基于Arc Engine的土方量計算設(shè)計與實現(xiàn)

仵 陽，樊寶霞

(1.陜西省第一測繪工程院，陜西 西安 710054;2. 廣武鎮(zhèn)路網(wǎng)辦,河南 鄭州 450000)

基于國家建設(shè)日趨加快，國內(nèi)工程建造的原料需求量也不斷增大。其中的砂石料，作為各地方高速路、高鐵等基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的物料，其需求量也在急劇增大。在如此大的市場需求環(huán)境下，砂石的出廠價相比往年出現(xiàn)了大幅上漲，其利潤空間之大，導(dǎo)致各地開設(shè)了許多的采石場進入采石賺錢的領(lǐng)域[1]。為了貫徹資源開采的合理化與可持續(xù)化發(fā)展，政府定期要對采石場進行資源/儲量核實工作，遞交儲量核實報告，其目的是調(diào)查礦山開采現(xiàn)狀，估算礦山保有資源量，為下步開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。在這樣的發(fā)展背景下，如何運用新的測量技術(shù)來快速有效地對儲量變化總量進行計算，就是本次論文研究的主題內(nèi)容[2]。

本次研究的掃描數(shù)據(jù)是從某城市的四個露天采石場通過三維激光掃描儀獲取的。控制點的布設(shè)采用RTK完成，精度上完全滿足要求。RTK的基站是某城市當(dāng)?shù)氐腃ORS基站[3]，選用的坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系。本次研究的數(shù)據(jù)由兩方面組成，一方面是用傳統(tǒng)的手段獲取數(shù)據(jù)并且經(jīng)過后期處理得到的石料礦地形地質(zhì)圖，信息較為全面[4]。另一方面是通過三維激光掃描儀測得的礦山開采面的點云數(shù)據(jù)，信息量比較大。石方檢測方案的設(shè)計就是圍繞這些數(shù)據(jù)展開的[5]。

1 監(jiān)測方案設(shè)計

本研究所使用的三維激光掃描儀是拓普康GLS-1000，其獨立操作模式適用于露天礦監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集工作。軟件方面主要涉及到了5款軟件，ScanMaster用于點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，CASS用于圖紙數(shù)據(jù)提取，Visual Studio 2010為程序開發(fā)提供環(huán)境[6]，ArcGIS為AE的二次開發(fā)提供組件基礎(chǔ)，HTCAD用于程序可靠性的檢驗。各軟件分工明確，設(shè)計流程清晰明朗。

2 石方儲量監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

2.1 實測石方點云數(shù)據(jù)處理

打開ScanMaster，新建項目并導(dǎo)入工程項目文件, 輸入?yún)⒖甲鴺?biāo)，測量的點云位于一個任意坐標(biāo)系下，不同坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一，以實現(xiàn)“注冊”(匹配)。這項操作需要參考點來實現(xiàn)。使用測站/后視方法時，輸入所有需要的點坐標(biāo)?？勺R別的輸入格式是TXT、DWG和DXF格式。這里導(dǎo)入的是TXT格式文件。設(shè)置坐標(biāo)文件屬性。將掃描得到的測站名與輸入的坐標(biāo)文件中的測站名相對應(yīng)，并選擇相應(yīng)的后視點，使得點云構(gòu)成一個具有絕對坐標(biāo)的整體。由于數(shù)據(jù)量過于龐大，需要將點云數(shù)據(jù)進行重采樣處理，也可將部分點云數(shù)據(jù)框選后單獨輸出。以DWG的格式導(dǎo)出點云數(shù)據(jù)，以便于在CAD中進行編輯處理。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出后就可以用CAD打開查看，如圖1所示。

圖1 重采樣后的點云數(shù)據(jù)

2.2 地形地質(zhì)圖處理

本次處理過程以某礦的地形地質(zhì)圖為例，該圖的比例尺為1:5 000，坐標(biāo)系是1980西安坐標(biāo)系，基準(zhǔn)面采用1985國家高程基準(zhǔn)。用南方CASS7.0打開2017年12月和2018年12月該礦的地形地質(zhì)圖進行比較。對一年內(nèi)有所變化的區(qū)域進行初步的判斷，并用多段線進行框選，通過CASS工具欄里的“地物編輯”，進行數(shù)據(jù)批量刪減，刪減掉指定區(qū)域外多余的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)開采范圍的初步選取。通過CASS工具欄里的“建立DTM”功能，進行DTM的創(chuàng)建[7]，選擇“由圖面高程點生成”，并且勾選“建模過程考慮陡坎”和“建模過程考慮地性線”兩個選項。得到三角網(wǎng)并對其進行修改，最后導(dǎo)出點數(shù)據(jù)文件。如圖2所示。

圖2 點數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS中顯示

2.3 TIN模型的構(gòu)建

打開ArcScene軟件，點擊ArcToolbox，選擇“TIN管理”中的“創(chuàng)建TIN”，選擇設(shè)置數(shù)據(jù)空間參考屬性，XY坐標(biāo)系選擇1980西安坐標(biāo)系，Z坐標(biāo)系選擇黃海1985(國家高程基準(zhǔn))，將兩期數(shù)據(jù)進行疊加顯示，框選出儲量變化的范圍，制作框選范圍的CAD圖層文件，將兩期的TIN數(shù)據(jù)和掃描得到的TIN數(shù)據(jù)通過范圍文件進行裁剪后，TIN模型構(gòu)建完畢，如圖3所示。

圖3 裁剪后的模型

3 基于AE的石方儲量變化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 程序開發(fā)環(huán)境配置

這次的Arc Engine二次開發(fā)是基于.NET平臺開發(fā)的，借助了Visual Studio2010的.NET平臺，因Visual Studio .NET是一個非常全面的開發(fā)工具，可用于快速構(gòu)建面向Microsoft Windows并與Microsoft .NET建立連接的應(yīng)用程序，所以它的開發(fā)效率非常高。本次研究開發(fā)的小程序是在Windows 窗體應(yīng)用程序中實現(xiàn)的，這種應(yīng)用程序是基于圖形界面接口GUI的，可以實現(xiàn)用戶在本地計算機上的運行。Windows 窗體應(yīng)用程序中的代碼用C#語言編寫，它是一種由微軟公司專門為.NET平臺設(shè)計的語言， C#從C，C++和Java發(fā)展而來，可以說C#繼承了這三種語言最優(yōu)秀的特點，同時它又具備自己的特性，C#語言比較簡潔和自由，適用于快速應(yīng)用開發(fā)，同時開發(fā)平臺很友好，所以C#已經(jīng)成為了編程熱潮中的主流語言[8]。

ArcEngine 是一個完整的基于嵌入式GIS組件的類庫[9]，開發(fā)人員可以用這些組件建立自定義的應(yīng)用程序。ArcEngine安裝包中包括了一個軟件開發(fā)包(Developer Kit)和一個ArcGIS Engine運行時(Runtime)[10]。ArcGIS Engine的組件庫中有多個組件，大致可以分為基本服務(wù)、開發(fā)組件、地圖表達(dá)、數(shù)據(jù)存取以及擴展功能5個部分，其中包含了ArcGIS中絕大部分的功能應(yīng)用。

3.2 程序功能模塊設(shè)計

本次研究所開發(fā)的程序(取名為Reserve Calculation)是一個基于Visual Studio 2010 .NET平臺開發(fā)的，以C#為編程語言，以ArcGIS Engine為組件類庫的Windows應(yīng)用程序，如圖4所示。

Reserve Calculation可以實現(xiàn)的功能主要有：

(1)TIN模型的加載。

(2)TIN模型的三維可視化，以及放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。

(3)TIN模型的渲染，可以根據(jù)TIN模型的高程屬性對模型各高度層進行顏色區(qū)分顯示。

(4)渲染屬性選擇，用戶可以根據(jù)自己需求對模型渲染的顏色以及高程分層數(shù)進行設(shè)置。

(5)可以計算兩個TIN模型之間的體積差，也就是兩期數(shù)據(jù)的儲量變化值。

政府采購管理專業(yè)的人員，首先應(yīng)該具備較高的思想、品行要求，要做好服務(wù)工作。這對專業(yè)學(xué)生的思想素質(zhì)提出了一定的要求，尤其是新的發(fā)展時期，學(xué)生受到多種思想文化的影響，自身的服務(wù)意識比較淡薄，該專業(yè)要求人員能貫徹執(zhí)行黨的方針要求，并具有強烈的社會服務(wù)意識，遵紀(jì)守法，為民服務(wù)，在工作中能以身作則，按照具體的工作規(guī)范，抵制不良風(fēng)氣的影響，做好本職工作。

圖4 程序模塊設(shè)計

3.3 程序界面設(shè)計

程序窗口的實現(xiàn)是基于Visual Studio 2010 的 .NET Framework 3.5框架下的Windows窗體應(yīng)用程序創(chuàng)建下完成的，左側(cè)的小窗口是TOCControl控件窗口，可用于圖層顯示控制，右側(cè)是Scene Control控件窗口，可用于三維數(shù)據(jù)顯示，如圖5所示。

3.4 程序運行過程展示

程序運行過程展示如圖6、圖7所示。

圖5 程序界面

圖6 儲量變化凸顯

圖7 儲量變化計算結(jié)果

如圖7(a)所示，以兩張圖紙數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算的儲量變化值為 204 301.01 m3。如圖7(b)所示，以點云數(shù)據(jù)作為二期數(shù)據(jù)計算的儲量變化值為 226 115.65 m3。

4 儲量變化計算及其評價

通過HTCAD計算儲量變化值，從而對編寫的程序可靠性進行檢驗。如圖8所示。

數(shù)據(jù)結(jié)果分析如下：

(1)數(shù)據(jù)a=203 184.586 m3(由挖方量減去填方量得到)；數(shù)據(jù)b=204 301.01 m3

這兩個數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)相同，但計算方式有所不同，數(shù)據(jù)a是用HTCAD這個專業(yè)的土石方計算軟件所計算得到的，可視為兩期儲量變化值的標(biāo)準(zhǔn)值，數(shù)據(jù)b是用二次開發(fā)編程實現(xiàn)的程序(Reserve Calculation)所計算出來的結(jié)果。

由(b-a)/b=0.546% ，可看出數(shù)據(jù)a與數(shù)據(jù)b的值相差很小，這說明用Reserve Calculation程序計算出的結(jié)果是精確可行的，具有可靠性。

(2)數(shù)據(jù)b=204 301.01 m3；數(shù)據(jù)c=226 115.65 m3

圖8 數(shù)據(jù)比較圖

這兩個數(shù)據(jù)的計算方式相同，不同點在于二期數(shù)據(jù)的來源，數(shù)據(jù)c的二期數(shù)據(jù)基于點云數(shù)據(jù)。從浙江省工程勘察院獲取的關(guān)于該礦在2017年12月～2018年12月的儲量變化計算結(jié)果是50萬t，石料的平均密度是 2.5 t/m3，轉(zhuǎn)換成體積是20萬m3，所以可以把數(shù)據(jù)b作為傳統(tǒng)監(jiān)測手段獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果。而數(shù)據(jù)c又可以視為基于三維激光掃描技術(shù)的石方儲量變化監(jiān)測值。由(c-b)/b=10.68%，可看出數(shù)據(jù)b與數(shù)據(jù)c的值相差較大，基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)要比傳統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)多出10個百分點，多出2萬m3左右的采石量。該組數(shù)據(jù)證明基于三維激光掃描技術(shù)的石方儲量變化結(jié)果要比傳統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果更為全面，更能夠反映出采石場的真實開采量。

經(jīng)檢驗，本次研究開發(fā)的程序計算結(jié)果精度較高，具有一定的可靠性。通過程序計算對新舊監(jiān)測方式作出比較，結(jié)果就是通過三維激光掃描技術(shù)可測得更為詳細(xì)的采石壁信息，得到的儲量變化總量也要多于通過全站儀監(jiān)測得到的值，最終的研究成果基本達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié) 語

本研究完成了多項內(nèi)容，其中包括使用三維激光掃描儀獲取實測數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，地形地質(zhì)圖數(shù)據(jù)提取與處理，開采范圍的框選，TIN數(shù)據(jù)集的生成，監(jiān)測系統(tǒng)程序的開發(fā)以及結(jié)果分析評價。最終驗證了本文石方監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，同時又獲得了具有參考價值的數(shù)據(jù)。

本研究也存在一些不足之處，比如為了提高計算精度需要對開采范圍進行框選，框選的方式是通過CAD多次逼近式操作得到的，因為是人為判斷操作，效率不高。其次是數(shù)據(jù)量不足，因為受條件和時間限制，采石場的第二次點云數(shù)據(jù)采集工作還沒有進行。

對于基于三維激光掃描技術(shù)的石方儲量變化監(jiān)測這項研究還將繼續(xù)進行，未來的一段時間，將會對監(jiān)測系統(tǒng)進一步完善，解決這種人為框選范圍的限制，爭取將監(jiān)測系統(tǒng)做到效率最大化。這次研究是在露天礦測量領(lǐng)域中的一種嘗試，希望這種監(jiān)測方式可以逐漸走向成熟，并在不久的將來被生產(chǎn)監(jiān)測單位所認(rèn)可。