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)以實現(xiàn)更為先進(jìn)的感知礦山和智能采礦，是實現(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兩項技術(shù)，實現(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實時定位功能以及GIS電子地圖實時更新卡車位置功能，實現(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，本項目根據(jù)烏山銅鉬礦的實際情況，建立一個包含工程地質(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)計坑底標(biāo)高為225～240 m，設(shè)計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?，F(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、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，才能實現(xiàn)導(dǎo)入到SuperMap中。在導(dǎo)入的同時需要輸入模型坐標(biāo)中心點所對應(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的顯示速度。

3.4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

SuperMap支持對整個工作空間的網(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)和實現(xiàn)。本系統(tǒng)構(gòu)建了5個模塊：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。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，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

測量功能可以實現(xiàn)距離測量、高度測量、面積測量。其中距離測量可以實現(xiàn)2點之間的距離測量和連續(xù)測量；高度測量不僅可以測量2點之間的垂直高度，還可以測量兩點之間的空間高度；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)間用一個漸變色表示，本次設(shè)計采用紅—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，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)要查看某一個剖面處的礦巖賦存狀態(tài)時，可在地質(zhì)模型上繪制一個裁剪盒，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)器上建立一個網(wǎng)站，就可實現(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。