广州市城市规划勘测设计研究院 510060
摘要：本文介绍了沉陷变形监测系统建设的基本技术和方法，基于ArcGIS Engine和C#编程技术、ArcSDE和Oracle协同工作的数据库管理系统，通过严密的逻辑和功能设计，实现对变形监测数据的有效存储和处理，获取各个监测点的变形信息，从而为矿区的安全生产提供有力保障。本系统的主要实验数据就是通过GPS测量技术和Insar技术获取的监测点变形信息。
关键词：沉陷变形监测，ArcGIS Engine，C#，ArcSDE，地理信息系统
矿山沉陷与变形是由于矿物开采引起的地表塌陷及位移现象，主要发生在采矿区上方的地表，一旦发生沉陷，将对人民群众生命和财产产生不可估量的损失，甚至可能影响社会的安全稳定。因此，在矿山建立采矿沉陷变形监测信息系统是迫切需要的，系统建立将大大提高变形监测数据的分析处理效率，提前预判矿区是否处于危险状态之中，对确保矿区地表安全有重要的意义。
1 开发环境和总体设计
1.1 系统开发环境
系统开发环境的主要硬件要求：
①CPU速度：保证双核2.2GHz或更快的CPU；
②处理器：英特尔酷睿双核、奔腾 4 或AMD处理器；
③内存要求：1GB以上的内存；
④硬盘要求：建议使用至少50GB以上的硬盘；
系统开发环境的主要软件要求：
①操作系统：Windows 7/8/10；
②数据库：ArcSDE 10.0和Oracle 11g；
③开发软件：Visual Studio 2010（C#）；
④其他软件：ArcGIS10.0、Office2010；
1.2 系统的总体设计
1.2.1.设计原则
（1）实用性原则：以解决大量变形监测数据存储和处理为原则，结合管理过程中不断出现的实际问题，不断地完善、扩充、更新系统，以保证系统功能的全面性和实用性。
（2）前沿性原则：采用目前较主流、前沿的编程方法进行系统的开发和数据库设计，比如ArcGIS Engine和C#编程技术、ArcSDE 10.0+Oracle11g的数据库系统设计，保证系统具有先天优越性。
（3）稳定性原则：系统应具备一定容错能力和安全性能，保证系统在输入性错误情况下能够正常运行以及无账号和密码人员无法使用，以保障数据的安全性。
（4）操作界面简单性原则：系统各种界面和窗体应符合一般Window软件设计风格，操作简单，极易上手。
1.2.2.系统的逻辑结构设计
基于采矿沉陷变形监测数据的存储与管理流程，设计系统的逻辑结构图（如图1所示）。
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图1 系统的逻辑结构图
2系统的总体界面设计
系统的界面设计是否合理关系到系统操作的流畅性，为了兼顾系统操作的实用性和便捷性，在系统界面设计的时候要考虑以下几方面内容：
（1）基于Windows系统软件风格界面设计，主要包含一般技术性软件均有的菜单栏、工具条和对话框等，从而实现用户与系统的便捷交互；
（2）操作简易化设计，设计简捷的菜单工具条及快捷键，方便系统的快捷操作；
（3）系统界面设计分为菜单栏、工具栏、图层控制窗口、地图显示窗口和状态栏。其中菜单栏包含数据存储与分析全部功能命令，工具栏主要包含常用的地图交互操作命令，图层控制窗口主要用于显示数据列表清单，状态栏主要用于显示地图的坐标。
3 数据库的设计与建立
3.1 数据库设计原则
作为应用型GIS系统，其数据库设计与一般的GIS数据库有一定的区别。首先设计时要充分考虑采矿沉陷变形监测过程自身的特点，监测点数据不仅具有空间位置特性还具有时间上的信息特征，需要将两者有机结合起来。具体设计原则如下：
（1）大原则上要保障采矿沉陷变形监测分析的日常管理；
（2）数据入库的统一性，数据需按指定格式入库，以保证数据的合法性和后续的分析功能设计；
（3）数据库要有便捷的可操作性，保证既能保证监测数据的高效存储和读取，又可以保证数据的可修改性和容错性；
（4）建立基于ArcSDE Geodatabase的数据库对监测点进行有效的管理。
3.2 数据库的创建
建立一个合理、高效的空间数据库在地理信息系统的开发过程中至关重要。如果一个系统的数据库没有很好地创建，很容易对后续的开发造成呈严重的影响，可能造成系统的紊乱、运行效率低甚至出现错误。
考虑到变形监测数据具有周期性长，数据量大，数据类型多等特性，为了便于数据的统一管理与分析，我们决定采用ArcSDE Geodatabase将数据导入到关系型数据库Oracle中。Oracle数据库是一种大型的关系型数据库，拥有很高的市场占有率，在可用性、可扩展性、数据安全性、稳定性等方面都具有很强的优势。因此，ArcSDE与Oracle的协同工作，数据具有很强的安全性，能够支持多用户并联使用，增强了数据的共享性，这为采矿沉陷变形监测系统的管理提供了极大的便利。
3.3 监测数据表结构设计
这主要是针对GPS监测数据和Insar监测数据而设计的表格，以下就是本系统中入库数据表的结构图，通过统一数据的字段格式，就可以保证数据的合法性和后续的分析与处理。表格主要分为首期观测点表（如表1所示）和某观测点的各期监测表（如表2所示）。
表1 首期观测点表
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表2 某观测点的各期监测表
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4系统的功能设计
4.1系统功能设计的原则
本系统是应用型GIS系统，因此，系统的功能必须与采矿沉陷变形监测紧密联系在一起，能够实现对多元监测数据的处理。系统的功能设计应遵循以下原则：
（1） 系统的安全性原则：由于监测数据都具有保密性，所以系统必须考虑其安全性，设计一个登录界面，只有指定的用户才能进入系统。
（2） 系统的稳定性原则：系统的功能具有一定的纠错和容错能力，考虑到可能有大量的监测数据，最好使用先进的算法，保证系统能快速的计算出结果。
（3） 系统的可扩展性原则：考虑到未来监测手段和方法的日新月异，因此，系统具有一定的扩展性，可以及时方便添加不同功能需求，以满足不同时期的需要。
（4） 系统的友好界面原则：采用Visual C#的开发环境，符合人们日常使用的Windows界面风格。
4.2 系统的功能设计
如图2所示，本系统主要功能包括数据库管理、地图可视化、数据处理、图形管理、成果输出、数据查询等。
（1） 数据库管理功能
主要是建立基于ArcSDE Geodatabase与Oracle协同工作的数据库管理系统，能够实现将Shp数据、栅格影像数据及含有GPS、Insar等数据的Excel表格导入数据库，各种数据都存储在通过SDE创建的一个Oracle用户中，通过Oracle中的SQL Plus可以查询得到。同时也能实现Shapefile数据和栅格数据加载到MapControl控件上显示。
（2） 地图的可视化功能
利用ArcGIS Engine中的相关技术，实现对矿区地形图和监测点的显示，以及可以根据监测点的字段值标注监测点。
（3） 数据的处理功能
通过读取数据库中的GPS点数据表，计算GPS监测点各期的位移量、沉降量以及相应的变形速率。
（4） 图形管理功能
通过读取数据库中的监测点数据，生成各监测点的变形过程曲线图。
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图2 系统的功能设计图
（5） 数据查询功能
主要包括按时间查询、按位移查询和属性查询，通过手动或键盘输入的方式设置查询条件，查找出你所需的内容。
（6） 成果输出功能
主要包括生成Excel表格形式的监测点的水平位移和沉降报表，以及监测点变形过程曲线和地形图的输出。
（7） 用户的认证
指在登陆界面实现对用户进行认证，确保系统的安全。
5结论
本文首先系统的介绍了建立采矿沉陷变形监测信息系统的一些基本原理和方法，接着又详细阐述了采矿沉陷变形监测信息系统的设计过程，主要包含总体设计、数据库设计和功能设计三个方面。最后以此为基础，基于Visual Studio平台，利用ArcGIS Engine和C#语言开发出了一套小型的独立采矿沉陷变形监测信息系统。
参考文献
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[2] 陈永奇．变形观测数据处理[M]．北京：测绘出版社，1988
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