的特质，以及灵活而强有力 的机制。 ( 6 ) 可伸缩性 计算机技术在不断发展，任何一个信息系统都不应该是孤立和停滞不前的。在系统 设计和规划之初，就应该从宏观、长远的观点统筹规划。系统所采用的软件开发程序、 数据库等技术应符合当前信息技术和主流发展方向，能持续扩充和升级。 另外，系统的开发还需要遵循系统性、经济性、规范性等原则，因为煤矿企业还存 在着资金的合理流向、数据的准确安全及工业标准等问题。 3 1 3 发布系统功能设计 可视化发布系统除应该具有对内对外信息的收集功能外，更为重要的是能动态、及 时更新有关信息，并把信息形象直观地显示出来，不再仅仅提供枯燥的数据，还应由大 量的图形、表格甚至声音、图像等多媒体信息，利用信息可视化技术为网络用户提供简 单、形象、动态交互式的人机界面，保证信息的双向快速流动。发布系统的功能体现在 它强大、实用的浏览、统计、查询分析功能上，对系统进行需求分析以后，根据用户对 系统的需求对系统功能进行设计。系统功能图如图3 1 所示。 1 2 3 系统分析与总体设计 图3 1 发布系统功能图 基于网络的矿井水文监测数据的可视化发布系统所要实现的主要功能包括：用 户登录时进行身份验证从而确定该用户的访问权限。管理员可以进入用户管理界面进行 系统网络用户的设定；普通注册用户可直接进入查询界面，进行相关信息的查询；也允 许匿名登陆，浏览一些公共信息。 以表格、曲线和柱状图形式查看打印历史监测数据。 在地图上相应的位置实时的显示从矿上各水文观测孔监测到的即时数据，可在 全局模式显示各矿的即时报警数据，并有视觉报警提示和声音报警提示，可立即看出哪 个矿有报警。单独显示某个矿的水文观测孔的即时数据和报警数据，并有视觉报警提示， 可立即看出哪个观测孔有报警。在矿井水文观测点位置图窗口下，可形象的查看出矿上 某个位置的观测点的即时值。可查阅单个测点的属性信息。可进行常规的地图操作，如 地图的放大、缩小、平移、拉框放大缩小、地图图层的控制( 例如可以只查看巷道图， 只查看矿井边界等) 。 表格数据形式实时显示从矿上传来的即时数据。可全局各矿轮换显示数据，自 定义显示数据。 绘制水文实时数据的曲线走势