王東明 楊天鴻 薛鵬展 紀(jì)玉石 王雪峰 高 源

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西露天礦，遼寧撫順113001）

自20世紀(jì)60年代全球首個(gè)地理信息系統(tǒng)CGIS［1］問世至今，GIS的表現(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)了由最初的二維、二點(diǎn)五維向三維的轉(zhuǎn)變。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，各種形式的GIS應(yīng)運(yùn)而生，尤其是以網(wǎng)絡(luò)+GIS的方式即WebGIS成為地理信息系統(tǒng)的發(fā)展主流［2］。近年來(lái)，眾多學(xué)者將WebGIS應(yīng)用于智慧城市建設(shè)［3-6］、數(shù)字校園規(guī)劃［7-8］、城市交通管理［9-13］等眾多行業(yè)中。在礦山領(lǐng)域，基于GIS地圖實(shí)現(xiàn)了卡車調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)［14-15］；一些學(xué)者基于B/S架構(gòu)，開發(fā)了煤礦井下災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警GIS系統(tǒng)［16-17］；也有學(xué)者［18］構(gòu)建了模型化的三維GIS。綜上分析，前人已經(jīng)在GIS方面做了大量的研究，在很多領(lǐng)域GIS技術(shù)的應(yīng)用比較成熟，但在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用多為二維GIS可視化技術(shù)，建模數(shù)據(jù)來(lái)源單一、平臺(tái)束縛性較高，很難滿足用戶的共享需求，同時(shí)受精度影響很難滿足實(shí)時(shí)、高效以及流程化地進(jìn)行空間精細(xì)化測(cè)量。

本研究以撫順西露天礦為工程背景，基于B/S架構(gòu)，對(duì)SuperMapWeb端進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了撫順西露天礦WebGIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)隨時(shí)隨地多用戶共享；將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合，建立了“地下—地表—地上”多維度真三維精細(xì)化露天礦模型，并融合三維GIS空間分析能力，實(shí)現(xiàn)了不同治理方案施工周期以及回填方量的高效計(jì)算；同時(shí)將礦山巖性分區(qū)、滑坡區(qū)、地質(zhì)條件分區(qū)、水文地質(zhì)信息以及InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行融合，創(chuàng)建了多維度的多元信息集成化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山全方位的信息化監(jiān)測(cè)。

1 撫順西露天礦概況

1.1 地質(zhì)概況

撫順西露天礦位于渾河南岸，礦床埋藏在渾河沖積平原之下。礦區(qū)北部所處的構(gòu)造是郯廬大斷裂帶的北延部分，區(qū)域上地質(zhì)發(fā)育情況比較復(fù)雜，渾河斷裂在撫順市區(qū)以帶狀形態(tài)呈EW向分布，該斷裂帶由數(shù)條近平行的逆斷層組成，F(xiàn)1和F1A為兩條近平行的主干斷裂。煤系地層夾持在花崗片麻巖與火山巖之間的“凹槽”內(nèi)，沉積巖地層從早白堊世（1.35億年）到古近紀(jì)（老第三系，6 500～2 300萬(wàn)年）期間均有發(fā)育，均以軟弱巖層為主。西露天礦北幫為綠色泥巖和褐色頁(yè)巖互層形成的沉積巖，綠色泥巖隔水層單層厚度為1～10 m，30層左右，褐色頁(yè)巖透水層35～40層，厚度為0.3～2.0 m，互層之間形成泥化夾層，易發(fā)生蠕變剪切滑移。南幫整體出露的巖性以老虎臺(tái)組玄武巖為主，在坑底高陡邊坡位置可見栗子溝組凝灰?guī)r覆蓋在老虎臺(tái)組玄武巖之上，玄武巖為相對(duì)穩(wěn)定的巖體，其上的凝灰?guī)r相當(dāng)于一個(gè)軟弱層，在構(gòu)造、地下水等作用下，容易形成滑坡體，為潛在的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)（圖1）。

1.2 撫順西露天礦GIS系統(tǒng)特點(diǎn)

本研究以撫順西露天高陡邊坡防治、礦山多源信息融合以及三維可視化展示為主線進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)特點(diǎn)為：①將無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建多空間、真三維、高精度、高分辨率的礦山模型；②將三維GIS空間分析技術(shù)用到高精度數(shù)字高程模型DEM上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效以及流程化的地形土方量計(jì)算；③應(yīng)用GIS柵格數(shù)據(jù)的坡度坡向功能動(dòng)態(tài)瀏覽整個(gè)礦區(qū)邊坡參數(shù)，快速尋找危險(xiǎn)區(qū)；④將礦山地質(zhì)資料、滑坡區(qū)、力學(xué)計(jì)算、水文地質(zhì)信息以及InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行融合，構(gòu)建多維度的多元信息集成化平臺(tái)。

2 撫順西露天礦精細(xì)化模型構(gòu)建

本研究將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建撫順西露天礦精細(xì)化模型，共包括三部分，即地表三維數(shù)字模型、地上三維建筑集群模型、地下三維地質(zhì)體模型。

2.1 地表精細(xì)化模型構(gòu)建

通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取多角度影像，進(jìn)行幾何修正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、傾斜影像匹配后，利用Smart 3D軟件處理并獲取指定格式的地形和影像數(shù)據(jù)，精度達(dá)到0.1 m，如圖2所示。

2.2 地下三維地質(zhì)模型構(gòu)建

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以快速、高效、高精度、高分辨率地獲取目標(biāo)物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理、拼接、去噪后可實(shí)現(xiàn)三維物體表面快速建模。利用該技術(shù)獲取了撫順西露天礦地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在3D Mine軟件中生成數(shù)字地形模型DTM表面，再結(jié)合26幅地質(zhì)剖面圖、平面圖以及101個(gè)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)建模手段，利用Rhino軟件構(gòu)建的三維地質(zhì)模型如圖3所示。

2.3 周邊建筑物模型構(gòu)建

目前三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較多的軟件有3D StudioMax、Maya、Houdini以及Cinema 4D（簡(jiǎn)稱“C4D”）?？紤]到C4D軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本研究采用該款軟件構(gòu)建了撫順西露天礦周邊地表模型，如圖4所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能需求

明確系統(tǒng)功能需求是系統(tǒng)開發(fā)的起點(diǎn)，根據(jù)礦山實(shí)際需求，將系統(tǒng)功能共分為6大模塊，每個(gè)模塊又包含多個(gè)子功能，如圖5所示。

（1）安全訪問模塊。該模塊可為系統(tǒng)用戶提供登錄和注冊(cè)功能，在維護(hù)系統(tǒng)安全的同時(shí)記錄用戶的相關(guān)身份信息。

（2）三維可視化模塊。該模塊提供了鼠標(biāo)交互式、指定航線式、場(chǎng)景快速定位式3種漫游方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦區(qū)全局以及地下地質(zhì)體的瀏覽，便于施工人員從宏觀上掌握礦山地貌特征，減少施工誤差。

（3）空間分析模塊。該模塊是系統(tǒng)的核心部分，包含測(cè)量、邊坡坡度和坡向分析、復(fù)雜地形挖填方量計(jì)算以及三維地質(zhì)體剖切等功能。

（4）多源信息融合模塊。該模塊將撫順西露天礦多源信息進(jìn)行了集成和可視化展示，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的融合。該部分信息類型有地貌信息、水文信息、地質(zhì)信息、泵站信息、邊坡力學(xué)計(jì)算結(jié)果等。

（5）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊。該模塊能夠?qū)崟r(shí)傳輸和展示南幫邊坡變形雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是邊坡變形預(yù)警的基礎(chǔ)模塊。

（6）環(huán)境規(guī)劃模塊。該模塊可為植被種植以及基建選址夠提供一個(gè)虛擬三維場(chǎng)景，在可視化場(chǎng)景中進(jìn)行模擬實(shí)際規(guī)劃以及綠化過程，有助于減少現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)的不合理問題及由此造成的經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)模式進(jìn)行開發(fā)，在系統(tǒng)邏輯架構(gòu)上分為3層進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是顯示邏輯層、系統(tǒng)應(yīng)用邏輯層以及數(shù)據(jù)操作邏輯層，如圖6所示。

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)操作邏輯層主要用于操作和處理數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)需求可將系統(tǒng)數(shù)據(jù)劃分為人員管理信息數(shù)據(jù)、多源信息數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，又可分為空間數(shù)據(jù)以及非空間數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）。

應(yīng)用邏輯層是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要完成系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，本研究系統(tǒng)主要的業(yè)務(wù)邏輯可分為4個(gè)方面，即多源信息集成、三維可視化、空間分析以及人員管理。

顯示邏輯層是與用戶直接接觸的邏輯層，用于用戶界面顯示，分為系統(tǒng)登錄注冊(cè)頁(yè)面以及系統(tǒng)操作主界面。

3.3 GIS桌面平臺(tái)應(yīng)用

SuperMap iDesktop是桌面GIS應(yīng)用與開發(fā)平臺(tái)，用于GIS數(shù)據(jù)處理、分析、數(shù)據(jù)緩存等操作。該平臺(tái)的管理界面如圖7所示。通過桌面端可實(shí)現(xiàn)對(duì)二三維空間數(shù)據(jù)處理、地圖可視化表達(dá)、地圖專題表達(dá)、三維操作、空間分析等多種操作。

4 系統(tǒng)功能開發(fā)

4.1 漫游飛行

系統(tǒng)漫游飛行功能包含飛行漫游、特定建筑物塊快速定位、三維地質(zhì)體漫游等3項(xiàng)子功能。該模塊操作界面如8圖所示，可滿足用戶對(duì)地表三維模型的可視化體驗(yàn)。

4.2 坡度坡向分析

坡度坡向分析功能包含坡度分析以及坡向分析兩項(xiàng)子功能。按照分析的表現(xiàn)方式又可以分為局部邊坡分析以及全礦邊坡分析。分析模式可以分為僅坡度、僅坡向、坡度和坡向3種，如圖9所示。基于坡度坡向分析模塊，可以對(duì)礦山的坡度進(jìn)行整體分析，從而快速獲取礦區(qū)坡度危險(xiǎn)區(qū)。

選取全礦坡度分析模式，通過控制坡度值滑塊區(qū)間，可動(dòng)態(tài)分析出坡度大于30°的區(qū)域主要分布于北幫東區(qū)、北幫西區(qū)、南幫東區(qū)坑底附近。3個(gè)區(qū)域相比，北幫東區(qū)坡度更大，坡度大于30°的區(qū)域更廣，因而從坡度分析角度來(lái)看，北幫東區(qū)為潛在危險(xiǎn)區(qū)。

4.3 多源信息集成

系統(tǒng)集成了豐富的礦山資料信息，如礦山地質(zhì)資料、滑坡區(qū)、勘察信息、剖面信息、力學(xué)計(jì)算結(jié)果、水文地質(zhì)信息以及InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，并通過空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，對(duì)屬性信息進(jìn)行空間可視化展示，如圖10所示。

4.4 空間數(shù)據(jù)分析

基于體積分析模塊，可以快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的土方量計(jì)算，并預(yù)測(cè)施工周期。

在撫順西露天礦綜合治理方面，考慮到礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、水量較大、礦坑災(zāi)害多樣以及易發(fā)頻發(fā)等特點(diǎn)，本著安全、經(jīng)濟(jì)、宜用的設(shè)計(jì)原則，提出了初步設(shè)計(jì)方案，即“回填壓腳—蓄水成湖—局部削坡”相結(jié)合的綜合治理方案。礦坑-148 m標(biāo)高以下全部回填，在-14～-40 m標(biāo)高范圍內(nèi)采用3個(gè)臺(tái)階分段內(nèi)排。具體設(shè)計(jì)方案為：內(nèi)排邊坡角16°，單層臺(tái)階坡角30°，從標(biāo)高-148 m開始第1個(gè)和第2個(gè)臺(tái)階段高40 m，第3個(gè)臺(tái)階段高28 m，平盤寬度90 m。若后期需要削坡，可從-40 m以上進(jìn)行削坡，削坡范圍自E1000線以東區(qū)域，削坡角度16°。若后期進(jìn)行蓄水工作，按照初步方案設(shè)定從-148 m標(biāo)高到+50 m標(biāo)高進(jìn)行蓄水，如圖11所示。運(yùn)用GIS系統(tǒng)的體積分析功能計(jì)算出了該方案的土方量，并根據(jù)施工速度對(duì)工程施工周期進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果見表1。

4.5 量測(cè)分析

系統(tǒng)空間量測(cè)模塊包含距離測(cè)量、面積測(cè)量、高度測(cè)量3項(xiàng)子功能，如圖12所示。

距離測(cè)量功能不僅能夠測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的空間距離，還能夠測(cè)量多個(gè)點(diǎn)之間的距離（即連續(xù)測(cè)量）；面積測(cè)量指的是空間的面積測(cè)量；高度測(cè)量功能不僅能夠獲取空間兩點(diǎn)之間的高差，還能夠獲取測(cè)量點(diǎn)間的水平距離和空間距離。系統(tǒng)以數(shù)字化的方式進(jìn)行工程測(cè)量，可有效減少現(xiàn)場(chǎng)人力、物力投入。

4.6 剖切分析

系統(tǒng)三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)剖切功能，通過移動(dòng)功能面板裁剪盒長(zhǎng)度滑塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地質(zhì)體的連續(xù)切割，展現(xiàn)撫順西露天礦巖性的空間位置，如圖13所示。

5 結(jié)論

（1）將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、傳統(tǒng)建模技術(shù)與GIS可視化平臺(tái)相結(jié)合，基于B/S架構(gòu)，以Super-Map iServer服務(wù)器為開發(fā)平臺(tái)，建立了撫順西露天礦WebGIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)以礦山三維可視化為基礎(chǔ)，將礦區(qū)多源信息進(jìn)行集成，同時(shí)設(shè)計(jì)了安全訪問、漫游飛行、空間分析等多個(gè)功能模塊，使得系統(tǒng)的實(shí)用性增強(qiáng)，有效解決了礦山構(gòu)建“地下—地表—地上”真三維可視化場(chǎng)景的技術(shù)難題。

（3）基于系統(tǒng)坡度坡向分析模塊，得出危險(xiǎn)區(qū)域分布于北幫東區(qū)；基于體積分析模塊，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形的大范圍體積計(jì)算。

（4）充分發(fā)揮了GIS對(duì)空間的管理、處理、分析優(yōu)勢(shì)，解決了復(fù)雜地形不同標(biāo)高土方量計(jì)算難題，為精確計(jì)算撫順西露天礦回填充水綜合治理方案中的土方量提供了可靠依據(jù)。