數(shù)字化測(cè)繪在排土場(chǎng)庫(kù)容計(jì)算中的應(yīng)用

何有生 林劉軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作454000)

排土場(chǎng)作為堆積廢石的場(chǎng)所是礦山系統(tǒng)的重要組成部分，排土場(chǎng)容量充足是礦山剝離正常進(jìn)行的前提，及時(shí)掌握排土場(chǎng)庫(kù)容是合理編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的重要參考。因此，排土場(chǎng)庫(kù)容的準(zhǔn)確計(jì)算顯得十分關(guān)鍵。

排土場(chǎng)區(qū)域地形圖和設(shè)計(jì)圖是構(gòu)成庫(kù)容計(jì)算的基礎(chǔ)圖件，但由于各種原因地形圖和設(shè)計(jì)圖通常只有紙質(zhì)或藍(lán)圖，必須對(duì)其進(jìn)行矢量化、數(shù)字化。然后對(duì)矢量化成果進(jìn)行建模計(jì)算，得出排土場(chǎng)庫(kù)容量。

下面以某礦山排土場(chǎng)庫(kù)容計(jì)算為例對(duì)此作以介紹：

該礦山排土場(chǎng)為山區(qū)地形，利用山谷排放廢石，占地面積、設(shè)計(jì)庫(kù)容較大，服務(wù)年限較長(zhǎng)。

1 現(xiàn)有的測(cè)繪成果及設(shè)計(jì)圖件

收集整理到的資料有該區(qū)域1：1000的紙質(zhì)地形圖和排土場(chǎng)設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

2 紙質(zhì)圖件矢量化

矢量化綜合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)，計(jì)算機(jī)圖像處理，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能，是數(shù)字圖像處理中的一個(gè)重要課題。利用已有的地形圖進(jìn)行掃描數(shù)字化是地圖編繪底圖的重要來(lái)源，利用已有的紙質(zhì)地圖進(jìn)行矢量化工作，避免了重復(fù)測(cè)繪，節(jié)約了大量的人力、物力和財(cái)力。

2.1 紙質(zhì)圖件掃描

首先使用掃描儀將紙質(zhì)地形圖和設(shè)計(jì)藍(lán)圖掃描并以圖件格式存盤。然后用photoshop等圖像處理軟件對(duì)圖形進(jìn)行拼接、降噪、細(xì)化等操作，提高圖像質(zhì)量，從而獲得理想的柵格地圖。

值得注意的是紙質(zhì)地形圖由于受介質(zhì)本身及存放條件等因素的影響會(huì)導(dǎo)致地形圖的實(shí)際尺寸發(fā)生變形，而且掃描操作中的其他因素，也直接影響掃描質(zhì)量和精度。所以在柵格矢量化時(shí)必須進(jìn)行仔細(xì)糾偏操作，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2 柵格圖像矢量化

現(xiàn)在許多軟件可以實(shí)現(xiàn)柵格圖像矢量化，比如mapgis、vpstudio、cass、cad等，本文介紹的是使用cass軟件矢量化方法。利用cass軟件進(jìn)行矢量化主要有以下三個(gè)步驟：

（1）導(dǎo)入柵格數(shù)據(jù)

（2）圖像糾正

通過(guò)此操作可以消除由原圖掃描生產(chǎn)的柵格圖像存在的旋轉(zhuǎn)、位移和畸變等誤差，使柵格圖像位置和形狀和原圖一致。

圖像糾正方法有赫爾姆特法、仿輻射轉(zhuǎn)換法、線性變換法、二次變?cè)ā⑷巫冊(cè)ǖ龋煌募m正方法需要不同個(gè)數(shù)和位置的控制點(diǎn)。具體操作時(shí)輸出圖上拾取位置的實(shí)際坐標(biāo)，執(zhí)行糾正命令，并且可以查詢圖像糾正的精度。

（3）交互編輯，矢量化柵格圖像

圖像糾正完畢后，利用軟件交互編輯功能對(duì)相應(yīng)的地圖信息進(jìn)行逐個(gè)矢量化，并完成等高線付值、圖幅修整等操作。以下分別是排土場(chǎng)地形圖（圖1）和設(shè)計(jì)藍(lán)圖矢量化成果（圖2）。

3 建立數(shù)字地面模型

計(jì)算庫(kù)容的方法有平行截面法法、等高線容積法、方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法，由于三角網(wǎng)法精度高等特點(diǎn)，本文采用三角網(wǎng)法建立數(shù)字地面高程模型計(jì)算庫(kù)容。

3.1 原地形建模

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖邊界線對(duì)矢量化地形圖進(jìn)行剪切，僅保留設(shè)計(jì)范圍內(nèi)地形信息，選擇所有等高線，使用菜單欄中“工程應(yīng)用”工具中的“等高線生成數(shù)據(jù)文件”生成高密度的高程點(diǎn)，然后使用菜單欄中“繪圖處理”工具將生成高程點(diǎn)展點(diǎn)入圖（如圖3所示），為下一步的建模做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

圖1 矢量化的排土場(chǎng)地形圖

圖2 矢量化的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)藍(lán)圖

圖3 設(shè)計(jì)范圍內(nèi)等高線和生成的高程點(diǎn)

然后，使用菜單欄中“等高線”工具中的“建立DTM”子項(xiàng)，利用圖中高程點(diǎn)生成數(shù)字地面模型。可使用菜單欄中“顯示”工具中的“三維動(dòng)態(tài)視圖”子項(xiàng)觀察數(shù)字地面模型三維視覺(jué)效果，使用此功能方便檢查是否存在異常高程點(diǎn)，剔除、修改不合格三角網(wǎng)。

圖4 設(shè)計(jì)范圍內(nèi)原地形DTM

圖5 設(shè)計(jì)范圍內(nèi)原地形DTM的三維視覺(jué)圖

3.2 設(shè)計(jì)圖建模

設(shè)計(jì)圖建模與建立地形圖數(shù)字地面模型類似，使用同樣方法可對(duì)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)完成數(shù)字建模。

4 排土場(chǎng)庫(kù)容計(jì)算

將排土場(chǎng)設(shè)計(jì)圖和原地形復(fù)合在同一張圖上（如圖6所示），然后檢查三角網(wǎng)，特別是排土場(chǎng)設(shè)計(jì)的邊緣部分，剔除、修改不合格三角網(wǎng)，這一步至關(guān)重要，也是誤差控制的關(guān)鍵，同時(shí)最好保證所有邊界點(diǎn)都同時(shí)參與了兩個(gè)模型的建模過(guò)程。檢查時(shí)可三維視圖（如圖7所示）。

檢查無(wú)誤后，分別保存三角網(wǎng)文件。然后使用菜單欄中“工程應(yīng)用”下“DTM法土方計(jì)算”、“計(jì)算兩期間的土方”子項(xiàng)，加載保存的三角形文件，計(jì)算出排土場(chǎng)庫(kù)容。

圖6 排土場(chǎng)設(shè)計(jì)和原地形復(fù)合圖

圖7 排土場(chǎng)設(shè)計(jì)和原地形DTM復(fù)合三維視覺(jué)圖

5 結(jié)論

數(shù)字化測(cè)繪計(jì)算排土場(chǎng)庫(kù)容的工作程序可總結(jié)為：（1）收集現(xiàn)有的測(cè)繪資料和設(shè)計(jì)文件，包括一定精度的排土場(chǎng)原地形地形圖、排土場(chǎng)設(shè)計(jì)圖及設(shè)計(jì)文件。（2）對(duì)紙質(zhì)地形圖矢量化、數(shù)字化。（3）對(duì)原地形、設(shè)計(jì)進(jìn)行建模計(jì)算。（4）上報(bào)成果。

在礦山實(shí)際生產(chǎn)中，往往要求掌握排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)庫(kù)容，以便制定采剝計(jì)劃。實(shí)踐證明，對(duì)排土場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行周期性測(cè)繪，使用本文介紹的數(shù)字化測(cè)繪三維建模方法，利用計(jì)算機(jī)輔助制圖計(jì)算出已占用庫(kù)容量，結(jié)合總庫(kù)容數(shù)據(jù)可以及時(shí)、準(zhǔn)確把握排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)庫(kù)容。