黃其沖，胡 俊，肖 飛

(武漢理工大學(xué) 資源環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

地理信息系統(tǒng)是自20世紀(jì) 60年代快速發(fā)展起來(lái)的地理學(xué)研究技術(shù)，是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，是一種非常重要的特定空間信息系統(tǒng)。是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)支持下，基于地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，采集、管理、分析和描述部分或整個(gè)地球表面與空間和地理分布相關(guān)的數(shù)據(jù)，為地理研究與決策提供服務(wù)的信息系統(tǒng)。GIS自問(wèn)世以來(lái)，受到各行各業(yè)的密切關(guān)注，在測(cè)繪、建筑、道路設(shè)計(jì)、土木工程、地質(zhì)、規(guī)劃、防洪、農(nóng)業(yè)、軍事工程和戰(zhàn)場(chǎng)仿真模擬等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。礦山工程是與地表和近地表的地質(zhì)體的空間信息緊密相關(guān)的行業(yè)，因此通過(guò)借助地理信息系統(tǒng)的空間信息管理技術(shù)來(lái)提高礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的效率，具有廣闊的前景，對(duì)于推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)具有重要的意義[1-3]。

公路選線易受地形、地勢(shì)等自然條件因素影響，礦山公路選線尤其如此。礦山大多位于山區(qū)，山區(qū)地形復(fù)雜，地面起伏較大，有的山高坡陡。與一般公路相比礦山公路具有允許坡度大，曲率半徑小，車輛載重大，車速慢以及相對(duì)服務(wù)年限短等特點(diǎn)。為了降低修建公路的投資，礦山公路一般會(huì)因地制宜，順著山體地勢(shì)修建，對(duì)地形的依附性更大，因此礦區(qū)的地形和地表的坡度直接影響礦山公路的定線。

1 礦山公路選線傳統(tǒng)方法

一般的公路選線通常要經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：全面布局、逐段安排、最終定線，是一項(xiàng)研究范圍由大到小、工作深度由粗到細(xì)、工作方法由輪廓到具體，逐步深入的工作，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷修訂并加密控制點(diǎn)的過(guò)程。

目前，露天礦山公路平面定線的方法是在明確設(shè)計(jì)起點(diǎn)和終點(diǎn)及其標(biāo)高的情況下(例如露天礦山的起點(diǎn)一般為廢石堆場(chǎng)或者地方公路的交匯處，終點(diǎn)為第一或第二采礦工作平臺(tái))，當(dāng)選定了公路縱向平均坡度以后，換算出單位高差所需要的平面投影長(zhǎng)度，然后依據(jù)此長(zhǎng)度在礦山地形圖上的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間加密控制點(diǎn)，劃出兩至三條路線，并進(jìn)行建設(shè)工程量估算，作為方案比較的基礎(chǔ)。由此可知，依附于礦區(qū)地形的礦山公路定線原理，就是在礦區(qū)地形自然坡面上找出一條坡度不大于限定值的連通設(shè)計(jì)起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑基線。當(dāng)該路徑經(jīng)過(guò)點(diǎn)的地形自然坡度小于公路坡度限定值時(shí)，線路走向不受地形限制；當(dāng)路徑經(jīng)過(guò)點(diǎn)的地形自然坡度大于公路坡度限定值時(shí)，為了使公路坡度不大于限定值，線路走向與地形自然坡向之間有一個(gè)夾角限制，即線路走向是自然地形坡面的“偽傾斜”方向。顯然，礦區(qū)地形傾向和坡度是影響公路定線的重要因素[4-5]。

2 DEM在礦山公路選線中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)的數(shù)字高程模型適合對(duì)空間面的數(shù)字模擬，并具有對(duì)空間面進(jìn)行特征分析的強(qiáng)大功能。因此，采用 DEM原理對(duì)礦區(qū)地面原形進(jìn)行描述，并用于礦山公路選線設(shè)計(jì)，可大大提高設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性[6-7]。

DEM是地形表面的數(shù)字表達(dá)形式，由三維坐標(biāo)有限序列組成，其數(shù)學(xué)函數(shù)形式為[8]：

V=(Xi，Yi，Zi)i=1,2,3......,n

(1)

式中,Xi，Yi為平面坐標(biāo)；Zi為高程。

在建立 DEM時(shí)，由于只有有限個(gè)離散點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)，大量空白區(qū)域只能依靠空間插值運(yùn)算獲取近似值。即通過(guò)已知點(diǎn)高程和插值建立起數(shù)字高程模型。

2.1 礦區(qū)地表地形模型的建立

礦山公路與礦區(qū)地表地形密切相關(guān)，礦區(qū)地表地形是礦山設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。因此，進(jìn)行礦山輔助設(shè)計(jì)首先要建立完整準(zhǔn)確的礦區(qū)地表地形模型[9]。建立礦區(qū)地表地形模型的基礎(chǔ)資料來(lái)源于礦區(qū)地質(zhì)勘察資料 (如地質(zhì)地形圖等 )。目前地質(zhì)勘察部門廣泛使用地質(zhì)資料管理系統(tǒng) (如MapGIS系統(tǒng))，其自動(dòng)生成的數(shù)字地質(zhì)地形圖資料為建立礦區(qū)地表地形模型創(chuàng)造了優(yōu)越的條件[10]。建立礦區(qū)地表地形模型的類型選擇，一方面需要考慮能方便且準(zhǔn)確地反映地表地形，另一方面要兼顧與礦床模型和開(kāi)采境界模型匹配的需要，以利于進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。礦山的地質(zhì)資料是一切礦山設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，礦區(qū)地形的等高線可由此基礎(chǔ)資料獲得。對(duì)礦區(qū)地表地形模型的建立，將提取出來(lái)的等高線首先進(jìn)行高程賦值，然后將其導(dǎo)入Arcgis軟件中，通過(guò)軟件工具箱的TIN模型建立構(gòu)造出三維立體的三角網(wǎng)模型，然后通過(guò)TIN轉(zhuǎn)DEM將其轉(zhuǎn)化成DEM模型。

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

傳統(tǒng)的礦山公路選線大部分都是在CAD環(huán)境中進(jìn)行，在地質(zhì)地形圖上進(jìn)行判斷決策。DEM可以形成不同高差的等高線，可利用其來(lái)生成滿足要求的等高線。等高線的疏密決定了公路選線的精確性：等高線越密集，即單位高差越小，礦山公路線路判定越為精確，但是人工工作量越大，越繁瑣；反之則工作量小，但判定的精確性不夠。為了解決這一矛盾，可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，將人工的這一部分用計(jì)算機(jī)來(lái)代替則既提高了公路選線的精確性，又降低了人為的工作量。

根據(jù)公路選線基本原理和方法，基于礦區(qū)DEM的礦山公路定線實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)地形坡度、坡向和公路坡度限定值確定公路走向的問(wèn)題?？紤]工程設(shè)計(jì)實(shí)際，可以的實(shí)現(xiàn)方式：先按一定高差由礦區(qū)DEM做出等高線圖，且保證足夠的精度，再在等高線圖上用等步距搜索，尋找臨近高程點(diǎn)(將平面投影長(zhǎng)度作為步距)。

國(guó)內(nèi)外的地理信息系統(tǒng)軟件層出不窮，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和資料查詢，其中Arcgis軟件的市場(chǎng)占有率最高，其具有強(qiáng)大的地理信息處理分析功能。

本文通過(guò)Arcgis 10.0和CAD軟件實(shí)現(xiàn)了礦山公路的選線設(shè)計(jì)?；贏rcgis 10.0的數(shù)字高程模型構(gòu)建功能，可用其構(gòu)建生成出礦山數(shù)字模型，但介于其二維作圖功能不夠強(qiáng)大，因此選擇CAD軟件劃出線路圖。實(shí)現(xiàn)思路是由Arcgis 10.0軟件構(gòu)建礦區(qū)地形DEM后由其生成足夠密度的等高線，極限是達(dá)到柵格大小，在此基礎(chǔ)上通過(guò)CAD的自主匯編語(yǔ)言VBA編寫(xiě)一個(gè)程序，設(shè)計(jì)出一個(gè)交互式窗體設(shè)計(jì)界面(見(jiàn)圖1)，在明確設(shè)計(jì)起點(diǎn)和終點(diǎn)后，通過(guò)向計(jì)算機(jī)輸入設(shè)計(jì)縱向坡度，可得此縱坡條件下的選線方案。

圖1 VBA編程窗體界面

本文通過(guò)反復(fù)作圓的方式實(shí)現(xiàn)滿足坡度要求的控制點(diǎn)選取。當(dāng)選定了起終點(diǎn)和公路縱向坡度以后，在由Arcgis10.0構(gòu)建的礦區(qū)DEM模型提取足夠密度等高線的基礎(chǔ)上(密度由單位高差確定)，在CAD作圖環(huán)境中，以起點(diǎn)為第一個(gè)圓的圓心，由單位高差換算成的平面投影長(zhǎng)度為半徑作第一個(gè)圓，然后從起點(diǎn)往終點(diǎn)這個(gè)方向，考慮每條等高線，依次以前一個(gè)圓與相應(yīng)等高線的交點(diǎn)為圓心，單位平面投影長(zhǎng)度為半徑進(jìn)行作圓，反復(fù)執(zhí)行這個(gè)過(guò)程，直到延伸至終點(diǎn)，將所有的交點(diǎn)記錄使之成為控制點(diǎn)，再將起終點(diǎn)和這些控制點(diǎn)逐一相連，即作出礦山公路線路。

作圓過(guò)程中交點(diǎn)可能有多個(gè)，對(duì)于每次如何選擇一個(gè)最佳交點(diǎn)進(jìn)行作圓，本文探索了一種判定，依據(jù)兩點(diǎn)之間直線最短的原理，首先連接起終點(diǎn)，在縱坡條件絕對(duì)滿足的情況下可將起終點(diǎn)的直線連線作為礦山路線，若縱坡條件不滿足則選擇靠近起終點(diǎn)連線的交點(diǎn)進(jìn)行作圓，以?shī)A角大小為判斷依據(jù)進(jìn)行選擇，即夾角越小，越靠近起終點(diǎn)連線，工程量也越小。如圖2，經(jīng)過(guò)判斷選擇右邊的圓，即選擇A點(diǎn)作為交點(diǎn)。若圓與等高線無(wú)交點(diǎn)，則選擇起終點(diǎn)連線與臨近等高線的交點(diǎn)為控制點(diǎn)，再以此為圓心繼續(xù)作圓。

圖2 作圖原理

3 工程中的實(shí)際應(yīng)用

在某露天礦山的開(kāi)發(fā)利用方案中，需要對(duì)礦山公路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期繪制基礎(chǔ)路線方案時(shí)，通過(guò)由Arcgis10.0構(gòu)建的礦區(qū)DEM模型生成所需密度的等高線圖，將第一工作水平即山頂設(shè)為起點(diǎn)，山下公路入口作為終點(diǎn)，在CAD環(huán)境中利用所編制的程序由計(jì)算機(jī)可快速作出某縱坡要求下的路線方案(見(jiàn)圖3)。圖中綠線和紅線是計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出的公路路線，單位高差選擇為10 m，1號(hào)線是10%的縱坡條件下做出的公路路線，2號(hào)線是9%的縱坡條件下作出的公路路線，后期再考慮其他的設(shè)計(jì)因素，如公路寬度、轉(zhuǎn)角半徑、視距等因素對(duì)初選公路進(jìn)行補(bǔ)充和修改則可作出礦山的基本公路。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于DTM模擬地形的強(qiáng)大功能，結(jié)合Arcgis10.0和CAD兩個(gè)軟件，研究了以DTM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的礦山公路自動(dòng)定線方法。運(yùn)用Arcgis10.0建立DEM模型并生成足夠密度的等高線，并在此基礎(chǔ)上將二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言VBA所編制的程序運(yùn)行于CAD作圖環(huán)境中，可達(dá)成依據(jù)公路縱向坡度自動(dòng)繪制礦山公路走向的效果。通過(guò)發(fā)揮兩者各自的專業(yè)特性實(shí)現(xiàn)了DTM在礦山公路選線的輔助設(shè)計(jì)，大大提高了礦山公路選線的效率和準(zhǔn)確性，為礦山設(shè)計(jì)以及信息化管理提供了新的有效工具。

圖3 礦山公路選線效果

參考文獻(xiàn)：

[1]張俊峰，李克民.GIS技術(shù)在露天礦山中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2008(1)：109-111.

[2]莫煥東.MapGIS (地理信息系統(tǒng))在礦山中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2008，20(4)：263-264.

[3]富崇彥.計(jì)算機(jī)技術(shù)在露天礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].世界采礦快報(bào)，2000，16(12)456-457.

[4]劉光輝. 地質(zhì)選線在山區(qū)公路中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2008(1).

[5]畢旭冰，王國(guó)良，李文濤. 山區(qū)公路選線[J].河南交通科技，1996(3).

[6]李志林，朱 慶. 數(shù)字高程模型(第2版)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[7]湯國(guó)安，李發(fā)源，劉學(xué)軍.數(shù)字高程模型教程(第二版)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[8]王 榮，劉景秀．地理信息系統(tǒng)在水泥礦山境界圈定中的應(yīng)用研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版)，2009(6).

[9]胡 俊，劉景秀，李 慧. 基于DTM的礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版)，2013(1).

[10]楊宏志，韓躍杰，李 芬,等. 基于GIS和遺傳算法的公路智能選線[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(3).