烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)的建立與應(yīng)用*

劉 偉 牛 鵬 劉 洋 張鵬海 楊天鴻3

（1.中國黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）簡稱GIS，是依托計(jì)算機(jī)軟硬件對空間數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行科學(xué)管理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對海量空間地理信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行三維展示、規(guī)劃以及管理的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)［1］。而WebGIS技術(shù)是通過互聯(lián)網(wǎng)對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和應(yīng)用，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

在礦業(yè)領(lǐng)域，GIS是數(shù)字礦山的基礎(chǔ)，WebGIS基于礦山物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)的感知礦山和智能采礦，是實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化、信息化以及自動化的基礎(chǔ)［2-3］。謝衛(wèi)標(biāo)［4］針對不同GIS系統(tǒng)間由通訊方法差異造成空間信息共享性較差的問題，開展了基于WebGIS的礦山空間信息互操作的研究，并以洛陽欒川鉬礦為例，實(shí)現(xiàn)了Mapinfo和ArcGIS之間的互操作。王緒本等［5］針對目前煤礦災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)存在的信息反饋滯后問題，提出了在互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的情況下，結(jié)合RFID、GIS兩項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測與靜態(tài)管理相融合的井下災(zāi)害預(yù)警和救助體系的構(gòu)建。謝旭陽［6］利用GIS技術(shù)作為礦井安全信息的管理手段，構(gòu)建了礦井應(yīng)急輔助決策支持系統(tǒng)。程林等［7］利用GPS實(shí)時(shí)定位功能以及GIS電子地圖實(shí)時(shí)更新卡車位置功能，實(shí)現(xiàn)了露天礦車在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于電子地圖的可視化導(dǎo)航與監(jiān)控，并利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫建立了人員、生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，保障了礦山卡車有效調(diào)度。

WebGIS在礦業(yè)領(lǐng)域工程應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用，但仍有一些問題需要解決：①側(cè)重于“單層”表達(dá)，要么只表達(dá)地表模型，要么只構(gòu)建地下地質(zhì)體模型，缺少基于“地下—地表—地上”的真三維可視化構(gòu)建；②目前礦業(yè)方面更多的是聚焦于GIS二維地圖與礦山的結(jié)合，三維GIS研究相對較少，另外結(jié)合三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析也是亟待解決的問題。結(jié)合以上問題，本項(xiàng)目根據(jù)烏山銅鉬礦的實(shí)際情況，建立一個(gè)包含工程地質(zhì)分區(qū)及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態(tài)剖面分析及云端訪問功能的WebGIS系統(tǒng)。

1 軟件簡介及系統(tǒng)架構(gòu)

SuperMap軟件具備二、三維一體化的數(shù)據(jù)管理、處理、制圖、分析及標(biāo)繪等功能，支持在線地圖服務(wù)訪問及云端資源系統(tǒng)共享，可用于空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、分析和行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)快速定制開發(fā)。該軟件的大規(guī)模數(shù)據(jù)快速加載與顯示功能特別適合于礦山精細(xì)化三維地質(zhì)模型的云端顯示。

烏山露天礦使用SuperMap來支持三維地理信息模型展示及云端訪問，烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)中礦山開采現(xiàn)狀、巖性、斷層、工程分區(qū)以及邊坡表面積、坡度、高度的測量等功能均通過該軟件實(shí)現(xiàn)（圖1）。

2 礦山簡介及三維地質(zhì)建模

2.1 烏山銅鉬礦概況

烏山銅鉬礦地處內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)新巴爾虎右旗境內(nèi)，距滿洲里市區(qū)24 km，是一座大型斑巖型銅鉬礦床，構(gòu)成邊坡工程地質(zhì)巖組的主要為黑云母花崗巖、次流紋質(zhì)晶屑凝灰熔巖、次斜長花崗斑巖、次英安質(zhì)角礫熔巖及部分花崗（斑）巖及閃長玢。

烏山銅鉬礦銅資源儲量267萬t，鉬資源儲量54萬t。烏山銅鉬礦為露天開采，采場東幫邊坡最大標(biāo)高為858 m，采場設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高為225～240 m，設(shè)計(jì)終了邊坡最大高差約為630 m，整體邊坡角為43°～45°，礦山邊坡臺階高度為15 m，并段后臺階高度為30 m，采場目前最低開采水平為630 m。

2.2 三維地質(zhì)建模

烏山露天礦三維地理信息模型是在多個(gè)軟件相互配合使用的情況下建立完成的，主要用到的軟件包括3Dmine、Rino、3Ds max、SuperMap，其中3Dmine、Rino用于礦山地質(zhì)建模，3Ds max用于貼圖、動畫制作、建筑及工程機(jī)械的建模，SuperMap用于對模型添加各種交互功能，比如模型的剖切、屬性信息的查詢等，形成最終的烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)。

在3Dmine中基于現(xiàn)狀平面圖、最終境界平面圖以及勘探線剖面圖完成現(xiàn)狀和最終境界的模型建立。現(xiàn)狀臺階線以現(xiàn)狀平面圖中帶有高程的臺階線為基礎(chǔ)，通過修剪、2點(diǎn)連線、擴(kuò)展臺階和平臺進(jìn)行修整簡化。最終境界臺階線完全按照最終境界平面圖中的坡頂線、坡底線進(jìn)行擴(kuò)展臺階、平臺以及公路起點(diǎn)設(shè)置，并按照固定坡面角、臺階寬度及臺階高度來生成簡化式臺階。接下來依據(jù)處理好的臺階線，按照“閉合線內(nèi)部連接三角網(wǎng)”、“閉合線之間連接三角網(wǎng)”、“開放線之間連接三角網(wǎng)”、“開放線與閉合線之間連接三角網(wǎng)”等方式，生成DTM三角網(wǎng)表面，如圖2所示。

執(zhí)行以上操作后，將現(xiàn)狀DTM表面選中保存選擇集，選擇dxf格式并導(dǎo)入Rhino三維建模軟件，用現(xiàn)狀DTM露天礦表殼切割長方體，采用Rhino中布爾運(yùn)算分割命令在長方體上切出礦坑，形成礦坑三維模型。

根據(jù)勘探線剖面圖中的巖性分界情況，首先在3Dmine中提取所有剖面的巖性結(jié)構(gòu)線存儲為dxf格式，并導(dǎo)入Rhino，按照結(jié)構(gòu)線擠出封閉曲面和構(gòu)建巖性體2種方式來切割礦體模型，同時(shí)進(jìn)行三維地質(zhì)模型的內(nèi)部巖性添加。至此完成烏山銅鉬礦三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。烏山銅鉬礦三維地質(zhì)模型如圖3所示。

在3Dmine、Rhino中完成了模型的建立后，將建好的模型切換到渲染模式進(jìn)行材質(zhì)添加、巖性貼圖、軸向更改等調(diào)整，最后生成一個(gè)帶有貼圖的obj文件，為導(dǎo)入SuperMap做準(zhǔn)備。

3 礦山WebGIS系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

礦山現(xiàn)有的三維建筑模型、地質(zhì)模型、二維電子圖紙以及多種點(diǎn)、線、面矢量數(shù)據(jù)都是基于礦山相對坐標(biāo)系建立，而SuperMap所創(chuàng)建的三維虛擬場景則是基于大地坐標(biāo)系。要想將礦山中大量的模型及數(shù)據(jù)整合到同一場景中，首先要對所有基于礦山坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，生成大地坐標(biāo)系下對應(yīng)的坐標(biāo)值。

3.2 模型導(dǎo)入

三維地質(zhì)模型、周邊建筑物模型以及各種標(biāo)識牌等三維模型要想導(dǎo)入到SuperMap軟件中，均需要通過Rhino軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)出成obj格式模型之后，才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入到SuperMap中。在導(dǎo)入的同時(shí)需要輸入模型坐標(biāo)中心點(diǎn)所對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，選擇坐標(biāo)系并確定導(dǎo)入模型的工作空間和數(shù)據(jù)集名稱，導(dǎo)入的時(shí)候一定要確保模型所在的工作空間處于關(guān)閉狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于三維模型的數(shù)據(jù)量都比較龐大，占用計(jì)算機(jī)的資源較大，為提高整體應(yīng)用性能，在使用前需要進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的本質(zhì)是將影像、地形或模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建分層緩存。例如，對影像數(shù)據(jù)通過重采樣方法建立一系列不同分辨率的圖層，每個(gè)圖層分割存儲，并建立相應(yīng)的空間索引機(jī)制，從而提高縮放瀏覽影像時(shí)的顯示速度。

3.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

SuperMap支持對整個(gè)工作空間的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布以及遠(yuǎn)程服務(wù)。工作空間是用戶的工作環(huán)境，存儲了所建立工程項(xiàng)目中的所有數(shù)據(jù)源、地圖以及場景等的組織關(guān)系。大多數(shù)情況下，用戶數(shù)據(jù)是以工作空間形式組織的。

4 烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)的建立

烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)是基于SuperMap中的Iserver平臺，以Html5、JavaScript、JQuery、CSS等編程語言和函數(shù)庫作為B/S構(gòu)架開發(fā)的前端編程語言，以PHP、Ajax等作為后端編程語言，進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)構(gòu)建了5個(gè)模塊：工程地質(zhì)分區(qū)及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態(tài)剖面分析、云端訪問。

4.1 工程地質(zhì)分區(qū)及信息查詢

工程地質(zhì)分區(qū)是在研究區(qū)內(nèi)按照工程地質(zhì)條件相近的基本原則進(jìn)行區(qū)域劃分，目的是結(jié)合不同區(qū)域的工程地質(zhì)特征進(jìn)行分區(qū)域評價(jià)。根據(jù)水文地質(zhì)條件、斷層節(jié)理以及破碎帶的工程和地質(zhì)因素，烏山銅鉬礦露天采場共被分為5個(gè)地質(zhì)特征分區(qū)。

當(dāng)需要查看地質(zhì)分區(qū)及其信息時(shí)，可單擊系統(tǒng)界面右下角功能面板復(fù)選框，系統(tǒng)會判斷所勾選的復(fù)選框內(nèi)容，以不同的顏色疊加到原有地形上，分別顯示不同的地質(zhì)分區(qū)，單擊不同邊坡分區(qū)會自動彈出消息框，消息框中包含了該區(qū)域的詳細(xì)地質(zhì)描述，如圖4所示。

4.2 礦山測量

測量功能可以實(shí)現(xiàn)距離測量、高度測量、面積測量。其中距離測量可以實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)之間的距離測量和連續(xù)測量；高度測量不僅可以測量2點(diǎn)之間的垂直高度，還可以測量兩點(diǎn)之間的空間高度；面積測量可以測出指定多邊形的空間面積，效果如圖5所示。

4.3 坡度分析

露天礦邊坡角根據(jù)所在邊坡的工作性質(zhì)而有差異，例如工作幫、非工作幫以及清掃平臺的邊坡角存在差距。坡度分析功能是將坡度值區(qū)間用一個(gè)漸變色表示，本次設(shè)計(jì)采用紅—黃—藍(lán)漸變色表示坡度從0°～90°的過渡，效果如圖6所示。

當(dāng)需要進(jìn)行坡度分析時(shí)，在功能面板中選擇坡度繪制模式，自定義繪制區(qū)域。在場景中圈定出區(qū)域后，系統(tǒng)會自動分析繪制區(qū)域內(nèi)的坡度。若選擇繪制模式為全礦模式，則會自動將整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)的坡度展示出來。

4.4 動態(tài)剖面分析

烏山銅鉬礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為了快速、全面地了解該礦的礦巖賦存狀態(tài)，開發(fā)了一種可通過拉伸面的方法對地質(zhì)模型進(jìn)行任意角度剖切以及查看的功能，即動態(tài)剖面分析。當(dāng)要查看某一個(gè)剖面處的礦巖賦存狀態(tài)時(shí)，可在地質(zhì)模型上繪制一個(gè)裁剪盒，通過改變其寬度、高度以及方位，對三維地質(zhì)模型進(jìn)行動態(tài)剖分，如圖7所示。

4.5 云端訪問

將烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)文件上傳至阿里云服務(wù)器，文件包括烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)涉及的所有網(wǎng)頁代碼、圖片、數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)，然后在阿里云服務(wù)器上建立一個(gè)網(wǎng)站，就可實(shí)現(xiàn)烏山銅鉬礦Web-GIS系統(tǒng)的云端訪問。打開瀏覽器輸入網(wǎng)址后，技術(shù)人員可隨時(shí)隨地查看礦山信息。

5 結(jié)語

基于SuperMap的Iserver平臺，以Html5、JavaS-cript、JQuery、CSS等編程語言和函數(shù)庫作為B/S構(gòu)架開發(fā)的前端編程語言，以PHP、Ajax等作為后端編程語言進(jìn)行開發(fā)，建立了烏山銅鉬礦WebGIS系統(tǒng)。系統(tǒng)包含工程地質(zhì)分區(qū)及信息查詢、礦山測量、坡度分析、動態(tài)剖面分析、云端訪問5大功能，該系統(tǒng)增強(qiáng)了空間數(shù)據(jù)的立體表現(xiàn)，便于數(shù)據(jù)的分析和表達(dá)，提升礦山管理效率。