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国内图书分类号 国际图书分类号 T P 3 9 2 硕士学位论文 煤矿冒陷区四维信息存储研究 国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 1 2 4 ，5 1 1 7 9 0 8 0 ，5 1 3 7 ／1 1 3 5 万方数据 C l a s s i f i e dIn d e x 工巳圣鱼2 U ．D ．C D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e ei nE n g i n e e r i n g R e s e a r c ho nt h ef o u rd i m e n s i o n a l i n f o r m a t i o ns t o r a g ei nt h em i n i n g s u b s i d e n c ea r e ao fs h a l l o wt h i c kc o a ls e a m N a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a 5 1 1 7 4 1 2 4 、5 1 1 7 9 0 8 0 、5 1 3 7 4 1 3 5 C a n d i d a t e S u p e r v i s o r H u a n gH a i b i n Y u a nC h a n g f e n g A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l t y G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g D a t eo f0 r a lE x a m i n a t i o n D e c e m b e r2 0 16 U n i v e r s i t y Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 万方数据 硕士学位论文 煤矿冒陷区四维信息存储研究 学位论文答辩E l 期厶，厂、L 2 - 指导教师签字 答辩委员会成员签字 万方数据 青岛理工大学大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名邋日期丝 兰 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、C D M D 和D M D 有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 包括刊登 论文的全部或 部分内容。论文的公布 包括刊登 授权青岛理工大学大学研究生处办理。 研究生签名童渣望导师签名研究生签名童哩篷导师签名 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．⋯．I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究课题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 _ 3 ．1 国内外三维数据信息存储研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．2 空间运动对象模型的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．3 采动覆岩信息存储研究进展⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 本文组织框架及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第2 章四维数据存储结构模型理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 四维数据存储模型相关概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1 ．1 时间因素⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．2 空间因素⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．3 事件的概念及在冒陷区中的含义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．4 时空概念在冒陷区信息存储中的语义⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．1 4 2 ．2G I S 及主流数据库的基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．1 数据库概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 ．2 主流数据库基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．3G I S 在冒陷区可视化中的应用研究⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．3 本章小结．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．2 4 第3 章煤矿冒陷区四维动态信息存储⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 煤矿冒陷区概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 煤矿冒陷区四维数据特征⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 煤矿冒陷区四维动态数据存储方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．1 煤矿冒陷区时间数据存储方法⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 ．2 煤矿冒陷区空间分层存储方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 万方数据 青岛理T 大学大学工程硕上学位论文 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．2 9 第4 章四维动态信息数据库存储设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 四维动态信息数据库结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．2 数据库功能模块组成⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯3 4 4 ．2 ．1 数据收集⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．2 四维存储数据库的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 ．3 对存储信息的三维町视化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 第5 章工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．2 初始空间数据及属性数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．3 数据库建立⋯．．．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯⋯．4 6 5 ．4 搭建可视化平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第6 章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 ．1 结论．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．5 1 6 ．2 展望⋯．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯5 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 万方数据 青岛理T 大学大学工程硕士学位论文 摘要 煤矿冒陷区是指由于煤炭开采引起的采动上覆岩体所覆盖的区域。该区域范 围随着时间的变化而变化，采动初始，冒陷区范围较小，随着开采范围扩大，冒 陷区范围不断扩大，并对周围环境产生影响。我国从上世纪开始，各矿区对冒陷 区进行大最监测，积累大量宝贵数据，深入挖掘这些大量、复杂数据背后蕴藏的 价值信息，分析和总结冒陷区卒间、时间演化过程，并应用现代化计算机技术对 冒陷区进行科学管理和研究，对指导矿山建设具有十分重要的现实意义。本文以 对冒陷区为研究对象，以O r a c l e 数据库为技术平台，通过对冒陷区四维数据含 义、数据特征分析，探讨研究该四维地质体 空问一时间 信息的存储方法，结 合A R C G I S 可视化技术，对冒陷区四维存储数据进行可视化，为煤矿区开采沉陷 地质灾害预警，促进煤矿企业可持续发展提供数据支持。 本文的主要研究工作如下 1 ．结合国内外相关参考文献，总结归纳了空间数据存储、空间运动对象模 型以及矿山信息化存储的研究现状。 2 ．定义了冒陷区概念及范围，探究了冒陷区四维数据的时空语义，基于 o r a c l e 数据库平台，探讨了数据存储模型，并对G I S 及主流数据库结构体系进 行了研究。 3 ．结合冒陷区演化过程，分析了冒陷区不同演化阶段数据特征，总结了当 前矿山信息存储模型的特征；探究了冒陷区四维信息存储方法。采用降维处理的 原则，将冒陷区空间信息采用分层块处理，选择合适的存储粒度，对属性信息建 立独立数据表来存储，对冒陷区时间维数据与空间信息中与时间有关的相关联进 行降维处理，并对空间数据及属性数据中不具有时变特性的数据单独存储，减少 了数据冗余，最终通过建立相关索引实时查询特定时间的空间与属性数据。 4 ．结合工程实例，基于o r a c l e 数据库平台，将冒陷区四维数据存储信息导 入A r c G I S 软件，利用A r c G I S 可视化技术，将不同时间点的数据信息可视化，得 到冒陷区各岩层的动态变化情况，实现冒陷区四维数据可视化。 关键词冒陷区四维信息o r a c l e 数据库可视化 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 A b s t r a c t T h es u b s i d e n c ea r e ao fc o a lm i n ei st h ea r e ac o v e r e db yt h eo v e r l y i n gr o c k m a s sc a u s e db yc o a lm i n i n g ．W i t ht h ec h a n g eo ft i m e ，t h er a n g eo ft h er e g i o ni s c h a n g e dw i t ht h ei n i t i a lm i n i n ga r e a ，a n dt h ea r e ai ss m a l l e r ．W i t ht h ee x p a n d i n go f t h em i n i n ga r e a ，t h es c o p eo ft h es u b s i d e n c ea r e ai se x p a n d i n g ，a n dt h es u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n ti sa f f e c t e d ．O u rc o u n t r yf r o mt h eb e g i n n i n go ft h el a s tc e n t u r y , al o to f r i s km o n i t o r i n gt h em i n i n gs u b s i d e n c ea r e a s ，t h ea c c u m u l a t i o no fal a r g en u m b e ro f v a l u a b l ed a t a ，i n d e p t he x c a v a t i o no ft h e s el a r g e ，c o m p l e xd a t ah i d d e nb e h i n dt h e v a l u eo fi n f o r m a t i o n ，a n a l y s i sa n ds u m m a r yo ft h e i rd e p r e s s i o na r e a ，s p a c ea n dt i m e e v o l u t i o n ，a n dt h et e c h n o l o g yo fs c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dR e s e a r c ho nt h e i r d e p r e s s i o na r e a ，t h ea p p l i c a t i o no fm o d e r nc o m p u t e rw i t hr e a l i t yi s o fg r e a t s i g n i f i c a n c et og u i d et h ec o n s t r u c t i o no fm i n e s ．T a k i n gt h es e t t l e m e n to ft h er i s ka s t h er e s e a r c ho b je c t ，b a s e do nO r a c l ed a t a b a s et e c h n o l o g yp l a t f o r m ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ea d v e n t u r ez o n ef o u r - d i m e n s i o n a ld a t ad e f i n i t i o n ，d a t ac h a r a c t e r i s t i c s ， s t u d yt h e4 Dg e o l o g i c a lb o d y s p a t i a la n dt e m p o r a l i n f o r m a t i o ns t o r a g em e t h o d ， c o m b i n e dw i t hA r c G I Sv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , t ot a k ei nf o u rd i m e n s i o n a ls t o r a g e a r e af o rd a t av i s u a l i z a t i o n ，c o a lm i n i n ga r e am i n i n gs u b s i d e n c ea n dg e o l o g i c a l d i s a s t e r s e a r l yw a r n i n g ，t op r o v i d ed a t as u p p o r t t o p r o m o t et h e s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fc o a le n t e r p r i s e s ． T h er e s e a r c hw o r kd o n ei nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1c o m b i n e dw i t ht h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e dr e f e r e n c e s ，t h er e s e a r c hs t a t u s o fs p a t i a ld a t as t o r a g e ，s p a t i a lm o v i n go b j e c tm o d e la n dm i n ei n f o r m a t i o ns t o r a g ea r e s u m m a r i z e d 2d e f i n e st h e c o n c e p ta n ds c o p e o ft h e i rd e p r e s s i o n ，t o e x p l o r e h i s s p a t i o t e m p o r a l s e m a n t i c ss u b s i d e n c e o ff o u r - d i m e n s i o n a ld a t a ，b a s e do nO r a c l e ， d i s c u s s e st h ed a t as t o r a g em o d e l ，a n dt h eG I Sa n dt h ed a t a b a s es t r u c t u r es y s t e mi s s t u d i e d 3t h ed a t ac h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n te v o l u t i o ns t a g e so ft h ec a v i n ga r e aa r e a n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n i n gi n f o r m a t i o ns t o r a g em o d e la r e 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 s u m m a r i z e d ．T h ed i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o np r i n c i p l e ，w i l lt a k ei ns p a c ei n f o r m a t i o n u s i n gh i e r a r c h i c a lb l o c kp r o c e s s i n g ，s e l e c tt h ea p p r o p r i a t es t o r a g es i z e ，i n d e p e n d e n t d a t at a b l et os t o r et h ee s t a b l i s h m e n to fa t t r i b u t ei n f o r m a t i o n ，t ot a k et h es u b s i d e n c e t i m ed i m e n s i o nd a t aa n ds p a t i a li n f o r m a t i o nr e l a t e dt ot i m ea s s o c i a t e dw i t ht h e r e d u c t i o no fd i m e n s i o n a l i t y , a n dt h ed a t ai ss t o r e d s e p a r a t e l yt i m e v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c sd on o th a v et h es p a t i a ld a t aa n dt h ea t t r i b u t ed a t a ，r e d u c e dd a t a r e d u n d a n c y , f i n a l l yt h r o u g h t h es p a t i a la n da t t r i b u t ed a t at oe s t a b l i s ht h er e l a t e di n d e x o fr e a l - t i m eq u e r ys p e c i f i ct i m e ． 4c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e ，b a s e do nO r a c l ed a t a b a s ep l a t f o r m ， w i l lt a k et h es u b s i d e n c eo ff o u r d i m e n s i o n a ld a t as t o r a g ei n f o r m a t i o ni n t oA r c G I S s o f t w a r e ，u s i n gA r c G I Sv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed a t av i s u a l i z a t i o na td i f f e r e n t t i m ep o i n t s ，g e tt ot a k et h ed y n a m i cc h a n g eo fs t r a t as u b s i d e n c e ，s u b s i d e n c eo f f o u r - d i m e n s i o n a ld a t av i s u a l i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o nr i s k ． K e yw o r d s S u b s i d e n c ea r e a ；F o u rd i m e n s i o n a li n f o r m a t i o n ；O r a c l ed a t a b a s e ； V i S H a l i z a t i o n 万方数据 青岛理_ 丁大学大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．1 研究课题的背景及意义 煤矿冒陷区四维动态信息演化规律是目前我国煤炭企业发展和工程建设的 急需之。主要表现在以下三方面第一，我国从上世纪开始，各矿区对冒陷区 进行大量监测，积累大量宝贵数据，深入挖掘这些大量、复杂数据背后蕴藏的价 值信息，分析和总结冒陷区空间、时间演化过程，并应用现代化计算机技术对冒 陷区进行科学管理和研究，对指导矿山建设具有十分重要的现实意义；第二，随 着经济快速增长，对煤炭资源需求不断扩大，而地下能源大量开采导致地层中留 下大量的冒陷区，必须对这些冒陷区稳定性做出评价，以减小或者控制茸陷区引 起的地质灾害及其对周围环境的损害，保证矿区可持续发展；第三，我国不断加 大投入的基础设施建设，特别是西部大规模开发和建设，也迫切需要对冒陷区稳 定性和在荷载作用下进一步塌陷进行评价，特别是有些重大地面交通工程建设无 法绕开冒陷区，从而使地面建设面临的地质灾害隐患极其严重。因此，系统研究 煤矿冒陷区四维动态信息演化规律，构建四维数据库，基于此数据库平台，进一 步研究冒陷区稳定性和不同荷载下进一步塌陷规律，通过有机调控，可以实现地 下矿产资源开采与地层环境和地面环境的相协调。 伴随在空间和对地观测技术的高速成长和集成，对空间地理信息的收集获取 和及时更新能力有了长足的发展，如何能够反映出地质空间要素时空分布情况的 四维数据信息 x ，y ，Z ，t ，怎样对这些多维的空间数据信息进行有效的集成 管理、动态的处理和时空数据分析，已经是国内外的学术界和应用企业及单位面 临的重要领域。 近年来虽然有一些有关于四维数据存储的研究及应用，比如基于位置的三维 空间数据的表述，基于时问的三维空间数据表达和基于对象的四维数据的表达 等。不过前期大部分的研究主要汇集在对于时间上不连续变化的三维空间数据的 表示上，像是地籍信息变更，道路状况变更等，当然有部分也适合阐述与时间关 系紧密要素的变化，但是依然不能完整地反映出三维空问对象在时间上连续的变 化。 对能够表达空问位置及相应范围在时间上连续变化的三维空间目标对象的 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 时态数据模型的相关研究，目前来说还不是很多，但是可以预见到的相关方面的 需求显然是很多的，比如公交、火车、森林防火覆盖区域的变化等，因此既要反 应诸如这些动态的空间运动对象以及它们跟随时问的变化，就使之前研究的三维 数据表述方法满足不了现有需求。另外从技术层而上来讲，随着信息维数的增加， 多维空间拓扑关系的建立、管理、维护及信息的存储和导出远比二维要复杂，对 于传统二维空间信息存储的管理方法进行简单的拓展不能满足多维时空数据存 取的技术要求。 总之，深入开展煤矿冒陷区四维动态信息演化规律研究，构建煤矿冒陷区四 维数据库模型，对进一步探索冒陷区在不同荷载下塌陷规律，建立冒陷区稳定性 的评价理论，研制冒陷区稳定性的评价方法，意义重大。 1 ．2 研究的目的 煤矿冒陷区是一个时问、空问动态演化的四维体，以往的研究主要是采用传 统的“静态快照”方法对开采沉陷过程再现，忽视了时间维，缺乏对煤矿冒陷区 持续时间、各阶段演化特征的研究。本文以煤矿区采动塌陷为研究对象，研究项 板冒落、覆岩破坏、地表沉陷构成的冒陷区空间一时问四维动态信息存储方法， 为实现煤矿区开采沉陷地质灾害预警提供数据支持。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 国内外三维数据信息存储研究现状 要想实现数据的调度，首先就是对数据进行存储，实现效率较高的数据调度 的前提是需要建立合理的数据组织方式。较之原先二维空间，其数据存储相对比 较简单，而三维空间数据的存储更复杂，不过不管二维和三维的空间数据存储， 都是通过对存储方式进行优化，来提高对存储数据的索引效率，但是三维空间数 据，较之二维数据来说，三维的空问数据以及分布更为复杂。对于较小范围的空 问，通常采用文件的形式进行存储，不需要建立存储结构和组织方式，这样的存 储形式能够做到数据存取更快，但是每次读取，都需要把整个存储数据缓存到内 存上，对内存占用很大，所以对于大范围的三维空间数据，这种存储方式就不适 用了，因此通常采用数据库，利用数据库对海量数据的存储优势。 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 但是随之而来的是在对海量数据进行存储的同时，需要解决对数据的索引和 查询的问题。PF 奈特斯 智利 、LK ．戴恩曼德 加拿大 [ 1 ] 2 0 0 1 研究 了矿业信息系统与各种系统的集成及彼此协调运行有关的问题；蔡少华、王金庄 等【2 1 1 9 9 6 研究了开采沉陷数据图形处理与管理信息系统，该系统基于传统关 系型数据F O X P R O 对己观测的数据库进行入库管理，并借助专业绘图软件绘制沉 陷图；王旭春等[ 3 l 2 0 0 2 开发了开采沉陷可视化工程分析设计系统，开采沉陷 预计采用概率积分法，采用S u r f e r 和G I S 对预计结果可视化；柴华彬等[ 4 】 2 0 0 4 等利用D T M ，结合光照、纹理模型，模拟三维开采沉陷，对地表移动变形预计可 视化；杨敏、汪云甲等【5 ] 2 0 0 4 研究提出了面向矿山数据挖掘的矿山数据仓库 体系结构，探讨了矿山数据仓库的构筑、矿山数据挖掘及相关技术及其特点；谢 飞鸿等[ 6 ] 2 0 0 5 研究建立了开采沉陷预计计算与分析的模型，实现了实测多点 数据拟合分析；任占营、袁秀华等【7 ] 2 0 0 5 研究了可用于矿区专用铁路开采沉 陷普通数据库与动态数据库结构的设计与实现；刘利民[ 8 】 2 0 0 5 等利用有限层 法进行开采沉陷预计，给出了基于6 I S 的沉陷损害评价系统的多语言集成模式和 可视化方法。杨逾[ 9 ] 2 0 0 6 研究了采动区地表与建筑物变形协同关系，指出沉 陷区建筑物稳定评价因子，为可视化研究提供了借鉴。胡晋山、何宗宜等【l o ] 2 0 0 7 论述了数字矿山数据的组织及数据处理引起的不确定性问题的处理方 法。赵兵朝【] 等 2 0 0 8 利用关键层在不同位置影响导水裂缝带最大高度的广义 损伤因子，建立了保水开采识别系统。综上所述，煤矿冒陷区是一个时间、空间 动态演化的四维体，以往的研究主要是采用传统的“静态快照”方法对开采沉陷 过程再现，忽视了时间维，本文充分考虑冒陷区四维动态演化信息特征，构建煤 矿冒陷区四维数据库，再现煤矿冒陷区的四维动态演化规律过程，通过此数据库 建设，为煤矿企业搭建数据桥梁，实现信息共享。 1 ．3 。2 空间运动对象模型的研究现状 运动目标是指随时问其空间特征和属性特征发生变化的空间目标。可以分为 运动点目标，比如动物、桌子、石块等；运动区域目标，比如农田、河流、 森林防火区域等。显而易见，以往的G I S 大部分都是‘静态’的，但是当面对多 维空问运动对象动态变化的客观世界时，它的不足就明显地显现出来。G I S 只是 实际世界当中某一时刻点的“快照”，并不能真实动态地映射变化着的真实世界， 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 也就更不能对空间对象的全过程运动过程进行描述。 三维运动目标的空间位置随时间在不断变化，其运动分类根据其运动形式的 不同可以将其分为三类无约束的运动、有约束的运动、在网络上的运动。S i s t l a 等于1 9 9 7 年首次提出运动目标 M o v i n gO b j e c t s 的概念，运动目标被描述为 一个所谓的动态属性，一个动态属性包含了4 个运动矢量。目前，对于空间运动 目标的研究主要有三维空间的时空数据模型、时空数据库、时空数据的查询、 时空数据的索引、时空推理以及时空数据的可视化等几个方面。 对时空数据存储的研究开始被人们所重视始于上世纪8 0 年代末期。自 L a n g r a n 和C h r i s m a n 于1 9 8 8 年提出时态地理信息系统以来，T G I S 得到了广泛的 研究。L a n g r a n 1 9 8 9 ，9 9 3 ，l 、W o r b o y s 1 9 9 4 、R a p e r 等 1 9 9 5 、D o n n a 1 9 9 5 等分别提出和讨论了快照方式、复合方式和事件方式等来进行时态数据结构和数 据库的设计。M ．E r w i g 等设计了一种时空数据存储类型用来进行建模和查询数据 库中的运动对象。国内中科院遥感应用研究所、武汉大、吉林大学等多家单位在 进行这方面的研究。因此为了实现对三维空间运动对象的建模、存储、管理、分 析和显示，需要对运动对象的怎样产生、运动的全过程进行数字化和可视化表达。 1 ．3 ．3 采动覆岩信息存储研究进展 煤层采动所引起的上覆岩层塌落、岩层弯曲以及地表塌陷是一个非常复杂的 空间时间互相影响同时进行的过程，影响这一反应过程的要素有很多，其表现出 来的形式也十分复杂。谢飞鸿等研究建立了开采沉陷预计计算与分析的模型，实 现了实测多点数据拟合分析；杨逾研究了采动区地表与建筑物变形协同关系，指 出沉陷区建筑物稳定评价因子，为可视化研究提供了借鉴。由此可以看出煤矿冒 陷区是一个时间、空间动态演化的四维体，以往的研究多关注冒陷区及地表破坏 的最终结果，而对冒陷区岩层的时空演化研究较少，本课题着眼于冒陷区的时空 演化过程，针对煤矿冒陷区持续时间、各阶段演化特征进行研究，力争再现煤矿 冒陷区的四维动态演化规律过程，探索四维信息如何存储及可视化研究，搭建数 据桥梁，实现信息共享。综上所述，本课题具有一定的实用价值，为地下煤炭安 全开采与采矿损害防治提供理论支持。 4 万方数据 1 ．4 本文组织框架及技术路线 本文根据上述研究课题研究内容主要是通过把冒陷区四维信息进行降维处 理，对冒陷区空间实体做分层处理，利用O r a c l e 强大的空间数据存储能力实现 冒陷区四维信息存储。 采用的技术路线如下所示 冒陷区四维动态信息存储 T 厂案例应用 ，，■■丁■■一、 冒陷区四维动态信息存储的实现 ＼＼一．，，／7 7 图1 ．1 技术路线图 万方数据 6 万方数据 青岛理工大学大学工程硕士学位论文 第2 章四维数据存储结构模型理论研究 想要对时空数据进行研究和存储，必须依赖当前空问数据库及时态数据库的 研究进展。鉴于对空间数据库的研究相对已经比较成熟并且己经m 现了很多应用 产品 如A r c I n f o 、M a p T n f o 、M a p G I S 、S u p e r M a p 、G e o S t a r 等 ，这些软件的基本 概念和知识已经众所周知，应用也十分广泛，所以本文中不再对空问数据库的基 础理论进行详细分析和介绍；另一方面，虽然关于时态数据库的研究较多，但其 与空间数据库的成果及应用相比，由于缺乏比较统一的认识，所以无论是商业应 用系统还是相关的概念都远远不及空间数据库的普及程度，因此仍处于理论研究 的阶段。 2 ．1 四维数据存储模型相关概念 数据库仅仅是能够管理组织空间三维数据，时态数据库区别于此，是能够时 间数据和空间数据记录和管理两者兼顾并且能够反映历史信息的数据库。数据记 录中地质空间实体的有些部分属性本身和时间有所关联，具有时变特性，尤其对 于本文的研究对象煤矿冒陷区来说，其地质空间实体移动变形的频率就更为频 繁，这些就造成时态数据库中的对于数据的存储模式和以往的模式有根本性的不 同，因此这就催生了数据库相关理论及技术的变革。 在传统的数据库存储模型中增加对时间信息的管理，由此会产生比较难以解 决的困难历史关系数据库模型是把多个快照 即在不同时刻保存的数据库的备 份 放在一起，构成了历史。但是下面的几个问题让程序管理员感到困惑 1 采用多大的时间间隔来保存快照，如若取的间隔过大，则不能够保证存储数据的 准确真实；如若间隔过小，则会造成数据冗余多，导致占用存储空间太大。 2 在传统关系数据库中，一个表的几个快照，不能简简单单地同时装入内存，也不 能简单地使用传统的选择、投影、连接运算等技术手段进行操作及查询，而且相 同的存储单元的相同值在不同快照中的值不完全相同，必须进行复杂的、非泛型 的编程。 3 在关系数据库中，数据库本身的历史维护的支持是不够的，一般只 万方数据 青岛理工大学大学工程硕上学位论文 用于恢复、在使用中的事务日志，缺少相应的事务查询命令。 例如，快速找到 谁做了一个字段的十倍以上的修改 。目前为了能够解决这些问题，相关领域学 者提出了各种时态数据库模型。 近年来对时问信息在空间存储方面的应用需求越来越大，尤其是一些新兴应 用领域的活跃，如数据的挖掘、决策支持系统、G I S 等，对时态数据的存储应用 技术提出了更多的要求。基于时问的数据库的相关研究工作开始于上世纪8 0 年 代，越来越多的学者投入其中，一直到上世纪末已经卜H 现了5 0 0 多篇文章。不光 上述提到的国外上的一些专家学者科研工作，国内也有相关学者专门从事关于基 于时态的数据库的理论研究，如四川大学的唐常杰教授从1 9 8 3 年就在进行相关 方面三维研究，中山大学汤庸教授、哈尔滨工业大学的郝忠孝教授等在时态数据 库的研究方面都有很多研究，也有较多的文章著作。 当前关于时态数据库的研究不论在理论、原型研究还是在系统的实现等方面 还都需要深入研究。未来时态数据库相关的研究实践工作将集中在一下两个方 面 1 在理论研究方面，一方面继续深化基于时态的数据存储模型的理论研究， 另一方面进行对时态知识的如何表达和获取、时态的演算和时态逻辑的研究； 2 在系统的实现方面，研究适当的解释器和编译器，不仅能够处理时态数 据的存储结构及索引结构，而且能够处理时态查询语言，最主要的是要研究怎样 在现在应用主流数据库的现有存储结构中拓展处
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