DTM分析在礦山治理工程量計算中的應用

朱 虹

(浙江省地質礦產研究所，浙江杭州310007)

DTM分析在礦山治理工程量計算中的應用

朱 虹*

(浙江省地質礦產研究所，浙江杭州310007)

結合工作實例，介紹了基于MapGIS的DTM分析技術在廢棄礦山治理方案設計中工程量計算的應用方法。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環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據，更直接影響著工程造價的準確性，并涉及到工程建設方和施工方的經濟利益。因此，準確的工程量計算，是廢棄礦山治理方案設計中的一個重要環節。

廢棄礦山邊坡及殘丘一般為不規則的任意曲面，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。

隨著機算機數字處理能力的提高和自動測量儀器的廣泛應用，可以通過采集數據、組織整理數據，建立數字地形模型來計算土石體積，這就是DTM分析的技術。地理信息系統MapGIS中的DTM分析功能可以通過建立數字地形模型，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手段。

1 DTM簡介

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

DTM一般有2種表現形式，規則格網的GRD數據和不規則三角網TIN數據。TIN模型由不規則的數據點連成的三角網組成，在此基礎上追蹤等值線或進行其他分析。而GRD模型分析建立在網格化的數據基礎之上，即把無規則分布的原始數據內插為規則分布的空間數據集，然后在此基礎上追蹤等值線或進行其他分析。GRD模型由于其數據結構簡單，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用方法

野外實地測量。目前，DTM數據獲取主要有3種方法：GPS、全站儀等電子儀器野外地面測量獲得地形數據；由航測儀器從航空照片上獲得地形數據；對已有地形圖進行數字化獲得地形數據。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數據獲取，因此，在礦山治理方案設計的工作初始，即對治理區及其周邊進行野外實地測量，比例尺一般為1∶1000。

建立治理區現狀(治理前)數字地形模型GRD。在MapGIS的DTM分析中，將野外實測數據進行柵格化處理，建立治理前數字地形模型GRD。

建立治理區規劃(治理后)數字地形模型GRD。根據治理方案的設計，刪除治理區范圍內的現狀等高線，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，建立治理后數字地形模型GRD。

計算工程量：

（1）計算回填區、開挖區工程量。選擇治理前GRD模型，通過DTM分析模塊的“格網蓄積量/表面積計算”功能，根據設計的基準高程，計算指定區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，分別計算相同區域（削坡開階區）、同一基準高程以上空間體積，其差值即為削坡工程量。

3 應用實例

以杭州市蕭山區某廢棄礦山生態環境治理方案為例，淺述地理信息系統MapGIS中DTM分析功能在回填、開挖及削坡工程量計算中的應用。

3.1 治理分區

廢棄礦山生態環境治理，目的在于有效地消除礦山次生地質災害隱患，達到礦山邊坡的安全穩定，并在此基礎上逐步恢復和重建礦山生態系統，美化自然景觀，協調周邊環境，實現廢棄礦地的綜合利用。通過對礦山實地勘查，查明周邊地質條件，分析不良地質特征及礦山邊坡的穩定性，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災害隱患、創造復綠條件；對礦區內分布的殘丘、孤峰、洼地進行開挖夷平和回填壓實，平整場地作為建設用地；礦山南部的緩坡區則進行坡面清理，改善綠化條件。治理范圍劃分為8個分區（見表1、圖1），并通過MapGIS圖形編輯子系統，形成各治理分區的面文件。

表1 治理分區表

圖1 治理分區圖

3.2 工程量計算

3.2.1 建立治理區數字地形模型GRD

(1)建立治理區現狀數字地形模型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”建立現狀數字地形模型GRD（見圖2），柵格化參數為DX=0.5、DY=0.5。

(2)建立治理區規劃的數字地形模型GRD。刪除治理區范圍內的現狀等高線，編制規劃的等高線。削坡開階治理區則根據方案所設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。用規劃的地形線生成治理后的數字地形模型GRD（見圖2），方法及柵格化參數同上。

圖2 礦山治理前后數字地形模型

3.2.2 治理區工程量計算

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

(1)開挖區(A1、A2、A3、A4)工程量計算。選擇現狀地形GRD文件，在MapGIS的DTM分析中，應用“格網蓄積量/表面積計算”功能，分別指定A1、A2、A3、A4為計算區域，計算開挖區的土石體積。根據設計方案，基準平面高度為79m，計算方法為三角剖分法。開挖區工程量計算結果總計45313m3。

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

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

(4)工程量計算結果匯總。各治理分區工程量見計算結果匯總表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，由現狀地形等高線和規劃設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 計算結果匯總表

當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。計算結果：挖方治理區（A1、A2、A3、A4）挖方量為45509m3，回填治理區(B)填方量為127428m3。削坡開階治理區(C)削坡方量為1331834m3。

對比DTM法和水平斷面法的計算結果，開挖夷平區和回填壓實區體積與DTM法的計算值誤差為0.4%，相對較小；削坡開階區體積與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據，設置了較為密集的水平斷面標高，設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、地形條件復雜的廢棄礦山治理設計中顯得尤為突出。

MapGIS平臺的DTM分析通過插值的方法構造空間曲面，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，因此，計算結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、合理性以及經濟等方面都是最優化的選擇。在應用過程中需要注意的是，采用實測高程點建立GRD模型前，應注意檢查實測點的高程，刪除一些不合理的高程數據，以免影響GRD模型的準確性；GRD模型的柵格化參數必須一致，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

近年來，因礦山開采而造成的生態環境破壞問題日趨嚴重，特別是露天開采，不但影響自然景觀、造成環境污染，而且還會誘發山體滑坡等地質災害。廢棄礦山生態環境治理已成為保護生態環境、促進社會經濟可持續發展的刻不容緩的任務。礦山邊坡的削坡開階、坡腳夷平等治理措施，是消除地質災害隱患、創造復綠條件以及整合利用土地的必要手段。本文將MapGIS的DTM分析技術引入廢棄礦山生態環境治理的工程量計算，DTM的計算方法具有數學模型結構嚴謹合理、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。

[1] 沙從術,耿宏鎖,趙傳慧，等.數字地面模型的構建與應用[J].河南科技,2006（2）.

[2] 吳信才.MAPGIS地理信息系統[M].北京：電子工業出版社, 2004.

[3]吳信才，等.地理信息系統原理與方法[M].2版.北京：電子工業出版社,2009.

[4]徐國良,王秀鳳,韓代成，等.基于MapGIS數字地面模型DTM的各類地球化學圖件的繪制[J].山東國土資源，2013，29(7).

[5]崔倫柱.淺析DTM地形數據采集方法與比較[J].湖南農機，2008（1）.

[6]陳文杰.基于MapGIS的DTM模型應用——以礦產儲量計算為例[J].城市地質，2008，32(4).

P623

B

1004-5716(2015)02-0164-03

2014-03-26

朱虹（1960-），女（漢族），江蘇泰興人，工程師，現從事計算機制圖及數據庫建設工作。