0.   引言

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，建设智能化煤矿是煤炭工业发展的必由之路^[1-2]。《煤矿智能化建设指南（2021年版）》指出，基于微服务架构研发煤矿信息化平台，建立统一标准规范的数据体系，基于“数据驱动”的理念将多源异构数据进行融合，是煤矿智能化建设的重要内容^[3-5]。《煤矿智能化标准体系建设指南（2024年版）》指出，地理信息平台标准包括地理信息软件系统、矿井电子地图服务、地理空间数据质量和安全标准，是煤矿智能化标准建设的重要组成部分。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）平台是煤矿智能化的支撑平台之一^[6]。建设完善的GIS可为煤矿智能型应用提供必需的时空数字底座^[7]。智能化煤矿将综合管控数据和GIS平台进行融合，形成基于真实地理信息的综合自动化管控平台，实现数据的集中管理和分析，为生产决策提供数据依据^[8]。煤矿GIS一张图是掌握全集团、全矿井安全生产状况的“电子沙盘”，是制度、机制、数据及其管理、技术、标准、应用和服务的总和^[9-10]。目前，煤矿使用的工程专题地图基本都是CAD制图，但从CAD图件中提取的数据不具备拓扑描述信息^[11]，缺少各专业属性，集成度低^[12]，无空间分析和决策支持能力^[13]。GIS在矿山领域的应用通常是把空间数据与表格化的属性数据联系起来^[14]，但由于CAD图件的特点，很难直接集成这些数据^[15]。高效提取CAD图件中的数据并快速组织成GIS服务，进而支持矿井空间对象创建和业务属性扩展，集成安全生产实时数据，是构建煤矿GIS一张图的关键。

有学者采用ArcGIS平台软件将CAD图件转为GIS服务^[16-18]，该方法可较为稳定地实现将CAD图件发布为WebGIS服务的流程^[19]，从而支持煤矿GIS一张图的构建，但其涉及数据格式转换、数据投影变换、图层样式保存、在线地图服务发布与显示等，实现过程较为繁琐，且ArcGIS平台成本较高，无法较好地跨平台运行。针对上述问题，本文提出一种煤矿GIS一张图快速构建思路，将煤矿生产过程中使用的采掘工程平面图作为基础数据源，构建基于GIS数据特征的煤矿CAD图件数据分层描述模型，实现CAD图件内容快速存储。在此基础上，开发了基于Spring Cloud框架地图发布、预览、管理的服务接口，搭建了基于消息机制的Web端煤矿GIS服务快速更新平台，实现了煤矿GIS一张图快速构建。

1.   煤矿GIS一张图快速构建平台设计

1.1   平台总体方案

以某煤矿智能综合管控平台的建设为研究背景，设计了煤矿GIS一张图快速构建平台总体方案（图1）。煤矿GIS一张图快速构建平台包括CAD图件管理模块、地图服务发布模块、专题地图管理模块3大功能模块，如图2所示。

图  1  煤矿GIS一张图快速构建平台总体方案

Figure  1.  General scheme of the rapid construction platform of coal mine GIS one-map

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1） CAD图件管理模块用于图件基础信息管理和状态跟踪。通过上传CAD图件实现图件的云端存储及基础信息录入，可对上传的图件进行基础信息维护。通过图件状态跟踪可查看图件当前的状态，如是否上传成功、是否已发布为地图服务、是否支持在线预览。若要在线查看不同图件的进度情况，可将图件发布为在线地图服务，选择叠加多个图层。

2） 地图服务发布模块用于地图打包发布和在线预览。将CAD图件中的全部内容进行打包，并发布为基于开放地理空间信息联盟（Open Geospatial Consortium，OGC）标准的在线地图服务。通过地图预览功能可直接在线浏览专题地图，对地图进行量测、缩放，支持查询地图上的要素属性信息。

图  2  煤矿GIS一张图快速构建平台功能结构

Figure  2.  Functional structure of the rapid construction platform of coal mine GIS one-map

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3） 专题地图管理模块用于地图服务管理、矿井对象创建及属性扩展。通过地图服务管理可删除不需要的在线地图服务，支持地图内要素的删除与更新，以及专题地图中图层的显示与隐藏。基于巷道中线服务，可实现矿井对象的创建与属性扩展，同时将创建的矿井对象与巷道中线进行关联，实现矿井对象之间的空间关系映射。

1.2   平台架构

煤矿GIS一张图快速构建平台为B/S架构，采用前后端分离的开发模式，通过表现层状态转移（‌Representational State Transfer，REST）风格的Web端接口实现通信，用户通过浏览器即可完成所有操作。前端基于Vue，OpenLayers实现，后端基于Spring Cloud开发，由多个可独立部署的服务组成，可减少各模块间的耦合。按照模型−视图−控制器（Model-View-Controller，MVC）分层开发的设计理念^[20]，平台可分为展示层、逻辑服务层、数据服务层，如图3所示。

图  3  煤矿GIS一张图快速构建平台架构

Figure  3.  Framwork of the rapid construction platform of coal mine GIS one-map

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1） 展示层。用户通过浏览器客户端可直接访问平台，所有操作均通过浏览器完成，上层应用可通过浏览器页面直接集成，体现平台易用、易拓展的特点。

2） 逻辑服务层。该层是整个平台的业务逻辑处理中心，通过网关服务实现微服务间的统一调度，基于Spring Cloud框架开发业务逻辑与中间件集成。后端REST风格的接口服务基于Java语言开发，解决了只能依靠本地客户端软件浏览CAD图件的问题，实现了程序的跨平台运行。

3） 数据服务层。该层可直接连接平台底层所需的时空数据库，对空间数据及基本信息进行管理，同时为在线地图提供数据源。平台中的数据存储分为2个部分，一部分基于PostGIS关系型数据库进行空间数据存储，另一部分基于MinIO的文件型数据库进行CAD图件上传、下载和管理。数据服务层实现了空间数据的结构化存储和图纸文件的快速存储。

2.   煤矿GIS一张图快速构建平台关键技术

2.1   煤矿CAD图件全要素快速提取

煤矿采掘工程平面图为DWG文件，需安装AutoCAD软件后才能打开。将DWG数据转换为SHP格式的空间数据需借助第三方软件平台（如ArcGIS），且需大量人工操作，处理速度慢，效率较低^[21]。若采用DXF文件格式，由于DXF文件复杂冗长，需借助中间库实现转化且过程复杂，DXF文件中不同类型的要素可以共层，但仍无法克服DWG数据无拓扑信息、属性管理弱的缺点。开放设计联盟（Open Design Alliance，ODA）提供了读写DWG文件的接口，基于Teigha for Java SDK可实现Java语言环境下DWG文件的全量快速提取。根据DWG文件结构特点，获得DWG文件的头部、实体部、表部、块实体部和应急头部的内容。依次提取DWG图件中的基础信息，包括图层名称、图层样式信息（如线宽、颜色等）及图件的空间参考、要素类型等。

2.2   煤矿CAD图件数据分层描述模型构建

根据GIS数据分层表达的特点，结合后端服务自动构建数据库表的流程，利用Teigha for Java提取CAD图件的全要素信息并进行重构，构建煤矿CAD图件数据分层描述模型，如图4所示。该模型用于描述解析后的图件全要素信息，并通过调用WebAPI的方式将图件中的图形数据存储在空间数据库中。数据分层描述模型由图层集合（Layers）、文件名称、空间参考标志符（Spatial Reference System Identifier）构成。图层集合由多个图层（Layer）构成，每个图层由图层名称（Layer Name）、图层描述（Layer Detail）构成。一个图层描述由多个要素层（FeatureTypeLayer）构成，但每个要素层只能由一种Geometry（点、线、面）类型构成，即同一要素层的几何类型相同，每个要素层对应一张空间数据表。要素层保存了该层所有要素（Feature）的样式信息。每个要素层由多个要素构成，要素信息包含图形的几何信息和属性信息。不同类型的几何信息以WKT（Well-known text）格式存储。

图  4  煤矿CAD图件数据分层描述模型

Figure  4.  Hierarchical description model for coal mine CAD drawing data

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按类型获取图件中图元的几何信息，步骤如下：

1） 获取类型为OdDbPoint的点对象并存放在ArrayList集合中。遍历这些点对象，获得OdDbPoint对象中的position属性，进一步获取position中的X，Y，Z信息，最终按照WKT格式输出点类型的几何信息POINT（X Y Z）。

2） 依次获取类型为OdDbPolyline，OdDb2dPolyline，OdDb3dPolyline的线对象并存放在ArrayList集合中。遍历集合中的线段，分别获取线段的起点对象和终点对象，假设起点由坐标（X₁, Y₁, Z₁）组成，终点由坐标（X₂, Y₂, Z₂）组成，则可按照WKT格式输出线段类型的几何信息LINESTRING（X₁ Y₁ Z₁, X₂ Y₂ Z₂）。线段对象还包括线段类型、线宽、颜色、是否闭合等样式信息，依次获取并存放在线段的属性列表中。

3） 依次获取类型为OdDbText，OdDbMText的注记对象并存放在ArrayList集合中，遍历集合中的注记对象，分别获取注记的坐标位置（X, Y, Z），输出WKT格式的几何信息POINT（X Y Z）和文字、字号、颜色、旋转角度等样式信息，存放在注记的属性列表中。

4） 获取类型为OdDbArc的弧线段对象并存放在ArrayList集合中，弧线段对象包括弧线段圆心点坐标、弧线段半径、弧线段起始角度、弧线段终止角度。通过圆心点坐标和半径计算出弧线段起始点坐标（X₁, Y₁, Z₁）和终止点坐标（X₂, Y₂, Z₂），然后对弧线段起始角度、终止角度取平均值，计算得到弧线段中点坐标（X₀, Y₀, Z₀），最终将弧线段以WKT格式输出为CIRCULARSTRING（X₁ Y₁ Z₁, X₀ Y₀ Z₀, X₂ Y₂ Z₂）。

煤矿CAD图件数据分层描述模型构建完成后，通过WebAPI调用方式将模型数据传输给后端服务进行存储，待所有数据均成功写入后，平台发送消息到Kafka消息队列中，监听该主题下的消息动态。

2.3   地图服务自动发布流程

当监听到空间数据入库成功的消息后，地图发布服务发送REST请求到GeoServer服务中，将数据库中的空间数据作为数据源，发布为地图服务。图4中的1个FeatureTypeLayer对应1张数据表，同时对应地图服务中的1个图层。每个图层的样式描述（Styled Layer Descriptor, SLD）文件则根据表名同步创建，读取并设置图层颜色、线宽、字体、字号后，将SLD文件与待发布为地图服务的图层关联，为图层提供相应的样式。地图发布服务依次将所有FeatureTypeLayer打包，通过 GeoServer发布为基于OGC标准的Web 地图服务（Web Map Service，WMS）。待所有FeatureTypeLayer打包发布完成后，程序构建1个图层组（Layer Group），用于组织所有图层的服务地址，并自动推送给前端页面以便预览。WMS可实现FeatureTypeLayer图层级别的显示与隐藏控制，为后续上层应用开发提供数字底图。煤矿GIS一张图快速构建流程如图5所示。

图  5  煤矿GIS一张图快速构建流程

Figure  5.  Rapid construction process of coal mine GIS one-map

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2.4   基于巷道中线的矿井对象属性扩展

矿井对象创建及属性扩展如图6所示。具体步骤如下：① 服务自动提取DWG格式的巷道中线数据，将巷道中线数据按照GIS数据LineString类型进行表述。② 对中心线两两进行相交判断，看其是否有交点，对有交点的巷道中线执行断开操作，并按原巷道命名规则对断开的巷道中线重新分配名称。③ 将断开的巷道中线数据以WKT格式存入空间数据库中。在专题地图管理模块中，加载该中线数据并作为基础数据，实现基于巷道中线的矿井对象创建。创建矿井对象后，除矿井对象的基础属性外（名称、所属巷道编号、样式），用户可根据业务系统的需要对所创建的矿井对象进行属性信息的分组扩展。完成创建的矿井对象存储在空间数据库中，通过OpenLayers以实时渲染的方式显示在地图管理模块中，单击对象可查看对象的属性信息，空间统计、空间分析功能可根据实际情况进行开发。

图  6  矿井对象创建及属性信息扩展

Figure  6.  Mine objects creation and attributes information extension

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3.   图件解析便捷性对比及案例应用

3.1   CAD图件解析便捷性对比

CAD图件中图元要素解析的便捷性决定了煤矿GIS一张图的构建效率。与借助传统商业软件对CAD图件数据进行手动提取相比，本平台不仅可以识别更多要素类型，一张图构建效率也高于某商业GIS软件。通过某采掘工程平面图中复杂位置的预览结果显示，某商业软件对图件中弧线段类型的要素存在无法识别与显示的现象，如图7（a）所示；而本平台构建的一张图服务在保证便捷性的基础上仍能完整显示该区域结构，如图7（b）所示。

图  7  发布后的地图服务

Figure  7.  Published map service

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3.2   平台应用案例

以某煤矿使用的采掘工程平面图数据为主要数据源，巷道中线数据、断层数据、等高线数据等为辅助数据，通过煤矿GIS一张图快速构建平台构建煤矿GIS一张图，结果如图8所示。

应用结果表明，该平台可快速完成CAD图件识别与提取、空间数据模型构建与入库、地图服务发布等流程，为煤矿智能管控平台的建设提供时空数字底座。

图  8  地图应用

Figure  8.  Map application

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4.   结论

1） 实现了基于GIS数据特征的煤矿CAD图件全要素提取与数据分层描述模型构建，突破了传统方法转换CAD图件数据时过度依赖桌面端软件及普适性和表现力难以兼得的局限。

2） 实现了煤矿GIS一张图快速构建。与传统方法相比，煤矿GIS一张图快速构建平台具有操作简单、处理速度快和准确度高等特点，大幅提升了数据管理效率，可为煤矿智能化建设提供时空数字底座。

3） 实现了矿井对象间的空间关联及业务属性扩展功能，可有效解决CAD软件无法将图形与属性信息进行关联的问题。煤矿GIS一张图快速构建平台向下可实现多源异构感知数据的接入、集成和融合，向上可为各种煤矿智能化应用提供空间数据服务，打通了感知数据和空间数据之间的屏障，具有一定的现实意义和应用价值。