岳 俊

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

瓦斯地質(zhì)信息是一種空間信息，其數(shù)據(jù)具有空間位置特征。運用GIS 技術(shù)開發(fā)瓦斯地質(zhì)圖形軟件系統(tǒng)，是有效管理和運用瓦斯地質(zhì)信息的重要手段[1-7]?；赟uperMap GIS 平臺二次開發(fā)的多級瓦斯地質(zhì)動態(tài)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦區(qū)、礦井、采區(qū)和工作面多級瓦斯地質(zhì)圖的自動更新繪制，以及礦井多級瓦斯地質(zhì)信息的全方位預(yù)測，為煤礦安全生產(chǎn)和指揮決策提供基礎(chǔ)依據(jù)。一般的瓦斯地質(zhì)繪圖軟件只關(guān)注編圖，很少重視對瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的分析利用[8-15]。多級瓦斯地質(zhì)分析系統(tǒng)從數(shù)據(jù)生產(chǎn)利用的角度出發(fā)，提出了一套以GIS 空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，GIS空間分析能力為支撐的多級瓦斯地質(zhì)分析技術(shù)及方法。

1 多級瓦斯地質(zhì)分析系統(tǒng)

多級瓦斯地質(zhì)動態(tài)分析系統(tǒng)，基于SuperMap Objects.NET 6R 組件式GIS，在Visual Studio 2019 開發(fā)環(huán)境下采用C#.NET 語言開發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為參數(shù)數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)兩大類，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

瓦斯地質(zhì)實測參數(shù)及系統(tǒng)的配置信息，如用戶信息及字段域值信息等，統(tǒng)一存儲在瓦斯地質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQLServer 作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，各客戶端系統(tǒng)共享訪問。礦井、煤層、采區(qū)和工作面各層級的瓦斯地質(zhì)圖形數(shù)據(jù)，以一套SuperMap 數(shù)據(jù)文件的形式，存儲在嵌套的數(shù)據(jù)文件夾中。采取基礎(chǔ)參數(shù)與圖形數(shù)據(jù)分離的形式，可以很方便地實現(xiàn)不同層級瓦斯地質(zhì)圖之間數(shù)據(jù)的共享。所有瓦斯地質(zhì)參數(shù)都統(tǒng)一從基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫獲取，有效保證了多級瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的一致性，無需重復(fù)錄入，避免冗余。系統(tǒng)按照功能劃分公共功能模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和分析功能模塊等三大模塊，如圖2 所示。公共功能模塊提供了瓦斯地質(zhì)圖文件管理、地圖視圖功能和排版打印功能，及圖層管理功能。數(shù)據(jù)管理模塊提供了瓦斯地質(zhì)圖各類數(shù)據(jù)的制作及編繪功能。分析功能模塊，提供了基于柵格數(shù)據(jù)的等值線分析、剖面分析、煤厚變化率分析和基于矢量數(shù)據(jù)的影響區(qū)分析、疊加分析等功能。接下來主要詳細(xì)介紹系統(tǒng)中的瓦斯地質(zhì)專業(yè)分析功能。

圖2 系統(tǒng)功能框架

2 基于柵格數(shù)據(jù)的分析

瓦斯地質(zhì)各種等值線和等值面包括瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤層底板、煤層厚度、煤層埋深等，是瓦斯地質(zhì)圖用于表現(xiàn)瓦斯地質(zhì)賦存特征的重要要素。為了實現(xiàn)等值線自動繪制，系統(tǒng)以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、運算、重建到各種分析，提供了一整套功能。柵格數(shù)據(jù)將一個平面空間規(guī)則劃分為行和列，形成規(guī)則網(wǎng)格，每個網(wǎng)格稱為一個像元。每個像元都以給定值來表現(xiàn)瓦斯地質(zhì)特征值，如瓦斯壓力、煤層厚度等?；跂鸥駭?shù)據(jù)的瓦斯地質(zhì)分析過程如圖3所示。

2.1 柵格插值分析

柵格數(shù)據(jù)的創(chuàng)建過程實質(zhì)是構(gòu)建柵格分析范圍內(nèi)所有像元的特征值的過程。實測瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)僅僅只是少數(shù)，柵格范圍內(nèi)的大多數(shù)未知點都需要通過空間插值推斷求得。空間插值算法是通過已知點和柵格分析范圍，推求區(qū)域內(nèi)任意點數(shù)據(jù)的方法。SuperMap通過Interpolator類提供了距離反比例權(quán)值插值、樣條插值、克呂金插值和徑向基函數(shù)插值和點密度插值等柵格插值算法。

創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源分為2 種，一種來自于外部數(shù)據(jù)，一種來自于內(nèi)部數(shù)據(jù)。外部數(shù)據(jù)是CAD或Excel、CSV等文件格式記錄的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)文件記錄了創(chuàng)建柵格所需的點或線數(shù)據(jù)。例如煤層底板等高線CAD圖中的等高線圖層，以多段線形式繪制了煤層底板等高線。多段線自帶的標(biāo)高字段，記錄了煤層底板高程值。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊可讀取煤層底板等高線數(shù)據(jù)，插值生成煤層底板柵格。內(nèi)部數(shù)據(jù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里記錄的點或線數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集通過字段記錄了特征值，通過對這些矢量數(shù)據(jù)的插值，也可得到柵格數(shù)據(jù)。如圖3 左側(cè)所示，對原始地形等高線和煤層底板等高線進(jìn)行柵格插值分析，創(chuàng)建了地面高程柵格和煤層底板柵格。

圖3 基于柵格的分析過程

2.2 柵格代數(shù)運算

多數(shù)瓦斯地質(zhì)柵格可利用原始數(shù)據(jù)通過空間插值算法直接創(chuàng)建，如地面高程、煤層底板、煤層厚度等。其他一些柵格數(shù)據(jù)，如煤層埋深、瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量等，則需要通過柵格之間的代數(shù)運算得到。柵格代數(shù)運算是運用代數(shù)學(xué)的觀點對地理特征和現(xiàn)象進(jìn)行空間分析，實質(zhì)上是對多個圖層進(jìn)行數(shù)學(xué)運算以及函數(shù)運算，運算結(jié)果柵格的像元值是由輸入的一個或多個柵格同一位置的像元值通過代數(shù)規(guī)則運算得到的。如圖3 所示，通過地面高程柵格減去煤層底板高程柵格，可以得到煤層埋深柵格。

瓦斯參數(shù)相關(guān)的柵格要復(fù)雜一些。例如瓦斯壓力可以擬合為與煤層埋深的線性關(guān)系式，可通過對煤層埋深柵格的函數(shù)運算，得到瓦斯壓力柵格。

SuperMap 通過MathAnalyst 類提供了柵格代數(shù)運算功能，不僅有常用的加減乘除和取整等算術(shù)運算方法，還支持通過自定義表達(dá)式，進(jìn)行柵格的條件運算、邏輯運算、函數(shù)運算及復(fù)合運算。

2.3 柵格數(shù)據(jù)重建

由于瓦斯地質(zhì)的多級性，不同層級瓦斯地質(zhì)圖的尺度各不相同。礦井或煤層瓦斯地質(zhì)圖一般以1∶5 000比例尺繪制，范圍大。采區(qū)工作面瓦斯地質(zhì)圖一般以1∶2 000或1∶1 000繪制，范圍小。如果不同尺度下均以相同像元大小生成柵格數(shù)據(jù)，要么數(shù)據(jù)量太大影響分析效率，要么數(shù)據(jù)精度太低不能達(dá)到分析要求。因此數(shù)據(jù)在不同層級間轉(zhuǎn)換時，需要根據(jù)比例尺確定像元大小，重新構(gòu)建柵格數(shù)據(jù)。

柵格數(shù)據(jù)重構(gòu)實質(zhì)上是對柵格像元重新劃分的過程。像元大小改變以后，像元中心位置也發(fā)生了變化，導(dǎo)致柵格像元和原始柵格并不都是對齊的。因此需要對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行一定規(guī)則的重采樣，建立新的柵格矩陣。此外，重采樣還是處理柵格分辨率匹配問題的常用方法，通過重采樣可以將不同分辨率的柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個指定的分辨率上。例如一部分柵格來自采區(qū)，一部分柵格來自工作面，要合成煤層級別的柵格，就可以通過柵格數(shù)據(jù)重采樣來實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。如圖4 所示，左側(cè)柵格分辨率為4.33，右側(cè)柵格通過重采樣后，分辨率變?yōu)?2.66。SuperMap 通過GeneralizeAnlayst 類的Resample 方法，提供了包括最鄰近法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積法等3 種重采樣方法。

圖4 柵格數(shù)據(jù)重建

2.4 等值線分析

柵格數(shù)據(jù)可以通過表面分析來提取等值線或等值面，如圖3 右側(cè)所示，在瓦斯柵格的基礎(chǔ)上提取了瓦斯壓力、含量及涌出量等值線或面。SuperMap 通過SurfaceAnlyst 類提供了ExtractIsoline 方法用于提取等值線，ExtractIsoregion方法用于提取等值面。

提取等值線和等值面時，一種控制提取結(jié)果的方式是設(shè)置基準(zhǔn)值DatumValue 和等值距Interval。提取過程將以基準(zhǔn)值為參考，向上或向下按等值距搜索滿足條件的值，并產(chǎn)生等值線或等值面。另一種是通過設(shè)置提取參數(shù)中的指定值集合ExprectedzValues，得到滿足固定值的等值線和等值面。為了讓等值線或等值面邊界平滑，SuperMap 提供了2 種光滑方法，B 樣條法和磨角法。光滑系數(shù)越大，等值線或等值面邊界就越平滑。

2.5 剖面分析

基于地面高程柵格、煤層底板柵格、煤層埋深柵格，在瓦斯地質(zhì)圖中繪制折線段，可以繪制出沿剖線剖面圖。如圖5 所示的剖面分析窗口中，剖面圖可清晰顯示沿線的地面高程、煤層底板高程、煤層埋深值的高低起伏趨勢，這在分析一條巷道延伸方向上的煤層賦存情況非常有用。剖面分析的過程實際上是沿線采樣求取柵格像元值的過程。SuperMap通過Calculation-Terrain 類提供的CalculateProfile 方法實現(xiàn)了剖面分析功能。

圖5 剖面分析對話框

2.6 煤厚變化率分析

SuperMap 通過CalculationTerrain 類提供的CalculateSlope 方法實現(xiàn)了此功能。如圖6 所示，由煤厚柵格通過分析得到了煤厚變化率柵格。對比煤厚柵格和煤厚變化率柵格可以看出，煤厚突變的地方其煤厚變化率柵格的顏色越深、值越大，這些位置的突出危險性也更大。

圖6 煤厚變化率分析

3 基于矢量數(shù)據(jù)的分析

瓦斯地質(zhì)圖的各種等值線、等值面，以及邊界線、煤柱、地質(zhì)構(gòu)造線等，都是矢量數(shù)據(jù)。通常需要分析他們之間的空間位置關(guān)系，這就需要基于矢量數(shù)據(jù)設(shè)計瓦斯地質(zhì)分析功能。

3.1 影響區(qū)分析

影響區(qū)分析，實質(zhì)對分析設(shè)定對象作緩沖區(qū)分析。例如對于斷層對象，在瓦斯地質(zhì)圖中保存在地質(zhì)構(gòu)造線圖層中，圖層屬性字段存儲了斷層的影響半徑，影響半徑以內(nèi)的區(qū)域就是突出危險性增大的范圍。此時選擇斷層所在的線圖層作為分析對象，設(shè)定緩沖區(qū)半徑為影響半徑字段，也可以直接設(shè)定為固定值，然后調(diào)用BufferAnlayst 類的CreateBuffer 方法完成影響區(qū)分析。如圖7 所示，左側(cè)是原始圖形，右側(cè)通過分析在斷層線周圍產(chǎn)生了影響區(qū)多邊形。

圖7 基于矢量的數(shù)據(jù)分析

3.2 疊加分析

通過疊加分析，可以分析幾何對象之間的交叉重疊情況，并對相交部分進(jìn)行處理。例如按照瓦斯地質(zhì)制圖規(guī)范，陷落柱范圍內(nèi)不應(yīng)該繪制瓦斯等值線。要去除陷落柱區(qū)域內(nèi)的等值線，可以使用疊加分析功能。疊加分析提供了兩種方式處理重疊：一種是擦除，將會把重疊部分去除；另一種是裁剪，將僅保留重疊部分。SuperMap 通過OverlayAnalyst 類的Erase 方法實現(xiàn)了擦除，Clip 方法實現(xiàn)了裁剪功能。如圖7 所示，左側(cè)圖中穿過陷落柱區(qū)域內(nèi)部的瓦斯等值線，在右側(cè)圖中經(jīng)過疊加分析已經(jīng)被擦除。

4 結(jié) 語

多級瓦斯分析技術(shù)及軟件系統(tǒng)，借助SuperMap的空間數(shù)據(jù)管理及空間分析能力，實現(xiàn)了一套完整的基于柵格和矢量數(shù)據(jù)的瓦斯地質(zhì)分析方法。系統(tǒng)自2019 年開發(fā)完成以來，在全國主要產(chǎn)煤省市20 多個礦井30 多個煤層成功應(yīng)用，編繪標(biāo)準(zhǔn)瓦斯地質(zhì)圖100 余幅。系統(tǒng)提供的多級瓦斯地質(zhì)分析技術(shù)，對瓦斯賦存規(guī)律的預(yù)測準(zhǔn)確率可達(dá)到85%以上。該技術(shù)解決了常規(guī)CAD 軟件編繪瓦斯地質(zhì)圖工作量大、效率低下的問題，破除了其他瓦斯地質(zhì)編圖軟件只重繪圖不重視分析應(yīng)用的弊端。多級瓦斯地質(zhì)分析功能的實現(xiàn)，讓多級瓦斯地質(zhì)系統(tǒng)不再僅僅提供編圖功能，還能從數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，得到常規(guī)手段無法得到的信息，為煤礦安全管理提供了新的技術(shù)手段。