基于GIS技术的天津市地热资源实时监测与信息管理系统研究

张像源

(天津市地质调查研究院,天津 300191)

当前,我国正处于工业化和城镇化快速发展阶段,能源问题已经逐渐成为制约经济和社会发展的重要因素.地热资源是重要的可再生资源,具有清洁、环保、就地取用等优势,开发利用地热对于缓解我国能源紧张的形势,实现节能减排的工作目标起到积极推动作用.

天津地区地热资源十分丰富,地热研究程度较高.从2003年开始,天津市地热管理部门组织相关单位建立了基于GIS的地热资源空间数据库.至2007年底,天津市已有地热井269眼,年开采量达2564万m3,地热利用具有极其广阔的前景.为了获取地热动态数据,技术人员常奔波于各个分散的开采井点以监测地热动态变化情况.这种工作方式在信息技术发展迅猛的今天,不仅显得效率低下,而且浪费了大量的人力物力.

因而,整合已经建立的地热空间数据库,结合信息技术,建立地热资源远程实时监测及信息管理系统,实现地热资源的信息化管理,供地热管理人员及时了解地热资源开采动态的实时信息,加强对地热资源的勘察、开发、利用并有效地进行宏观调控是摆在地热管理部门眼前的一个重要课题.

1 系统设计

1.1 需求分析

为实现远程地热资源动态数据的监测,有序完成各项维护地热监控任务,需要系统具有地热远程监测功能.此外,系统应该具有管理已经建立的地理、地质、水文地质、地热地质、地热资源等图类的空间数据库的功能.为了便于进行地热资源分析,需要结合地热实时监测资料,进行地热资源的统计分析、地热监测数据历时曲线生成、等值线绘制等功能;为使用户了解到天津市最新的地热资源的特征,在天津市进行地热的勘查、打井等工程项目提供辅助信息,系统应该具有支持多种条件下的检索、查询各类相关图层地热信息等功能.

1.2 系统构成

根据上述需求分析,天津市地热资源实时监测与信息管理系统由放置在监控中心的主控计算机(上位机)和置于地热井现场的数据采集装置(下位机)组成(见图1).

地热井现场数据采集装置,由一台工业控制计算机和数个流量、温度、压力、液位传感器组成.负责对地热开采井的温度、压力、流量、液位等过程量进行实时采集,并在上位主控计算机远程要求采集地热井相关数据时,向主控计算机发送地热井最新动态数据.

监控中心的主控计算机是一台标准基于Windows NT操作系统的PC机,安装有基于GPRS Modem、RS232接口的天津市地热资源实时监测与信息管理系统,通过RS232接口, 系统利用GPRS模块与下位机进行通讯,包括发送数据采集命令或者接受监测数据.

1.3 数据传输

由于天津市地热站点相对较为分散,地域跨度较大,如果各个地热井站采用专线与监控中心进行通信的方式,投资费用相对较高.而GPRS是基于中国移动GSM网上的2.5G分组交换数据网,具有很好的信号覆盖.因此,本系统数据传输采用GPRS无线通讯方式,具有投资成本低、运行费用少、数据实时、稳定的特点.

1.4 地热井远程监测

(1)多井连续监测

对于地热动态监测者而言,最关心的是省时省力自动连续多井监测方式.该方式是根据设定的参数,在指定时间内启动监测系统进行多井连续监测,监测到的数据由系统自动写入监测数据库中,同时进行数据自动备份,并将监测情况写入监测日志中.

(2)单井监测

单井监测是指对单个井实施监测的过程,用户选择感兴趣的地热井,实时监测其开采流量、压力、温度、回灌量、回灌温度、累计流量、农业流量等动态内容.

(3)下位机数据采集

由各个地热站的现场数据采集传感器采集开采井的温度、压力、流量、液位等数据量,将采集的数据存储在数据库中,并在液晶显示屏上实时显示.

(4)站点管理

通过站点管理功能,可以实现地热站点基本情况的更新或录入.

1.5 地热空间数据库管理

(1)项目管理

通过建立项目管理文件,实现地热空间数据库管理.项目是一套空间数据库图类、图层文件以及外挂数据库的集合,它记录了这些文件所在的绝对路径.一个项目,具有名称、路径、是否自定义、投影参数等属性.用户通过对项目中的图层文件、图类及其相关要素进行重命名、删除、增加以及图层的外挂数据库设置等,操作实现项目管理.

(2)图形浏览

对于一个地热项目中的图层文件,可以进行组合显示,如加载地理底图和专业图层.用户可在地图视图区进行窗口放大、缩小、移动等操作,并实现图元的拾取、选择以及其它交互式操作.

(3)属性浏览

该功能通过用户在地图显示视图鼠标点取或者框选实现一个或多个图元的选择,并能实现其相应属性的显示.

(4)检索查询

以天津市地热空间数据库为数据源,提供按行政区域查询、地热田单元查询、矩形查询、多边形查询、任意关键词查询等功能,实现对用户感兴趣的空间对象和相应的属性检索查询.

(5)等值线绘制

等值线是指在一个表面上等值点的连线,是在二维空间上表达三维的数据,第3维(Z)用等值线表示.利用现有的观测数据,采用一元线性回归模型计算回归系数,得到水位变幅,将离散数据网格化后,结合GIS技术的空间分析功能,自动进行地热水位变幅等值线等图形的绘制.

(6)历时曲线绘制

地热资源动态数据包括水位、水质、开采量、水温等,随着时间的推移,这些动态向量随开采条件发生着变化,绘制其历时曲线,供用户直观地了解这些观测要素的动态变化特征.

(7)报表生成

将地热实时数据按照某年月累计流量统计、某月日流量统计、某月日累计流量3种方式统计,统计内容可转换为XML文件后在Excel中打开,便于统计分析,也可利用XSL技术转换为Word表格,进行打印输出.

(8)根据数据库坐标生成点文件

利用外部地热数据库坐标,生成具有各种投影的GIS点文件.

2 系统实现

利用MapGIS平台二次开发库,通过面向对象分析(OOA),有效地利用统一建模语言(UML), 应用上述设计,设计并建立了类图和类.并据此实现了MapView (地图视图类)、GSGWGIS(数据库组织类)、CommPort (数据通讯类)、MapLayerManager(图层管理类)、GeoDatabase(数据库连接类)、DrawGraph(绘图类)、DataDsp(数据属性类)、GeoSurvOrgCtl(数据库管理视图类)等类(见图2).

基于微软的.Net frameWork、XML技术,利用VC#.Net、VC++6.0等开发工具,进行系统开发.实现了集地热数据管理、远程监测数据采集、地热数据统计分析为一体的地热资源实时数据监测与信息管理系统.系统主要由空间数据库管理视图、空间图层列表视图、地区列表视图、地图浏览视图、数据与监测视图、菜单、工具栏等部分组成(见图3).

3 结束语

结合GIS技术和最新的计算机开发技术,以地热空间数据库为数据源,进行天津市地热资源实时监测与信息管理系统的研发,确保地热资源在信息化管理、智能化监测等方面紧跟信息技术发展潮流.通过远程对地热井的水温、流量、井口压力、水位等动态参数进行实时监测、科学管理,可以随时掌握地热资源的开发利用现状,同时结合地热空间数据库,利用系统实现地热空间数据查询与分析,为地热管理部门进行地热规划、管理提供辅助决策信息.

略)