基于MapGIS 利用地形圖估算尾礦土方量

摘要：以河北省赤城縣某金礦為例，利用MapGIS軟件對尾礦土方量進行估算。使用MapGIS平臺空間分析DTM分析模塊相關功能，對礦區尾礦堆積前后地形圖等高線進行柵格化處理，提取相對應的數字高程DEM數據生成點文件，并與區文件進行空間疊加分析，計算尾礦堆積前后高程平均值，結合尾礦平面面積求體積之差，進行尾礦土方量估計。Map?GIS平臺DTM模型估算量與傳統測量結果相差約5％，計算數據準確度較高。估算過程經濟快捷，在實際生產過程中具有一定的實用性。

關鍵詞： MapGIS；地形圖；DTM模型；尾礦；土方量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0098-03

0 引言

河北省張家口市赤城縣某金礦為一責任主體滅失中型金礦，礦區內留存大量的金礦尾礦，尾礦也是一種重要礦產資源。本區內尾礦主要以堆浸堆形式存放，堆浸堆數量眾多，形態各異。在礦山生態修復過程中，需要對尾礦資源進行二次開發利用，首先急需對區內尾礦資源土方量進行初步估算，為未來綜合利用礦渣和尾礦資源提供基礎參考數據。使用傳統測量方法對礦區尾礦土方量進行估算，工作量大，費時費力，且費用較高。現以該某金礦尾礦土方量估算為例，結合已有矢量化地形圖，利用MapGIS軟件對金礦尾礦土方量進行估算，以期實現估算過程快速簡潔，省時省力。

數字地形模型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，數字地形模型中地形屬性為高程時稱為數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）[1]，數字高程柵格的形式組織在一起，用來表示實際地形形態，目前DEM主要通過測量手段獲取。地形圖作為基礎圖件，在工作中較為通用和常見，利用MapGIS軟件DTM分析模塊將地形圖轉化為DEM柵格數據，每個柵格單元對應一個高程值，獲得多個DEM數據，該數字高程容易通過計算機軟件進行后期處理，可實現尾礦資源快速估算土方量，對項目的選址、規劃設計、控制總投資和分配資金等方面具有重要的意義。

1 估算方法及原理

工作區尾礦土方量估算主要是計算尾礦堆體積，體積一般由面積和高乘積求得，面積為尾礦堆不規則空間分布范圍，可以利用MapGIS軟件在地形圖上圈定一定矢量化范圍，并在計算機上直接量取求得；高為尾礦堆高，尾礦堆在空間范圍內呈不規則形態，特別是其高為不規則空間曲面形態，形態多樣，變化較大且無規律性，故尾礦堆高不易求得，要對各種不同形態地形的高程進行轉化，需借助數量眾多的數字高程對空間高程進行趨近表達。

本次工作中利用兩個空間曲面（兩個地形圖）數字高程（DEM） 之差的方法求解尾礦堆高[4]，尾礦堆積前、后分別對應一個空間曲面，將尾礦堆高轉化為兩個曲面之間平均高程差（數字高程平均差），用數量眾多的柵格化棱柱體來進行模擬尾礦空間曲面，進而轉化成規則四棱柱求取尾礦堆體積，相對于用離散數據來模擬連續的空間曲面，在取樣數量夠多的情況下，柵格化后的四棱柱體無限趨近原地形形態，四棱柱體體積與不規則曲面尾礦體積近似相等。尾礦土方量估算公式如下：

Q=（H2-H1） ×S

其中Q 為尾礦土方量，H2為尾礦堆現在地形平均海拔，H1為尾礦堆原始地形平均海拔，S 為尾礦堆空間面積。

采用MapGIS軟件空間分析子系統對不規則曲面尾礦體空間提取曲面GRD值（即對礦區尾礦堆積前后地形圖等高線進行柵格化處理）[2-3]，具體過程是利用DTM分析模塊數字高程柵格化方法近似確定尾礦堆空間高程形態，分別計算堆積前和堆積后的高程差，計算兩個高程曲面差與面積積即為所求的尾礦土方量，堆積前高程為原始地貌高程平均值，堆積后高程為現在尾礦高程平均值。

2 計算總體思路

2.1 所需軟件

本次金礦尾礦土方量估算涉及多個軟件，其中主要基于軟件MapGIS6.7及以上版本，其中MapGIS6.7 操作平臺購買價格低，普及性較廣，該軟件使用人群基數大，操作性好，對電腦硬件要求不高，所生成圖件通用性好。另外為了提高工作效率，需要借助Map?GIS輔助軟件Section2016及以上版本、Excel等完成部分數據導出及統計計算工作。

2.2 計算過程

開始計算工作前收集工作區尾礦堆積前、后地形圖，并對不同坐標系、不同比例尺地形圖進行空間位置校正。利用MapGIS6.7對原始紙質版地形圖（主要是等高線）進行矢量化，等高線附屬性，在地形圖矢量化后，進行數字高程DEM 柵格化處理。通過Map?GIS6.7“空間分析”功能，由點、面文件屬性相交分析得到尾礦堆空間范圍內的數字高程DEM柵格數據；Sec?tion軟件導出數字DEM高程柵格；最后利用Excel完成對數字高程統計分析和計算工作，主要是計算各個尾礦堆平均數字高程值。

3 計算詳細步驟

3.1 數據預處理

首先利用MapGIS6.7編輯子系統“圖形處理”模塊對紙質地形圖等高線進行矢量化（已有矢量化地形圖，可忽略本步驟），不同坐標系統、不同比例尺的地形圖需進行空間位置校正（盡可能選擇相同比例尺地形圖，以減少估算誤差）。若等高線較稀疏，可考慮通過Section軟件“1輔助工具”中的“等高線功能”，插入等高線，進而提高數字高程精度（根據實際情況選擇）。需要說明的是，等高線插值相當于對尾礦堆進行空間形態描述，其作用是將高程數值平滑處理，在地形圖比例尺小的情況下考慮使用。

由MapGIS6.7屬性管理子系統“庫管理”模塊為地形圖等高線增加高程屬性項，之后利用“高程自動賦值”功能為地形圖等高線賦高程值。在矢量化后的地形圖上圈出尾礦堆范圍，生成相應的線文件、區文件（jsfw.wl、jsfw.wp） ，相應文件也需要賦屬性，包括尾礦序號、堆編號、面積等內容。上述數據預處理為后續生成數字高程DEM數據提供基礎文件。

3.2 生成DEM 數據

通過MapGIS6.7軟件子系統“空間分析”模塊生成尾礦堆范圍內數字高程Grd文件，具體軟件操作步驟為：①空間分析→DTM分析模塊→文件→打開數據文件→線數據文件；②處理點線→高程點/線柵格化→ 確定，其中在“柵格化參數”對話框內，其它原始參數不變，調整數據網格間距，設置網格DX、DY間距均為1，即DEM高程柵格邊長為1m，網格間距小，精度高，計算過程緩慢（可通過比較不同柵格邊長數字高程差，在不同邊長情況下，差值變化相差不大的情況下，選擇較小柵格邊長，這個過程需要多次比較）[6]；“等高線高程屬性項”選擇等高線高程屬性選項；③柵格化保存→確定，將生成的數字高程另存為grd文件（sgsj.grd） 。

MapGIS6.7軟件子系統“空間分析”模塊中對生成的grd文件進行相關數據處理（主要是對點文件賦高程，為下一步DEM數據提取做準備），具體軟件操作步驟為：模型應用→高程點標注制圖→在彈出的對話框內打開sgsj.grd文件→確定，其中在標注輸出設置對話框內勾選“輸出標注到屬性字段”項，同時根據工作需要可以對數字高程點字體、格式、注釋位置等進行設置（以便結合地形圖等高線檢查數字高程是否有錯誤）；最后保存數字高程DEM 柵格數據為點文件（szgc.wt） 。

3.3 DEM 數據提取

地形圖數字高程DEM柵格數據生成是針對整個工作區，尾礦堆土方量估算僅需要對尾礦堆范圍內的數據，需要對估算區域（尾礦堆）數據內進行提取，即將區文件（jsfw.wp） 與數字高程DEM柵格數據點文件（szgc.wt） 進行空間合并分析，提取礦堆范圍內的數據。通過MapGIS6.7軟件子系統“空間分析”模塊完成相關空間分析功能，具體步驟為：①空間分析→裝入相應點、區文件→②點空間分析→③另存為新生成的點文件（tjgc.wt） 。為了保證數字高程DEM數據對地形曲面的準確描述，根據實際情況調整柵格數據網格DX、DY間距，保證每個尾礦堆范圍內有一定數量的數字高程DEM數據。通過設置不同大小DX、DY間距，比較兩次高程統計結果大小，在統計結果無明顯變化時，選擇較大DX、DY間距。尾礦堆積前后分別對應一個空間曲面，為保證計算誤差，DX、DY間距設置相同。本步驟參數設置需多次嘗試性，選擇數據量最小者。

4 土方量估算

4.1 統計分析

利用MapGIS 輔助軟件Sec?tion2016導出點文件（tjgc.wt） 相關屬性內容，打開Section軟件，具體步驟為：①文件→裝入相應點文件（tjgc.wt） →②1輔助工具→③導入導出功能→④導出屬性數據（Excel） 。導出的Excel文件中包括ID、標注、高程、面積、周長、渣堆編號等多個屬性數據，以尾礦堆編號形成Excel單表格，并對每個表格統計計算平均高程。

4.2 土方量估算

赤城縣某金礦區內共有46個尾礦堆，按空間分布關系分別進行編號，在地形圖上圈定尾礦范圍并計算面積S，在尾礦堆積范圍內，利用前述計算方法分別計算堆積前地形圖平均高程H1和堆積后地形圖平均高程H2，體積由（H2-H1） ×S 計算可得，工作區尾礦土方量估算結果見表1所示。與傳統計算結果進行對比[5]，誤差大致為5％，相對較小，能滿足后續生產工作需要。

5 總結

基于MapGIS利用地形圖估算金礦尾礦土方量，主思路是通過矢量化和空間分析，生成數字高程DEM 數據；通過設置不同的DEM分辨率（柵格邊長），可以使估算結果達到穩定數值，進而可以在空間上利用離散化的數字高程對尾礦不規則曲面進行近似模擬，提取并統計尾礦堆積前后地形平均高程差，進而估算尾礦土方量。

在本次金礦土方量估算過程中，與傳統測量結果進行對比，本方法統計結果存在一定的誤差，主要受地形圖精度（不同比例尺）、地形圖矢量化（人為誤差）、數據轉換（坐標系統轉化）等因素影響，另外尾礦范圍圈定主要在室內地形上完成，缺少野外實地核實檢驗，也導致了估算結果誤差的存在。在采取相應的措施情況下，可保證估算精度進一步提高。

利用地形圖生成數字高程DEM數據并估算尾礦土方量的數學模型嚴謹合理，可以在最大程度上逼近地形表面，在選擇合適的DEM數據分辨率情況下，可保證較高的計算精度。計算方法方便實用，統計過程快捷，減少了大量圖件繪制工作，節約了成本。為礦渣砂石骨料利用和土地綜合整治提供專業數據支撐，在實際生產過程中具有一定的實用性。

參考文獻：

[1] 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，2008，3（4）：37-40.

[2] 吳信才，謝忠，吳亮，等.MapGIS地理信息系統[M].2版.北京：電子工業出版社，2015.

[3] 武漢中地信息工程有限公司，武漢中地時代軟件工程有限公司.MapGIS地理信息系統實用教程[M].北京：電子工業出版社，2002.

[4] 盛利，關欣，蔣婧，等.MapGIS在土地整理土方量計算中的應用：以湖南省祁東縣黃土鋪鎮軍民村為例[J].湖北農業科學，2010，49（12）：3185-3187.

[5] 谷振飛，鄧佳，燕云生，等.赤城縣炮梁鄉盛宇堆浸堆取樣分析報告[R].張家口：河北省地質礦產勘查開發局第三地質大隊，2023.

[6] 谷振飛，侯偉利.基于MapGIS利用地形圖制作坡度圖[J].電子世界，2021（3）：146-147.

【通聯編輯：李雅琪】