吳淑娟， 董少春， 尹宏偉， 姚素平， 徐 翀， 陳永春

(1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210093；2. 煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

?

·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于Google Earth API的采煤沉陷區(qū)三維WebGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳淑娟1， 董少春1， 尹宏偉1， 姚素平1， 徐 翀2， 陳永春2

(1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210093；2. 煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

在采煤沉陷區(qū)建立三維WebGIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)沉陷區(qū)數(shù)據(jù)三維可視化，提供用戶便捷有效的數(shù)據(jù)管理、分析、瀏覽、查詢服務(wù)，并為采煤沉陷區(qū)環(huán)境治理提供決策依據(jù)具有重要意義。Google Earth API和JavaScript技術(shù)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在Google地球上繪制標(biāo)記、線條和多邊形、投射圖片、添加3D模型及載入KML文件，在網(wǎng)頁(yè)上實(shí)現(xiàn)幾乎所有Google Earth功能。本文以淮南煤礦為研究區(qū)，基于Google Earth API，結(jié)合WebGIS理論，采用JavaScript技術(shù)，面向采煤沉陷區(qū)數(shù)據(jù)集中管理與可視化，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集空間數(shù)據(jù)、屬性信息和專題分析于一體的采煤沉陷區(qū)三維可視化平臺(tái)，有效管理礦區(qū)多源數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)可視化瀏覽、查詢與飛行模擬等功能，有助于沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的綜合分析，為沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境治理和恢復(fù)提供決策支持。

Google Earth API； JavaScript； KML； 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)； 采煤沉陷區(qū)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主要能源之一，煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題。長(zhǎng)期的開(kāi)采活動(dòng)形成眾多的地下被采空，由此引發(fā)的地面裂縫、沉陷等問(wèn)題，不僅破壞土地資源、毀壞村莊和交通運(yùn)輸系統(tǒng)、破壞文物，同時(shí)也給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重影響和制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-3]，因此全面了解采煤沉陷區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境信息，準(zhǔn)確掌握礦山開(kāi)采、煤炭利用及沉陷區(qū)形成與治理過(guò)程中的歷史、現(xiàn)狀資料，綜合分析地面沉陷對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，對(duì)預(yù)測(cè)沉陷發(fā)展趨勢(shì)，降低地面沉降帶來(lái)的損失以及為環(huán)境治理提供決策依據(jù)具有重要意義[4-8]。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web Geographic Information System，WebGIS)不僅具有組織、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)桌面GIS所具備的主要功能，同時(shí)兼具Web應(yīng)用易于訪問(wèn)、平臺(tái)獨(dú)立、易于維護(hù)等特點(diǎn)。而基于Google Earth的JavaScript API能夠幫助用戶可以結(jié)合自身需求快速開(kāi)發(fā)出易于部署、通用性好的個(gè)性化三維WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)WebGIS和三維GIS的結(jié)合，因此被廣泛應(yīng)用于地震災(zāi)害應(yīng)急、土地資源管理，森林植被營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)研究、氣象分析、地質(zhì)遺產(chǎn)管理等領(lǐng)域[9-16]

本文以淮南煤礦采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)域，基于Google Earth API開(kāi)發(fā)了采煤沉陷區(qū)三維WebGIS可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等多源地質(zhì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的集中管理、空間信息可視化以及數(shù)據(jù)查詢、分析、專題圖制作等功能，針對(duì)不同需求的用戶提供采煤沉陷區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境直觀、便捷的數(shù)據(jù)管理、瀏覽、查詢、疊加、三維漫游等功能，為用戶綜合分析、評(píng)估采煤沉陷區(qū)環(huán)境質(zhì)量提供便利，為制定采煤沉陷區(qū)環(huán)境保護(hù)和沉陷治理提供決策支持。

1 研究區(qū)域概況

淮南礦區(qū)位于安徽省中北部、淮河中段，以淮南市為主，東部伸入滁州市、西部延至阜陽(yáng)市，地跨淮河兩岸，地處東經(jīng) 116°12′～117°11′、北緯 32°33′～33°00′之間(見(jiàn)圖1)。礦區(qū)東西長(zhǎng)約 100 km，南北傾斜寬約30 km，總面積約3 000 km2，是我國(guó)東南部地區(qū)煤炭資源條件最好, 資源量最大的一塊整裝煤田，為國(guó)家兩淮煤炭基地(13個(gè)億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地之一)的重要組成部分和六大煤電基地之一，煤炭?jī)?chǔ)量大、生產(chǎn)能力強(qiáng)，已探明儲(chǔ)量300多億噸，煤炭總儲(chǔ)量占安徽省的63%、華東地區(qū)的32%[17]。

淮南煤礦擁有近百年的開(kāi)采歷史，在長(zhǎng)期的開(kāi)采中造成了大范圍的地面沉陷。由于礦區(qū)河網(wǎng)眾多，地下水位埋藏較淺，造成塌陷區(qū)大面積積水，形成封閉式湖坑，有的甚至已形成了較大規(guī)模的塌陷湖泊。據(jù)資料顯示，截止2010年9月淮南市采煤塌陷地總面積約達(dá)174 km2，占全市總面積的6.7%，積水面積36 km2，蓄水容積2×108m3，且地表下沉區(qū)最深可達(dá)21 m[18-19]，嚴(yán)重影響和制約了淮南市的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 研究區(qū)域地理概況

2 關(guān)鍵技術(shù)

Google Earth API以Google地球插件和KML地理數(shù)據(jù)存貯與表現(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助JavaScript技術(shù)，在網(wǎng)頁(yè)中嵌入完整的Google地球，在地球上繪制標(biāo)記和線條、在地形上覆蓋曲面投射圖片、添加3D模型和載入KML文件等，從而幫助開(kāi)發(fā)者構(gòu)建復(fù)雜的3D地圖應(yīng)用程序[20]。

2.1 Keyhole標(biāo)記語(yǔ)言(Keyhole Markup Language,KML)

KML是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(eXtensible Markup Language，XML)語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)的一種標(biāo)記語(yǔ)言，最初由Keyhole公司開(kāi)發(fā)并維護(hù)，在2008年4月被開(kāi)放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)(Open Geospatial Consortium，Inc. OGC)正式接受成為開(kāi)放地理資訊編碼標(biāo)準(zhǔn)[21]。它利用包含名稱、屬性的標(biāo)簽(tag)描述和保存地理數(shù)據(jù)(如點(diǎn)、線、圖像、多邊形、模型等)，規(guī)定地理數(shù)據(jù)的顯示方式，記錄地理數(shù)據(jù)的地理特征(如描述信息、圖片、圖層等)，以超文本形式存儲(chǔ)，并在地球?yàn)g覽器(如Google地球、Google地圖和谷歌手機(jī)地圖)中顯示[22-24]。

下面一段代碼以點(diǎn)空間數(shù)據(jù)為例簡(jiǎn)單描述了地理數(shù)據(jù)的KML表達(dá)：

//描述地名標(biāo)注

//標(biāo)識(shí)地標(biāo)的“名稱”//提供描述信息，描述顯示在用戶點(diǎn)擊該目錄或標(biāo)注時(shí)的彈出窗口中

//指定在Google Earth中顯示這個(gè)標(biāo)注時(shí)的“照相機(jī)”視點(diǎn)

//指定地標(biāo)在地球表面位置，如點(diǎn)的經(jīng)緯度

2.2 Google Earth API

Google Earth API是一個(gè)JavaScript庫(kù)，利用Google Earth API提供的函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)三維瀏覽、放大、縮小、漫游、平移、視角變換等基本地圖操作功能。，開(kāi)發(fā)人員還可以根據(jù)實(shí)際需求定制操作工具和交互模塊。

要在網(wǎng)頁(yè)中嵌入Google地球，需要執(zhí)行以下操作：① 加載Google Earth API;② 創(chuàng)建用于包含該插件的容器;③ 創(chuàng)建用于初始化插件的函數(shù);④ 網(wǎng)頁(yè)加載完畢后，調(diào)用該初始化函數(shù)。

實(shí)現(xiàn)代碼如下：

/*指向JavaScript文件，用于加載各個(gè)Google Earth API。*/

；//為插件創(chuàng)建容器

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 原始數(shù)據(jù)

淮南采煤沉陷區(qū)的數(shù)據(jù)主要分為柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)三大類(見(jiàn)表1)。柵格數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)不同分辨率的遙感影像圖以及根據(jù)遙感影像圖反演的各類專題圖；矢量數(shù)據(jù)主要為研究區(qū)行政規(guī)劃、河流、道路分布圖等，以File Geodatabases的形式統(tǒng)一存儲(chǔ)在Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，礦區(qū)介紹、歷史開(kāi)采資料等數(shù)據(jù)以文本文件形式存儲(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

上述數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成KML格式，才能利用Google Earth API完成數(shù)據(jù)加載，構(gòu)建三維地圖。

3.2.1 影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

遙感影像需要經(jīng)過(guò)校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、融合等數(shù)據(jù)處理后，形成該區(qū)域正射影像圖，然后進(jìn)行切片處理，并為每個(gè)切片編寫對(duì)應(yīng)的KML文件(見(jiàn)圖2)。KML文件定義切片的空間范圍和顯示比例尺。影像切片時(shí)將設(shè)定合適的分級(jí)比例尺，以保證瀏覽的流暢性。

這里以研究區(qū)域的4景Pleiades影像數(shù)據(jù)為例(圖2)，說(shuō)明影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。本文中使用的影像數(shù)據(jù)為法國(guó)Pleiades衛(wèi)星于2013年5月采集的研究區(qū)0.5 m分辨率的高分辨率影像數(shù)據(jù)。首先是對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和幾何校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、融合等處理，以便校正影像在成像、記錄和傳輸過(guò)程中引入的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、噪聲和畸變，形成覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的彩色數(shù)字正射影像。隨后對(duì)處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，切片分10個(gè)尺度層級(jí)分辨率，每個(gè)尺度層級(jí)包含若干像素大小相等的png文件，這些png文件拼合后能覆蓋整個(gè)研究區(qū)域。每一層級(jí)的png格式文件均從0開(kāi)始按從左向右、從上到下的順序編號(hào)。每個(gè)png文件配以一個(gè)同名的KML文件，記錄png文件的存儲(chǔ)位置、載入時(shí)的視角、圖幅范圍，并以.kmz為文件名后綴。切片處理后的影像圖按尺度層級(jí)進(jìn)行存儲(chǔ)，每個(gè)尺度層級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)文件夾。

圖2 遙感影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)例

數(shù)據(jù)名稱格式數(shù)據(jù)說(shuō)明沉陷區(qū)分布圖GeoDatabase面狀要素根據(jù)野外實(shí)地勘測(cè)結(jié)果繪制的沉陷區(qū)分布圖,記錄了各個(gè)沉陷區(qū)的地理位置、面積、周長(zhǎng)和勘測(cè)時(shí)間等信息,用以形象具體地表述各個(gè)礦區(qū)沉陷情況和沉陷區(qū)的空間分布積水區(qū)分布圖GeoDatabase面狀要素根據(jù)衛(wèi)星遙感影像及野外實(shí)地勘測(cè)繪制的沉陷積水區(qū)水域分布圖,記錄了積水區(qū)的位置分布、面積大小和周長(zhǎng),常與沉陷區(qū)分布圖結(jié)合使用水體富營(yíng)養(yǎng)化分布圖GeoDatabase面狀要素根據(jù)衛(wèi)星影像、遙感監(jiān)測(cè)模型和野外采樣實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)反演制作的積水區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化情況分析及水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)圖,用于可視化表示沉陷積水區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化情況地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)GeoDatabase點(diǎn)狀要素運(yùn)用控制測(cè)量的方法布點(diǎn)定期監(jiān)測(cè)沉陷區(qū)地面沉降量,記錄了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度、監(jiān)測(cè)時(shí)間、沉降量和所屬礦區(qū)等信息,用以說(shuō)明礦區(qū)的沉降變化沉降分布圖raster應(yīng)用遙感影像與合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)制作的沉陷區(qū)沉降速率及其分布圖,以柵格數(shù)據(jù)的形式應(yīng)用不同顏色來(lái)表示沉陷區(qū)的沉降速率,用于研究沉陷區(qū)沉降變化的快慢井田邊界GeoDatabase線狀要素礦井邊界,用以區(qū)別煤礦與農(nóng)業(yè)用地之間的界限河流GeoDatabase線狀要素礦區(qū)河流、湖泊等水域分布道路GeoDatabase線狀要素省級(jí)道路與鐵路行政單元(縣、鄉(xiāng)、村)GeoDatabase點(diǎn)狀要素行政單元位置分布礦區(qū)詳細(xì)資料txt各個(gè)礦區(qū)的詳細(xì)信息和歷史開(kāi)采資料,如礦區(qū)位置、范圍、煤炭?jī)?chǔ)量、礦井生產(chǎn)力、開(kāi)采歷史等遙感影像raster研究區(qū)域不同分辨率的遙感影像圖,包括:1)30m分辨率的Landsat-7影像圖2)0.5m分辨率的高精度Pleiades衛(wèi)星影像圖

3.2.2 矢量數(shù)據(jù)

矢量數(shù)據(jù)可通過(guò)ArcGIS tool中的conversion功能轉(zhuǎn)換為KML格式的文件。圖3表述了GeoDatabase中點(diǎn)數(shù)據(jù)及與之對(duì)應(yīng)的KML格式文件的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在轉(zhuǎn)換后的KML文件中，數(shù)據(jù)的名稱、編號(hào)、屬性，經(jīng)緯度坐標(biāo)以及表現(xiàn)形式都將以標(biāo)簽的形式進(jìn)行描述。

圖3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換——從GeoDatabase到KML

3.3 腳本編寫與KML文件調(diào)用

KML文件調(diào)用由Javascript腳本實(shí)現(xiàn)?？蛻舳送ㄟ^(guò)瀏覽器響應(yīng)JavaScript程序庫(kù)發(fā)出的指令，JavaScript庫(kù)對(duì)用戶的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)用戶的指令從KML文件數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，JavaScript程序庫(kù)接受從KML文件數(shù)據(jù)庫(kù)返回的數(shù)據(jù)然后根據(jù)用戶指令在客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Google地球上的顯示。

下面以各圖層數(shù)據(jù)的顯示與隱藏為例說(shuō)明了KML文件數(shù)據(jù)的調(diào)用及渲染：① 首先定義數(shù)據(jù)名稱；② 將所有數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)在客戶端顯示，用戶復(fù)選框選擇要加載的數(shù)據(jù)項(xiàng)；③ 程序收到指令后對(duì)要加載的數(shù)據(jù)項(xiàng)作出判斷；④ 最后將數(shù)據(jù)以KML文件中定義的視圖方式在地圖上顯示。

實(shí)現(xiàn)代碼示例如下：

var urlip ="http://"+window.location.host+"/hnsphere/"; //定義本地KML文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑//定義KML文件數(shù)據(jù)名稱var currentKmlObjects = { 'AdminUint.kml': null,//行政單元'sx.kml': null,//水系'Hiway.kml': null,//道路......};//設(shè)計(jì)KML數(shù)據(jù)菜單和顯隱控制復(fù)選框var zNodes =[ { id:11, pId:1, name:"行政單元", open:true, nocheck:true, onClick:false,icon:"images/diy/AdminUint.png"}, { id:14, pId:1, name:"水系", ident:"sx.kml", typeid:"jc", icon:"images/diy/sx.png"}, { id:15, pId:1, name:"道路", ident:"Hiway.kml", typeid:"jc", icon:"images/diy/Hiway.png"}, ......];//根據(jù)復(fù)選框內(nèi)容加載KML文件function loadKml(treeNode) { var kmlUrl = "http://"+window.location.host+"/hnsphere/data/"+treeNode.typeid+"/"+treeNode.ident; google.earth.fetchKml(ge, kmlUrl, function(kmlObject){ if(kmlObject){ currentKmlObjects[treeNode.ident] = kmlObject; ge.getFeatures().appendChild(kmlObject); } if (kmlObject.getAbstractView() !== null){ ge.getView().setAbstractView(kmlObject.getAbstractView()); } });}

4 系統(tǒng)主要功能

借助Google Earth API和Javascript腳本技術(shù)構(gòu)建了淮南采煤沉陷區(qū)三維WebGIS可視化平臺(tái)，將采煤沉陷區(qū)的基礎(chǔ)地理信息、采煤區(qū)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)等與高精度遙感影像相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集中管理、提供數(shù)據(jù)瀏覽、飛行模擬、地圖定位、數(shù)據(jù)查詢等功能(見(jiàn)圖4)。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

4.1 數(shù)據(jù)瀏覽功能

主要包括三維瀏覽、放大、縮小、漫游、平移、視角變換等基本地圖操作和圖層控制開(kāi)關(guān)，用戶可以通過(guò)圖層控制開(kāi)關(guān)靈活設(shè)置各個(gè)圖層的顯示與隱藏。對(duì)于不熟悉當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境的用戶，可以通過(guò)地圖定位工具實(shí)現(xiàn)快速定位。圖5展示了井田邊界、沉陷區(qū)、村莊等矢量數(shù)據(jù)與遙感影像圖層疊加的顯示效果。鼠標(biāo)拖曳可實(shí)現(xiàn)地圖漫游，鼠標(biāo)滾輪的前后滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)地圖的放大和縮小。此外用戶可以使用地圖瀏覽操作控件來(lái)變換地圖方位和視角，實(shí)現(xiàn)在空中從不同的角度和方向?yàn)g覽地圖的效果。

4.2 飛行模擬

飛行模擬為用戶提供了在不同的飛行高度以不同的視角瀏覽地面地理地質(zhì)信息的方式。該功能不僅可以讓用戶自行確定飛行路線和瀏覽視角，同時(shí)也可以通過(guò)定制的方式由開(kāi)發(fā)人員設(shè)定飛行路線。用戶可通過(guò)左下角的進(jìn)度控制工具調(diào)整飛行時(shí)間和飛行進(jìn)度，也可以在感興趣區(qū)域暫停飛行進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢和瀏覽。圖6展示了沉陷積水區(qū)定制飛行模擬的界面，圖中黃色部分表示沉陷區(qū)，紫色部分表示沉陷積水區(qū)。

圖5 研究區(qū)多圖層疊加顯示效果圖。圖中黃色邊線為井田

圖6 研究區(qū)域沉陷區(qū)與積水區(qū)分布飛行模擬效果圖

4.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢主要包括屬性信息查詢和根據(jù)屬性信息查詢數(shù)據(jù)的空間分布兩種方式。

4.3.1 屬性信息查詢

支持點(diǎn)、線、面等矢量數(shù)據(jù)的屬性信息查詢。用戶在三維視圖上單擊欲查詢的點(diǎn)、線、面要素后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的指示調(diào)出數(shù)據(jù)，并將查詢結(jié)果以彈出氣泡框的形式在客戶端顯示。圖7顯示了某一礦區(qū)詳細(xì)信息的查詢結(jié)果。

4.3.2 根據(jù)屬性信息查詢數(shù)據(jù)的空間分布

該功能根據(jù)屬性信息查詢數(shù)據(jù)的空間分布，允許用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行與、或、非等組合查詢，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的關(guān)鍵字在空間數(shù)據(jù)的屬性庫(kù)中查詢滿足條件的數(shù)據(jù)記錄，并將查詢結(jié)果高亮顯示在地圖上。以水體富營(yíng)養(yǎng)化情況查詢?yōu)槔?如圖8)，在左側(cè)檢索欄中用戶根據(jù)界面提示設(shè)置查詢條件，例如查詢水質(zhì)等級(jí)為三級(jí)的水體分布，點(diǎn)擊“查詢”按鈕后即可在地圖上以深藍(lán)色高亮顯示滿足條件的水體區(qū)域。

4.4 應(yīng) 用

三維可視化平臺(tái)不僅可以幫助用戶瀏覽和查詢沉陷區(qū)的各種信息，更重要的是以可視化的方式幫助我們綜合分析采煤沉陷區(qū)的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境，以便對(duì)采煤沉陷區(qū)的沉陷時(shí)空規(guī)律及其對(duì)周邊環(huán)境造成的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策支持提供服務(wù)。

圖7 研究區(qū)屬性信息查詢——礦區(qū)基本信息查詢

圖8 研究區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化情況查詢效果圖

4.4.1 沉陷時(shí)空規(guī)律分析

地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷年沉降量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以關(guān)系表的形式存儲(chǔ)，可通過(guò)查詢功能了解各個(gè)礦區(qū)不同監(jiān)測(cè)時(shí)間的歷史沉降數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖9)。與沉陷區(qū)沉降速率分布圖疊加顯示可以方便直觀地分析出整個(gè)沉陷區(qū)域的沉降時(shí)空變化情況(見(jiàn)圖10)。圖中紅色邊框表示井田邊界，由紫色到藍(lán)色向綠色的漸變表示不同的沉降速率。黃色小圓點(diǎn)指示了不同礦區(qū)的位置。在疊加顯示圖上進(jìn)一步點(diǎn)擊礦區(qū)名稱可以查看各礦區(qū)的詳細(xì)介紹，包括礦區(qū)位置、范圍、開(kāi)采歷史、煤炭?jī)?chǔ)量、礦井生產(chǎn)力等信息。綜合這些信息不難發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采歷史較長(zhǎng)的礦區(qū)，其沉降面積也較大；開(kāi)采深度越大，其沉降速率也較大。例如，潘集礦(潘一、潘二、潘三)、張集礦、謝橋礦的開(kāi)采歷史較長(zhǎng)(其中采礦歷史最短的張集礦其采煤歷史也已超過(guò)20年)。從圖中可以清楚地看出，這些礦區(qū)形成了連片的沉陷，且沉陷區(qū)中很多地方已形成大面積的積水區(qū)(黑色區(qū)域?yàn)樗w)，積水區(qū)由沉陷區(qū)中心向外擴(kuò)散；而顧橋礦、顧北礦和丁集礦開(kāi)采歷史較短(均不足10年)，所以沉降面積并不大。但這些相對(duì)較新的煤礦由于開(kāi)采深度較大(平均開(kāi)采深度在800 m以上，其中丁集礦的開(kāi)采深度甚至達(dá)到900多m)，其沉降速率就非常高。

圖9 研究區(qū)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)查詢結(jié)果顯示效果圖

圖10 研究區(qū)域沉陷區(qū)沉降速率及其分布

4.4.2 沉陷對(duì)周邊環(huán)境造成的影響

從疊加采煤沉陷區(qū)附近的村鎮(zhèn)位置分布圖和沉陷區(qū)分布圖不難發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)周邊分布著近千個(gè)大小不一的村鎮(zhèn)。村鎮(zhèn)以紅色圓點(diǎn)顯示在圖12中，涉及31.1萬(wàn)人口，占全市人口的13%。根據(jù)2000年和2010年的淮南土地覆蓋類型分類圖(圖11)可知，沉陷區(qū)面積從54 km2上升到174 km2；而城鎮(zhèn)面積從647 km2下降到609 km2，農(nóng)田用地從1 697 km2下降到1 655 km2。河流面積從71 km2減少到26 km2。隨著采煤活動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展，其沉降面積和積水區(qū)面積還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

此外從圖12還可以看出，多條鐵路、省道(如S224、S308、S203)經(jīng)過(guò)采煤沉陷區(qū)(圖中以藍(lán)色區(qū)域表示)。持續(xù)的沉降勢(shì)必對(duì)這些道路造成影響。因此在道路或其他地下管線等基礎(chǔ)設(shè)施選址的時(shí)候應(yīng)避開(kāi)已經(jīng)沉陷的區(qū)域。同時(shí)新開(kāi)發(fā)的煤礦周邊雖然沉降區(qū)域較小，但從上文的分析可知，由于其開(kāi)采深度較大，沉降速率高，因此基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)選址的時(shí)候也應(yīng)該避開(kāi)這些區(qū)域，以免沉陷區(qū)域的快速擴(kuò)散毀壞新布設(shè)的道路或管線等基礎(chǔ)設(shè)施。

圖11 淮南土地覆蓋分類圖：

圖12 地面沉陷對(duì)村莊和基礎(chǔ)設(shè)施的影響分析圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Google Earth API構(gòu)建了淮南采煤沉陷區(qū)三維可視化平臺(tái)，采用KML的數(shù)據(jù)格式，基于WebGIS原理和JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)影像、地理、實(shí)驗(yàn)、專題分析以及室內(nèi)整理的數(shù)據(jù)資源的集中管理和三維可視化。用戶能夠通過(guò)瀏覽器瀏覽和檢索數(shù)據(jù)，對(duì)比分析歷年沉陷區(qū)和積水區(qū)的面積、深度變化，查詢檢索礦區(qū)土壤重金屬元素污染情況和沉陷區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的共享、分發(fā)、檢索和疊置分析等功能。該構(gòu)架具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，界面友好，二次開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，不僅可以提供采煤沉陷區(qū)的三維數(shù)據(jù)瀏覽與查詢，而且可以方便數(shù)據(jù)的綜合分析和復(fù)用，為采煤沉陷區(qū)的各類數(shù)據(jù)提供直觀、便捷、靈活的可視化方式，進(jìn)而為采煤沉陷區(qū)的治理提供決策支持服務(wù)。

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Design and Implementation of Three-dimensional WebGIS of Coal Mining Subsidence Area Based on Google Earth API

WUShu-juan1,DONGShao-chun1,YINHong-wei1,YAOSu-ping1,XUChong2,CHENYong-chun2

(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China;2. National Engineering Laboratory of Coal Mine Ecological Environment Protection, Coal Mining National Engineering and Technology Research Institute, Huainan 232000, China)

Underground coal mining leads to ground subsidence that adversely impacts the environment. So it is significant to develop a three-dimensional WebGIS in the coal mining subsidence area to provide visualisation of geospatial information which helps multiple stakeholders to contribute to a more collaborative ecological environment govern and recover planning process of coal mining subsidence area. The Google Earth API enables developers to embed Google Earth applications into Web pages. With JavaScript code, the API can display place marks, lines, polygons, overlays, and 3D models on the imagery, just as the standalone versions as Google Earth can. According to WebGIS theory, this study developed a three-dimensional visualization platform of Huainan coal mining subsidence area based on Google Earth API and Javascript technology. The platform contains spatial data, attributes, thematic analysis and provides multi-source data management, information inquiry, flight simulation in order to assist managers in taking a long-term holistic approach to integrated subsidence area managements decisions. The regional characteristics of Huainan mine area, key technology, data and system functions were explicitly demonstrated, and it was a good reference for other systems.

Google Earth API; JavaScript; KML; WebGIS; subsidence area of coal mining

2014-07-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC10B02)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372353)

吳淑娟(1989-)，女，江西撫州人，碩士生，研究方向：WebGIS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。E-mail：jocelynsj0116@gmail.com

董少春(1976-)，女，江蘇南京人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事WebGIS和遙感應(yīng)用研究。

Tel.：025-89681070；E-mail：dsc@nju.edu.cn

P 208； TP 391

A

1006-7167(2015)03-0101-08