（采矿工程专业论文）基于gis技术的采煤塌陷区生态环境信息系统.pdf

摘要 摘要 煤炭工业是我国能源支柱产业，但是煤炭的地下开采会引起地表塌陷，这不仅 影响矿山安全生产，而且对矿区环境产生很大影响。因此，为了更好的对采煤塌陷 区环境监测信息进行科学的信息化管理和分析，以便为灾害的预警预报以及塌陷治 理提供快速智能化的决策依据，减少和避免更大的损失，开发基于g i s 技术的采煤 塌陷区生态环境信息系统是有效的方法。 本论文以唐山市采煤塌陷区为例，运用v b 开发工具和s u p e r m a po b j e c t s 组 件，结合时态g i s 技术，完成了基于g i s 的采煤塌陷区生态环境信息系统的设计与 开发。主要内容与成果如下： 设计并建立了采煤塌陷区生态环境时空数据库。在对塌陷区生态环境空间数据 特性分析的基础上，完成了空间数据的合理分层和组织；通过对目i i i 现有的时空数 据模型的比较分析，并根掘采煤塌陷区生态环境信息的时态特点，提出了适合本系 统的比较完善实用的数据组织方式，完成了各类属性表结构的设计；实现了空间数 据表和属性数据表的集成并将其置于关系数据库管理系统中。 以塌陷区生态环境时空数掘库为基础，利用基于时i b j 序列的分析模型，实现了 塌陷区环境状态的变化分析；利用环境质量评价模型和环境质量标准，实现了水体 环境质量指标评价、水体环境质量综合评价、土壤环境质量指标评价、土壤环境质 量综合评价；利用插值模型和范围分段专题地图绘制模型，实现了塌陷区域沉降专 题地图和水体环境质量专题地图的绘制功能。 除此之外，还完成了数据编辑、地图操作、信息查询检索等功能模块的设计与 开发。 该系统能够充分体现塌陷区生态环境的区域性和动态变化性，并基本实现了对 塌陷区生态环境信息的动态实时管理、综合分析和科学决策。 图2 9 表5 参5 4 关键词：采煤塌陷区；生态环境；g i s ；时空数据库； 分类号：t d 8 0 1 河北理r 大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n a sc o a li n d u s t r yi st h ep i l l a ri n d u s t r i e so fe n e r g y ，b u tt h eu n d e r g r o u n dm i n i n go f c o a lw i l lc a u s et h es u r f a c es u b s i d e n c e t h i sn o to n l ya f f e c t sm i n ep r o d u c t i o ns a f e t y ，b u t a l s oh a sag r e a ti m p a c to nt h ee n v i r o n m e n to ft h em i n i n ga r e a t h e r e f o r e ，i no r d e rt ob e t t e r m a n a g e sa n da n a l y z e st h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o no fc o a lm i n i n gs u b s i d e n c e a r e a , i no r d e rt of o r e c a s tf o rt h ed i s a s t e re a r l yw a r n i n ga sw e l la s p r o v i d ef a s t i n t e l l e c t u a l i z e dt h ep o l i c y - m a k i n gf o rs u b s i d e n c eg o v e r n m e n t ，r e d u c e sa n da v o i d sab i g g e r l o s s ，d e v e l o p se n t i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e ab a s e do n g i si st h ee f f e c t i v em e t h o d t h i sp a p e rt a k e st a n g s h a nm i n i n gs u b s i d e n c ea r e aa sa ne x a m p l e ，u t i l i z e st h ev i s u a l b a s i ct o o l 、s u p e r m a po b j e c t s ，a n dt e m p o r a lg i st e c h n o l o g y ，c o m p l e t e st h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h ee n t i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e ab a s e d o ng i s a n dt h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n ta r ea sf o l l o w s ： d e s i g na n db u i l dt h ee n t i r o n m e n ts p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s eo fc o a lm i n i n gs u b s i d e n c e a r e a o nt h eb a s i so fe n t i r o n m e n ts p a t i a ld a t ac h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，c o m p l e t et h e r e a s o n a b l el a m i n a t i o na n dt h eo r g a n i z a t i o no fs p a t i a ld a t a ；t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n d a n a l y s i so ft h ep r e s e n te x i s t i n gs p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l s ，a n da c c o r d i n gt ot e n s e c h a r a c t e r i s t i co fe n t i r o n m e n ti n f o r m a t i o ni nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a , p r o p o s e st h e s u i t a b l ed a t ao r g a n i z a t i o nw a y , a n dc o m p l e t e st h ed e s i g no fv a r i o u sa t t r i b u t et a b l es t r u c t u r e ； r e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no fs p a t i a la n da t t r i b u t ed a t at a b l e s ，a n ds e t st h e mi nt h er d b m s b a s e do nt h ee n t i r o n m e n ts p a t i o - t e m p o r a ld a t a b a s eo fc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ， u s i n gt h ea n a l y s i sm o d e lb a s e do nt h et i m es e r i e s ，r e a l i z e st h ea n a l y s i so fe n v i r o n m e n t c o n d i t i o nc h a n g ei nc o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ；u s i n gt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t ya p p r a i s a l m o d e la n dt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t ys t a n d a r d ，r e a l i z e st h ea p p r a i s a lo fw a t e re n v i r o n m e n t q u a l i t yi n d e x e s , t h es y n t h e s i sa p p r a i s a lo fw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y ，t h ea p p r a i s a lo fs o i l e n v i r o n m e n tq u a l i t yi n d e x ，t h es y n t h e s i sa p p r a i s a lo fs o i le n v i r o n m e n tq u a l i t y ；u s i n gt h e i n t e r p o l a t i o nm o d e la n dt h es c o p ep a r t i t i o nt h e m a t i cm a p p i n gm o d e l ，r e a l i z e st h em a p p i n g f u n c t i o no fs u b s i d e n c et h e m a t i cm a pa n dt h ew a t e re n v i r o n m e n t q u a l i t yt h e m a t i cm a p b e s i d e st h e s e ，a l s oc o m p l e t et h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs e v e r a lo t h e rf u n c t i o n m o d u l e s ：d a t ae d i t i o n ，m a po p e r a t i o n ，i n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，e t c i i 摘要 t h es y s t e mc a nf u l l yr e f l e c tt h er e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed y n a m i cc h a n g eo f e n t i r o m n e n ti ns u b s i d e n c ea r e a , a n db a s i c a l l yr e a l i z e dt h ed y n a m i ca n dr e a l - t i m e m a n a g e m e n t 、t h eg e n e r a l i z e da n a l y s i sa n dt h es c i e n t i f i cd e c i s i o nm a k i n gt ot h e e n t i r o n m e n ti n f o r m a t i o ni ns u b s i d e n c ea r e a f i g u r e2 9 ，t a b l e5 ，r e f e r e n c e5 4 k e yw o r d s ：c o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a , e n t i r o n m e n t ，g i s ，s p a t i o t e m p o r a ld a t a b a s e ， c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t d s 0 1 1 1 1 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。 签名：乳塑丝日期：尘己年生月盈日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河：i l 理t 大学有关保留、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：形改勿 导师签名：盟日期盟年兰胚日 l富 引富 煤炭是我国的主要熊源，占裁源溃耗的粥竣主，著量在今簌袒当长戆孵甥浅 媒炭嵇是我霍懿第一缝源。煤炭静殍采帮剩蠲，产生墓丈静经济帮社会效益，同时 也给矿区生态环境带来了一系列影响。煤炭的地下丌采对矿区生态环境的影响主要 宏观袭现为：地下煤炭歼采后在地表形成塌隔锍地，使位于盆地内的农田、建筑 物、道路等受到影响和破坏。唐山市境内开滚煤田分布范围为6 7 0k m 2 ，经过百年歼 采，全隳瘗枣由于貘矿嚣萼l 超塌錾篷累诗甏羧2 1 3 。7 6k m 2 ，：i 凌足簪瘫每年还将淤 稳当篱豹速度增翻，到2 0 1 0 年，蓣测全市可累计有塌陷地2 3 2 4 2k m 2 。这些塌陷造 成：1 备种建筑物、道路、民房破坏；2 塌陷隰大面积水；3 大量耕地破坏；4 矿区 土地沙化、荒废严重。因此对采煤塌陷区生态环境的保护与治理魑一个亟待解决的 闯题。 浆煤矮貉区熬治理楚一矮巨大夔工程，燮遴孬壤殖区治瑾，羲宠要送嚣鬻貉送 的篮测、分析评价和镪定治理规划。对塌麓送的动态蓝溺和治理，可以采用常规的 技术乎段如地形测量，甚麓航空摄影测量，甜大面积、情况比较复杂的塌陷区可以 采用先避的r s 和g p s 技术进行地表塌陷j | 鑫测和治理1 8 1 。同时也可以建立起基予 g i s 的塌陷医环境信息系绫，基于塌陷区环境瑷量评价模型和塌妫医环境信息空闺 数舞潞，遂霉臻麓区分褥译蛰，菇澍定整治麓翔提供决策支掺。涨浚在震玉枣采爨 塌陷嚣劝态监测研究的基础上，迸一步建立塌陷区动态蓝测信怠系统对于灾害的预 警以及为塌陷治理提供决懿依据具有重要而又深远的意义。 本课题来源于国家8 6 3 计划课题“采煤塌陷区生态修复关键技术研究及示范 ( 2 0 0 5 a a 6 4 4 0 3 0 ) ”。 1 * 河j b 理 j 人学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 采煤塌陷区生惑环境概述 地下有用矿物被采出以后，歼采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破 坏，应力重新分御，达到新的平衡，在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、 变形襄l # 连续豹破螺( 开裂、馨落等) ，这静现象髂势矿由万采沉鏊f 射。矿出开采沉貉 是矿由开采的主要环境闯题之一。开采沉陷对岩体内和魂磷上的自然和入工环境 ( 如其它有用矿层、承体、土地、各类建筑物等) 产生影响和破坏。 1 1 。l 矿送地表塌貉戆淡竣及彰弱 现代煤炭开采奎疆有井工丌采和露天开采两种方式。井工开采过程中，顶板冒 落后，引起地表面下沉，形成塌陷。当地表下沉到潜水位时，其塌陷区常年积水， 畜兹弱形成季节茬麓袄窳臻陷送。矮貉筵共王开袋霹蘧酸筇瓣主要影式，塌黧建 面一般蠢井下煤田开发区总土地破坏面积的8 0 以上【2 】。 煤炭工业是我国能源支杠产业。我国的煤炭工业以井工开采为主，绝大多数是 长壁王嚣嚣、全酝蘩法管理瑗瘫裁，霉燕上瑟莱疆度瑟采麓模夔弱蓥热大、嚣采方 式和工作面结构参数优化不合理、小煤矿的不规范开采等影响，我国采煤区地面塌 陷比较严重。掘调查统计，每从地下开采1 万吨煤约使1 0 0 0 - 3 0 0 0 m 2 ( 平均约2 0 0 0 m 2 魏土撼遭受苓同纛度豹塌璃i 簧。嚣嚣我霆融墚炭瑟采塌酸蟪近3 0 0 0 0 k i n 2 ，每年 增加2 0 0 k m 2 1 4 1 。每颦的采煤塌陷地约占全国被破坏土地的十分之一。丽复垦整治 率非常低，仅占2 0 左右。所以我国当前煤炭歼采利用与环境保护严重失衡，环境 污染只熬严重，矿区的环境容量逐渐缡小。 势工莠= 采雩l 起懿遗表塌陷对环境系统的各个因素均会产黧不同静影响，这些影 响反过来又对矿区的生产活动具有显著的制约作用。因此，采区地表塌陷的影响可 以概括为以下两方耐 1 j c 圣生态环境瓣彩旗 1 ) 地表耕地受到破坏。破坏聪土壤退化严熏，同时使矿区小气候、地下水位、 水质发生明显的变化。 2 ) 莱区承文臻壤受到缀大影翻。当歼采攀一煤层懿，塌陷多呈碟彩袋撵彩洼建 形态，崩缘沣地塌陷后，埋藏不深的浅层地下水露出地表或地表水系遭到破坏，地 一2 一 1 文献综述 表水汇集在塌陷地中部，形成湿地或沼泽、湖泊化，使耕地无法耕种、生态环境恶 化。在干早山区还可能由于地表水系受到破坏，使居民生活用水和灌溉用水发生困 难。大面积的塌陷引起工程地质条件的改变，加强了水文地球化学作用，促使地下 水水质恶化。一些矿区为了保证矿井安全生产，需进行地下水疏干，排出的劣质水 进入塌陷区，加速了附近区域的地下水质恶化。 3 ) 地表各项设施遭到毁坏。当开采单一煤层形成稳定性塌陷时，塌陷地边缘地 带，虽然下沉深度不大，但因受岩层破碎应力的影响，常见断裂和裂缝致使城镇、 乡村地面建筑、排灌水系、道路等遭到破坏。当分层丌采多层煤层时，地表由于重 复塌陷，使地面常呈起伏不平形态，有时造成河床高出地面，道路高于平房，破损 严重，凹凸不平，积水无法排出等现象。当开采浅部陡倾斜煤层或厚煤层时形成漏 斗状塌陷及台阶状断裂，这类塌陷可突然发生，其上方的树木、农作物、村庄、铁 路、公路、管线、堤坝等各类建( 构) 筑物均遭破坏，造成碎不及防的损害。塌陷区 积水还将使这些建( 构) 筑物长期受水浸泡，严重影响其正常使用。开采塌陷对原有 的水利设施的破坏，会加剧塌陷积水区的环境恶化。 + 4 ) 对土地利用结构的影响。丌采形成的大片水域，会使整个矿区的生态环境发 生根本变化，由陆地生态向水生生态转变，土地利用结构也将发生很大变化。由此 造成矿区的土地利用矛盾，建筑用地缺乏，造成搬迁村庄选址困难或远离旧址、重 复压煤等问题。 5 ) 开采塌陷还可能诱发塌陷型地震。1 9 5 6 年1 9 8 0 年间山西大同煤矿因顶板 塌落而诱发有感地震4 0 多次，最大震级m s 3 4 级。 2 对矿区人民生产生活的影响 开采塌陷造成的环境恶化和土地破坏给居民的生活造成严重影响，降低了居民 的生活水平。如采煤伴随的大面积塌陷，使矿区及其周围城乡居民失去了赖以生存 的基本条件，矿区富余劳动力逐年增多，就业压力增大：地面沉降较严重地区危及 地面建筑物，使区内居民的住宅变成“危房”，直接影响居民的生活甚至危及生 命；地面建筑物的损毁还造成居民就医、购物、学生上学困难；由于地表水系受到 破坏、地下水被疏干，使居民生活用水和灌溉用水发生困难；由于塌陷造成的地面 凹凸不平，又造成居民行路难、排水难等问题。 总之，丌采塌陷不仅破坏了生态环境，造成了巨大的经济损失，而且还带来一 系列的社会问题。 3 溽l 理l ：大学磺士学位论文 1 1 2 采煤塌陷区环境保护与治理的方法 1 1 2 ，1 开采前期的预防接旅 1 。热强立法，罗揍器寤。矿区玺态嚣壤瓣傈护与浚莲必缀纳入法潮证趣范笾辘 道，遮既是市场经济鹃鬟求，也是煎界发麟的潮流。为她，要程穗有法律法规的基 础上，紧密结合矿区环境的特点，建立起符含我国国情的国家及地方层次互补的矿 区环境保护法律法规体系和技术标准体系，遨一体系应覆盖矿区建设发展的全过 程。锘突严格的矿山环境影晌评价毒4 度、矿出环境恢复治理保诞众制度帮矿产资源 嚣袋熬繇境灌入条箨翻度。蠢了囊应魏法掺秘矮搴裁废，还要熬强霹矿篷管瑾夭受 和采矿入员的教育，提离认识，分清责任，依法管理，秩煤炭赘源开发的全过程进 行系统的规划、监督及管理，并认真落实严格执行。 2 合理规划。保护矿山生态环境与治理采煤塌陷，是涉及筒较广，矛盾较大， 阉题较多的一顼工程，不髓蠢茸进行。一要邋避合理的采矿方案的设计，进行缳护 性开袋，藏奎圭l 羹表潺貉皴臻，季簪潆麦牙采簿主壹| 鏊载破蓼控裁囊鬣套；二要逶遥秘学 豹_ 歼采塌陷预测，对未来塌陷区的土地复垦和综合治理利用进行统一规划设计，并 纳入矿区丌发规划1 6 j 。对歼采沉陷的预测目静最受关注的方法就魑将刀：采塌陷预计 系统巧计算机辅助可视化集成，实现丌采塌陷预计过程的多维、动态可视化。 1 1 2 2 舞采过程中的防藏接照 1 王程菇麓。在矿虫牙采过程中可激袋敬箨下特采察缝嚣黼护耱结合豹方案， 减小采煤塌陷的损害。比如对于重要的大中型建筑物和各类构筑物及铁路、公路设 施，成采取井下特采等措施减缓地表塌陷和地面维修措施相结台，实现建( 构) 筑物 下安全采煤；对于村庄和城镇，采取特殊采煤措施减缓地面塌陷戏采取结合村镇建 设缎剡，藏缝重建抗交形建筑物，实理村镇下黔安全采潆。著下特殊采潆接麓霉建 懿有：舞下赢零耪辩部分胶结采矿矸石充填开采和覆老注浆减缓撼表沉簿接术等， 这些方法都可以大大减小地表下沉量f 7 1 。 2 跟综监测，信息化铃理。在采煤过程巾凝能够随时根据各种脓测手段获取资 料，附塌陷活跃区要实行全天候观测，发现髯常及时报告，以便j c 尊玎采方案做出适 当豹调整或者采取适当豹攘蕤降低西罴对耀境戆影嚷。同霹应把这麓鼹溅移蓝测数 据及辩输入矿由管理信惑系统，以备查用季鬟分街，为治理矿由塌麓秘绦护矿出生态 环境提供科学依据。 - 4 1 文献综述 1 1 2 3 已塌陷区的治理 采煤沉陷区的治理方法主要是土地复垦技术。土地复垦技术可分为工程复垦技 术和生物复垦技术。工程复垦技术包括：充填复垦技术( 矸石山充填复垦和粉煤狄充 填复垦) 、非充填复垦技术( 塌陷区边坡地和浅积水区的整治) 、水面复垦技术和塌陷 充填区复土技术；生物复垦技术包括：种植复垦和水面复垦。对于塌陷区而占，一 般采用“挖深垫浅”、“充填复垦”、“疏排法”等工程治理措施和生态工程复垦 技术将其复垦为以下三种形式；1 复垦成建筑用地；2 复垦成农林用地；3 复垦成水 塘1 9 1 。 塌陷区治理是复杂的系统工程，不能单纯采用某一种方法，而是多种方法的综 合运用。各种方法可相互组合应用，针对具体条件，在矿区总体规划的原则下灵活 运用，达到经济合理的目的。 1 2g i s 应用现状及发展趋势 g i s 是将反映人们赖以生存的现实世界( 资源与环境) 的现势和变迁的各类空 日j 数据及描述这些空f b j 数据特征的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的 格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统1 1 0 i 。它是测绘、计算机、 图形学、制图学、应用数学等多学科技术集成的基础平台，是处理和表达空间地理 信息的一种重要工具。它包含若干软件工具，用于输入、编辑、显示空间型和非空 间型的地理数据；利用数据库管理系统有效地存储和管理地理数据，并提供多种空 间分析模型支持空问分析；它具有传统的地图功能，地图上的所有信息它都可以 有，只不过将模拟信息变成了数字信息；它具有数据库管理功能，能够通过各种数 据模型和数掘结构将多源的、海量的地理数据统一存储与管理，可以进行各种查 询、检索、统计；同时它还具有很强的分析功能，包括g i s 中特定意义的空间分 析，如空问数掘的叠加分析、缓冲区分析、网络分析、地形分析等。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。它们大小不一，风格各异。国外较 著名的有a r c g i s ，a r c i n f o ，m a p l n f o ，g e n a m a p ，m g e 等。国内较著名的有 m a p g i s ，s u p e r m a p ，g e o s t a r 和c i t y s t a r 等。 尽管现存的g i s 软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况： 一是利用g i s 系统来处理用户的数据；二是在g i s 的基础上，利用它的丌发函数库 二次丌发出用户专用的g i s 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、 5 一 河北理1 ：人学硕士学位论文 教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，g i s 应用遍及环境保 护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年 来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了g i s 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作用，取得了良好的经济效益 和社会效益。 近年来g i s 技术发展迅速，其主要的源动力来自月益广泛的应用领域对g i s 不 断提出更高的要求，另一方面，计算机科学的飞速发展为g i s 提供了先进的工具和 手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智 能技术都可直接应用到g i s 中。g i s 的发展趋势主要反映在以下八个方面f 1 1 ”j ： 1 组件( c o m p o n e n t s ) g i s c o m p o n e n t sg i s 是一种新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制作成a c t i v e xc o n t r o l 和a u t o m a t i o n ，这些标准的a c t i v exc o n t r o l 和a u t o m a t i o n 可以被任何支 持它们的丌发环境调用，以便在原有的或新开发的信息系统中加入g i s 功能。 2 i n t e m e t 或i n t r a n e tg i s 信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户问信息交换与信息查询。由于 g i s 能提供丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能，因此g i s 正在成为i n t e r n e t ( 国际互联网) 或i n t r a n e t ( 企业局域网) 的一个主要内容。 3 d a t aw a r e h o u s i n g d a t aw a r e h o u s i n g 的字面意思是建立数据仓库。由于空间数据量非常大，这些 数据大都分散在政府和私人机构及公司的各个部门，数据的管理与使用变得非常的 复杂。但同时由于这些空间数据具有极大的科学和经济价值，因此大多数发达国家 都比较重视空间数据库的建库工作，在这些国家一般都有许多研究机构和政府部门 参与到空丑j 数据库建立的研究工作中。国家测绘局也积极地推进我国空间数据基础 设施的建设工作，并提出规划模式，部分内容已经在实施当中。 4 3 d g i s 地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的，因此目前二维g i s 技术或二 维半( 平面x ，y 坐标加高程) g i s 对于完整的描述地球上的对象是有一定限制 的。需要用三维空| h j 来描述的应用领域有如下几个方面：气象学、地质学、采矿 学、石油勘探与丌发、计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、医学影像和机器人学 等。近年来，不少学者围绕3 dg i s 空问数掘模型做了大量的研究，提出了许多三维 空问数据模型和建模方法。 一6 1 文献综述 5 g i s 与多媒体数据、g p s 和r s 的集成 g i s 与多媒体数据、g p s ( 全球定位系统) 和r s ( 遥感) 的集成使得基于空间 数掘的信息管理系统变得更加灵活多样，极大地拓宽了信息来源渠道，方便用户对 各种信息的存储与管理，同时能够建立起更加科学的决策系统。 6 开放型g i s ( o p e n g i s ) o p e ng i s 是为了使不同的g i s 软件之b j 具有良好的的互操作性，以及异构分布 式数据库之间实现信息共享。目前一种多用户、跨平台的o p e ng i s 技术正在被国 外的许多研究机构、政府部门和高等院校所研究和开发利用。o p e ng i s 的研究和应 用使得各政府部门及企业之间不同格式的数据能够方便地互访，有利于网络g i s 及 分布式g i s 空间数据库的建立，使g i s 的应用领域及其功能大大拓宽。 7 虚拟现实技术 虚拟现实是目前g i s 研究领域的另一重要方向。虚拟现实是对人类真实世界某 一部分或某一过程的逼真模拟，给人提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信息， 令人完全置身于虚拟世界中，感受与现实系统一致或接近，从而让人产生一种虽幻 犹真的沉浸感。美国m u l t i g e n 公司生产的m u l t i g e n 软件已可以利用地理信息中心 的数字地形海拔数据( d t e d ) 、数字文化特征数据( d f a d ) 和与之配套的航空或卫星 照片，快速高效地构造任何地区的地形地貌和文化特征。 8 时态g i s 传统的g i s 只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应用领域中， 如环境监测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时i 日j 变化的，而这种动态变化 的规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去g i s 忽略时态主要是受器件的限 制，也有技术方面的原因。近年来，对g i s 中时态特性的研究变得十分活跃。目前 国际上已有l a n g r a n 、c h r i s m a n 、p e u q u e t 、w o r b o y s 、w e n t z 、t e m p f i 和a l er a z a 等人提出了一系列时空数据模型，国内也有陈军、龚建雅、舒红、蒋捷、张师超等 人在这方面作了细致的研究，取得了一定的成绩。提出的具有代表性的时空数掘模 型主要有序列快照模型、基态修正模型、空问时间组合体模型、空间时间立方体 模型、面向对象的时空数据模型和基于特征的时空数据模型等1 1 4 】。 7 河匕理i ：人学硕1 t 学位论文 l 。3g i s 技术在矽区生态环境孛的应用磷究琉状 1 3 。1g i s 在矿区环境中的应用方向 缭合g i s 酶鏊本功能，g i s 在矿区环境巾的应角方自霹l 启纳为蔽下六个方瑟： 1 矿区地籍铸理。对矿区内土地的权属、土地等级、土地生产能力、工业民用 建筑寓体的空间分布、各种统计资料及报表等进行管理，井具有查询、漫游、分析 移统谤功能，为犷送正常酶主缝管理帮麓翔掇供稚务。瑷动鬣动，瓣矿嚣采媒破舔 土地的时空变化规律实行动态管理，及时获得土地破坏性质、破坏磷i 积、权属特 征、土地生产力等信息，为征地、搬迁和土地复垦利用提供信息参考。 2 对邃表壤黧迸 亍动态蕊溺窝模掇，及辩提供基旗数攥芳送行空润分叛，豫测 地表移动规律，缩含土地复垦瑗论对超前复爨可行性进行评述，并对塌陷盆地进行 稳沉性论证等。对地面塌陷过程模拟，可以用二种方法l ”l ：第一种方法是基于二维 乎嚣状念豹模叛。戳不曩颜您表示缝嚣塌陷豹不同疆发，蔽摆数字裹程摸型 ( d e m ) 对塌陷程度进行分级，并赋予相应的颜色，通过色彩的动态变化表达动态 过程；或获取不同时相的陆面塌陷状态，通道空日j 内插、预测等方法将时| b j 尺度调 整到褥要豹阕隔，遴过动画技术瓣不弱爵搪的塌陷状况进纾组织，实现溯画摸拟； 或将二维数据予黻扩展，赋予辩闻属性，避行动态模按；第二种方法怒三维模摈。 三维模拟可以对地两塌陷过程j l 行表达，较二维模拟有较大的优越性，其基础是三 维可视化。最基本的方法是利用不同对相的塌陷情况的三维图像进行动酒显示；或 将g i s 与塌陷豹窑闯模壅稿绩会，实嚣囊态模羧；或戳g i s 孛三维蒙攥绪构兔基礁 进行三维动态模拟。 3 基于g i s 的地面塌陷所造成的环境影响进行评价。矿山生产对生态环境的破 坏篷捂景蕊酸舔登、嚣凌污染蘩、生耪多襻後影晌型三秘软念。廷g i s 邋蟹建瑟臻 陷环境影响评价的基本方法是l 硒l ：根据评价目标，确定评价所采用的数据；将 g i s 与地面塌陷预测模型结合，确定地面塌陷范围，并形成地面等高线瞄d e m ，将 影翡送瘤各交形豢檬( 簇裁、熬率、承平移动等) 遴孬霹巍纯表示；缝合特定戆 评价模型，从g i s 数据库中摄取需要的信息，进行具体评价；将评价结果通过 g 1 s 予以可视化表达。 4 基于g i s 黪矿嚣密弃媲款复垦漤力谔徐h 7 1 。在_ l i 嚣复垦潜力评馀时，首 先应禽理选取评价因子，然后程g i s 的支撩下对各因子倍感进行获取、维织，并提 8 1 文献综述 供评价模型应用。根据矿区废弃土地类型及破坏的特殊性，可选用的因子包括土壤 条件、地形条件、气候及水文条件和社会经济条件等因子。传统的方法主要是利用 层次分析法、模糊综合评价法等进行，其操作复杂，计算量大，而利用g i s 进行评 价并将结果予以可视化表达，则可以克服传统方法的缺点和不足。 5 g i s 支持下的塌陷区治理决策。当前对塌陷区治理的主要方法就是土地复 垦，使其恢复到可利用状态，其主要包括塌陷区的调查与分析、复垦方案规划、复 垦模拟( 景观模拟) 、复垦工程与管理等，g i s 在这些方面将发挥重要作用。如建 立土地复垦专家系统模块，用户通过输入有关矿山现有破坏土地的自然状况、破坏 性质、地形特点、面积大小、土壤性质和生产力等多元信息，系统可对破坏后土地 的可垦性进行综合分析，确定复垦工艺措施，复垦后土地利用方向及技术经济分析 评价等，为用户提供专家指导【坞l 。还可利用矿区采静的数字地面模型( d t m ) ，指 导复垦设计和规划后的d t m ，为评价土地复垦效果提供依掘。 6 3 s 集成应用。在矿山地面塌陷监测、管理与治理中，3 s 即有独立应用，同 时相互之间又有互补性，通过集成应用实现优势互补，并最终实现空| 日j 信息技术的 一体化应用。在空b j 信息技术一体化应用体系中，r s 主要应用于提取变化信息，确 定变化区域，基于卫星遥感图像技术，根据矿区地物或实体在影像上表现出的几何 特征，建立直接或间接判读依据，用来确定与矿区有关组成要素的空间分布与数量 构成【1 9 1 。如破坏土地分布、土地利用现状、工业民用建筑实体分布、矿区破坏土地 水土流失状况等。g p s 主要应用于实施野外监测( 包括平面测量和高程测量) 提供 控制点信息，g i s 则用于提供背景数据与辅助信息，并作为为信息处理的平台与框 架。 1 3 2 国外g i s 在矿区环境中的应用研究现状 目前国外对g i s 在矿山环境方面的应用是比较充分的。土地复垦主要为破坏或 退化的土地及相应的资源和环境问题为研究对象。土地复垦所需处理的数据信息涉 及采矿、地质、地理、土地、环境、景观、生态、农林、生物、土壤、地化及社会 经济等众多领域，具有信息量大、信息属性及拓扑关系复杂、信息时空变化大等特 点。在长期的生产和研究实践过程中，有关采矿、土地复垦及环境专家早己关心这 些复杂的空日j 数掘信息，他们一直在探索快速处理这些空问数掘信息的途径，g 1 s 技术的出现，为空| 日j 地理信息处理提供了极为方便的手段，于是，有关专家丌始尝 试将g i s 技术引入到矿山环境和土地复垦领域的空问数据信息处理中【2 0 j 。 9 河北理i ：人学硕+ 学位论文 k r i g e 是最早将g i s 引入采矿环境工程的人员之一。他从空间上研究探索了适 于矿产资源进一步开发的景观类型【2 1 j 。 d a v i d 等利用g i s 的图层信息数据的重叠组合功能，调查美国伊利诺斯州南部 地区传统房柱式丌采废弃矿的塌陷位置及塌陷对上部土地、基础设施的潜在破坏影 响【捌。 d a r m o d y 在研究了对影响土壤塌陷灵敏性的有关因素( 季节性、水平面高度、 坡度、遭受洪涝的可能性、自然排灌条件、水文及土壤结构等) 基础上，结合g i s 技术，建立了一个有关美国伊利诺斯州长壁丌采对农业用地塌陷敏感性及农作物产 量影响的预测模型，用于对矿区庄稼产量损失进行预测，并为长壁开采规划设计提 供参考i 矧。 y o u n o s 等在g i s 环境下，运用通用土壤侵蚀方程u s l e ( u n i v e r s a ls o l i dl o s s e q u a t i o n ) 来建模分析预测美国佛吉尼亚西南地区现存的废弃矿山土地土壤侵蚀情 况，作者还通过三种不同复垦方案的选择对减少土壤损失的影响的分析比较，证明 了不同复垦战略对减少土壤的潜在侵蚀的有效性l 。 1 9 9 5 年，澳大利亚采用e r s 1 e r s 2 的t a n d e m 数掘、j e r s - 1 的l 波段 1 9 9 3 1 9 9 5 年的重复过境数据，通过g i s 对以往采用长壁丌采法的a p p i n 煤矿区沉 降变化进行了定量分析，研究分析出了煤矿区沉降的机制【矧。 2 0 0 0 美国印第安那州州立大学l i uq i a n 将g i s 、遥感数据、多目标决策方法 ( m c d m ) 相结合集成为空b j 决策支持系统，对废弃露天矿的复垦方案进行优化设 计。 c h r i s t i a n 和w o l f g a n g 将遥感、地理信息系统和地下水模拟结合起来研究了地下 采矿引起的地表变形、地下水变化和地表植被变化三者的关系f 捌。 d a v i dlj o r d a n p e 基于a r c v i e w3 da n a l y s t 模块建立d e m 模型，在此基础上 对矿区的弃土堆的复垦方案进行模拟。m a t t h e wr e i d ，e r i c am i g n o n e 利用g i s 去寻 找适合矿区土地复垦所需的淤泥及粉煤灰的束源。 1 3 3 国内g i s 在矿区环境中的应用研究现状 我国g i s 在矿区环境中的应用起步较晚，但是，目前国内对g i s 在矿山环境中 的应用研究比较多。近年来，中国矿大在发展我国矿山地理信息系统的技术方法和 实际应用研究方面有新的进展，如，他们利用航空和卫星遥感图像资料，在 1 0 1 文献综述 a r c i n f og i s 软件系统的支持下，完成了矿区和工业城市的土地利用、环境生 态、岩层陷落柱的探测、矿井水预测、地质构造调查等项目的研究。 不少高校和研究机构( 主要是中国矿业大学、中国地质大学、山东科技大学、辽 宁工程技术大学等) 开展了对g i s 在矿山环境中应用的某些技术方法进行了研究，比 如基于各种g i s 平台下的丌采塌陷损害评价方法研究、开采塌陷预计预测研究、开 采塌陷模拟计算与数据组织研究、地表塌陷信息的可视化研究、矿井开采塌陷影响 土地利用系统的g i s 分析方法研究、矿区土地复垦信息系统中时念数据组织方法研 究、基于各种g 1 s 平台的矿区生态环境质量评价系统设计与实现研究、基于g i s 矿 山环境信息系统的研究等，甚至有些研究机构及人员也进行了建立矿山环境信息系 统的试验 2 1 7 - 3 4 1 。 这方面的代表有：贺只兴等探讨了我国建立基于g i s 技术的矿山土地复垦信息 系统的必要性和可行性，提出了g i s 技术在土地复垦领域的主要应用方向i 切。乔朝 飞等从软件工程的角度，介绍基于g i s 建立矿区土地复垦管理信息系统应考虑的几 个问题p ”。白中科和申广荣为带头人的课题组根据大型露天煤矿废弃地生态重建的 特点，详细地阐述了大型露天煤矿废弃物的生态重建智能决策支持系统的设计思 想，建立了该系统的总体框架【卅。 掘以上资料可以看出，国内外在g i s 技术应用于矿山环境方面都进行了大量的 工作，也取得了丰硕的成果。但是，目前g i s 在国内矿山环境中的应用主要还处于 研究试验阶段。 1 4 课题提出及主要研究内容 1 4 1 课题提出 矿山环境状态是随时问变化的，特别是地表的开采塌陷变化不仅影响矿山安全 生产，而且对矿区环境产生很大影响，如地表耕地、地表的树木、农作物、村庄、 铁路、公路、管线、堤坝等各项设施遭到破坏、土地利用结构受到影响、采区水文 环境受到很大影响，所以对矿区环境状态需要进行动态监测及对监测信息进行科学 的信息化管理和分析，以便为灾害的预警预报以及塌陷治理提供快速智能化的决策 依掘，减少和避免更大的损失。 目前的环境动态监测方法基本都用到“3 s ”一体化技术，即在实际中通过建立 生念环境动态监测与决策支持系统，有效获取生态环境信息，实时监测区域环境的 河北理= 大学硕士学仿论文 动态变化，进而掌握该区域生态环境的现状、演变规律、特征与发展趋势，为管理 者提供依据。因此，可以将该方法用到矿山环境的动态监测上来。 本课题就是在利用g p s 技术，获取采矿区地表塌陷监测数据和通过现场取样及 室内化验分析，获取采煤塌陷区水体、土体等环境要素污染状况及污染物束源数据 的基础上，采用g i s 组件技术和时态g i s 技术，建立采煤塌陷区生态环境信息系 统，对环境监测数据进行管理和分析。 1 4 2 主要研究内容 本论文根据采煤塌陷区生态环境的特点，研究开发基于g i s 的采煤塌陷区生态 环境信息系统。该系统具有g i s 的基本功能以及基于采煤塌陷区生态环境时空数据 库的环境要素的变化情况分析、环境要素质量评价等功能。 1 4 2 1 采煤塌陷区生态环境时空数掘库 该时空数掘库应根据采煤塌陷区生态环境的变化情况和监测频率存储各个时段 的环境数据、基础地理信息和环境质量标准数据。 这些数据分别存储在空日j 数掘库和属性库中。空i 日j 数据库记录图元的空| b j 信