基于MapGIS 利用地形圖估算尾礦土方量

摘要：以河北省赤城縣某金礦為例，利用MapGIS軟件對(duì)尾礦土方量進(jìn)行估算。使用MapGIS平臺(tái)空間分析DTM分析模塊相關(guān)功能，對(duì)礦區(qū)尾礦堆積前后地形圖等高線進(jìn)行柵格化處理，提取相對(duì)應(yīng)的數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)生成點(diǎn)文件，并與區(qū)文件進(jìn)行空間疊加分析，計(jì)算尾礦堆積前后高程平均值，結(jié)合尾礦平面面積求體積之差，進(jìn)行尾礦土方量估計(jì)。Map?GIS平臺(tái)DTM模型估算量與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果相差約5％，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。估算過程經(jīng)濟(jì)快捷，在實(shí)際生產(chǎn)過程中具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： MapGIS；地形圖；DTM模型；尾礦；土方量

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）27-0098-03

0 引言

河北省張家口市赤城縣某金礦為一責(zé)任主體滅失中型金礦，礦區(qū)內(nèi)留存大量的金礦尾礦，尾礦也是一種重要礦產(chǎn)資源。本區(qū)內(nèi)尾礦主要以堆浸堆形式存放，堆浸堆數(shù)量眾多，形態(tài)各異。在礦山生態(tài)修復(fù)過程中，需要對(duì)尾礦資源進(jìn)行二次開發(fā)利用，首先急需對(duì)區(qū)內(nèi)尾礦資源土方量進(jìn)行初步估算，為未來綜合利用礦渣和尾礦資源提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。使用傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)礦區(qū)尾礦土方量進(jìn)行估算，工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且費(fèi)用較高。現(xiàn)以該某金礦尾礦土方量估算為例，結(jié)合已有矢量化地形圖，利用MapGIS軟件對(duì)金礦尾礦土方量進(jìn)行估算，以期實(shí)現(xiàn)估算過程快速簡(jiǎn)潔，省時(shí)省力。

數(shù)字地形模型是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述，數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時(shí)稱為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM）[1]，數(shù)字高程?hào)鸥竦男问浇M織在一起，用來表示實(shí)際地形形態(tài)，目前DEM主要通過測(cè)量手段獲取。地形圖作為基礎(chǔ)圖件，在工作中較為通用和常見，利用MapGIS軟件DTM分析模塊將地形圖轉(zhuǎn)化為DEM柵格數(shù)據(jù)，每個(gè)柵格單元對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值，獲得多個(gè)DEM數(shù)據(jù)，該數(shù)字高程容易通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行后期處理，可實(shí)現(xiàn)尾礦資源快速估算土方量，對(duì)項(xiàng)目的選址、規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制總投資和分配資金等方面具有重要的意義。

1 估算方法及原理

工作區(qū)尾礦土方量估算主要是計(jì)算尾礦堆體積，體積一般由面積和高乘積求得，面積為尾礦堆不規(guī)則空間分布范圍，可以利用MapGIS軟件在地形圖上圈定一定矢量化范圍，并在計(jì)算機(jī)上直接量取求得；高為尾礦堆高，尾礦堆在空間范圍內(nèi)呈不規(guī)則形態(tài)，特別是其高為不規(guī)則空間曲面形態(tài)，形態(tài)多樣，變化較大且無規(guī)律性，故尾礦堆高不易求得，要對(duì)各種不同形態(tài)地形的高程進(jìn)行轉(zhuǎn)化，需借助數(shù)量眾多的數(shù)字高程對(duì)空間高程進(jìn)行趨近表達(dá)。

本次工作中利用兩個(gè)空間曲面（兩個(gè)地形圖）數(shù)字高程（DEM） 之差的方法求解尾礦堆高[4]，尾礦堆積前、后分別對(duì)應(yīng)一個(gè)空間曲面，將尾礦堆高轉(zhuǎn)化為兩個(gè)曲面之間平均高程差（數(shù)字高程平均差），用數(shù)量眾多的柵格化棱柱體來進(jìn)行模擬尾礦空間曲面，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成規(guī)則四棱柱求取尾礦堆體積，相對(duì)于用離散數(shù)據(jù)來模擬連續(xù)的空間曲面，在取樣數(shù)量夠多的情況下，柵格化后的四棱柱體無限趨近原地形形態(tài)，四棱柱體體積與不規(guī)則曲面尾礦體積近似相等。尾礦土方量估算公式如下：

Q=（H2-H1） ×S

其中Q 為尾礦土方量，H2為尾礦堆現(xiàn)在地形平均海拔，H1為尾礦堆原始地形平均海拔，S 為尾礦堆空間面積。

采用MapGIS軟件空間分析子系統(tǒng)對(duì)不規(guī)則曲面尾礦體空間提取曲面GRD值（即對(duì)礦區(qū)尾礦堆積前后地形圖等高線進(jìn)行柵格化處理）[2-3]，具體過程是利用DTM分析模塊數(shù)字高程?hào)鸥窕椒ń拼_定尾礦堆空間高程形態(tài)，分別計(jì)算堆積前和堆積后的高程差，計(jì)算兩個(gè)高程曲面差與面積積即為所求的尾礦土方量，堆積前高程為原始地貌高程平均值，堆積后高程為現(xiàn)在尾礦高程平均值。

2 計(jì)算總體思路

2.1 所需軟件

本次金礦尾礦土方量估算涉及多個(gè)軟件，其中主要基于軟件MapGIS6.7及以上版本，其中MapGIS6.7 操作平臺(tái)購買價(jià)格低，普及性較廣，該軟件使用人群基數(shù)大，操作性好，對(duì)電腦硬件要求不高，所生成圖件通用性好。另外為了提高工作效率，需要借助Map?GIS輔助軟件Section2016及以上版本、Excel等完成部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出及統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作。

2.2 計(jì)算過程

開始計(jì)算工作前收集工作區(qū)尾礦堆積前、后地形圖，并對(duì)不同坐標(biāo)系、不同比例尺地形圖進(jìn)行空間位置校正。利用MapGIS6.7對(duì)原始紙質(zhì)版地形圖（主要是等高線）進(jìn)行矢量化，等高線附屬性，在地形圖矢量化后，進(jìn)行數(shù)字高程DEM 柵格化處理。通過Map?GIS6.7“空間分析”功能，由點(diǎn)、面文件屬性相交分析得到尾礦堆空間范圍內(nèi)的數(shù)字高程DEM柵格數(shù)據(jù)；Sec?tion軟件導(dǎo)出數(shù)字DEM高程?hào)鸥瘢蛔詈罄肊xcel完成對(duì)數(shù)字高程統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算工作，主要是計(jì)算各個(gè)尾礦堆平均數(shù)字高程值。

3 計(jì)算詳細(xì)步驟

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先利用MapGIS6.7編輯子系統(tǒng)“圖形處理”模塊對(duì)紙質(zhì)地形圖等高線進(jìn)行矢量化（已有矢量化地形圖，可忽略本步驟），不同坐標(biāo)系統(tǒng)、不同比例尺的地形圖需進(jìn)行空間位置校正（盡可能選擇相同比例尺地形圖，以減少估算誤差）。若等高線較稀疏，可考慮通過Section軟件“1輔助工具”中的“等高線功能”，插入等高線，進(jìn)而提高數(shù)字高程精度（根據(jù)實(shí)際情況選擇）。需要說明的是，等高線插值相當(dāng)于對(duì)尾礦堆進(jìn)行空間形態(tài)描述，其作用是將高程數(shù)值平滑處理，在地形圖比例尺小的情況下考慮使用。

由MapGIS6.7屬性管理子系統(tǒng)“庫管理”模塊為地形圖等高線增加高程屬性項(xiàng)，之后利用“高程自動(dòng)賦值”功能為地形圖等高線賦高程值。在矢量化后的地形圖上圈出尾礦堆范圍，生成相應(yīng)的線文件、區(qū)文件（jsfw.wl、jsfw.wp） ，相應(yīng)文件也需要賦屬性，包括尾礦序號(hào)、堆編號(hào)、面積等內(nèi)容。上述數(shù)據(jù)預(yù)處理為后續(xù)生成數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)文件。

3.2 生成DEM 數(shù)據(jù)

通過MapGIS6.7軟件子系統(tǒng)“空間分析”模塊生成尾礦堆范圍內(nèi)數(shù)字高程Grd文件，具體軟件操作步驟為：①空間分析→DTM分析模塊→文件→打開數(shù)據(jù)文件→線數(shù)據(jù)文件；②處理點(diǎn)線→高程點(diǎn)/線柵格化→ 確定，其中在“柵格化參數(shù)”對(duì)話框內(nèi)，其它原始參數(shù)不變，調(diào)整數(shù)據(jù)網(wǎng)格間距，設(shè)置網(wǎng)格DX、DY間距均為1，即DEM高程?hào)鸥襁呴L為1m，網(wǎng)格間距小，精度高，計(jì)算過程緩慢（可通過比較不同柵格邊長數(shù)字高程差，在不同邊長情況下，差值變化相差不大的情況下，選擇較小柵格邊長，這個(gè)過程需要多次比較）[6]；“等高線高程屬性項(xiàng)”選擇等高線高程屬性選項(xiàng)；③柵格化保存→確定，將生成的數(shù)字高程另存為grd文件（sgsj.grd） 。

MapGIS6.7軟件子系統(tǒng)“空間分析”模塊中對(duì)生成的grd文件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理（主要是對(duì)點(diǎn)文件賦高程，為下一步DEM數(shù)據(jù)提取做準(zhǔn)備），具體軟件操作步驟為：模型應(yīng)用→高程點(diǎn)標(biāo)注制圖→在彈出的對(duì)話框內(nèi)打開sgsj.grd文件→確定，其中在標(biāo)注輸出設(shè)置對(duì)話框內(nèi)勾選“輸出標(biāo)注到屬性字段”項(xiàng)，同時(shí)根據(jù)工作需要可以對(duì)數(shù)字高程點(diǎn)字體、格式、注釋位置等進(jìn)行設(shè)置（以便結(jié)合地形圖等高線檢查數(shù)字高程是否有錯(cuò)誤）；最后保存數(shù)字高程DEM 柵格數(shù)據(jù)為點(diǎn)文件（szgc.wt） 。

3.3 DEM 數(shù)據(jù)提取

地形圖數(shù)字高程DEM柵格數(shù)據(jù)生成是針對(duì)整個(gè)工作區(qū)，尾礦堆土方量估算僅需要對(duì)尾礦堆范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，需要對(duì)估算區(qū)域（尾礦堆）數(shù)據(jù)內(nèi)進(jìn)行提取，即將區(qū)文件（jsfw.wp） 與數(shù)字高程DEM柵格數(shù)據(jù)點(diǎn)文件（szgc.wt） 進(jìn)行空間合并分析，提取礦堆范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。通過MapGIS6.7軟件子系統(tǒng)“空間分析”模塊完成相關(guān)空間分析功能，具體步驟為：①空間分析→裝入相應(yīng)點(diǎn)、區(qū)文件→②點(diǎn)空間分析→③另存為新生成的點(diǎn)文件（tjgc.wt） 。為了保證數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)對(duì)地形曲面的準(zhǔn)確描述，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)格DX、DY間距，保證每個(gè)尾礦堆范圍內(nèi)有一定數(shù)量的數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同大小DX、DY間距，比較兩次高程統(tǒng)計(jì)結(jié)果大小，在統(tǒng)計(jì)結(jié)果無明顯變化時(shí)，選擇較大DX、DY間距。尾礦堆積前后分別對(duì)應(yīng)一個(gè)空間曲面，為保證計(jì)算誤差，DX、DY間距設(shè)置相同。本步驟參數(shù)設(shè)置需多次嘗試性，選擇數(shù)據(jù)量最小者。

4 土方量估算

4.1 統(tǒng)計(jì)分析

利用MapGIS 輔助軟件Sec?tion2016導(dǎo)出點(diǎn)文件（tjgc.wt） 相關(guān)屬性內(nèi)容，打開Section軟件，具體步驟為：①文件→裝入相應(yīng)點(diǎn)文件（tjgc.wt） →②1輔助工具→③導(dǎo)入導(dǎo)出功能→④導(dǎo)出屬性數(shù)據(jù)（Excel） 。導(dǎo)出的Excel文件中包括ID、標(biāo)注、高程、面積、周長、渣堆編號(hào)等多個(gè)屬性數(shù)據(jù)，以尾礦堆編號(hào)形成Excel單表格，并對(duì)每個(gè)表格統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均高程。

4.2 土方量估算

赤城縣某金礦區(qū)內(nèi)共有46個(gè)尾礦堆，按空間分布關(guān)系分別進(jìn)行編號(hào)，在地形圖上圈定尾礦范圍并計(jì)算面積S，在尾礦堆積范圍內(nèi)，利用前述計(jì)算方法分別計(jì)算堆積前地形圖平均高程H1和堆積后地形圖平均高程H2，體積由（H2-H1） ×S 計(jì)算可得，工作區(qū)尾礦土方量估算結(jié)果見表1所示。與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[5]，誤差大致為5％，相對(duì)較小，能滿足后續(xù)生產(chǎn)工作需要。

5 總結(jié)

基于MapGIS利用地形圖估算金礦尾礦土方量，主思路是通過矢量化和空間分析，生成數(shù)字高程DEM 數(shù)據(jù)；通過設(shè)置不同的DEM分辨率（柵格邊長），可以使估算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，進(jìn)而可以在空間上利用離散化的數(shù)字高程對(duì)尾礦不規(guī)則曲面進(jìn)行近似模擬，提取并統(tǒng)計(jì)尾礦堆積前后地形平均高程差，進(jìn)而估算尾礦土方量。

在本次金礦土方量估算過程中，與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定的誤差，主要受地形圖精度（不同比例尺）、地形圖矢量化（人為誤差）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化）等因素影響，另外尾礦范圍圈定主要在室內(nèi)地形上完成，缺少野外實(shí)地核實(shí)檢驗(yàn)，也導(dǎo)致了估算結(jié)果誤差的存在。在采取相應(yīng)的措施情況下，可保證估算精度進(jìn)一步提高。

利用地形圖生成數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)并估算尾礦土方量的數(shù)學(xué)模型嚴(yán)謹(jǐn)合理，可以在最大程度上逼近地形表面，在選擇合適的DEM數(shù)據(jù)分辨率情況下，可保證較高的計(jì)算精度。計(jì)算方法方便實(shí)用，統(tǒng)計(jì)過程快捷，減少了大量圖件繪制工作，節(jié)約了成本。為礦渣砂石骨料利用和土地綜合整治提供專業(yè)數(shù)據(jù)支撐，在實(shí)際生產(chǎn)過程中具有一定的實(shí)用性。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】