基于ArcGIS尾矿库的可视化与安全管理系统和方法与流程

本发明涉及互联网技术领域，具体涉及基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统和方法。

背景技术：

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。在全国各地分布着很多尾矿库，针对尾矿库(渣)的安全管理，为了预防和减少尾矿库生产安全事故，保障人民群众生命和财产安全。国内外很多针对尾矿库安全管理很多监测系统。如online-sme，mine-trs，mas等尾矿库监测系统，它们包括水位监测，坝体浸润监测，坝体位移监测，渗漏量监测等等通过传感器，超声波位仪，锚索测力计等方式对单个尾矿库进行物理上的监测。但是由于尾矿库废渣都周边人和生物会带有很大的影响，却没有考虑到对尾矿库周边进行详细方案，如尾矿库周边的村庄，医院等进行数据的可视化。

arcgis是组织创建，管理，共享和分析空间数据的平台。在gis发展的早期，专业人士主要关注于数据编辑或者集中于应用工程，以及主要把精力花费在创建gis数据库并构造地理信息和知识。gis从传统的观念(收集数据集，分析数据，创建地图和分析模型)随着internet发展，以及编程语言的更新，gis软件可以在服务器端，web端和移动端进行开发和部署，充分利用arcgisforjavascript在web端应用的特点。

webgl由khronosgroup公开发布，是一个免授权费且跨平台的3d绘图标准，它提供了一个第三方库three.js，three.js是一款运行在浏览器中的3d引擎，three.js图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供复杂的三维物体以及复杂曲线和曲面绘制函数，光照、材质、相机、渲染器的设置也十分的方便。webgl和arcgis有效结合让尾矿库可视化展示。

将arcgis与webgl结合，利用arcgisforjavascriptapi等对尾矿库周边地理环境创建模型，模拟尾矿库溃坝过程，设计最优逃生路线算法，分析尾矿库的可视化运行状态。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在通过全国地图上能够可视化某个尾矿库周边地理信息，设计应急救援方案，演示溃坝效果。为此，本发明采取的技术方案是，基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统，包括批量数据导入模块，信息动态查询模块，基于arcgis尾矿库的周边信息模型构建模块，基于arcgis的尾矿库周边信息可视化展示模块，切换尾矿库具体位置详情模块，基于arcgis应急救援和逃生路线模块，基于arcgis动态展示溃坝效果模块；批量数据导入模块用于：尾矿库基本信息导入，企业基本信息导入，以及尾矿库相关信息导入，包括视频，图片和文件的存储；信息动态查询模块用于尾矿库和企业信息动态查询；所述基于arcgis尾矿库周边信息模型构建模块用于：下载arcgis基础地图的底图，通过arcmap发布地图服务，通过加载发布的服务来进行离线arcgis地图加载；所述切换尾矿库具体位置详情模块用于：根据尾矿库基本信息中的经度和纬度数据，在arcgis地图中通过显眼图标在展示在全国地图上每个尾矿库的地理位置，点击图标切换到尾矿库具体位置；所述基于arcgis尾矿库周边信息可视化展示模块用于展示学校村庄和道路线网；所述基于arcgis动态展示溃坝效果模块用于：在尾矿库的详细位置上通过webgl加载库的具体模型，同时通过水材质，通过three.js中水流动模拟尾矿库溃坝模型，判断溃坝影响效果，three.js是一款运行在浏览器中的3d引擎；基于arcgis应急救援和逃生路线模块用于：设计实时方案，根据溃坝影响范围和效果，以及arcgis中尾矿库周边模型设计和展示，通过道路，仓库，设计出最佳救援信息和逃生线路。

基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理方法，步骤如下：

批量数据导入：尾矿库基本信息导入，企业基本信息导入，以及尾矿库相关信息导入，包括视频，图片和文件的存储；

信息动态查询，进行尾矿库和企业信息动态查询；

尾矿库周边信息模型构建：下载arcgis基础地图的底图，通过arcmap发布地图服务，通过加载发布的服务来进行离线arcgis地图加载；

切换尾矿库具体位置详情：根据尾矿库基本信息中的经度和纬度数据，在arcgis地图中通过显眼图标在展示在全国地图上每个尾矿库的地理位置，点击图标切换到尾矿库具体位置；

尾矿库周边信息可视化展示模块：展示学校村庄和道路线网；

动态展示溃坝效果：在尾矿库的详细位置上通过webgl加载库的具体模型，同时通过水材质，通过three.js中水流动模拟尾矿库溃坝模型，判断溃坝影响效果，three.js是一款运行在浏览器中的3d引擎；

应急救援和逃生路线设计：设计实时方案，根据溃坝影响范围和效果，以及arcgis中尾矿库周边模型设计和展示，通过道路，仓库，设计出最佳救援信息和逃生线路。

展示溃坝影响范围和效果、设计出最佳逃生线路涉及空间距离的计算和空间面积计算，具体步骤如下：

1)空间距离计算方法：

根据经纬度，以及地球半径r，其中wa，wb为a、b两给点的经度的弧度制，ja、jb为a、b两点的纬度的弧度制，将a、b两点转换成球体三维坐标：

xa＝r*cos(wa)*cos(ja)

ya＝r*cos(wa)*sin(ja)

za＝r*sin(wa)

xb＝r*cos(wb)*cos(jb)

yb＝r*cos(wb)*sin(jb)

zb＝r*sin(wb)

求出a、b的三维距离和∠aob(0为圆心)的余弦

ab²＝2r²[1-cos(wa-wb)+cos(wa)*cos(wb)-cos(ja-jb)*cos(wa)*cos(wb)]

则最后的距离为：

2)空间多变形面积计算方法：

根据r³球面面积计算算法：

其中radi为∠ai-1aiai+1，r为地球半径，s为该多边形面积，n为多边形的边数；

首先需要将点的经维度角度左边转换为弧度坐标，计算方法为：

其次计算出∠ai-1aiai+1中aiai+1该经纬度单位向量(aix，aiy，aiz)公式为：

aix＝coslaii*coslongtii

aiy＝coslaii*sinlongtii

aiz＝sinlaii

分别ai-1、ai+1的单位向量(ai-1x，ai-1y，ai-1z)、(ai+1x，ai+1y，ai+1z)，接着计算出aiai-1的向量(a1，b1，c1)，向量aiai+1(a2，b2，c2)

依据向量计算出向量aiai-1和向量aiai+1的夹角∠ai-1aiai+1为

继而求出

因此能够估算出球面面积为：

设计出最佳逃生线路的步骤具体采用迪杰斯特拉算法：

1、初始化道路网的无向图连接的n*n矩阵w，w[u，v]表示点u，v之间的长度，初始化源点s，初始化dist数组，dist[s]＝0，其他的点距离设置无穷大；

2、找出与源点中距离最小的点u，加入dist数组中，对于每个与u相邻的点v，如果w[u，v]+dist[u]＜dist[v]则将dist[v]更新为w[u，v]+dist[u]，且u为到达点v的最短路径上的前一节点；

3、重复步骤2，直到所有dist中包含所有顶点；

4、根据三维地图中道路计算公式计算出最佳逃生线路的实际距离。

本发明的特点及有益效果是：

本发明一种基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统，可以在浏览器上设计尾矿周边模型，同时也可以在arcgis地图上展示出尾矿库模型和周边地理模型，同时也可以展示出模型的基本数据信息和数据的操作，能够动态模拟出溃坝效果，动态展示溃坝范围，动态计算出最佳救灾线路，实时观测水位，坝体的状况，并通过测量工具获取有需的距离和面积。本发明提供的系统操作简单，可视化效果与数据库的有效结合，进行尾矿库可视化数据管理。

附图说明：

图1是本发明一种基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统技术架构指示；

图2是本发明一基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统的流程图；

图3是本发明基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统的组成示意图。

具体实施方式

本发明基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统，该方法包括：

尾矿库基本数据库管理，包括基础信息，视频、图片和文件等预览和下载。

离线加载和构建arcgis地图。

将所有尾矿库在全国地图显示小图标，点击切换尾矿库具体位置详情。

基于arcgis在尾矿库周边信息，进行可视化模型构建与查看信息。

基于webgl模型和arcgis地图上动态演示尾矿库溃坝效果。

根据周边信息模型，实时设计应急救援方案。

基于arcgis测量直线，和面积功能

本发明提供一种基于arcgis尾矿库的可视化与安全管理系统，该系统包括批量数据导入模块，信息动态查询模块，基于arcgis的尾矿库周边信息模型构建模块，基于arcgis的尾矿库周边信息可视化展示模块，基于arcgis应急救援和逃生路线模块，基于webgl动态展示溃坝效果模块。批量数据导入模块包括：尾矿库基本信息导入，企业基本信息导入，以及尾矿库相关信息导入，包括视频，图片和文件的存储。基本信息查询模块包括尾矿库和企业信息动态查询。所述离线加载和构建arcgis地图包括：下载arcgis基础地图的底图，通过arcmap发布地图服务，在系统中通过加载发布的服务来进行离线arcgis地图加载。所述切换尾矿库具体位置详情包括：根据尾矿库基本信息中的经度和纬度数据，在arcgis地图中通过显眼图标在展示在全国地图上每个尾矿库的地理位置，点击图标切换到尾矿库具体位置。所述基于arcgis中可视化模型构建尾矿周边信息，包括学校村庄和道路线网等等。所述基于webgl模型在arcgis地图上动态演示尾矿库溃坝效果表示：在尾矿库的详细位置上通过webgl加载库的具体模型，同时通过水材质，通过three.js中水流动模拟尾矿库溃坝模型，判断溃坝影响效果。所述设计实时方案：根据溃坝影响范围和效果，以及arcgis中尾矿库周边模型设计和展示，通过道路，仓库等等，根据算法设计出最佳救援信息和逃生线路。

进一步地，所述批量数据导入将尾矿库信息和企业等信息导入数据库中，包括基础数据excel表存入数据库中。

进一步地，所述信息动态查询模块，通过查询页面进行模糊查找方法查找上一步导入数据库的内容，并且显示相互之间依赖关系的信息，且能进行增删改查操作。

进一步地，所述部署离线地图，是考虑失去网络情况下无法加载地图问题，通过下载全国arcgis版本地图，同时打开arcgis服务，通过arcmap发布所需求的arcgis地图，同时尾矿库所属位置地图也需进行离线部署(离线地图都包含基本坐标信息)。

进一步地，所述将所有尾矿库在全国地图显示小图标，宏观展示全国地图范围的尾矿库，点击切换到所点击的尾矿库详细周边位置。

进一步地，所述基于arcgis在尾矿库周边信息，进行可视化模型构建与查看信息。是本着最终目的尾矿库溃坝对周边带来的极大危险，将尾矿库周边村庄，河流，道路，坝坡，副坝，应急物资仓库通过可视化模型展示在arcgis地图，使尾矿库周边详细展示。

进一步地，所述基于webgl模型和arcgis地图上动态演示尾矿库溃坝效果。是在arcgis上模拟溃坝效果，包括全溃坝和半溃坝。坝体模型加载到arcgis地图上，溃坝展示通过水模型模拟溃坝效果。

进一步地，所述根据周边信息模型，实时设计应急救援方案。是根据溃坝效果展示，会根据可视化周边模型，进行溃坝危险避灾规划。根据村庄被溃坝，选择算法设置最优路线进入安置点，选择应急物资仓库救援方案等等。

进一步地，可视化坝体模型动态水位上涨，实时监测水位，安全标高等，实现尾矿库可视化数据库。

本发明是一种基于arcgis和webgl结合的尾矿库数据可视化系统，该系统步骤：

基础信息导入，可视化模型导入：

尾矿库的基本信息，包括其下属的工程信息，许可证信息等，输入尾矿库文件，图片导入数据库，设置尾矿库周边事物模型，例如：村庄，河流，分别导入村庄、河流模型进入数据库等。

绘制模型：

选择某个尾矿库，根据输入的基本信息切换到尾矿库所在位置，根据周边信息，绘制周边模型，例如：村庄输入村庄的基本信息等等。设置不同模型样式区别，例：颜色等。

点击全国arcgis地图，根据尾矿库基本信息中的具体地理位置信息，在全国地图上根据尾矿库基础经纬度展示所有尾矿库分布图。点击切换进入尾矿库，进入尾矿库周边基础模型展示界面。该页面设置尾矿库周边模型选择框，根据所选择的模型选择展示尾矿库周边模型。

根据可视化模型，可以了解到该尾矿库周边的实际情况，包括：村庄，仓库，河流，道路，农田，应急仓库。点击溃坝演示，在尾矿库具体位置加载尾矿库obj模型，同时演示水位上涨，进而溃坝，模拟实际溃坝过程。在演示过程中可以观测水流动过程，观测水流动波及区域，观测受影响的建筑(模型)。

根据受影响范围，实施及时救援救灾方案。根据道路被淹区域，村庄被淹范围，根据最优路径算法实施最佳逃生路线。

增加测量距离和面积功能，实现对坝体水位，面积，坝坡数据总结。对坝体进行监控从而预警溃坝风险。

如图1所示，是本发明一种基于arcgis的尾矿库安全管理与可视化系统的技术框架示意图，系统开发过程中涉及两端，客户端和服务端，客户端通过javascript编写脚本，利用webgl进行3d渲染，使用arcgis设计功能需求，使用html5和css，vue.js搭建前端页面。服务端使用arcgis服务发布地图和用go语言进行后端操作，使用beego框架进行服务搭建，将服务器端的数据存储到mongodb数据库中。

下面将结合本发明实施的附图，对本发明实施案例中进行详细的描述。

如图2所示，本发明一种基于arcgis尾矿库可视化的设计方法，该方法包括t1-t9：

t1：通过excel表导入或者输入尾矿库的基本信息(包含地理位置信息，文件存储)，同时也包括尾矿库所属公司，许可证，工程等。

t2：通过模糊查询方法，查询尾矿库及其下属许可证，工程等的基础数据信息。

t3：下载arcgis地图，通过arcmap将地图发布在arcservice里

t4：在全国地图上分布各个尾矿库位置图标，点击切换尾矿库3d地图，点击详情切换尾矿库数据信息，点击可视化根据尾矿库经纬度坐标切换到尾矿库具体位置。根据尾矿库周边地理信息，例如河流，道路，村庄，池塘，医院，仓库，坝坡，避灾点等等，在实际位置记录模型的具体经纬度，形状，同时设置该模型的基础信息数据存取到mongodb数据库中，实现可视化数据管理。

t5：确定好模型所在位置之后，可以根据实际样式来选择合适的模型，例如道路可以白色的曲线，仓库采用合适仓库图片或者仓库obj模型进行加载。

t6：根据尾矿库坝所在位置，通过测量工具测量尾矿库周边低洼点，采集周边低洼点，存取到数据库中。同时将尾矿库obj模型导入到尾矿库位置，选择水材质动态模拟溃坝演示过程。在此过程可以采取测量功能来模拟危险范围等。

t7：可视化模型选择性查看，可根据绘制好的模型和模型的具体位置，进行可需求性选择加载模型。同时点击模型可以加载模型，这样对整个尾矿库周边可视化观看。点击模型可查看该设施在mongodb数据库存的详细信息，实现与数据库的交互。

t8：t4步骤生成了尾矿库道路周边信息网，会显示尾矿库道路信息。溃坝会对周边造成严重危害，需要建立最佳逃生路线。在t4步骤中，会在道路周边设置紧急避灾点和风险点，在t6步骤中，会展示溃坝演示效果，于此同时需要给出相关救援方案。当所在位置是风险点时候，需要选择所必须去的紧急避灾点，依据最短路径迪杰斯特拉算法，按照尾矿库道路网规划出最优路径规划，使紧急避灾路线在arcgis上地图突出显示。当t6步骤中，溃坝的范围淹没道路网的某条道路后，arcgis会去除当前道路模型，同时重新生成最佳路径。

t9：t4的步骤中会绘制尾矿库干滩面(尾矿坝顶至库内水边线这段的尾矿沉积滩面，尾矿干滩即坝顶至库内设计最高洪水位的水边线这段的尾矿沉积滩面)。根据尾矿库坝高，运行水位，干滩长度，安全限高来了解尾矿库安全现状。在arcgis地图上，新增测量直线和面积功能，可以根据干滩面和坝顶的距离来判断安全现状，同时测量功能可用在多处，村庄之间的距离，村庄的面积都可以用来实时监测尾矿库周边环境现在，做好防灾第一准备。

下面具体说明本发明基于arcgis的尾矿库可视化的实现：

(1)下载arcgis全国地图(也可下载级数更高的尾矿库周边底图)，同时在arcmap中生成地图服务发布在arcservice中；

(2)将尾矿库信息数据导入到mongodb数据库中，尾矿库信息包含尾矿库的经纬度，

根据经纬度定位到尾矿库详细位置。在尾矿库周边进行模型构建，一般包括：道路，河流，湖泊，村庄，农田，坝坡，应急物资仓库。例如道路的模型可以选择曲线来表示，通过点击arcgis地图上的点来获取经纬度坐标组成一条道路，同时在构造时候，能给道路名称，宽度，长度等加上属性值也可以修改道路模型的颜色，道路的宽度等展示特点存储到mongodb数据库中。同时将其他模型分别采用所需求样式进行选择，例如河流可以选择“面”的方式，应急物资仓库可以选择图形模型。

(3)将尾矿库obj模型导入到arcgis地图中，使arcgis和webgl完美结合，立体效果更好。采用webgl中three.js进行开发，调整材质，选择合适水模型材质，在arcgis地图上模拟溃坝演示，通过测量工具选择离坝体附近的低洼点，选择该点经纬度坐标作为溃坝范围点，存储到mongodb数据库中，选择刷新率(溃坝速度)来展示不同溃坝效果，选择时间可以将溃坝定位到多少秒，这样可以展示溃坝某一个时刻的影响。选择测量工具测量溃坝的影响面积。

(4)在地理可视化模型页面，选择某个所需尾矿库，在arcgis地图上选择加载全部图层，加载出布署在当个尾矿库中全部模型，对尾矿库周边可视化效果进行概览，也可以选择性选择尾矿库模型查看，点击模型可以加载出模型存在mongodb数据库的信息。

(5)在应急救援方案页面，选择某个所需尾矿库，在arcgis地图上加载出道路，风险点和安置点图层，选择某个风险点，同时选择某个安置点就会自动规划出最优路径，同时点击溃坝演示时候，当溃坝影响到道路时，损坏道路从而重新规划出最优路径。最优路径会突出显示该路径展示效果，同时会规划出最优路径距离。

(6)在尾矿库可视化操作页面，通过选择坝高，运行水位从而在arcgis地图上加载出干滩面模型，不同的坝高，运行水位展示不同的干滩面，同时在安全超高超过一定范围时候会通过预警显示溃坝危险。可用于工作人员在arcgis地图上进行测量，来预估溃坝几率，从而有效避免尾矿库溃坝。

下面具体说明本发明中测量功能中空间距离的计算方法和空间面积计算方法：

3)空间距离计算方法：

根据经纬度，以及地球半径r，其中wa，wb为a、b两给点的经度的弧度制，ja、jb为a、b两点的纬度的弧度制，将a、b两点转换成球体三维坐标：

xa＝r*cos(wa)*cos(ja)

ya＝r*cos(wa)*sin(ja)

za＝r*sin(wa)

xb＝r*cos(wb)*cos(jb)

yb＝r*cos(wb)*sin(jb)

zb＝r*sin(wb)

求出a、b的三维距离和∠aob(0为圆心)的余弦

ab²＝2r²[1-cos(wa-wb)+cos(wa)*cos(wb)-cos(ja-jb)*cos(wa)*cos(wb)]

则最后的距离为：

4)空间多变形面积计算方法：

根据r³球面面积计算算法：

其中radi为∠ai-1aiai+1，r为地球半径，s为该多边形面积，n为多边形的边数。

首先需要将点的经维度角度左边转换为弧度坐标，计算方法为：

其次计算出∠ai-1aiai+1中aiai+1该经纬度单位向量(aix，aiy，aiz)公式为：

aix＝coslaii*coslongtii

aiy＝coslaii*sinlongtii

aiz＝sinlaii

分别ai-1、ai+1的单位向量(ai-1x，ai-1y，ai-1z)、(ai+1x，ai+1y，ai+1z)，接着计算出aiai-1的向量(a1，b1，c1)，向量aiai+1(a2，b2，c2)

依据向量计算出向量aiai-1和向量aiai+1的夹角∠ai-1aiai+1为

继而求出

因此能够估算出球面面积为：

下面具体说明本发明应急救援的最优路线设计算法和实现：

本发明是已风险点为起始点，根据终点是安全点，依据最短逃生路线算法，规划出最优路线，该算法属于单源最短距离，采用迪杰斯特拉算法来完成。迪杰斯特拉算法思路是采用的是一种贪心的策略，声明一个数组dis来保存源点到各个顶点的最短距离和一个保存已经找到了最短路径的顶点的集合：t，初始时，原点s的路径权重被赋为0(dis[s]＝0)。若对于顶点s存在能直接到达的边(s，m)，则把dis[m]设为w(s，m)，同时把所有其他(s不能直接到达的)顶点的路径长度设为无穷大。初始时，集合t只有顶点s。然后，从dis数组选择最小值，则该值就是源点s到该值对应的顶点的最短路径，并且把该点加入到t中，ok，此时完成一个顶点，然后，我们需要看看新加入的顶点是否可以到达其他顶点并且看看通过该顶点到达其他点的路径长度是否比源点直接到达短，如果是，那么就替换这些顶点在dis中的值。然后，又从dis中找出最小值，重复上述动作，直到t中包含了图的所有顶点。

迪杰斯特拉算法流程：

1、初始化道路网的无向图连接的n*n矩阵w，w[u，v]表示点u，v之间的长度，初始化源点s，初始化dist数组，dist[s]＝0，其他的点距离设置无穷大。

2、找出与源点中距离最小的点u，加入dist数组中。对于每个与u相邻的点v，如果w[u，v]+dist[u]＜dist[v]则将dist[v]更新为w[u，v]+dist[u]，且u为到达点v的最短路径上的前一节点。

3、重复步骤2，直到所有dist中包含所有顶点。

4、根据三维地图中道路计算公式计算出最佳逃生线路的实际距离。