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摘 要 ：由于矿产资源的过度开采,水层破坏、地面塌陷、水质污染等情况多有发生,矿山的生态环境面临着很大的挑 战,矿山生态修复迫在眉睫,探索新的管理模式已经成为智慧矿山可持续发展的关键。本文以 Vite+Vue3 为开发平台,使用 JavaScript Web 界面编程语言,基于 Cesium 和 OpenLayers 的构建方法,依赖 GeoServer 和 Nginx 作为服务器,设计并研 发了矿山生态修复地理大数据 GIS 系统,该系统的设计与开发为矿山的智能化与现代化管理提供参考。此外,通过该系统对相 关信息进行监测,可为矿山实现安全生产与修复提供技术支持。
Design andImplementationofMineEcologicalRestorationPlatformBased onCesium
ZHAO Yuxin1.2. HU Xinyue2. HOU Yingzi1.2
(1.Key Laboratory of Physical Geography and Spatial Information Science of Liaoning Province, College of Geographical Sciences, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning 116029; 2.College of Geographical Sciences, Liaoning Normal University, Dalian Liaoning 116029)
【Abstract】：Due to the excessive exploitation of mineral resources, water layer destruction, ground collapse, water quality pollution and other situations occur, the ecological environment of the mine is facing great challenges, and the ecological restoration of the mine is imminent. Exploring a new management model has become the key to the sustainable development of the smart mine. This paper uses Vite+Vue3 as the development platform, JavaScript Web interface programming language, construction methods of Cesium and OpenLayers, and relies on GeoServer and Nginx as servers to design and develop a geographic big data GIS system for mine ecological restoration. The design and development of this system can provide reference for the intelligent and modern management of mine. In addition, the monitoring of relevant information through the system can provide technical support for mine safety production and repair.
【Key words】：intelligent mine;big data;GIS;Cesium
0引言
随着“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念深 入人心,矿产资源作为我国工业发展的重要组成部分, 智慧矿山是矿山未来发展的必然趋势,同样也是建设矿 山的关键性目标之一。智慧矿山是数字化发展的产物, 即一座基于网络信息技术为基础构建的矿山,可以极大 地提升矿企经济效益 [1]。中国矿产资源丰富,但是自然环境及开采条件比较恶劣,且中国矿业的整体智能化应 用程度不高,矿产资源管理一直困扰着我国的矿业管 理部门,是一个技术大难题,因此需要设计符合矿区实 际情况的矿产资源管理平台 [2.3]。通过智能化的手段合 理开采矿山,不仅能够建设出智慧矿山,更能符合国家 经济、环保策略的发展,也是矿产工业未来发展的必然 趋势 [4]。
1 系统设计
1.1 结构设计
矿山生态修复大数据 GIS 系统结构主要包括用户界 面层、核心功能层、数据访问层、基础数据层四个部分。 用户界面层包括窗体、数据信息、功能按钮 ;核心功能 层包括信息查询、空间分析、面积量算 ;数据访问层主 要是建立数据库连接 ;基础数据层包括矿山的矢量数据、 矿山的相关属性数据、矿山的 DEM 数据。如图 1 所示。
1.2 界面设计
矿山生态修复大数据 GIS 系统的主界面要通过 Vite 开发平台, Cesium 等构建方法和 GeoServer 服务器来 在网页上显现出来,主界面中心展示出矿山的卫星遥感 图像、矿山所在位置的高亮光柱标注以及矿山名称的介 绍,用户在进入页面后可清晰地观察矿山位置并对所需 矿山快速寻找。主界面左侧添加矿山修复前后对比图, 矿山的七日内天气状况以及坡度坡向分析功能,工作者 可通过图片来了解矿山修复前后的状态,用户点击坡度 或者坡向分析即可在主界面上对所需矿山进行计算,若 想更换计算位置可以通过清除功能来进行新的计算。主 界面右侧可实现三部分功能,分别为矿山的 DEM 信 息、矿山修复施工状态检测、地形淹没分析。通过数字 高程计算显示出矿山所处位置的海拔,工作者可每日对 矿山修复施工状态检测信息进行修改,以便实时对修复 工作提出新的工作方案,并且每日的检测信息可以分开 保存,利于对施工效率的估测。地形淹没分析来为用户 提供现实中无法实践的极端自然灾害模拟,用户可以自 行设置淹没高度和淹没速度来应对不同的情况。
系统界面特点 ：
(1)操作的简易性 ：本系统基于 JavaScript 的网 页搭建,无需复杂的程序下载步骤,可以在网页上实现 其功能。此外,系统的功能操作十分简易,无需专业人 士指导便可以执行,对于一些希望了解信息的非专业人 士同样十分友好。
(2)显示的直观性 ：本系统搭建的主界面向用户展 示了基于高德地图的栅格图像信息、矿区的矢量信息以及功能界面,做到了屏幕内容应尽可能简单明了,让用 户可以更加直观地获取信息。
1.3 数据库设计
空间数据库与传统的数据管理方式不同,它具有更 强的数据管理能力,具体表现在其能够对数据进行集中 控制并且有数据冗余度小等特点。建立矿山资源空间数 据库首先掌握矿山资源的组成及分类,在统一的规范和 标准下,合理设计符合规范的存储结构,建立矿山资源 空间数据库结构。其次完成户外调研以及基本数据的采 集,将采集到的数据矢量化,生成需要的空间数据,并 最终将其存储到空间数据库中。最终为实现更加高效管 理的矿山生态修复大数据 GIS 服务平台提供基本数据 [5]。
将采集的影像数据、文本数据等创建数据集。对影像 数据集进行实体数据转换,从而得到点实体、线实体、面 实体的数据,再结合文本数据得到这些数据的注记。通过 PostGIS 以及 PostgreSQL 的连接使用,可以有效地将整 理好的矢量数据以及栅格数据构建成为一个具有安全性的 空间地理数据库。同时,利用 QGIS 与 PostGIS 的连接功 能,可以对空间地理数据库中的图层进行编辑。空间地 理数据库的构建,使得地理信息数据得到了整合,既实 现了后期对矿山数据的有效管理和应用,又方便了后续 新数据的实时更新,对矿山的规划治理提供了支撑。
如图 2 所示是矿山空间数据库的整体设计图, 其具 体构建思路 [6] 如下 ：
(1)栅格数据层 ：栅格数据层主要包括不同分辨率的 影像图和 DEM 数据等。对栅格数据层数据需要进行预处理 才能入库。如一张多波段遥感影像图, 需要进行影像配准、 图像融合、图像无损压缩等操作来进行影像预处理工作,使 得影像图能够快速被加载,并能够与其他图层进行叠加。
(2)矢量数据层 ：矢量数据层主要为经过数字化的 一系列矿山要素类数据,分为点(如矿山位置)、线(如 交通路网)、面(如矿山覆盖面)三种不同的要素类. 需要说明的是矢量数据除了拥有空间位置和形态特征外,还具有一定的特征描述。
(3)属性数据层 ：属性数据层包含矢量数据的属性数 据和独立的属性数据。矢量数据的属性数据通常是具有 具体空间位置的数据, 因此其可以被储存在矢量数据的属 性表中 ;而独立的属性数据一般都已文档数据或图表数据 的形式存在,他们通常被单独存放在空间数据库中。
2 功能与窗口实现
2.1 系统主界面
打开矿山生态修复的大数据 GIS 系统,用户最直观 可以看到的就是主界面。通过主界面,能够直观地看到 一个栅格地图的显示,用户可以通过鼠标的滚动来控制 地图界面的放大、缩小与漫游。主界面包含了六个功能 区,分别是 ：修复前后对比图、近七日天气状况、坡度 坡向分析、基于 DEM 的矿区可视化显示图、矿山修复 施工状态检测以及地形淹没分析(如图 3 所示)。用户 可以通过鼠标点击来访问这些功能,从而实现对矿山基 本信息的获取以及基本的空间分析。
2.2 信息查询功能
矿山生态修复的大数据 GIS 系统最基本的功能便是信息查询功能。用户可以进入矿山生态修复的大数 据 GIS 系统主界面,通过鼠标对具体矿山的单击来实现 对该矿山的信息查询。其中具体显示的信息有矿山的名 称、编号、矿山面积、侵占土地面积、生产现状、侵占 土地类、解译面积以及采空区面积(如图 4 所示)。
2.3 空间分析功能
矿山生态修复的大数据 GIS 系统可以根据 DEM 数据 来实现对矿山坡度和坡向的计算分析(如图 5 所示)的空间 分析功能。用户可以通过鼠标单击主界面的功能模块访问该 功能,当该功能运行时,可在主界面上显示其计算结果。
2.4 面积量算功能
矿山生态修复的大数据 GIS 系统的面积量算功能可 实现对于矿山矢量数据面积的计算,只需要用户使用鼠 标选择需要计算面积的区域,从而方便用户对矿山面积 的了解,进而根据矿山面积制定更加有效的修复方案。
3 总结与展望
考虑到矿山修复的复杂性和山体测量的难度,本系 统具备了坡度坡向分析功能以及面计算功能,在测量上 节省了大量的人力和物力。本次研究充分地将大数据技术和 GIS 技术融入到生产生活当中,通过构建系统来高 效率地对废弃矿山进行生态修复,节约建设美好生态环 境的成本。随着后续工作的不断完善,本系统还将更加 全面、更加智能化地修复矿山生态环境,全方位的投入 到生产生活与社会建设当中。废弃矿山生态修复有一个 “六宜”原则, “宜耕则耕、宜林则林、宜草则草、宜藤 则藤、宜景则景、宜建则建”,讲究因地制宜 [7]。在对 矿山的各类数据进行采集、分析、计算、输入、呈现的 基础上,将人工智能、云计算和大数据等技术手段应用 其中,最终研发成矿山生态修复的大数据 GIS 系统。通 过该系统实现了矿山数据的可视化及交互,让矿山管理 者更加方便地对矿区进行保护和管理,为矿山的可持续 发展打好基础。
在后期持续开发的过程中将完善开发人员的数据采 集手段,从而获取大量且精确的数据,进而为系统增加 更多数据计算的功能。其次,系统后续将另开发用户登 录功能,为特定用户构建特有的数据库,从而实现分门 分户地满足用户的需求。最后,由于地理数据设计国土 安全问题,因此在后续完善工作中,需加强系统的安全性,保证数据库内的数据不会被恶意泄露和贩卖,保证 数据的私密性。
参考文献
[1] 李建强.智慧矿山测绘地理信息数据共享服务模式探讨[J]. 世界有色金属,2022(23):13-15.
[2] 刘慧.信息化在矿山管理中的应用分析[J].软件,2021.42(6): 98-100+104.
[3] 李阳,周琛鸿,李绪萍.智慧矿山系统的发展与应用[J].能源与 节能,2023(2):181-183.
[4] 黄海余.智慧矿山特征及其实现途径研究[J].现代工业经济 和信息化,2022.12(12):89-91.
[5] 贺磊,刘亚静,刘童.基于GIS山区生态资源空间数据库设计 与实现[J].林业与生态科学,2020.35(1):55-62.
[6] 金鑫,董少春,王晓琪,等.基于ArcGIS Geodatabase的浙江 良渚古城遗址空间数据库的设计与实现[J].南京大学学报(自然 科学),2018.54(1):163-175.
[7] 余永春.关于废弃矿山生态修复工作的几点建议[J].世界有 色金属,2021(23):174-176.
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