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MaPGis 平台下山东省煤矿水害数据库设计及开发

2010-03-06      来源:国土资源信息化     作者:刁玉杰,魏久传,曹红
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0引言

山东省是煤炭资源大省,煤炭产量居全国第二位,煤炭资源开发历史悠久,但随着开采深度的不断增加,煤矿安全事故时有发生。从山东煤矿开采历史上统计,国有重点煤矿从1949 年至2004年共发生重特大水害事故55起,造成死亡事故25起,死亡431 人。地方煤矿(包括国有地方煤矿和乡镇煤矿)从1972年至2004年共发生重特大水害事故41 起,死亡351人。2003年全省发生煤矿水害事故4起,死亡51 人。其中重大事故2起,特大事故1起。死亡人数占全省煤矿死亡总人数的52.6% (全省煤矿死亡人数97人)。这是自1993年以来水害事故死亡人数最多的年份。从2004 年底统计资料看,在全省的714个生产矿井中,受五种自然灾害威胁的矿井514个,占全部生产矿井的71.9 %。其中受各类水害威胁的矿井254个(占32),充分说明山东省受煤矿水害影响的严重性。

煤矿水害事故的发生,对矿井安全生产构成重大影响,不仅造成了重大的经济损失,更重要的是造成大量人身伤亡事故。基于Map 几、平台下建立煤矿水害数据库,为山东煤矿水害的治理与预防调查与研究提供便捷的数据支持,成为当前煤矿水害防治工作一个艰巨而紧迫的任务。

1概述

GIS(GeogaphicInformationsystem,地理信息系统)是分析和处理海量地理数据的通用技术;是融合计算机图形和数据库于一体,用来存储和处理空间信息的高新技术。它是一种特定而又十分重要的空间信息系统,它以表征地球表层空间地理现象和事物的地理空间数据和信息为特定的运作对象,是对地理空间数据进行处理加工,提取有用地理空间信息乃至知识的系统。近年来,GIS 有了巨大的发展,也受到人们愈来愈广泛的重视。

MaPGis是中国地质大学信息工程学院武汉中地信息工程有限公司自行研制开发的大型基础地理信息系统平台。它是一个集图形、图像、地质、地理、遥感、测绘、计算机科学于一体的软件系统,是集数字制图、数据库管理及空间分析为一体的空间信息系统,是进行现代化管理和决策的先进工具。MaPGis通对多因素的综合分析,可以快速有效地进行地理信息的获取、编辑、处理与应用,并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。MaPGis软件广泛应用于地质、矿产、城市规划、测绘和土地管理等领域,并成为专业技术人员的进行各自研究的重要工具。

2煤矿水害数据库设计

2.1数据库设计的基本原则

数据是地理信息系统的核心,数据库设计质量的好坏,不仅影响到该系统建设的速度和成本,而且影响到系统的应用、维护管理和数据更新。同时数据库的内容和结构决定了系统的功能和质量,将直接影响用户对系统的使用以及GIS 技术与其他应用技术的集成,因此,设计并实现一个内容丰富、结构合理的数据库,是该系统建设能否成功的关键因素。为此矿井水文地质信息管理子系统设计遵循如下原则:l )大量的数据的非冗余结构定义原则;2)在对数据进行操作时,数据的结构、相互关系和从属关系应保持不变原则;3 )数据独立原则;4)数据逻辑意义卜的正确性、有效性和兼容性原则;5)不断扩充和更新的原则。

2.2数据模型的选择

数据模型是表示实体和实体之间联系的模型,是描述数据内容和数据之间联系的工具。数据模型是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。系统设计的核心问题就是设计一个好的数据模型。目前在数据库领域,常用的数据模型有:层次型、网络型、关系型和面向对象模型。大部分GIS 中属性数据均采用关系数据模型,有些系统甚至采用关系数据库管理系统或管理几何图形数据二因此,矿井水害数据库也采用关系模型。

在充分分析调查数据需要的基础上,将得到如图1所示的数据库所处理的数据流程图。

2.3建立矿井水害数据库数据字典

数据字典(datadictionary,简称DD)是对于整个空间数据库的总结和详细的小结,可把它看作个GIS数据库的蓝图,可以帮助用户理解整个数据库的组织和内容以便更好地使用数据库。数据字典是一个动态文件,随着数据库开发的不断增长和维护过程中的不断修改而时时进行不断的更新。它是实现数据库的安全性、完整性、一致性、可恢复性、有效性、可修改J 性以及可扩充性的重要手段之一。为那些可能很复杂且很耗时的程序开发工作提供所需的标准化信息,使整个开发工作更简明快捷。因此根据用户对各种信息的提供、保存、更新、查询和分析的需求,收集基本数据、数据结构以及数据处理的流程,组成一份详尽的数据词典,将为后面的具体设计打下基础。

2.4数据库设计过程和方法

一个信息管理系统总是从客观事物出发,经过人的综合归纳,抽象成计算机能够接受的信息,流经数据库,通过控制决策机构,最后用来指导客观事物。信息的这一循环经历了三个领域:现实世界、信息世界和数据世界,而这三个领域对应的是数据库的概念化设计、逻辑化设计和数据化设计。

2.4.1数据库概念化设计

对现实世界中的实体进行抽象,即数据库概念化设计是数据库设计的关键阶段。概念化设计的常用方法是著名的ER(EntityRelation)方法。这种方法把管理系统所要描述的问题划分为单个的实体,通过实体间的联系有效、自然地模拟现实世界。ER 模型结构简单、语义表现力丰富,描述力强,同时又能方便地转换为经常使用的网络、层次或关系模型,所以在数据库设计中得到广泛应用。ER 模型中最基本的概念有实体、属性、联系。

l)实体(Entity)是指可以相互区别而又可以被人识别的事、物、概念的统称。实体可以是具体的,也可以是抽象的,还可以是物理卜存在的或概念像的。在数据库设计中,人们更关心的是按性质或用途划分的一类实体,称为实体集(ErltilySet) ,对每一个实体集通常规定一个集名。矿井水害数据库的概念结构中划分的实体集包括:各矿一区煤矿的区域地质资料数据库、区域水文地质资料数据库、矿井突水资料数据库、矿井防水情况数据库及矿井水害防治对策数据库。

2)属性(Attribute)是指描述实体的若干特征。根据属性的语义,赋予一个相应的属性名。如某煤矿一个突水点的突水类型、突水系数、突水时间、突水点涌水量、破坏程度等属性。

3)联系(Relationship)是实体与实体之间的各种联系:

区域地质资料数据库的输人、编辑、查询和分析,包括各矿区各煤矿的区域地理位置、区域地层、构造、煤层对比及煤质等基本地质概况。

区域水文地质资料数据库的输人、编辑、查询和分析,包括各矿区煤矿区域水文地质特征、矿井充水条件、矿井涌水特征及规律等。

矿井突水资料数据库的输人、编辑与查询和分析,包括井下突水点一览表、突水点涌水量观测资料、突水次数、突水时间、水害类型、突水原因、突水来源及突水点分布等,并对其进行显示和相关资料的查询与分析。

矿井防水情况数据库的输人、编辑与查询和分析,包括各矿区煤矿矿井防水系统、防水设施及可靠性和各种隔离煤柱及其可靠性等相关资料的查询、统计和分析。

矿井水害防治对策数据库的输人、编辑与查询和分析,包括各矿区煤矿矿井不同类型水害的预防与治理对策等。

山东省煤矿水害数据库概念化设计的具体步骤为确定各ER图的公共实体集,将各局部ER 图合并为一个能反映每个局部ER图的全局ER 图,并消除合并带来的冲突。全局ER模式设计流程如图2所示。

2.4.2数据库逻辑化设计

信息是客观世界中实体的特性在人们头脑中的反映,它用一种人为的文字、符号、标记来表示。对应现实世界中的实体、实体集、特性、实体标识符,在信息世界中的术语为记录、文件、属性(字段)、记录关键字。对客观世界中的实体进行信息化,即数据库逻辑设计是数据库设计的重要阶段,它的任务是根据概念设计的结果,设计数据库的概念模式和外模式。具体步骤如下:

l)导出初始关系模型:将全局ER图转换成初始关系模式。即把概念设计阶段得到的全局ER 图转换成选用的DBMs产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构。本文中的DBMS采用的是关系数据模型,因此数据库的逻辑设计过程就是把ER 图转化成等价的关系模式的过程。在转化时,实体和联系可以表示为一个关系,同时实体和联系的属性也可以表示为关系的属性,即字段。

2)规范化处理:规范化的目的是减少乃至消除关系模式中存在的各种异常,改善完整性、一致性和存储效率。利用规范化理论,先把概念结构向关系模型转换,然后把关系模型向格式化模型转换。这种设计过程可以充分运用规范化理论的成果优化GIS数据库模式的设计

3)模式评价:从功能和性能两方面来评价数据库模式是否完全满足用户的要求。

4)模式修正:根据模式评价的结果,对已生成的模式集进行修正。如果由于需求分析、概念设计的疏漏导致某些应用不能得到支持,则相应增加新的关系模式和属性。如果因为性能考虑而要求修正,则可采用模式的合并、分解或选用另外结构。在经过模式评价及修正的多次反复后,最终的数据库模式得以确定,全局逻辑结构设计完成后,可得到的所有实体基本信息表。

2.4.3数据库数据化设计

数据世界又称计算机世界,由于计算机只能处理数据化的信息,因此必须对信息进行数据化处理。对应于信息世界中的记录、文件、属性、记录关键字,在数据世界中为数字化的记录值、数据集、数据项、关键数据项。即根据数据库逻辑设计阶段设计的各个实体的基本信息结构,建立相应的数据信息表对煤矿水害数据进行管理。

通过上面对信息经历的二个领域:现实世界、信息世界和数据世界的具体分析,我们可列出二个世界术语对照表如下(表1)。此表清楚地显示了系统数据库设计的过程,对于我们进一步理解信息从现实世界到数据世界的转化具有一定的指导作用。

3煤矿水害数据库的功能和应用

按照结构化程序设计的要求,山东省煤矿水害中数据库功能和应用主要分为数据输入、数据查询、数据分析和数据输出四个结构化模块,以实现对煤矿水害数据库的有效管理。

3.1数据输入

初始化数据库、各煤矿区区域地质资料、区域水文地质资料、矿井突水资料、矿井防水情况及矿井水害防治对策等原始数据的输人与编辑、数据导人与导出、退出数据管理子系统。

3.2数据查询

各煤矿区区域地质资料、区域水文地质资料、矿井突水资料、矿井防水情况及矿井水害防治对策资料的查询、显示和输出

3.3数据分析

3.3.1数据可视化分析

对各煤矿区区域地质资料、区域水文地质资料、矿井突水资料、矿井防水情况及矿井水害防治对策资料进行可视化分析。

3.3.2统计分析

统计分析各评价因子分级或分类中水害发育频数,并画出相应的专题图件。根据数据库中的水害资料数据对各矿区煤矿水害进行统计分析,综合对比各煤矿区水害,并针对其水害程度和频率进行区划,从而预测各矿区煤矿的水害隐患,对煤矿生产的预防和防治水作具有极大的指导意义。统计分析山东省省属及市县煤矿突水次数一览表(见表2) ,各煤矿区煤矿突水次数与突水量关系,突水次数与突水时间关系(见图3、图4)。

3.4数据输出

备份数据库数据、并将数据输出成Word表格、打印数据库数据。

4结论

基于MaPGis平台下建立山东省煤矿水害数据库,把各矿区煤矿和水害信息有机地结合起来;通过统计学、GIS 空间分析等先进技术方法对数据库中的各矿区煤矿水害数据信息进行综合分析,然后通过MaPGis软件对分析后的数据信息以文本或图件方式输出;根据统计分析后的数据成果,对各矿区煤矿水害做出初步预测,区划出水害发生频繁、易发生水害的重点矿区或煤矿,并对其水害类型、水害原因等综合评价,从而为山东煤矿水害的治理与预防调查与研究提供便捷的数据支持,对于搞好矿井安全生产具有重大的理论和现实意义。

参考文献:

[l]张虹.万县市滑坡地质灾害数据库的设计[J].安庆师范学院学报:自然科学版,2003,9(3)7981

[2]王小东.基于GIS的地质灾害数据库设计[J].河南理工大学学报,2007,26(3):250 252.

[3]邢向荣,袁景山,马宏兵.基于自S的煤炭资源管理系统设计[J]111西建筑,2007,33(31):365 366.

[4]胡妍.利用Map(7lS建立市级土地利用数据库[J]  国土资源信息化,2006

[5]陈爱斌.基于MaPGis的威海市城镇地籍管理信息系统建设与应用[J]  .国土资源信息化,2004

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