采煤塌陷地信息管理系统设计与实现

杨坤朋

（1.山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东 兖州 272100；2.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 兖州 272100；3.山东省大数据产业创新中心，山东 兖州 272100）

采煤塌陷地是由煤炭矿物的井工开采引起岩层和地面下沉而导致的土地塌陷区域[1]。采煤塌陷地的产生直接影响着人民群众生活和生产的发展，严重地制约国民经济和社会事业长远规划的实现[2]，因此需要通过采煤塌陷地治理，实现对生态环境和经济发展的恢复或改善。从全国来看，各省份对采煤塌陷地的管理和治理要求虽然存在一定的操作和指标层面的差异，但从总体要求上均将采煤塌陷地治理作为生态文明建设的重要组成内容之一。

在采煤塌陷地产生和治理认定统计上，由于采煤塌陷地长期历史形成、煤矿企业改制主体责任转移、企业采煤塌陷地委托地方政府治理等原因，导致地方政府与煤矿企业之间存在一定的信息统计口径差别，统计出的采煤塌陷地和治理面积数值不一致，不利于采煤塌陷地治理主体责任的落实和考核。煤矿企业在日常采煤塌陷地信息管理工作中，通常采用数字表格台账的方式进行管理，缺少必要的空间地理位置信息，导致在采煤塌陷地范围边界、实施治理范围边界的划定与动态管理上不精准，实施操作不直观，无法满足新形势下采煤塌陷地管理和治理要求，因此迫切需要探索出一种采煤塌陷地信息管理的解决方案。

2020 年10 月，兖矿能源集团股份有限公司启动建设兖矿能源采煤塌陷地信息管理系统项目，对位于济宁市域范围内的7 个所属煤矿采煤塌陷地数据进行全面收集、整理、建库，并结合地方政府监测和统计的采煤塌陷地数据，形成具有空间地理位置的采煤塌陷地信息管理数据库，以此为基础搭建采煤塌陷地信息管理系统，面向集团公司和所属煤矿提供采煤塌陷地数据与应用服务。

该文以兖矿能源采煤塌陷地信息管理系统项目为例，基于地理信息数据建库和WebGIS 等主流技术，面向煤矿企业用户需求，提出采煤塌陷地信息管理系统技术框架设计与实现方法，通过对地方政府和煤矿企业采煤塌陷地信息梳理和分析，建立形成统一空间数学基础的采煤塌陷地数据建库工艺流程，并通过明确不同统计口径下塌陷地范围边界、治理责任范围边界和已实施治理范围边界，以及对煤矿企业采煤塌陷地产生、治理业务管理流程梳理和再造，实现煤矿企业采煤塌陷地信息在线管理、带图管理、协同管理和存档管理。

1 系统设计

1.1 建设目标

通过采煤塌陷地信息管理系统设计与实践，明确地方政府和煤矿企业两种统计口径的采煤塌陷地范围边界、治理责任范围边界和已实施治理范围边界，形成采煤塌陷地信息管理数据库；规范煤矿企业采煤塌陷地产生、治理信息录入内容和格式，设定各阶段时间（包括形成时间、稳沉时间、实施治理时间、费用支付时间、完成认定时间）录入要求，实现采煤塌陷地信息的电子化、流程化管理；建立采煤塌陷地信息统计模型，对采煤塌陷地及治理指标数据进行分析研判，识别发现并定位地方政府和煤矿企业统计口径差异位置，为煤矿企业领导决策提供数据支撑；构建采煤塌陷地一张图管理新模式，以国家天地图最新电子地图、遥感地图数据为GIS基础底图，叠加采煤塌陷地多要素数据图层信息，实现采煤塌陷地带图管理和野外移动地图便携应用，以提高煤矿企业采煤塌陷地管理工作效率。

1.2 系统架构设计

系统涉及多个功能模块组成，各模块之间技术特点和职责存在较大的差异，为此系统技术架构采用MVC 架构模式和SOA 面向服务架构设计，并运用Web Service 技术实现前后端数据的交互和展示[3]。本系统应用服务器采用CentOS 7.4 为操作系统，GIS 地图服务器采用Windows Server 2016 为操作系统，采用MySQL5.6 作为数据库管理软件，采用Spring Boot + VUE 组合框架前后端分离开发[4]，采用GeoServer 2.8 为地图发布引擎，采用国家天地图最新电子地图、影像地图为GIS 基础底图，地图服务采用OpenLayersAPI 开发。系统按照“五横两纵”架构设计，如图1 所示。

图1 系统架构图

1）信息感知层是系统的数据来源，主要通过人工测量的方式获取测绘数据信息，并留有接口，支持接入无人机、卫星、物联网监测、监控摄像头等其他方式获取的数据信息。

2）基础设施层是系统的运行基础，包括计算、存储、网络等内容组成，支持云服务器部署。

3）数据资源层是系统的数据基础，包括地图要素数据库和业务管理数据库。其中地图要素数据库主要通过采煤塌陷地原始档案资料的分析、整理、处理、实地核对、检查，形成统一的采煤塌陷地图层。

4）平台支撑层是系统的底层支撑，提供GIS地图引擎、物联网管理、表单管理、流程管理等基础支撑。

5）业务应用层是系统的用户应用，包括大数据分析、一张图应用、信息管理、数据统计、移动端应用和运维管理等六个模块，按16:9 界面比例设计，支持基于大屏幕、PC 端及移动端设备访问。

6）系统遵循统一的标准规范、工作机制、保障措施、安全防护、保密机制和运行维护等要求。

1.3 系统数据库设计

系统数据主要包括地图要素数据和业务管理数据。地图要素数据包括煤矿范围、采空区范围、地方政府采煤塌陷地监测范围、煤矿企业采煤塌陷地实测范围、地方政府采煤塌陷地监测稳沉范围、煤矿企业采煤塌陷地治理责任范围、地方政府采煤塌陷地治理项目范围等，以及市县行政区划边界、卫星遥感数据、30 mDEM 数据和固定点720°全景影像数据等。具体工作流程如图2 所示。业务管理数据包括煤矿企业委托治理、青苗补偿、旧村址征用、采煤塌陷地治理等项目的基本信息、地块信息、项目过程资料档案和费用信息，以及其他业务管理统计数据、申报审核流程数据、用户数据、权限数据、系统配置数据及系统运行监控数据等。

图2 地图要素数据建库工作流程

根据系统数据特点和系统调用方式，地图要素数据以SHP（ShapeFile）格式、TIF 格式、ArcGIS切片数据格式等文件存储为主，利用GeoServer2.8进行地图服务发布；业务管理数据中的项目信息、用户信息等关系型数据采用甲骨文公司MySQL5.6关系数据库存储与管理，视频、图片、档案资料等非关系型数据采用文件数据库存储。

1.4 系统功能设计

系统主要包括大数据分析、一张图应用、信息管理、数据统计、移动端应用和运维管理共六个功能模块。主要功能模块结构见图3。

图3 系统功能设计示意图

1.5 网络运行架构设计

系统运行在煤矿企业内部办公网络，通过网络边界安全协议，允许内部办公网络单向访问运行在互联网环境的国家天地图数据资源和开发镜像库资源，并利用防火墙VPN 方式，支持移动端应用系统访问办公内网数据与应用服务接口。网络运行架构示意如图4 所示。

图4 网络运行架构示意图

2 系统开发与实现

2.1 关键技术

2.1.1 MVC 架构技术

一种软件设计典范，用一种业务逻辑和数据显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件里面，在界面和用户围绕数据的交互被改进和个性化定制而不需要重新编写业务逻辑，有效提高本系统的技术架构搭建和代码复用率[5]。系统采用MVC 架构设计，实现系统前后端开发与集成。

2.1.2 Spring Boot+Vue 组合框架技术

Spring 框架是Java 平台上的一种开源应用框架，提供具有控制反转特性的容器，为开发者提供快速搭建的后台服务框架。Spring Boot 基于Spring4.0设计，提供开发者简化的Spring 应用初始搭建以及开发过程，便于开发人员定义样板化框架配置，Vue 是一套用于构建用户界面的渐进式JavaScript框架，为开发者提供简便易开发的前端开发基础[6]。系统采用两种框架的组合，能够适应轻量级系统程序快速搭建开发的需要，提供强大功能和技术支持的同时，为开发者提供更加简易的开发模式。

2.1.3 OpenLayersAPI 技术

为开发者免费提供一套地图开发应用接口，提供开发WebGIS 客户端的JavaScript 包，支持Open GIS 协会制定的WMS（Web Mapping Service）和WFS（Web Feature Service）等网络服务规范[7]。

2.1.4 MySQL 数据库技术

具有体积小、速度快、总体拥有成本低的特点，面向开发者提供开放的源码，实现采煤塌陷地数据的高效存取和管理。

2.2 系统实现

2.2.1 大数据分析

利用大数据分析的思路与方法，围绕采煤塌陷地产生与治理，形成包括采煤塌陷地现状、项目治理现状、协议治理现状、采煤塌陷稳沉现状、塌陷地治理目标以及目标完成情况统计等数据分析结果。采用科技风格进行分析结果展示，按照九宫格模式进行实现，中间区域以地图为主显示内容，通过位置和动态线表达公司与各矿区关系，其他区域主要为信息展示板块，包括总体情况、治理目标、利用方式、塌陷现状、实际治理、资金拨付情况、资金趋势分析、项目治理及县区统计等九个主要板块。支持按企业、县区、矿区维度进行数据展示。

2.2.2 一张图应用

基于GIS 地图，叠加矿区范围、开采区范围、采煤塌陷地范围、治理范围等专题图层，形成采煤塌陷地信息一张图，通过图、属关联和分析，实现采煤塌陷地信息带图管理。具体实现功能包括地图浏览、图层目录、地图工具（包括信息查询、图层顺序管理、放大、缩小、复位、距离量测、面积量测、清理、分屏、卷帘、标记、出图）、区域定位、底图切换等基础的地图操作功能，以及根据采煤塌陷地信息管理需要，实现专题查询功能（包括采矿权、塌陷地、旧村址、青苗补偿、委托治理等查询功能）、地图分析功能（包括空间查询、区域分析、矿区分析、坐标分析、拾取分析、叠加分析、状态分析等分析功能）、VR 全境功能和地图标注拍照功能（展示移动端地图野外实地标注位置及拍摄的现场照片）。

2.2.3 信息管理

信息管理包括信息总览、工作台、信息管理三类功能。其中，信息总览对采煤塌陷地信息进行汇总显示，具备信息查询、应用访问和关键指标查询功能；工作台主要实现日常工作信息发布、任务下发、事项办理及通知公告发布等功能；信息管理主要针对塌陷地信息流程化审批管理，包括采煤塌陷地信息审批管理、协议审批管理、治理项目审批管理等，具备信息表单填报、流程环节审批、审批意见表单打印等功能。

2.2.4 数据统计

提供采煤塌陷地工作报表、采煤塌陷地归档信息、地方政府和煤矿企业口径数据对比分析等多维度查询与统计功能。月度汇总统计功能，按照煤炭企业采煤塌陷地综合治理月度统计表格式，按月进行数据统计；总体情况统计功能，按照县区级行政区划维度，对采煤塌陷地数据进行统计；专题信息统计功能，分为常年积水情况统计、季节积水情况统计、治理项目统计等。

2.2.5 移动端应用

移动端应用是一张图应用的移动端应用，两者保持数据的实时同步，基于安卓操作系统、鸿蒙操作系统和移动端操作使用方式，实现GIS 地图实时位置定位、采煤塌陷地信息查询、空间分析、标注、涂鸦、位置定位、拍照等功能。

3 实施效果

基于采煤塌陷地信息管理系统技术框架，在兖矿能源采煤塌陷地信息管理系统项目中进行了初步应用。主要应用工作包括：

1）基于2000 国家大地坐标系，收集整理了济宁市7 处煤矿以往采煤塌陷地档案资料，结合地方政府采煤塌陷地监测数据，明确了采煤塌陷地范围边界、协议范围边界、治理范围边界等位置信息，通过挂接描述信息，建立形成采煤塌陷地信息管理数据库。

2）按照采煤塌陷地信息管理需求，规范了采煤塌陷地信息表单内容，建立了采煤塌陷地电子资料档案在线管理流程。

3）通过对历史采煤塌陷地数据进行锁定，并建立采煤塌陷地形成与治理趋势分析模型，研制了采煤塌陷地大数据分析研判功能，支撑采煤塌陷地管理和治理工作。

4）基于WebGIS 技术建设采煤塌陷地一张图应用，研制了采煤塌陷地图层要素叠加显示，精准定位地图位置，一键自动查询分析不同图层、不同地块间数据差异等应用功能，实现采煤塌陷地带图管理。

5）梳理并设计了线上采煤塌陷地协议申报审批、治理项目申报审批、项目任务实施反馈等工作流程，实现了对采煤塌陷地从形成到治理的全过程跟踪监督和协同管理，对推进采煤塌陷地治理工作、督导考核各煤矿采煤塌陷地治理情况和降低企业费用支出提供技术支撑。

6）利用移动互联网，搭建了移动端一张图应用，实现了移动端与电脑端的信息联动，助力最后一千米采煤塌陷地管理和治理工作。

综上所述，从兖矿能源采煤塌陷地信息管理系统项目应用情况看，初步达到了预期建设目标。

4 结语

利用信息化手段，开展采煤塌陷地信息管理系统建设，是新形势下煤矿企业采煤塌陷地管理和治理工作的必然要求，是解决采煤塌陷地信息统计不准确、缺少空间位置关联等问题的重要工作举措之一。该文提出的采煤塌陷地信息管理系统技术框架，在兖矿能源采煤塌陷地信息管理系统项目中进行了初步应用和验证，能够满足当前煤矿企业采煤塌陷地信息管理需求，有效解决采煤塌陷地管理中范围界限不清、数据统计不明、档案管理不实等实际问题，为煤矿企业采煤塌陷地信息管理从报表管理到采用信息化手段带图管理的转变提供了一种借鉴和参考。考虑到煤矿企业采煤塌陷地信息管理业务面广、涉及工作环节多的特点，该文提出的架构思路及技术路线，目前主要适用于煤矿企业采煤塌陷地边界范围、治理责任范围边界和已实施治理范围边界等信息的管理，如何面向更广业务范围的采煤塌陷地信息管理，还需要进一步开展采煤塌陷地监测、预警、治理等信息管理研究。