CN111462459A - 一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统及方法，用于对矿山采空区地面沉降、地裂缝、地面塌陷等灾害进行监测预警，属于地质灾害监测预警技术领域，解决了矿山采空区地质灾害难以准确、及时预警的问题，该系统包括地表监测采集子系统、地下监测采集子系统、WSN协调器、GPRS网关、远程监控管理中心、预警信息发布子系统，本发明利用WebGIS技术对矿山采空区地上及地下同时监测，提高预警判定结果的可靠性，地质灾害防治管理部门及附近民众能够及时获知矿山采空区的地质灾害情况，避免损失。

Description

一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统及方法
技术领域
本发明属于地质灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种基于WebGIS技术用于矿山采空区灾害监测预警的系统及方法。
背景技术
采空区塌陷是因矿体(层)采空、覆岩破坏引起的，主要是埋藏于地下的各种大小矿体被采动、掘空后，矿体上部覆岩的力学平衡被打破，除了其自身重力和应力作用之外，岩体产生裂隙和断移，地下水乘虚而入，通过裂隙向采空区渗漏，这又加速了覆岩的破坏，引起岩层和地表移动，最终形成了采空塌陷区。塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使当地房屋受损，道路地裂变形，高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑因处理采空区塌陷而增加建设难度和费用。
近年来，关于采空区引起的地质灾害的研究是行业研究的重点。采空区会使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难、井下大面积冒落、岩移及地表塌陷等，更为严重的是空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏，这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。针对以上地质灾害的监控，传统的方法是人工监测，通过携带监测仪器现场测试的方式对异动信号进行收集，获取地质灾害发生前的相关信息。但是，由于地质灾害发生的偶然性和突发性，以及部分地区恶劣的地形环境等因素，传统的人工监测方式无法有效把灾害防患于未然。因此，建立实时的自动化监测预警系统是必然的发展趋势。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，该系统利用WebGIS技术，结合无线传感器网络技术，对矿山采空区地表及地下情况进行实时监控，能够对采空区地面沉降、地裂缝、地面塌陷等灾害进行及时预警。本发明的另一目的是提供一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，包括地表监测采集子系统、地下监测采集子系统、WSN协调器、GPRS网关、远程监控管理中心、预警信息发布子系统，地表监测采集子系统和地下监测采集子系统分别实时监测和采集采空区地表信息和地下信息，并通过无线通信网络将采集的数据信息传输到WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控管理中心通讯连接，远程监控管理中心对信息数据进行存储、分析、管理处理并通过预警信息发布子系统对外发布预警信息。
所述地表监测采集子系统包括采空区地上布设的若干地表监测节点，地表监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地表监测节点用于采集采空区的气象监测数据、表面倾斜监测数据、地表裂缝监测数据，包括雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器。
所述地表监测采集子系统还包括无人机及无人机上设置的视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、微控制器、电源模块，微控制器分别与视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、电源模块电性连接。
所述地下监测采集子系统包括采空区地下上覆岩层及空区布设的若干地下监测节点，地下监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地下监测节点用于采集采空区地下上覆岩层及采区的内部变形数据，包括用于深部倾斜监测的无线钻孔测斜仪、内部相对位移监测的钻孔多点位移计、渗压监测的无线渗压计、空区距离和角度探测用360°可旋转激光测距扫描仪。
预警信息发布子系统包括采空区电子警示牌、用户手持终端，对远程监控管理中心发来的采空区灾害情况和预警信息及时发布给公众。
所述远程监控管理中心包括数据库服务器、Web服务器、GIS服务器和至少一个客户端，管理服务器、数据库服务器、Web服务器、GIS服务器之间交互连接，数据库服务器用于存储基础地理数据、基础地质数据、地质灾害数据、地表监测采集子系统和地下监测采集子系统的位置信息数据及实时监测数据，建立有多种数据库以满足系统需求，包括实时监测数据库、空间数据库、属性数据库，Web服务器请求获取GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据，并负责处理客户端用户通过浏览器发出的Web请求，运行对应的应用程序，调用相关服务器信息数据反馈给用户，GIS服务器用于处理地图服务，对空间数据处理并发布地图服务，管理服务器接收实时监测数据，并调用Web服务器、GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据进行数据计算分析处理及综合判定预警结果，向预警信息发布子系统发布信息。
本发明还提供了一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警方法，包括：
⑴矿山采空区内地上布设若干地表监测节点，采空区地下上覆岩层及空区布设若干地下监测节点，形成无线传感器星型拓扑网络，通过无线网络连接WSN协调器、GPRS网关与远程监控管理中心上位机；构建数据库，通过数据库收集和存储矿山采空区历史记录的地理信息、地质信息、灾害信息，整理并分析处理信息数据，获取安全风险信息数据，划分预警种类及预警等级；
⑵利用雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器对降雨量、表面倾斜、地表裂缝情况实时监测，结合无人机近地航拍对采空区地表情况实时监测，利用无线钻孔测斜仪、钻孔多点位移计、无线渗压计对采空区地下内部倾斜、相对位移、渗压情况实时监测，结合360°可旋转激光测距扫描仪对采空区地下情况实时监测；
⑶基于航拍片数据、激光测距扫描仪采集数据、钻孔数据及地质构造，对采空区地上及地下地层进行概化分层，提取数据，以三维仿真方式获得用以展现空间信息的GIS采空区地上地下三维模型；
⑷远程监控管理中心对采集的实时监测数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据，结合数据库中存储的数据进行计算分析后，综合判定是否需要进行预警；得到实时预警结果后，远程监控管理中心通过电子警示牌、用户手持终端给用户传达预警信息。
所述预警种类包括地表塌陷、地面沉降、地裂缝及滑坡、泥石流，预警等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，Ⅰ级为警报级、Ⅱ级为警戒级、Ⅲ级为警示级、Ⅳ级为注意级。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：利用WebGIS技术对矿山采空区地上及地下同时监测，提高预警判定结果的可靠性，地质灾害防治管理部门及附近民众能够及时获知矿山采空区的地质灾害情况，避免损失。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅附图1所示，本发明提供一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，包括地表监测采集子系统、地下监测采集子系统、WSN协调器、GPRS网关、远程监控管理中心、预警信息发布子系统，地表监测采集子系统和地下监测采集子系统分别实时监测和采集采空区地表信息和地下信息，并通过无线通信网络将采集的数据信息传输到WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控管理中心通讯连接，远程监控管理中心对信息数据进行存储、分析、管理处理并通过预警信息发布子系统对外发布预警信息。
地表监测采集子系统包括采空区地上布设的若干地表监测节点，地表监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地表监测节点用于采集采空区的气象监测数据、表面倾斜监测数据、地表裂缝监测数据，包括雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器。
相邻的多个地表监测节点中选出簇头节点，簇头节点汇集该簇的数据，簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器。
地表监测采集子系统还包括无人机及无人机上设置的视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、微控制器、电源模块，微控制器分别与视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、电源模块电性连接。
无人机拍摄的高清航片影像数据信息利用OpenGL通用图形接口构建地表模型，再将高清航片按照映射关系进行纹理绘制，生成三维地形实景图，航片影像还含有丰富的空间地理信息。
地下监测采集子系统包括采空区地下上覆岩层及空区布设的若干地下监测节点，地下监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地下监测节点用于采集采空区地下上覆岩层及采区的内部变形数据，包括用于深部倾斜监测的无线钻孔测斜仪、内部相对位移监测的钻孔多点位移计、渗压监测的无线渗压计、空区距离和角度探测用360°可旋转激光测距扫描仪。
相邻的多个地下监测节点中选出簇头节点，簇头节点汇集该簇的数据，簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器。
预警信息发布子系统包括采空区电子警示牌、用户手持终端，对远程监控管理中心发来的采空区灾害情况和预警信息及时发布给公众。
所述远程监控管理中心包括数据库服务器、Web服务器、GIS服务器和至少一个客户端，管理服务器、数据库服务器、Web服务器、GIS服务器之间交互连接，数据库服务器用于存储基础地理数据、基础地质数据、地质灾害数据、地表监测采集子系统和地下监测采集子系统的位置信息数据及实时监测数据，建立有多种数据库以满足系统需求，包括实时监测数据库、空间数据库、属性数据库，Web服务器请求获取GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据，并负责处理客户端用户通过浏览器发出的Web请求，运行对应的应用程序，调用相关服务器信息数据反馈给用户，GIS服务器用于处理地图服务，对空间数据处理并发布地图服务，管理服务器接收实时监测数据，并调用Web服务器、GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据进行数据计算分析处理及综合判定预警结果，向预警信息发布子系统发布信息。
远程监控管理中心的服务器是通过Microsoft SQL Server 2005与ArcGISServer搭建的，通过安装ArcGIS Server ADF运行时来部署网络应用程序，实现系统的各种功能，在对数据进行存储的同时，还可以对用户提供基于以太网的访问。客户端浏览器将HTML代码转换为图文并茂的网页，从而提供一定的交互能力，客户端通过局域网，经身份认证后登陆该系统。GIS服务器将空间数据进行处理处理后导入Oracle数据库，利用空间数据引擎ArcSDE中间件建立同空间数据库的连接，在此基础上使用ArcGIS Server发布地图服务。
实施例2
本发明提供的一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警方法，包括：
⑴矿山采空区内地上布设若干地表监测节点，采空区地下上覆岩层及空区布设若干地下监测节点，形成无线传感器星型拓扑网络，通过无线网络连接WSN协调器、GPRS网关与远程监控管理中心上位机；构建数据库，通过数据库收集和存储矿山采空区历史记录的地理信息、地质信息、灾害信息，整理并分析处理信息数据，获取安全风险信息数据，划分预警种类及预警等级；所述预警种类包括地表塌陷、地面沉降、地裂缝及滑坡、泥石流，预警等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，Ⅰ级为警报级、Ⅱ级为警戒级、Ⅲ级为警示级、Ⅳ级为注意级；
⑵利用雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器对降雨量、表面倾斜、地表裂缝情况实时监测，结合无人机近地航拍对采空区地表情况实时监测，利用无线钻孔测斜仪、钻孔多点位移计、无线渗压计对采空区地下内部倾斜、相对位移、渗压情况实时监测，结合360°可旋转激光测距扫描仪对采空区地下情况实时监测；
⑶基于航拍片数据、激光测距扫描仪采集数据、钻孔数据及地质构造，对采空区地上及地下地层进行概化分层，提取数据，以三维仿真方式获得用以展现空间信息的GIS采空区地上地下三维模型；
⑷远程监控管理中心对采集的实时监测数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据，结合数据库中存储的数据进行计算分析后，综合判定是否需要进行预警；得到实时预警结果后，远程监控管理中心通过电子警示牌、用户手持终端给用户传达预警信息。
地表监测节点和地下监测节点布设采用随机布设方式或利用最小二乘法对RSSI定位算法的环境参数修正后定位布设。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：包括地表监测采集子系统、地下监测采集子系统、WSN协调器、GPRS网关、远程监控管理中心、预警信息发布子系统，地表监测采集子系统和地下监测采集子系统分别实时监测和采集采空区地表信息和地下信息，并通过无线通信网络将采集的数据信息传输到WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控管理中心通讯连接，远程监控管理中心对信息数据进行存储、分析、管理处理并通过预警信息发布子系统对外发布预警信息。
2.根据权利要求1所述基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：所述地表监测采集子系统包括采空区地上布设的若干地表监测节点，地表监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地表监测节点用于采集采空区的气象监测数据、表面倾斜监测数据、地表裂缝监测数据，包括雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器。
3.根据权利要求1所述基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：所述地表监测采集子系统还包括无人机及无人机上设置的视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、微控制器、电源模块，微控制器分别与视频摄像机、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、电源模块电性连接。
4.根据权利要求1所述基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：所述地下监测采集子系统包括采空区地下上覆岩层及空区布设的若干地下监测节点，地下监测节点根据ZigBee协议形成星型拓扑结构网络，地下监测节点用于采集采空区地下上覆岩层及采区的内部变形数据，包括用于深部倾斜监测的无线钻孔测斜仪、内部相对位移监测的钻孔多点位移计、渗压监测的无线渗压计、空区距离和角度探测用360°可旋转激光测距扫描仪。
5.根据权利要求1所述基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：预警信息发布子系统包括采空区电子警示牌、用户手持终端，对远程监控管理中心发来的采空区灾害情况和预警信息及时发布给公众。
6.根据权利要求1所述基于WebGIS的矿山采空区监测预警系统，其特征在于：所述远程监控管理中心包括数据库服务器、Web服务器、GIS服务器和至少一个客户端，管理服务器、数据库服务器、Web服务器、GIS服务器之间交互连接，数据库服务器用于存储基础地理数据、基础地质数据、地质灾害数据、地表监测采集子系统和地下监测采集子系统的位置信息数据及实时监测数据，建立有多种数据库以满足系统需求，包括实时监测数据库、空间数据库、属性数据库，Web服务器请求获取GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据，并负责处理客户端用户通过浏览器发出的Web请求，运行对应的应用程序，调用相关服务器信息数据反馈给用户，GIS服务器用于处理地图服务，对空间数据处理并发布地图服务，管理服务器接收实时监测数据，并调用Web服务器、GIS服务器与数据库服务器上提供的信息数据进行数据计算分析处理及综合判定预警结果，向预警信息发布子系统发布信息。
7.一种基于WebGIS的矿山采空区监测预警方法，其特征在于，包括：
⑴矿山采空区内地上布设若干地表监测节点，采空区地下上覆岩层及空区布设若干地下监测节点，形成无线传感器星型拓扑网络，通过无线网络连接WSN协调器、GPRS网关与远程监控管理中心上位机；构建数据库，通过数据库收集和存储矿山采空区历史记录的地理信息、地质信息、灾害信息，整理并分析处理信息数据，获取安全风险信息数据，划分预警种类及预警等级；
⑵利用雨量传感器、表面倾角传感器、表面测缝传感器、表面位移传感器对降雨量、表面倾斜、地表裂缝情况实时监测，结合无人机近地航拍对采空区地表情况实时监测，利用无线钻孔测斜仪、钻孔多点位移计、无线渗压计对采空区地下内部倾斜、相对位移、渗压情况实时监测，结合360°可旋转激光测距扫描仪对采空区地下情况实时监测；
⑶基于航拍片数据、激光测距扫描仪采集数据、钻孔数据及地质构造，对采空区地上及地下地层进行概化分层，提取数据，以三维仿真方式获得用以展现空间信息的GIS采空区地上地下三维模型；
⑷远程监控管理中心对采集的实时监测数据进行过滤，消除虚假数据以及无效数据，结合数据库中存储的数据进行计算分析后，综合判定是否需要进行预警；得到实时预警结果后，远程监控管理中心通过电子警示牌、用户手持终端给用户传达预警信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预警种类包括地表塌陷、地面沉降、地裂缝及滑坡、泥石流，预警等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，Ⅰ级为警报级、Ⅱ级为警戒级、Ⅲ级为警示级、Ⅳ级为注意级。
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