DTM分析在礦山治理工程量計算中的應(yīng)用

朱 虹

(浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，浙江杭州310007)

DTM分析在礦山治理工程量計算中的應(yīng)用

朱 虹*

(浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，浙江杭州310007)

結(jié)合工作實例，介紹了基于MapGIS的DTM分析技術(shù)在廢棄礦山治理方案設(shè)計中工程量計算的應(yīng)用方法。與水平斷面法相比，DTM法計算精度更高，方法更簡便，值得推廣。

礦山治理；工程量；DTM分析；GRD模型

削坡開階及土石開挖和回填是廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理工程中常見的工程措施。準確的土石方工程量不僅是施工進度控制所需的重要參照數(shù)據(jù)，更直接影響著工程造價的準確性，并涉及到工程建設(shè)方和施工方的經(jīng)濟利益。因此，準確的工程量計算，是廢棄礦山治理方案設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

廢棄礦山邊坡及殘丘一般為不規(guī)則的任意曲面，以往通常采用梯形體、截錐形體或錐形體公式模擬這種不規(guī)則的任意曲面來計算體積，計算過程非常繁瑣、效率低下且精度不高。

隨著機算機數(shù)字處理能力的提高和自動測量儀器的廣泛應(yīng)用，可以通過采集數(shù)據(jù)、組織整理數(shù)據(jù)，建立數(shù)字地形模型來計算土石體積，這就是DTM分析的技術(shù)。地理信息系統(tǒng)MapGIS中的DTM分析功能可以通過建立數(shù)字地形模型，比較準確地計算某一空間范圍的體積，為礦山治理的工程量計算提供了技術(shù)手段。

1 DTM簡介

DTM（Digital Terrain Model）是數(shù)字地形模型的簡稱，它是用數(shù)字形式(x、y、z坐標來)表達區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)，換言之，DTM就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述，地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等。MapGIS的DTM分析就是從離散數(shù)據(jù)構(gòu)造出相互連接的網(wǎng)絡(luò)，以此作為地形的數(shù)字模型基礎(chǔ)，進行各類專業(yè)分析和自動生成各類專業(yè)地學(xué)圖件。

DTM一般有2種表現(xiàn)形式，規(guī)則格網(wǎng)的GRD數(shù)據(jù)和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)。TIN模型由不規(guī)則的數(shù)據(jù)點連成的三角網(wǎng)組成，在此基礎(chǔ)上追蹤等值線或進行其他分析。而GRD模型分析建立在網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，即把無規(guī)則分布的原始數(shù)據(jù)內(nèi)插為規(guī)則分布的空間數(shù)據(jù)集，然后在此基礎(chǔ)上追蹤等值線或進行其他分析。GRD模型由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因而在工程中較多使用。

2 DTM分析在礦山治理工程量計算中的應(yīng)用方法

野外實地測量。目前，DTM數(shù)據(jù)獲取主要有3種方法：GPS、全站儀等電子儀器野外地面測量獲得地形數(shù)據(jù)；由航測儀器從航空照片上獲得地形數(shù)據(jù)；對已有地形圖進行數(shù)字化獲得地形數(shù)據(jù)。野外實地測量適用于大比例尺、精度要求高、采集面積較小的DTM數(shù)據(jù)獲取，因此，在礦山治理方案設(shè)計的工作初始，即對治理區(qū)及其周邊進行野外實地測量，比例尺一般為1∶1000。

建立治理區(qū)現(xiàn)狀(治理前)數(shù)字地形模型GRD。在MapGIS的DTM分析中，將野外實測數(shù)據(jù)進行柵格化處理，建立治理前數(shù)字地形模型GRD。

建立治理區(qū)規(guī)劃(治理后)數(shù)字地形模型GRD。根據(jù)治理方案的設(shè)計，刪除治理區(qū)范圍內(nèi)的現(xiàn)狀等高線，編制治理后的等高線，對其進行高程屬性賦值并柵格化處理，建立治理后數(shù)字地形模型GRD。

計算工程量：

（1）計算回填區(qū)、開挖區(qū)工程量。選擇治理前GRD模型，通過DTM分析模塊的“格網(wǎng)蓄積量/表面積計算”功能，根據(jù)設(shè)計的基準高程，計算指定區(qū)域的開挖或回填土石體積。

（2）計算削坡工程量。選擇治理前和治理后的GRD模型，分別計算相同區(qū)域（削坡開階區(qū)）、同一基準高程以上空間體積，其差值即為削坡工程量。

3 應(yīng)用實例

以杭州市蕭山區(qū)某廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理方案為例，淺述地理信息系統(tǒng)MapGIS中DTM分析功能在回填、開挖及削坡工程量計算中的應(yīng)用。

3.1 治理分區(qū)

廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理，目的在于有效地消除礦山次生地質(zhì)災(zāi)害隱患，達到礦山邊坡的安全穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上逐步恢復(fù)和重建礦山生態(tài)系統(tǒng)，美化自然景觀，協(xié)調(diào)周邊環(huán)境，實現(xiàn)廢棄礦地的綜合利用。通過對礦山實地勘查，查明周邊地質(zhì)條件，分析不良地質(zhì)特征及礦山邊坡的穩(wěn)定性，確定工程治理思路。對礦山的邊坡采取削坡開階以消除地質(zhì)災(zāi)害隱患、創(chuàng)造復(fù)綠條件；對礦區(qū)內(nèi)分布的殘丘、孤峰、洼地進行開挖夷平和回填壓實，平整場地作為建設(shè)用地；礦山南部的緩坡區(qū)則進行坡面清理，改善綠化條件。治理范圍劃分為8個分區(qū)（見表1、圖1），并通過MapGIS圖形編輯子系統(tǒng)，形成各治理分區(qū)的面文件。

表1 治理分區(qū)表

圖1 治理分區(qū)圖

3.2 工程量計算

3.2.1 建立治理區(qū)數(shù)字地形模型GRD

(1)建立治理區(qū)現(xiàn)狀數(shù)字地形模型GRD。在治理方案編制的初始階段，采用GPS和全站儀進行1∶1000比例尺野外實地測量，將測量結(jié)果計算機矢量化，實測高程點在MapGIS的DTM分析模塊中，通過“高程點/線柵格化”建立現(xiàn)狀數(shù)字地形模型GRD（見圖2），柵格化參數(shù)為DX=0.5、DY=0.5。

(2)建立治理區(qū)規(guī)劃的數(shù)字地形模型GRD。刪除治理區(qū)范圍內(nèi)的現(xiàn)狀等高線，編制規(guī)劃的等高線。削坡開階治理區(qū)則根據(jù)方案所設(shè)計削坡開階的基準高程、坡面角度、臺階高度、平臺寬度，繪制坡底線和各高度臺階線，并對坡底線和臺階線高程屬性賦值。用規(guī)劃的地形線生成治理后的數(shù)字地形模型GRD（見圖2），方法及柵格化參數(shù)同上。

圖2 礦山治理前后數(shù)字地形模型

3.2.2 治理區(qū)工程量計算

計算開挖區(qū)(A1、A2、A3、A4)、回填區(qū)(B)、削坡開階區(qū)(C)的工程量。清坡治理區(qū)(D)不計算工程量。

(1)開挖區(qū)(A1、A2、A3、A4)工程量計算。選擇現(xiàn)狀地形GRD文件，在MapGIS的DTM分析中，應(yīng)用“格網(wǎng)蓄積量/表面積計算”功能，分別指定A1、A2、A3、A4為計算區(qū)域，計算開挖區(qū)的土石體積。根據(jù)設(shè)計方案，基準平面高度為79m，計算方法為三角剖分法。開挖區(qū)工程量計算結(jié)果總計45313m3。

(2)回填區(qū)(B)工程量計算。選擇現(xiàn)狀地形GRD文件，指定計算區(qū)域為B區(qū)，計算出B區(qū)的回填土石體積，基準高程及計算方法同上。B區(qū)回填工程量計算結(jié)果為126403m3。

(3)削坡開階區(qū)(C)工程量計算。選擇治理前后的GRD文件，指定計算區(qū)域為C區(qū)，分別計算削坡開階區(qū)治理前和治理后的體積，其差值即為削坡開階區(qū)的削坡工程量，基準高程及計算方法同上。計算結(jié)果為1337742m3。

(4)工程量計算結(jié)果匯總。各治理分區(qū)工程量見計算結(jié)果匯總表2。

4 DTM法與水平斷面法的對比

4.1 水平斷面法計算公式

水平斷面法計算土石開挖工程量，由現(xiàn)狀地形等高線和規(guī)劃設(shè)計等高線閉合而成的面積即為該水平標高的開挖斷面積。以2個斷面間為一個計算開挖塊段，并根據(jù)相鄰兩個斷面的面積差（）的大小來分別選擇不同的計算公式。

表2 計算結(jié)果匯總表

當(dāng)其中一個斷面面積為零時，則采用錐形體體積公式：

式中：V——削方土石方體積，m3；

S1、S2——相鄰的2個斷面的削方斷面積，m2，且S1大于S2；

h——相鄰兩個斷面的高差，m。

4.2 DTM法與水平斷面法對比

根據(jù)不同的地形特征，本次計算的水平高差分別為2m、3m和5m。計算結(jié)果：挖方治理區(qū)（A1、A2、A3、A4）挖方量為45509m3，回填治理區(qū)(B)填方量為127428m3。削坡開階治理區(qū)(C)削坡方量為1331834m3。

對比DTM法和水平斷面法的計算結(jié)果，開挖夷平區(qū)和回填壓實區(qū)體積與DTM法的計算值誤差為0.4%，相對較小；削坡開階區(qū)體積與DTM法的計算值誤差為0.8%，相對較大（見表3）。

表3 DTM法與水平斷面法計算結(jié)果對比表(單位：m3)

水平斷面法的計算方法有其直觀性，便于審核。但是，由于該法是采用梯形體、截錐體、錐形體等體積計算公式，模擬復(fù)雜的多邊形圍成的體積，實際地形形狀與梯形體、截錐體和錐形體形態(tài)越接近，計算的體積才能越準確，否則，就會有較大誤差。比如本文所列舉水平斷面法體積計算，為了得到更為準確的數(shù)據(jù)，設(shè)置了較為密集的水平斷面標高，設(shè)計工作中會耗費大量時間用于制圖、計算和圖形輸出，這在一些治理范圍較大、地形條件復(fù)雜的廢棄礦山治理設(shè)計中顯得尤為突出。

MapGIS平臺的DTM分析通過插值的方法構(gòu)造空間曲面，用梯形法、辛普森法或者辛普森3/8法計算體積，可以最大程度地逼近實際地表形態(tài)，因此，計算結(jié)果更加精確和具有合理性，適用于任何地形的體積計算，在速度、效率、合理性以及經(jīng)濟等方面都是最優(yōu)化的選擇。在應(yīng)用過程中需要注意的是，采用實測高程點建立GRD模型前，應(yīng)注意檢查實測點的高程，刪除一些不合理的高程數(shù)據(jù)，以免影響GRD模型的準確性；GRD模型的柵格化參數(shù)必須一致，其分辨率直接影響體積的計算精度，分辨率越高，則計算精度越高。

5 小結(jié)

近年來，因礦山開采而造成的生態(tài)環(huán)境破壞問題日趨嚴重，特別是露天開采，不但影響自然景觀、造成環(huán)境污染，而且還會誘發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理已成為保護生態(tài)環(huán)境、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的刻不容緩的任務(wù)。礦山邊坡的削坡開階、坡腳夷平等治理措施，是消除地質(zhì)災(zāi)害隱患、創(chuàng)造復(fù)綠條件以及整合利用土地的必要手段。本文將MapGIS的DTM分析技術(shù)引入廢棄礦山生態(tài)環(huán)境治理的工程量計算，DTM的計算方法具有數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)嚴謹合理、計算準確、方法簡便實用的特點，能夠提高工作效率，降低工作成本，值得推廣。

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1004-5716(2015)02-0164-03

2014-03-26

朱虹（1960-），女（漢族），江蘇泰興人，工程師，現(xiàn)從事計算機制圖及數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作。